Страница 28 - Разум природы и разум человека - А.М. Хазен - Философия как наука - Философия на vuzlib.su
Тексты книг принадлежат их авторам и размещены для ознакомления Кол-во книг: 64

Разделы

Философия как наука
Философы и их философия
Сочинения и рассказы
Синергетика
Философия и социология
Философия права
Философия политики

  • Статьи

  • align=left style='text-align:left'>Отсутствие абстрактной оптимальности кодирования как особенность РНК и ДНК

                25 апреля 1953 г. в Nature опубликовали модель ДНК Д. Уотсон и Ф. Крик. В ней не было новых фактов. До того О. Эвери доказал, что наследственность передаётся имен­но ДНК, а не РНК и не белками. Были исследования Э. Чарграффа, показавшего, что в ДНК число аденинов равно числу тиминов, число гуанинов равно числу цитозинов. Были рентгенограммы З. Фрэнклин, из которых следовало, что ДНК есть спираль из двух цепей. Но именно и только Уотсон и Крик превратили из­вестные факты в новую модель – двойную спи­раль ДНК с её ха­рак­терными свойствами [67], [68]. Проверяли эту модель тща­тель­но. Она под­твер­­дилась, однако проверки продол­жа­ют­ся. Возникно­ве­ние молеку­ляр­ной биологии отсчитывают от модели Уотсона и Крика.

    Конспективно основы молекулярной би­ологии живых организмов в учебниках фор­­мулируют в следующем виде:

    функции живой клетки определяются белками;

    белки есть полипептидные цепи, состоящие из 20 видов амино­кислотных остатков;

    первичную структуру белка задаёт последовательность амино­кис­лот­ных ос­тат­ков;

    вторичная пространственная структура белка (глобула) есть апе­риоди­чес­кий кристалл;

    белки-ферменты есть катализаторы биохимических реакций;

    белки не могут катализировать образование самих себя;

    катализ синтеза белков требует участия молекул дезоксирибо­нуклеиновых кислот (ДНК) и/или рибонуклеиновых кислот (РНК);

    структурный ген есть участок цепи ДНК, который необходим для синтеза одной завершённой белковой цепи.

    В катализе синтеза белков из аминокислот с помощью ДНК (РНК) участ­ву­ют составляющие нуклеиновых кислот – нуклеотиды. Однако пря­мых структурных аналогий или комплементарности меж­­ду ами­но­­кис­лотами, белками и единичными нуклеотидами – нет. РНК и ДНК как молекулы потеряли важнейшую особен­ность остальных мо­ле­кул:  один “строительный блок” – нуклеотид – ока­зы­вается мал для то­го, что­­бы по законам ката­ли­за хими­чес­ких реакций обеспе­чить встраи­ва­ние ами­­но­кислоты. Для встраивания одной ами­но­кислоты необхо­ди­мо три нук­леотида – ко­дон. Тройка разных нук­ле­о­тидов становится единицей кодирования. Термин – информация со­держится в РНК или ДНК – основан на том, что дискретной единице – ко­до­ну можно со­по­ста­вить место ами­­но­кислоты в белках. Случайность комбинаций нук­ле­­о­­ти­дов в кодо­нах, ком­би­­на­­ции кодо­нов в РНК и ДНК необходимое ус­ловие возник­но­вения (синтеза) ин­фор­мации. Эту информацию мате­ри­а­лизуют про­цес­сы и про­дукты гетерокаталитических реакций с участием РНК и ДНК.

    Существование конкрет­ных троек ну­к­леотидов, реали­зу­ю­щих ка­та­лиз белков из конкретных амино­кисло­т, есть основа суще­ст­во­ва­ния жиз­ни во всех её простых и сложных формах. Оно приводит к появ­ле­нию дискретности в класси­чес­ки “анало­го­вом” биохими­че­с­ком ката­ли­зе и к связанным с этим иерар­хи­­чес­­ки новым формам слу­чай­но­стей – это и есть главный результат и особен­ность генетического кода.

    Генетический код не содержит в себе пред­за­данной информа­ции, целе­со­об­разности или опти­маль­ности. Его суще­ст­во­вание толь­ко ут­вер­ж­дает – можно на основе комбинаций трёх дискретных нук­ле­о­тидов синтезировать белки в виде по­с­ледова­тель­ности многих аминокис­лот. Число возможных слу­чай­­ных по­с­ле­дователь­ностей аминокислот ог­ром­но. Однако синтез бел­ка не есть ре­зуль­тат пере­бор­ки независимых случайностей. Случайнос­ти ограничены условиями. Глобально их отра­жа­ют иерар­­хические экст­ре­мумы энт­ро­пии-информации и се­ман­тичес­кая инфор­ма­ция – энтропии как функ­ции комплексного переменного.

    Информация как физическая переменная определена в виде (1.1), то есть как логарифм числа воз­мож­­ных состояний системы (или вероят­но­стей состояний для формы (1.1а)), из ко­то­рых запомнена единст­вен­ная. В сис­те­мах с неспецифическими взаимодействиями её элементов (на­пример, в газе “бильярдных шаров”) “алфавит” в (1.1) использует ос­но­вание на­туральных логариф­мов  е = 2,71… – иррациональное число. Такой “алфавит”  са­мый экономный для ото­бра­жения информации.

    Как было пояснено выше, в ДНК (РНК) взаимодействия элементов системы (роль кодонов в катализе сборки из аминокислот белков) та­ко­вы, что возникает цело­чис­ленность. Становится оправдан­ным (с неко­то­рыми оговорками) использование определения энтропии (1.7). Необхо­дим алфавит с целым числом символов. Бли­жай­шие к  е  це­лые числа есть 2 или 3. При двоичном алфа­вите множитель KA=2 , при троичном он ближе к единице:  KA=3 . Это отличие немного по­вышает экономичность троичного алфа­ви­та по отношению к двоичному.

    На заре развития компьютеров, когда для них ещё использовались элект­ронные лампы, эко­номия, которую давала большая близость к ве­ли­­­­чине  е  числа 3, была заметна. В Мос­ков­с­ком государственном уни­вер­­ситете Н.П. Брусенцовым даже бы­ла разра­бо­тана электронная вычис­лительная машина “Сетунь”, ис­поль­зующая троичную систему исчисле­ния (троичный “ал­фа­вит”). Ус­пе­хи полупро­вод­ников, а тем бо­лее интег­раль­ных микросхем на их основе, сделали эту экономию не­су­ществен­ной по сравнению с ин­же­нерными преимуществами дво­и­ч­ной системы исчисления. Нервные системы в живых ор­га­низмах также “пред­по­чли” аппаратурную про­с­то­ту двоичной системы исчисления выигрышу в экономичности кодиро­ва­ния, которую даёт тро­ичный алфавит.

    Алфавиты РНК и ДНК из-за био­химических условий ещё дальше от математически оптимальной системы кодирования, так как символов в них 4. К тому же они избыточные и вырожденные. Именно это есть их достоинство, так как они разре­шают боль­ший ди­апазон случайностей при синтезе ин­фор­мации. Оптимальное ко­ди­­рова­ние создало бы одноз­нач­ность резуль­та­тов, а с ней – тупик, иск­лю­чаю­щий возможность воз­ник­новения и эво­лю­ции жизни. Опти­маль­ность есть понятие, подра­зу­мевающее сущест­вование цели. Но её при возник­но­вении и эволюции жизни нет и быть не может (исключая рост энтропии как таковой).

    Повторю. Понятие – код для РНК и ДНК отражает тот экспе­ри-мен­тальный химический факт, что не существует однозначной моле­ку­лы как объекта, который мо­жет быть катализатором син­теза аминокис­лоты. Только тройка опреде­лён­ных, но, возможно, разных, нуклеоти­дов – кодон – может быть ката­ли­за­тором син­те­за одной ами­но­кис­лоты.

    Экс­периментальным фактом яв­ля­ет­ся так­же то, что в живых орга­низ­мах для ката­лиза синтеза аминокис­лот и белков на их основе ис­поль­зу­ется толь­ко 5 нуклеотидов из многих десятков известных. Это пяти­бук­венный алфавит. Эти же факты говорят, что пятибуквенный ал­фа­вит мож­но разбить на два четырёхбуквен­ных. Один из них ис­поль­зу­ет­ся в работе ДНК, другой, отли­ча­ю­щийся только одной “бук­вой”, встре­­чается в РНК. Поэтому ни о какой мистической опти­маль­но­сти кодирования с участием РНК и ДНК речи быть не может. Алфавиты РНК и ДНК избы­точны и не оптимальны в абстрактном математическом смысле.

    Код в виде выборок по два символа из четырёх “букв” алфавита даст 16 комбинаций. Это мало, так как принцип структурной комплемен­тар­ности выделил из всех ами­но­кислот примерно 24 конкретных их ви­дов, опреде­ляющих живые системы. Выборки по три символа из четырёх “букв” ал­фа­вита дают 64 комбинации, что примерно в три раза пре­вы­ша­ет чис­ло аминокислот, ответственных за жизнь. В результате гене­ти­чес­кий код вы­рож­денный. Однако именно эта неоптималь­ность есть одна из при­чин со­вер­шенства жизни, так как она вносит новый уро­вень иерар­­хии случайностей.

    Общеизвестна, но слишком часто забывается, ещё одна особен­ность ДНК. У микробов коль­цевая структура ДНК – носителя генети­чес­кой информации. При этом ра­бо­тают все ко­доны и можно хотя бы об­суждать оптимальность коди­ро­ва­ния. В эукариотических клетках много­клеточных организ­мов с выраженной диф­фе­рен­цировкой внут­рен­них ор­ганов, как правило, более 99% кодонов в ДНК вообще не работает. На­пример, у тритона 99,98% генетической “информации” не участ­вует в синтезе белков – “молчит”. Эти неработающие кодоны нель­зя называть напрямую носителями информации. О ка­кой предза­дан­ной мистичес­кой оптималь­ности ге­не­тического ко­диро­ва­ния может идти речь в таких условиях?

    Понятие генетического кода в молекуле ДНК, понятие содер­жа­щей­­ся в ней информации не сводится к “чтению” чело­ве­ческими ме­то­дами после­до­ва­тельности оснований в двой­ной спирали ДНК.

    Жизнь возникает как результат многоступенчатой иерархии экст­ре­мумов для случайностей (выраженных числом – значениями иерар­хи­­чес­­кой энтропии). В более строгой постановке задачи – энтро­пи­ей как функцией комплексного переменного. Один из таких максимумов задан на уровне заполнения и вза­и­­мо­дей­ст­вия электронных оболочек при объ­е­­­ди­не­ний атомов в моле­кулы белков с участием нуклеотидов. Его кон­­к­рет­но отображают цело­чис­­лен­ные соотношения – генетический код.

    Чем выше на лестнице иерархических экстремумов энтропии и её производства про­цес­сы, ответственные за данный вид жиз­ни, тем боль­ше роль слу­чай­но­с­тей и меньше семантичес­кий коэффициент  (1.30). Уп­ро­щенно, ми­ни­мумы свобо­д­ной энергии задают вид и свойства слу­чай­но неоднозначных “стро­­ительных кир­пи­чей” жизни – аминокислот и нук­ле­о­тидов. Мак­симум спо­собности к превра­ще­ниям выражается на следующей ступени иерар­хии ком­пле­мен­тар­но­стью свя­зей при катализе бел­ков с помощью диск­рет­ных троек – кодонов – в РНК и ДНК.

    Биохимическая основа существования и эволюции жизни законо­мер­но однозначна, но реализации генетической информации случайны в пределах этой ос­новы. Прин­­цип струк­тур­ной комплементарности (как ото­бражение про­цессов взаи­модействий элект­рон­ных оболочек атомов в молекулах) вы­бирает из диа­па­зона случайностей конкретный ком­п­лекс соединений и их реакций меж­ду собой – условия. Синтез информации, использующий запоминание на основе критериев устойчивости в комп­лекс­ной плоскости (5 на рис. 1.2) реализует следу­ющий иерар­хический шаг максимума спо­собности к превращениям – гене­ти­­чес­кий  код, то есть гене­ти­ческую информа­цию. Генетический код есть всё тот же за­пом­ненный случайный выбор, ограниченный условиями.

    То, что в экспериментах генетический пятибуквенный алфавит ото­­­бра­жают два четы­рёх­буквенных, не исключает (а, скорее, да­же тре­бу­ет) сущест­во­вания отдельных случаев, когда пятибуквенность должна про­являться конкретно. Пока их ещё не искали. Не исследованы и гене­ти­ческие основы высокотемпературных форм жизни. Нельзя утверждать a priori, что их генетический алфавит должен быть тождественнен тому, к которому мы привыкли. Во всяком случае в составе известных сегодня высоко­температурных форм жизни есть аминокислоты, отличные от при­­вычных в биохимии жизни.

    Для углерода как элемента таблицы Менделе­ева законы инфор­ма­ции (запомненного случайного выбора для электрон­ных оболочек) при­вели к реакциям и веществам, реализующим очеред­ной иерархический максимум случайно­с­тей. Но они одновременно за­да­ли специфическую целочисленность эле­ментов и взаимодействий в сис­те­ме.

    Для генетического кода информация определена как

    S = KA log5    или как   S = KB log4.                       (3.3)

    В газе специфичность элементов мень­ше – энтропия оп­ределена для основания логарифмов как иррацио­наль­ного чила. Природа “знает” только натуральные логарифмы. Информация как физическая перемен­ная – энтропия (1.1) в природе определена в форме нату­раль­ного лога­риф­ма числа возможных состояний системы.

    Только для конкретных сложных молекул аминокислот и нуклео­тидов появляется в природе цело­чис­лен­ность – аналогия с человеческой математикой. Однако алфа­вит ге­нети­чес­кого ко­да не есть заданное извне совер­шенство. С точки зрения человеческих представлений об абстракт­ной опти­маль­ности это есть недостаток. С точки зрения природы и роли в ней случайностей – существенное преимущество. Избыточность гене­ти­­чес­кого кода создаёт новый иерар­хи­ческий уровень случайностей. Ес­ли бы жизнь “проек­ти­ровал” человек (или его подобие), то он бы по­ста­рался “подогнать” чис­ло аминокислот к числу возможных комбинаций ко­да. Результатом был бы тупик эволюции – творение чего-то неизмен­но­го. Оптимальность сотворённого была бы намного выше той, что суще­ст­ву­ет в природе. Но возможность её эволюции была бы исключена – “спро­ектированная” жизнь исчезла бы при ничтожном изме­не­нии внеш­­них условий или даже сама собой по внутренним причинам.  

    Генетический код не есть абстракция. Он работает потому, что на уровне аминокислот, белков, нуклеотидов, РНК, ДНК реализован ши­ро­кий диапазон всех типов молекулярных взаимодейст­вий. Напри­мер, в них реализуются электростатические силы, вызван­ные зарядом до двух элек­тронов на каждую пару нуклеотидов в РНК или ДНК. Отсюда возможность дальнодействующих сил со стороны РНК и ДНК, участ­ву­ю­щих в транспорте продуктов реакций. В них присутствует универ­саль­ность и приспо­со­би­тельная гибкость ван-дер-ваальсовских и водородных связей. Сложные молекулы белков и нуклеиновых кислот имеют пер­вич­ную, вторичную и третичную структуру, которые существенны для се­лек­тивности реакций между ними.

    Принципы кодирования в РНК и ДНК (в частности кодон имен­но из трёх нуклеотидов) заданы не абстрактной опти­маль­ностью кодирования, а шестимерными симметриями в фа­зовом про­ст­ран­ст­ве конфигурационных координат и импульсов (ха­рак­те­ри­стик дви­жения на атомном уровне).

    Первичная структура РНК или ДНК задана последовательностью нуклеотидов в них. Вторичная структура ДНК – это и есть знаменитая двухзаходная спираль, открытая Дж. Уотсоном и Ф. Криком. По своим физическим свойствам молекула ДНК действительно есть апе­ри­о­дичес­кий кристалл как это определил Э. Шрёдингер [49].

    Законы природы выражаются не толь­ко с по­мо­щью коор­ди­нат в геометрическом пространстве (конфигурационном про­­странстве), но и содержат в себе движение как не­уст­ра­нимую осо­бен­ность всех её объек­тов [11]. Для полного описания природы поэтому необходимо исполь­зо­вать 6N-мерное пространство кон­фигурационных ко­ординат и координат дви­же­ния – механических им­­пуль­сов. Это про­ст­ран­ство (в терминах фи­зи­ки – фазовое прост­ранст­во) абстрактно и труд­но понимае­мо. Но имен­но оно есть объективная реальность при­роды. В шестимер­ном (строго – 6N-мерном) пространстве понятия симмет­рии и “кристаллов” включают в себя пов­торя­е­мость одинаковых упорядочен­ных форм. Однако человек не мо­жет наглядно пред­ставить объекты в ше­сти­мерном фа­зовом прост­ран­стве. С по­мощью своих органов чувств он воспринимает объекты в трёх­мер­ном геометрическом пространстве. Это озна­чает в терминах ма­те­матики и фи­­зи­ки, что он воспринимает объекты как сечения шести­мер­ного про­ст­ранства трёх­мерной поверх­но­стью. Это аналогично проекции трёх­­мер­ных предметов на плоскость (см. главу VI).

    Проекция шестимерного прост­ран­ства на геометрическое трёх­мер­­­­ное пространство в строгих терминах мате­матики и физики и есть ква­­зи­кристалл – апериодический кристалл. Он со­дер­жит одно­знач­ные про­странст­вен­ные закономерности, но в них нет нагляд­ной для человека периодичности трёхмерных кристаллов. Че­ловек не воспринимает зри­тель­но симметрии в 6N-мерном пространст­ве.  Слово – апериоди­чес­кий крис­талл – точно описывает такой объект. При жизни Шрёдингера опи­­­са­ние квазикристаллов ещё только за­рож­далось. Работа, отражённая в этой книге, придаёт определению Шрёдингера стро­гий смысл.

    Область взаимно комплементарно­го перекрытия диа­па­зо­нов слу­чай­ностей для двух классов соединений углерода – белков и нук­ле­и­но­вых кислот – это и есть жизнь во всех её формах, сочетающих прос­тоту фундамен­таль­ных принципов с изощрённой слож­ностью дета­лей.

    Прочтите обзоры литературы о биохимических и био­физи­чес­ких основах жизни, например [69]. Вы найдёте в них во­п­ро­сы и при­ме­ры, ответы на которые даёт изложенное в этой книге. Одно­временно при­ве­денные в них подробности дают детальное под­тверж­дение прин­ципам, положенным в основу этой книги и предыдущих ра­бот [2] – [11].





     
    polkaknig@narod.ru ICQ 474-849-132 © 2005-2009 Материалы этого сайта могут быть использованы только со ссылкой на данный сайт.