Детерминизм эволюции жизни

Напрашивается связь - чем больше длина ДНК, тем больше в ней информации. Это не так! Это справедливо тогда, когда случайности независимые, не ограниченные условиями, чего нет в ДНК. В ней существуют в больших количества такие участки, которые в данных условиях не способны гетерокатализировать синтез белков. В ДНК, например эукариот, присутствуют до сотен тысяч повторов нуклеотидных последовательностей на уровне генов. В двойной спирали ДНК, как правило, работает только малая часть кодонов. В результате количество кодонов (и соответственно нуклеотидов) в ДНК (её длина) не определяет количества информации в ней. Условие для ДНК как источника и носителя информации в том, что её “молчащие” участки (не приводящие к завершённому синтезу белков), повторы в ней нуклеотидных последовательностей ограничивают неопределённость, выбор из которой создаёт количество информации. Опять тот же важнейший вопрос о независимости случайностей и условиях. Случайности в возникновении и эволюции жизни не есть независимые!

В том, что число нуклеотидов в ДНК ещё не определяет количества информации в ней, можно убедиться на основе рис. 4.4 [83], где показано число нулеотидов в ДНК разных форм жизни. Минимальное число нуклеотидов у вирусов. Вирусы вряд ли являются первичными формами жизни. Они нашли свою экологическую нишу на этапах эволюции вблизи тех, когда сформировались хотя бы прокариоты. Это самостоятельный вопрос и обсуждать вирусы не буду.

До 10 миллионов нуклеотидов в ДНК бактерий. Молекулы ДНК у бактерий кольцевые. В них работают все кодоны. Количество информации определяется числом вариантов их случайных перестановок. Ограничительные условия, хотя и есть, но минимальны. Однако в них входит физико-химическое ограничение длины замкнутого кольца ДНК. Кольцевые ДНК - тупик эволюции.

ДНК грибов содержат от 10 до 100 миллионов нуклеотидов. Но при эволюции жизни удлинение и усложнение их ДНК остановилось. Причины этого детально не исследовались, но ясно, что они в специфике их исходной ДНК - в грибах встречаются аминокислоты, которых нет у животных и растений. Они есть разброс вблизи вершины очень острого экстремума энтропии-информации. Поэтому грибы можно считать тупиком, замыкающим интервал между количествами в 10 и 100 миллионов нуклеотидов в ДНК (который отделяет кольцевые ДНК бактерий от двойной спирали растений и животных).

Организмы уровня растений и животных имеют своей основой эукариотическую клетку. Размеры их ДНК начинаются от количества в 100 миллионов нуклеотидов на одну ДНК. Эукариотическая клетка симбионт прокариотических клеток. Как органеллы в составе эукариотической клетки они выполняют ключевые функции, например, митохондрии есть поставщик энергии для метаболизма. Как прокариотическая клетка со своей ДНК митохондрии защищены от быстрой изменчивости большим количеством информации, отделяющим друг от друга бактерии. Не меньшую защиту им создаёт сложность внутриклеточной “экологической ниши”, которая отбраковывает мутации, выходящие за пределы рассмотренных в предыдущем параграфе порогов.

Рост числа нуклеотидов в ДНК высших форм жизни не означает сопоставимого с ним роста количества информации в их ДНК. Количество информации есть с обратным знаком количество устранённой неопределённости. Для того, чтобы её подсчитать, надо рассмотреть все возможные, совместимые с условиями, комбинации кодонов.

У бактерий не может быть “не работающих” комбинаций кодонов. Неопределённость для них приближённо может быть оценена как число независимых перестановок примерно между миллионом кодонов. Это непредставимо большое число. Конечно, такая постановка задачи для бактерий упрощенная. Условия существуют и для их геномов. Но они относительно слабые и неопределённость, из которой запоминание должно синтезировать информацию, всё равно останется огромной.

Именно поэтому, как всё время подчёркивалось выше и в [2] ? [11], количества информации, ответственной за бактерии, огромно. Это подтверждает как малое число видов бактерий по сравнению с количеством видов высших форм жизни, так и продолжение эволюции, несмотря на вызываемые ими болезни - изменчивость высших организмов происходит быстрее, чем изменчивость бактерий, что, вопреки инфекциям, сохраняет жизнь в её высших формах.

Переход от кольцевой ДНК к линейной двойной спирали в эукариотической клетке многоклеточного организма сопровождается десятикратным увеличением минимального числа кодонов в ДНК. Очень трудно при таких числах примириться с тем, что с их участием слабо увеличивается число возможных (ограниченных биологическими условиями) перестановок между ними (и тем самым количество информации в ДНК), ответственных собственно за высшие формы жизни - внутри их иерархических ступеней роста энтропии-информации.

Двойная спираль в условиях многоклеточного организма приводит к новым ещё более узким условиям. Внутри эукариотической клетки-симбионта, несмотря на принцип структурной комплементарности, действуют сложные условия для её метаболизма (по исходным и промежуточным продуктам). Многие участки ДНК не могут завершить гетерокатализ белка. Это задаёт следующий (по отношению к кольцевой ДНК) уровень иерархии энтропии-информации. На нём случайности при подсчётах неопределённости относится не ко всем возможным перестановкам кодонов в ДНК, а только к тому их небольшому числу, которое совместимо с метаболизмом органелл в эукариотической клетке и её самой в целом. Объектом для вычисления возможных перестановок становятся, как правило, крупные блоки ДНК типа генов и их изменений как целого.

В результате, например, у тритона 99,98% кодонов не работает. Даже, если исходить из потолка для высших форм жизни - 10¹¹ кодонов в ДНК - то у тритона для подсчёта возможных случайных перестановок останется всего 10⁷ элементов, то есть примерно столько же, как у бактерий. Как было пояснено выше, в отличие от бактерий, при подсчётах перестановок в ДНК высших форм жизни надо учитывать ограничения сосуществования ядерной ДНК со всеми органеллами клетки, поэтому неопределённость намного меньше.

Физико-химически двухзаходная спираль ДНК получила по отношению к кольцевой возможность удлинения не меньше, чем в 10000 раз. И (как видно из рис. 4.4) она использовала эту возможность. Но удлинение ДНК само по себе не есть рост количества информации в ДНК (в отличие от бактерий). Более того, достигнув у амфибий громадной длины ДНК при дальнейшей иерархической эволюции жизни сокращается в длине. Возникает, казалось бы, парадокс - птицы, а тем более млекопитающие, для своей реализации требуют б?льших количеств информации, чем самые сложные амфибии, а число кодонов в ДНК у них до 100 раз меньше возможного для амфибий максимума. Не только “молчащие” участки ДНК сокращают при этом количество случайностей. Не забывайте, что существуют повторы в огромных количествах одинаковых последовательностей нуклеотидов в ДНК. Их также необходимо исключать из подсчёта случайностей.

Разные последовательности кодонов и генов в ДНК энергетически равноправны. В результате возникают изощрённые процессы переноса больших участков ДНК, в частности, с помощью полового размножения. Это иерархически более старшая ступень, имеющая свои новые элементы, свои случайности для них, свои условия, ограничивающие случайности. Биологи даже вводят термин - позиционная информация, понимая под ним, что один и тот же ген может работать разным образом при разном положении в цепи ДНК.

Случайность при перестановках крупных комплексов в ДНК создаёт следующий уровень иерархии энтропии-информации. На нём, например, от количества повторов комплексов зависит интенсивность производства конкретных белков. Казалось бы, повторы не есть новая информация. Однако на уровне онтогенеза это не так. Рост организма в целом, дифференцировка его органов будут иными в функции от скорости синтеза конкретных белков в конкретном месте и времени. Этим управляет число повторов, а потому оно становится информацией как запомненным выбором из случайностей на следующих иерархических ступенях синтеза информации - об организме в целом, об его онтогенезе, о дифференцировке его органов.

Аналогично “молчащие” участки ДНК. На старших иерархических ступенях синтеза информации они при определённых условиях могут становиться работающими как комплексы. Это, например, превращения личинка - куколка - бабочка, которые подробно рассмотрены в главе V.

Перенос крупных комплексов ДНК исследован весьма подробно. На уровень практических биотехнологий вышли результаты участия в таком переносе плазмид, транспозонов, фагов, и многие другие. Трансдукция - перенос вирусами генетического материала между разными клетками - вводит, наряду с половым процессом, иерархически высокую случайность обмена крупными комплексами ДНК, проверенными на синтез информации на уровне клеток. Она делает возможным перенос информации между животными и растительными клетками, между прокариотами и эукариотами, обмен участками ДНК между половыми и соматическими клетками. Сегодня ясно, что возможны количественные отклонения от наследственных законов Менделя. Реально многие мутации находят свое выражение в формальном виде перемещения по геному неких подвижных элементов. Ясно, что сегодня нельзя сводить описание эволюции с участием случайностей в ДНК только к точечным мутациям и дарвиновскому отбору из них.

Ступень синтеза информации об организме в целом существует и неустранима. Канцерогенез есть отражение завершившегося размножением синтеза информации в ДНК, которая несовместима со старшими ступенями иерархии - синтезом информации об организме в целом.

Результаты и литература о таких процессах - огромны. Однако детализировать на их основе приведенные выше соображения не буду.

Важнейшее, что вносят в них [2] - [11] и эта работа:

энергетическое равноправие разных линейных конфигураций молекулы ДНК есть причина иерархичности в ней синтеза информации;

длина или масса ДНК не есть напрямую мера содержащейся в ней информации;

случайности в эволюции ДНК и информация в ДНК многоступенчато иерархичны и на старших ступенях оперируют “осмысленными” комплексами.

В подтверждение этого даже только рис. 4.4 весьма красноречив. Огромные избыточные количества кодонов при переходе к высшим формах жизни (рис. 4.4, например, у амфибий), неизбежно должны включать в себя самые разнообразные химерные молекулы конкретных ДНК. Среди них есть в ощутимых количествах (а не как невероятно малая случайность) такие химеры, которые могут существовать и даже воспроизводиться. Но подавляющее большинство из них неустойчивы - в процессе самовоспроизведения видоизменяются.

Вполне возможно (с элементом небольшой гротескности), что даже внутри кого-то из нас существуют химерные молекулы ДНК, гибридизирующие верблюда и муху одновременно. Но узнать об этом мы не можем - нет условий для гетерокатализа, реализующего такого монстра. Однако существует хотя бы один подобный монстр как таксономическая градация, содержащая сотни тысяч видов. Это насекомые. Как видно из рис. 4.4, внутри ответственной за них таксономической градации количество кодонов в ДНК может отличаться почти в 100 раз. И это нашло вполне реального гибридизированного в ДНК, хоть и не старшего таксономически верблюда, но крупную предшествующую таксономическую градацию, сосуществование которой с насекомым в одном геноме есть условие реализации десятков и сотен тысяч их конкретных видов. Это уже упоминавшаяся цепочка размножения: яйцо - куколка - бабочка. Она заслуживает подробного пояснения, которое будет дано в следующей главе. Другой пример - кит как “таксономическая корова”. Это предметы для реальных исследований и результатов.

Гротескная избыточная случайность без “цели”, но при жёстких ограничениях условий - это есть основное для ДНК как молекулы. Огромный диапазон случайностей и избыточности в ДНК имеет конкретную физико-химическую причину - ДНК есть класс молекул, для которых разные последовательности кодонов энергетически равноправны. Это важнейшая её особенность как источника и носителя информации.

Что значит ? прочитать генетическую информацию?

Рассмотренные в предыдущем параграфе вопросы требуют более подробного анализа понятия - чтение генетической информации.

Понятие обычного чтения имеет смысл по отношению к уже синтезированной информации. Оно означает, что существует предварительно запомненный случайный выбор, устанавливающий связь между буквами и звуками, между словами и реальными объектами, включая их взаимодействия между собой.

Обязательное участие случайностей в синтезе информации приводит к тому, что алфавиты при сопоставлении символов и звуков и словари при сопоставлении слов и объектов неоднозначны. В зависимости от конкретного контекста одни и те же буквы могут отвечать разным звукам, а одинаковые слова - разным объектам, и наоборот. Как отмечалось в параграфе 8 главы II, это же характерно и для генетического кода.

Синтез информации при обычном чтении задан разумом человека. Но в этом участвуют особенности его органов чувств, двигательных систем, физиологии организма и, главное, взаимодействия организма и его окружения. В языках всех времён и народов есть общее в формировании первичных инстинктивных звуков ребёнка, глаголов и существительных. Без этого написать и прочесть книгу человек не смог бы при всём всесилии своего разума. Как было показано в предыдущем параграфе, и это есть характерная особенность генетического кода.

Прочесть текст - это означает восстановить из цепочки синтеза информации - Случайности - Условия - Запоминание - только последнее её звено. Но этим чтение исчерпано быть не может. Это показывает современный компьютерный перевод текстов, который по объёму словарей часто выше любого переводчика, но смысл текста передать может не всегда. Причина в том, что запоминание и его обращение в виде чтения обязательно сопровождается процессами синтеза информации (типа Sk,s на рис. 1.7), которые прямыми сопоставлениями со словарями не исчерпываются - обязательно в этом должен участвовать весь контекст.

Прочесть генетическую информацию так же, как и при человеческом чтении, означает повторить последний этап в цепочке синтеза информации. Для генетической информации такое повторение есть реальный физико-химический процесс. Его повторение при генетическом чтении возможно в узких строго определённых условиях, в частности, в присутствии конкретных продуктов, поступающих в заданное время и в определённых пространственных местах. В сложных организмах в таких процессах участвуют и старшие ступени иерархии синтеза информации (по отношению к данной). Любой сбой в этом исключает воспроизведение запомненного - чтение информации.

Энтропия-информация, составляющая запомненную генетическую информацию, есть иерархическая переменная, описываемая рядом (1.29) из главы I. Например, человек как биологический вид k = n уровня иерархии энтропии-информации, относится к последним членам в составе ряда (1.29). Количество информации, описывающее его отличия от предыдущей (n - 1) ступени иерархии, меньше, чем количество информации, описывающей иерархические различия форм жизни двухмиллиардолетней палеонтологической давности. Казалось бы, малые количества информации, необходимые для воспроизведения человека, прочесть легко. Но в основе ряда (1.29) лежит забывание системой предистории. По отношению к генетической информации оно содержит специфику.

Человеку безразлично как и когда образовались клетки, из которых он состоит, и как запоминались законы их взаимодействий. Если задать все типы клеток, составляющих человека, и законы их взаимодействий, то воспроизвести человека было бы нетрудно. Но получить информацию об этих клетках и законах можно, если воспроизвести в виде физико-химических процессов этапы синтеза информации, происходившие на предыдущей (n - 1) ступени иерархии энтропии-информации в ряде (1.29).

Исходные элементы и на этом уровне энтропии-информации забыли свою предисторию. Узнать их свойства можно в том случае, если воспроизвести (n - 2) ступень синтеза информации. И так далее. Поясню на примере ранних стадий онтогенеза тритона.

Взрослого тритона характеризует область на k-той плоскости синтеза информации (рис. 4.5). Онтогенез тритона начинается от зародышевой эукариотической клетки, содержащей конкретную ДНК тритона - генетическую информацию о взрослом организме. Она принадлежит иерархической плоскости (k - m) синтеза информации (рис. 4.5). Органеллы этой клетки, её метаболизм возникли на основе её предистории. Но конкретно для тритона всё это забыто - его зародышевая клетка может стать основой взрослого организма, не вспоминая явно про свою предисторию как клетки. Единственное в чём предистория проявляется - условия, в которых может существовать и развиваться эта зародышевая клетка. Подобное сочетание забывания и памяти характерно и в процессе развития взрослого организма на всех этапах чтения генетической информации, содержащейся в ДНК этой клетки.

В зародыше тритона (среди многих других) существует участок - презумптивный глаз. При нормальном развитии из него вырастает глаз тритона. Этот участок можно хирургически вырезать на разных стадиях его развития и пересадить в другое место растущего организма также на разных стадиях его развития. Результаты таких реальных опытов дают разные пути развития презумптивного глаза:

существует граница развития во времени, ниже которой пересадка презумптивного глаза в организм, ушедший в развитии вперёд, будет давать результат, зависящий от места, куда произведена пересадка: на голове хозяина вырастет из него глаз или мозг, в других местах вырастут органы, которые им соответствуют при нормальном развитии;

выше этой границы, когда презумптивный глаз получил признаки дифференцировки как глаз (хотя бы начальные), он в любом месте организма будет продолжать расти до состояния глаза.

Обычно (см., например, обзор [95]) это трактуют в терминах ценности и незаменимости информации, перенесенных в процессы биологии из теории информации (как науки о передаче человеческих сообщений). Цели эволюции жизни нет, а потому обсуждать такие трактовки смысла не имеет. Реальная “цель” эволюции жизни - рост энтропии-информации, ограниченный условиями. Чтение генетической информации можно и нужно обсуждать в терминах иерархических плоскостей синтеза информации, а строгий смысл ценности и незаменимости информации был дан в параграфе 12 главы I.

На иерархическом шаге синтеза энтропии-информации реализуется ступень зародышевых клеток земноводных . Частный объект этой плоскости - зародышевая клетка тритона, взрослый организм которого принадлежит плоскости (рис. 4.5).

Объекты плоскости в виде зародышевых клеток генетически способны к самоорганизации, описываемой функциональными связями в следующей иерархической плоскости . Филогенетически это есть плоскость простейших многоклеточных организмов, у которых ещё нет выраженной дифференцировки органов.

В процессе онтогенеза тритона идёт рост клеток в пределах функциональных связей, условий и законов (рис. 1.2) этой плоскости. Если хирургически изъять клетку тогда, когда её развитие отвечает этому уровню иерархии, и пересадить её даже в более “взрослый” организм - она продолжает размножаться в соответствии с законами своей ступени иерархии. Главное отличие этой ступени в том, что на ней не прочитаны ещё команды необратимой специализации клеток. Филогенетически на этой плоскости их и не было в геномах клеток.

Однако ДНК тритона более сложная, чем филогенетически была когда-то у простейших многоклеточных организмов. Это выражается тем, что в процессе роста зародышевых клеток их разное расположение в зародыше (разная “экология”) дифференцирует их развитие. В результате продукты, гетерокатализируемые ДНК, становятся разными в пространственно разных группах клеток. Это внутреннее необратимое изменение первичных клеток, сохраняющих тождественные ДНК. Оно увеличивает номер иерархической ступени синтеза информации.

Генетически та же самая клетка становится иной морфологически. Она теперь принадлежит иерархической плоскости синтеза информации . Хирургическая пересадка происходит по отношению к клеткам другого уровня иерархии синтеза энтропии-информации. У них всё та же тождественная ДНК, но иной класс гетерокатализируемых ею реакций. Они согласованы с имеющимися в организме и необходимыми для них продуктами и удалением отходов. Но конкретные реакции с участием этих продуктов уже не могут быть столь универсальны, как на предыдущем уровне иерархии. Высота старших ступеней иерархии меньше. Необратимое изменение зародышевых клеток отражено тем, что хирургическая пересадка их в любое место организма тритона даст результатом рост глаза как дифференцированного органа.

Системе безразлично её прошлое, но оно сохраняет свое значение в виде конкретных условий, гарантирующих как тождественность, так и несопоставимое различие результатов. В таком чтении генетической информации последовательно участвуют многие плоскости (рис. 4.5) синтеза информации, число которых есть .

Прочесть генетическую информацию нельзя без учёта информации о предыдущих плоскостях, которая необходима для чтения информации в плоскости k. Свойства объектов на любом k-ом уровне иерархии неустранимо зависят от информации , определяющей положение этой плоскости на оси J. Это информация об адиабатических инвариантах задачи. Её определяет принцип максимума производства энтропии. Она должна быть долговременно запомненной. Именно она и есть генетическая информация.

На каждом уровне иерархии энтропия-информация содержит составляющие I_k, iS_k,s, связанные между собой функциональными зависимостями в плоскости функций комплексного переменного . Информация S_k,s приближённо определяется процессами cамоорганизации рис. 1.2. Она не входит в состав генетической информации как специализированные кодоны, но без участия генетической информации возникнуть не может - факт принадлежности данной ДНК плоскости J_k задаёт внешне наблюдаемые свойства ДНК и происходящие с её помощью гетерокаталитические реакции и процессы. Информация S_k,s возникает как результат самоорганизации (критерии рис. 1.2) элементов, свойства которых задаёт S_k,g.

Информация I_k семантическая. Связанные с ней изменения энергии взаимодействий напрямую в ДНК (как результат выбора из случайностей) “не записаны” - они относятся к условиям. Однако проигнорировать условия нельзя - ничего читаться не будет или прочтённое будет несопоставимым с “записью”. Поэтому для чтения генетической информации предыдущие уровни синтеза информации необходимы, но на уровне иерархии k вся плоскость (k - 1) не нужна. Достаточны воспроизведение J_k и частные случаи связи переменных и .

Ряд (1.29) для любой формы жизни запомнен в конкретном виде как целое. Поэтому для плоскостей синтеза информации (k - m) и далее до плоскости k тритона в целом процессы в любой плоскости зависят не только от предыдущих, но и от последующих плоскостей синтеза информации - от продуктов, производимых под контролем гетерокатализа по их законам. Они могут включаться тогда, когда онтогенез дошёл до соответствующих старших ступеней иерархии. Это изображено связями на рис. 4.5, описывающем хирургические пересадки у тритона.

Физико-химический характер чтения генетической информации задаёт единственный способ его реализации - поместить ДНК_k конкретного вида живого на уровне иерархии k в среду, содержащую объекты и продукты уровня иерархии (k - m), и так далее вверх. Создать их в комплексе может последовательное функционирование запомненной ДНК_k.

Поэтому неустранимо чтение генетической информации есть повторение синтеза генетической информации путём воспроизведения характерных объектов, то есть путём последовательной иерархической работы участков ДНК, которые отражают переход по ступеням иерархии энтропии-инфорамции на основе принципа максимума производства энтропии. Именно это и происходит реально, когда онтогенез индивидуального организма повторяет ключевые этапы филогенеза - синтеза информации на основе принципа максимума производства энтропии - которые были в предистории его как биологического вида. Закон повторения филогенеза в процессе онтогенеза был известен ещё Дарвину.

Реальность всех форм жизни заключается в том, что тождественно одна и та же ДНК может управлять гетерокатализом, создающим клетки, которые морфологически и функционально разные в одном и том же организме (пример зародыша тритона был дан выше). В одной и той же ДНК не только содержится избыточность её участков (проверенных отбором на завершённость гетерокатализа и способность к самовоспроизведению), но эти участки могут по сигналам метаболизма включать или выключать свою активность в гетерокатализе.

Гетерокатализ есть физико-химический процесс. Наиболее простой сигнал управления для него есть присутствие или отсутствие конкретных продуктов. Они могут поставляться извне (независимо от процессов в данной клетке, в том числе, за счёт работы других клеток) или синтезироваться с участием ДНК в самой клетке.

Следующий по сложности сигнал управления для ДНК формируют механические воздействия на неё ? давление, растяжение или сжатие.

Жизнь существует в атмосфере практически при постоянном давлении. С некоторыми оговорками это справедливо и для водных организмов. Поэтому общепринято рассматривать живые системы как изобарические. Это неверно, так как существуют механические напряжения и деформации. Как составляющие энергии в термодинамических потенциалах (см. главу VI) они эквивалентны с внешним давлением ? атмосферное давление может быть строго постоянным, а механические процессы в клетке и её окружении могут вызывать напряжения и деформации, исключающие возможность считать её изобарической.

Молекула ДНК, существование которой в данном виде (как и любой молекулы) определяет минимум свободной энергии, отличается от большнства других молекул тем, что этот минимум одинаков при разных последовательностях в ней кодонов (нуклеотидов). Продольная жёсткость молекулы ДНК не постоянна по её длине, тем более, что она пространственно сложно перевита сама с собой. В таких условиях малый вклад механической энергии деформации клетки, передаваемой ДНК, может нарушать энергетическое равноправие участков ДНК (кодонов, генов), то есть служить управляющим сигналом для начала или остановки гетерокатализа в определённых участках ДНК. Механические пространственные ограничения в процессе роста клеток и их колоний ? одни из самых частых и сильных условий, налагаемых на клетки в многоклеточном организме. Достоверно экспериментально установлено, что в ДНК содержатся механизмы, преобразующие механические воздействия в остановку или изменение пути гетерокатализа.

Электростатические поля есть решающее в формообразовании, например, нервных клеток (см. главу VII).

Внешние магнитные поля, воздействующие на всё живое (например, магнитное поле Земли и поля обиходных технических устройств), малы. Однако вклад столь слабых полей в кинетику химических реакций есть признанный научный факт [96]. Это значит, что они могут быть в организме управляющими воздействиями, в частности, для ДНК. Достоверных исследований в этом направлении практически нет.

Обязательно должно проявляться биохимически действие электромагнитных полей сугубо конкретных дискретных частот относительно малого уровня мощности и малой величины кванта энергии (например, на верхней границе радиолокационного диапазона и немного выше).

Факт, что процессы гетерокатализа с участием ДНК сильно зависят от внешних условий как в классическом физико-химическом и механическом виде, так и экзотически. Наиболее распространённые и действенные сигналы, переключающие гетерокатализ от одних участков ДНК к другим, преимущественно химические. Их вырабатывает сама ДНК в виде изменений внешней среды за счёт продуктов гетерокатализа.

В этом участвуют вещества, поступающие от других клеток или из внешней среды в окружение конкретных групп клеток. Если эти вещества изменяются по отношению к тем, которые определяют онтогенез данного индивидуума, то он при тождественно той же самой ДНК сформируется иным. Если это изменение при онтогенезе есть систематически воспроизводимый результат (может быть запомнен выживанием выживающих), то организм приобретёт другие, в том числе и внешние признаки. Например, хорошо известно влияние на формирование человеческого плода лекарственных препаратов, никотина, алкоголя, наркотиков и других факторов, если они действуют в процессе беременности.

В этом возникают принципиально разные пути. Приём лекарства есть чисто внешний фактор. При его действии феноменологически другой организм из той же ДНК будет вырастать пока это лекарство действует. Однако аналогичное воздействие может стать постоянным необратимым фактором внешней среды на протяжении поколений. Организмы, выжившие в новых условиях, будут иметь ДНК, тождественную со старыми организмами, но внешние признаки их будут другими. Возможен парадокс - генетически закреплённое действие внешних факторов, которое не сопровождатся изменением ДНК - “изменение генетической информации” может произойти без фактического изменения ДНК. В чистом виде это не наблюдается, так как такой вариант изменчивости (если он возник) будет оптимизироваться за счёт мутаций и реального изменения ДНК. Преимущественным является принципиально иной путь, когда внешняя среда необратимо переключает процессы в ДНК. Он высоко вероятен потому, что любой вид жизни есть отображение равновесий, в которых участвуют экстремумы энтропии-информации и её производства. Подробнее об этом в параграфе 4 и в главе V.

В ДНК содержится избыточность неработающих кодонов, которые не есть информация. Одноразовое изменение внешних условий может оказаться столь специфичным, что заработали “молчавшие” ранее кодоны. Это означает, что завершается гетерокатализ на основе этих кодонов (ранее не завершённый). В этом дополнительно могут играть роль и мутации. Продукты такого изменённого гетерокатализа становятся новыми условиями гетерокатализа для старых “информационных” кодонов. ДНК становится новой за счёт включения в работу давно существующих в ней “старых” участков. Опять случайные изменения этого рода преобразуются в дальнейшем выживанием выживающих, которое преобретает внешние признаки оптимизирующего отбора. Почти одинаковая ДНК в таких условиях может стать носителем информации о другой форме или даже другом виде организма, которая будет совершенствоваться дальнейшим отбором. Пример - шимпанзе и человек. Целенаправленных (с такой точки зрения) сравнений организмов и их ДНК почти нет.

Малые изменения ДНК наблюдаемы, если они приводят к размножению клеток. Однако в сложном организме размножение какого-либо одного вида клеток ещё не есть факт синтеза информации о новом изменённом организме в целом - новые клетки должны быть совместимы с метаболизмом и выживанием всего организма. Естественно, что случайности сами по себе не могут обеспечить такую “целесообразность”. Наиболее вероятный результат - несовместимость новой клетки и организма. Это и есть онкогенез. Канцерогены есть вещества, изменяющие гетерокатализ в ДНК (как правило, с участием мутаций). Однако бесспорно, что в этом участвуют и стабилизирующие условия. Ведь частота возникновения в здоровых организмах единичных раковых клеток на порядки больше частоты роста из них злокачественных опухолей.

Клонирование как чтение ДНК и её чтение “по буквам”

Итог предыдущего в том, что повторение предистории перехода по ступеням иерархии энтропии-информации - это есть процесс чтения генетической информации. Чтение генетической информации основано на двух парадоксах.

Первый из них в том, что свойства объектов и процессов проявляются в условиях, когда ДНК забыла свою предисторию, но воспроизвести эти объекты и процессы можно в том случае, если повторить характерные в предистории этапы синтеза информации в этой ДНК. Они связаны с переходами на следующие иерархические ступени.

Онтогенез не может и не должен повторять всё в предистории - он повторяет решающие скачки синтеза новых адиабатических инвариантов - генетической информации - но не вообще, а в одной из конкретных форм их реализации в прошлом. В какой именно? - Зависит от многих подробностей. Важнейшие из них феноменологически исследованы настолько, что осуществимы задачи типа по ДНК соматической клетки с помощью условий реальной яйцеклетки вырастить новый генетически тождественный организм (клонирование). Реальны задачи вырастить подобным образом отдельные органы этого организма (эти задачи рекламируются как разрешение проблемы банка иммунологически совместимых органов для их хирургической пересадки).

Тут вступает в действие второй парадокс. Генетическая информация задаёт положение плоскости на оси адиабатических инвариантов. Однако конечный результат (как биологический вид или конкретная особь) зависит от неизбежной “толщины” плоскости (пояснённой ранее) и от процессов самоорганизации на основе критериев вида рис. 1.2, которые могут давать самые разные наблюдаемые результаты даже, если пренебречь “толщиной” генетически заданной плоскости . Подчеркну. Генетически заданы свойства элементов живой системы как объектов в плоскости Однако самоорганизация на основе этих элементов в виде процессов и сложных объектов (с помощью критериев синтеза информации рис. 1.2) в зависимости от условий может давать разные результаты. Такая самоорганизация - это и есть процессы в самой плоскости заданной генетической информации .

Поясню примером. В случае газа просты “генетические” свойства элементов системы - “бильярдных шаров”. Однако критерии самоорганизации даже для таких примитивных элементов системы дают огромный диапазон несопоставимых, например, погодных, климатических, технических процессов и объектов. Подчеркну - всё это многообразие результатов основано на тождественных элементах системы. Это же, но в более сложной форме характерно для жизни - генетическая тождественность ДНК не гарантирует тождественности объектов и процессов, основанных на элементах, содержащих эту ДНК.

Кювье утверждал (и доказывал это результатами), что может по одной кости восстановить внешнюю форму давно вымершего вида жизни. Это возможно потому, что генетически заданная общность видов есть реальность. Но разным костям при этом отвечает и разная форма организмов. В этом существенная роль принадлежит возникающим за счёт самоорганизации крупным различиям как ответе на малые изменения условий и ДНК. Кювье понимал в наглядном выражении возможные комплексы ограничительных условий и их следствий, выбор из которых он мог сделать по единственной детали всего организма. У него не было ни понятия о ДНК, ни о синтезе информации в ней. Но результат получался правильный потому, что он производил синтез информации (хотя и на основе воображения). Это были результаты, полученные по принципам, аналогичным реальному генетическому чтению (см. главу X).

ДНК как носитель генетической информации не имеет даже косвенного сходства с магнитофонной лентой. Прочесть генетическую информацию - это означает воспроизвести в индивидууме основные этапы филогенеза для вида, к которому он принадлежит. Но “магнитофонной однозначности” в этом нет - “разные магнитофоны” будут “проигрывать” одни и те же тождественно куски генетической информации в виде, который может быть несопоставим по внешним наблюдаемым признакам. Это не “помехи и искажения звука” - это несопоставимо разные “осмысленные песни”, которые читают разные “магнитофоны” с одной и той же “плёнки”.

Единственно возможный “магнитофон” для однозначного чтения генетической информации - это есть тот комплекс веществ и условий, которые создали конкретные “тупики равновесия”, равновесно законсервировавшиеся с помощью ДНК как молекулы. Эти молекулы есть элементы системы. Процессы самоорганизации, заданные свойствами этих элементов и конкретно реализованные на основе критериев рис. 1.2, а также критерия принципа максимума производства энтропии, приводят к прочтению генетической информации в виде нового индивидуума.

Например, для ДНК млекопитающих комплекс веществ и условий, образующих “магнитофон”, содержится в женской яйцеклетке. Продолжает его - развитие яйцеклетки в матке так же в определённых условиях. Заданность генетической информации в том, что в тождественных внешних условиях всю цепочку синтеза внутренних условий от яйцеклетки до рождения и далее роста взрослого организма обеспечивает гетерокатализ на основе свойств ДНК. В этом смысл понятия о генетической информации и её чтении.

Генетическая информация объективно существует в любой клетке организма. Можно прочесть генетическую информацию, содержащуюся в произвольной соматической клетке индивидуума, взятой от произвольного органа. Однако результат возможен и однозначно воспроизводим только в том случае, если в “магнитофоне” - яйцеклетке представителя этого же биологического вида - заменить её ДНК на ДНК, информация в которой подлежит прочтению, и дать этой яйцеклетке нормально расти в матке. Факт завершённого роста нового индивидуума из такой яйцеклетки и есть прочтение генетической информации. Сегодня такой способ чтения генетической информации (клонирование) есть осуществленная реальность, а рождённая таким способом овца Долли и её потомство, несомненно, войдёт в число самых больших знаменитостей ХХ века.

Однако надо подчеркнуть ещё раз, что тождественность ДНК при клонировании не гарантирует тождественности особей, полученных путём клонирования - должны ещё воспроизводиться тождественно условия роста и превращений клонированной яйцеклетки.

Например, тождественность ДНК может обеспечить одинаковую интенсивность метаболизма, в частности, высокую, препятствующую ожирению. Однако количество исходных жировых клеток в организме зависит не только от ДНК, но и от калорийности питания в период образования основ этих клеток или от гормональных патологических нарушений во взрослом организме. Одинаковая ДНК не гарантирует одинаковые жировые отложения генетических тождественных организмов.

Рост мозга зависит от продукции мужских половых гормонов (андрогенов) в период его формирования в утробе и в первые периоды роста детёнышей после рождения. Эти условия могут быть различными для родителя и клонированной из него особи. В результате одинаковая ДНК не гарантирует тождественность размеров и работы мозга особей. Клонирование не есть способ воспроизводства “Нобелевских лауреатов”.

Пока ещё количество клонированных особей мало. На первом месте стоят вопросы биотехнологии самого процесса клонирования. До исследований отличий особей, индуцированных условиями роста плода и детёныша (имеющих тождественную ДНК), дело не дошло. Подобно тому, как одна и та же книга разными людьми прочитывается и воспринимается различно, тождественность ДНК есть только необходимое условие тождественности особей. Но оно одно - не достаточно.

Поэтому претензии некоторых личностей клонировать самих себя должны содержать не только гарантии тождественности биологических условий роста клонированного потомка, но и тождественности воспитания, образования, экономического уровня после рождения. Поскольку новые поколения всегда живут в новой бытовой, технической, социальной, воспитательной, экономической среде, то вероятность того, что клонированные генералы воспроизведут банду уголовников, а Нобелевские лауреаты - нудных бухгалтеров или маниловых, близка к единице. Хотя генетические отличия, влияющие на рост мозга, у них сохранятся.

Информация об организме это есть одновременно. Клонирование гарантирует тождественное сохранение только информации - генетическая информация об адиабатичнских инвариантах сохраняется при клонировании. В процессе формирования организма из яйцеклетки она определяет свойства элементов живой системы. Организм и его свойства возникают в процессах самоорганизации элементов системы. Информация о них есть . Эта информация будет различной в зависимости от условий, в которых действует информация . Клонирование само по себе не гарантирует тождественности особи, из соматической клетки которых взята ДНК, и новой особи, выращенной на основе этой ДНК. Особи-родители и особи-дети, имеющие тождественные ДНК, не обязательно будут тождественны по внешним признакам. Дополнительно должны быть тождественны условия роста их организмов от самых первых делений зародышевой клетки.

Кстати, “клонирование” и внешне несопоставимые особи как его результат есть реальность существующих форм жизни. Пример - насекомые. У многих видов муравьев самка получает от самца запас семени на всю жизнь и на тысячи особей, которых она воспроизводит (составляющих данный муравейник). Поэтому сообщество муравейника состоит из генетически тождественных особей - “клонированных”. Однако за счёт регулировок разным питанием особей-личинок при тождественно одной и той же генетической информации в муравейнике вырастают морфологически несопоставимые особи: единичные самки, которые во взрослом виде не способны самостоятельно питаться и передвигаться; самцы-оплодотворители, внешне отличающиеся от прочих муравьёв наличием крыльев; “воины”, охраняющие муравейни и отличные по внешнему виду от основной составляющей муравейника - “рабочих” особей.

Морфологически разные особи реально (как важнейшая особенность многих видов), вырастают с участием отрезков тождественной информации в ДНК. Они есть несопоставимо разные результаты, полученные с участием “клонирования”. Одна и та же самка, один и тот же самец, единственный за всю историю муравейника акт оплодотворения - результат есть особи, которые морфологически другие. В условиях ограничений объёма организма возможна дифференцировка не органов внутри него, а особей как выражения с помощью них разных функций разных органов. Муравейник или улей - это есть по генетическим принципам единый организм. Дифференцировка органов в организме для муравейника или улья дополняется следующей ступенью иерархии - дифференцировкой особей как иерархического эквивалента “органов”.

Кроме описанного выше способа чтения генетической информации, который реализует природа, существует и её чтение человеком как исследователем на основе принципов лингвистики.

С участием физико-химических причин РНК и ДНК образованы всего из пяти нуклеотидов. При этом в образовании ДНК растений и животных участвует только четыре из них. Это позволяет сопоставить ДНК алфавит, аналогичный классическому человеческому: существуют однозначные связи, главная из которых в том, что тройка нуклеотидов - кодон - управляет синтезом одной аминокислоты (универсально во всех видах жизни от вирусов до человека). Существуют хорошо изученные “словарные, орфографические и синтаксические” закономерности, например, один ген кодирует один белок-фермент. Об этом известно много детальных подробностей, связанных с ролью рибосом, информационных и транспортных РНК, многих других интересных и важных посредников и процессов. Такое чтение даёт последовательности букв в прямом смысле. Сложнейшие механизмы и результаты работы этих букв возникают на основе общих принципов синтеза информации, которые были рассмотрены выше. Они дополнительные к процессу чтения. Как в детском саду. Мало, чтобы ребёнок произнёс буквы и даже сложил их в слова - нужен опыт всей его последующей жизни, чтобы понимать их смысл.

В Австралии есть племя аборигенов, в котором принят ритуал. Вождь племени берёт в руки специальную палочку с зарубками. Он кладёт палец на одну из них и долго рассказывает одну легенду. На другую - иное. Он читает по зарубкам на палочке, но в самих зарубках нет и не может быть ни в какой форме того, что он читает.

Эта аналогия почти точно воспроизведена в методе чтения ДНК в терминах специфических букв и слов. Упрощенно напомню его существо. ДНК обрабатывают ферментами - рестриктазами, которые специфическим образом расщепляют её на фрагменты. С помощью электрофореза их сортируют по размерам. Получаются пространственно разделённые полоски. Для того, чтобы их визуализировать методом авторадиографии, применяют инкубацию с веществами, которые метят радиоактивным изотопом фосфора ³²Р. В результате на фотоплёнке остаются тёмные полоски, схематизированно показанные на рис. 4.6. Три столбика слева такое прочтение части ДНК для трёх разных людей. Два столбика справа - ДНК одного и того же индивидуума, но из разных его органов.

Видно, что картина полосок отражает индивидуальность особи, но не зависит от происхождения анализируемой ДНК в одном и том же организме. Естественно, что одним из первых применений этого метода стала идентификация личностей и установление родства, так как совпадают положения части полосок для близких родственников.

Как и в случае ритуальной палочки аборигенов, в самих этих полосках генетической информации нет. Её восстанавливает исследователь, “положив палец” на соответствующую полоску. Поэтому расшифровка геномов таким способом есть “каталожные адреса”, пояснения к которым должны быть получены иными методами.

Это направление дало огромные результаты. В них сразу вышла на первый план неоднозначность ДНК как носителя информации. Оказалось, что в одном участке ДНК могут существовать два разных гена. До этого считалось незыблемым, что гены расположены последовательной цепочкой друг за другом в порядке их работы. В переносе информации с помощью РНК обнаружились расхождения с принятыми последовательностями их взаимодействий с ДНК. Расшифрован геном бактерии E. coli. Подробно исследован за 15 лет геном нематоды Сeanorhabiditis elegans, который состоит из 97 миллионов “букв”. Начата программа исследования генома человека. Однако неизбежно возникновение тех же проблем, что и при компьютерном переводе человеческих текстов с одного языка на другой.

“Полоски” типа рис. 4.6 говорят, что в природе нет генетического кода как “магнитофонной ленты”. Картину рис. 4.6 создают крупные “обломки” ДНК. Результат - практически нет двух людей на всей Земле, у которых ДНК одинаковы даже на столь грубом уровне (естественно, кроме однояйцевых близнецов). Индивидуальность, неповторимость людей существует. Но она сочетается с “тождественностью всех” (словами И. Эренбурга), которая в отдельных группах людей высока. Только случайности могут обеспечить такое парадоксальное сочетание.

Спонтанные и индуцированные процессы как составляющие мутагенеза

В таблице 3.1 при сопоставлении подходов Ч. Дарвина и Л.С. Берга упоминание о мутациях сопровождалось оговоркой об ограничивающих их условиях. Нейтралистская теория отбора связывается с понятием о точечных мутациях. И в дарвинизме, и в других существующих теориях эволюции жизни мутации рассматриваются как результат независимых случайностей. В связи с этим существует недоумение. Частота спонтанных мутаций в ДНК имеет порядок одной на миллион или даже одной на сто миллионов клеток и их делений. Этого явно мало, чтобы объяснить реальную изменчивость видов. Многие отказываются из-за этого от принципа решающей роли случайностей в эволюции жизни. Это неправильно. Покажу, что низкая частота спонтанных мутаций есть необходимое требование для эволюции жизни.

Сведений о мутациях накопилось много. Непрерывно изменяется как описание основ, так и деталей мутационных процессов и результирующих состояний. Описание мутаций и репарации повреждений при них отражено в [67], [68]. Популярный обзор, включающий оригинальные работы его авторов, см. [97] и ссылки на литературу в нём. Основные известные факты о мутациях можно свести к утверждениям:

В приспособленных к внешней среде организмах существуют спонтанные мутации с частотами 10^-6 - 10^-8, отнесенными к одной клетке и одному делению. Они явно малы для того, чтобы служить источниками видообразования.

Частоту мутаций можно повысить подводом к ДНК энергии в виде квантов жёсткого излучения, а также энергии при химических реакциях в присутствии специфических веществ (мутагенов).

Частоты спонтанных мутаций намного выше, чем следует из уровня естественного радиоактивного фона.

Мутации сводятся к замене, вставке или выпадению в гене одного или нескольких нуклеотидов, то есть к свойствам ДНК как молекул.

Мутацию гена может сопровождать образование аллелей, различающихся числом и последовательностью нуклеотидов.

Существуют обратные мутации, при которых ранее мутировавший ген полностью или частично восстанавливает свои функции.

Искусственные мутагены вызывают только такие мутации, которые возникают спонтанно независимо от них.

Мутагены изменяют частоту мутаций генов не пропорционально частоте их спонтанного мутирования.

Существует интервал оптимума температуры, вне которого частота мутаций растёт (преимущественно при повышении температуры).

Частота мутаций, в частности, зависит:

от баланса нуклеотидов в среде, в которой находится ДНК;

от соотношений между скоростями синтеза ДНК и белков;

от соотношения производства аминокислот с помощью ДНК и их содержания во внешней среде;

увеличение частоты мутаций при таких дисбалансах различно для разных генов в клеточной популяции и достоверно может быть на порядки больше частоты спонтанных мутаций.

Эффекты мутагенеза, подобные результатам дисбаланса нуклеотидов, вызывает стресс на клеточном уровне как изменение физиологических и биохимических процессов.

Если синхронизировать действие мутагена (например, ультрафиолетового облучения) с работой участков ДНК в процессе репликации, то мутабильность перемещается по ДНК синхронно с перемещением активных участков. Активные гены чаще мутируют, чем неактивные.

Существуют динамические процессы восстановления повреждений в ДНК при репарации, рекомбинации и репликации.

Количество подробностей, уточняющих приведенное выше перечисление, огромно. В постановке задач этой работы мутационный процесс, в первую очередь, рассматривается как составляющая иерархического синтеза информации - источник случайностей, на основе которых формируется статическое или динамическое равновесие. На языке физики мутация есть аналог возбуждения атома или молекулы при подводе энергии и её возврата в основное (равновесное) состояние при отдаче энергии. Эти процессы в физике описывают излучение атомов и молекул. В атомных системах могут существовать аналогичные процессы, не сопровождающиеся излучением. В биохимии переходы выражают макроскопические химические реакциии.

Для того, чтобы было возможно равновесие среды и излучения, процессы возврата в основное состояние должны содержать две составляющие, которые ввёл А. Эйнштейн в работе [98], которая сегодня стала основополагающей для лазеров. Он назвал их спонтанным и индуцированным излучением. Акты спонтанного излучения возникают со средней частотой, зависящей от свойств данного атома и уровня его возбуждения. Число актов индуцированного излучения зависит от концентрации квантов излучения с данной частотой в окрестности атома. При равновесии и при многих существенно неравновесных процессах (например, лазерное излучение) количество актов индуцированного излучения на порядки превосходит число актов спонтанного излучения.