Возникновение биологической информации

Остальные рефераты » Возникновение биологической информации

Чернавский Д.С. Чернавская Н.М.

Для описания процессов протекающих на ранних стадиях биологической эволюции достаточно знания законов физики и химии открытых систем. По каким законам происходило дальнейшее ее развитие? Можно ли в рамках современной науки понять и описать процессы лежащие в основе возникновения жизни? Почему в современной биосфере господствует один вариант генетического кода и отсутствуют другие? О возникновении жизни как борьбе условных информаций - физик Дмитрий Чернавский и биолог Нина Чернавская

В изучении информационных процессов в живой природе следует принимать во внимание следующие специфические особенности.

· Во-первых в биологии актуален вопрос о возникновении (генерации) ценной информации.

· Во-вторых вопрос о механизмах хранения и использования генетической информации в процессе развития организма до сих пор остается дискуссионным.

· В-третьих проблема обработки информации в нейросетях сейчас интенсивно разрабатывается в математике и технике. Использование полученных здесь результатов применительно к биологическим нейросетям остается актуальной задачей.

В связи с этим недавно возникло новое направление - биоинформатика которая занимается этими вопросами.

Проблематика возникновения жизни. Одна из самых ярких проблем в биологии - возникновение жизни. Существует научное направление - "Life Origin". Ему посвящены монографии крупных ученых специальные выпуски журналов и доклады на конференциях и разумеется великое множество обзоров и оригинальных работ.

Наиболее важной и до сих пор дискуссионной остается проблема возникновения биологической информации и в частности генетического кода которую мы рассмотрим подробно.

Сделаем несколько предварительных замечаний.

1. Современная биосфера основана на соединениях углерода. Это не случайно поскольку углерод - уникальный элемент что связано с его центральным (или промежуточным) положением в таблице Менделеева (4-я группа).

Иными словами органические соединения обладают набором свойств необходимым и достаточным для образования информационной системы.

Другие элементы такими наборами свойств не обладают. Ближе всех к углероду по разнообразию соединений находится кремний (тоже принадлежащий 4-й группе). Соединения кремния с алюминием и кислородом (алюмосиликаты - т.е. глины) могут образовывать полимеры и гетерополимеры. Однако они неспособны к комплиментарной авторепродукции глиноземов. Чистый кремний используется в элементарной базе современных компьютеров. Последние обладают свойствами информационной системы кроме свойств комплиментарной авторепродукции. В производстве компьютеров необходимо участие человека. Самопроизвольное возникновение "компьютерного завода" без человека невозможно. Тем не менее в научной и научно-фантастической литературе обсуждается гипотеза о возможности появления живых систем на основе кремния. На первый взгляд такой ход мысли кажется оригинальным. При более внимательном подходе выясняется что это типичный пример конъюнктурной информации. Действительно при этом авторы остаются в рамках аксиоматики информационных систем и не предполагают никаких принципиально новых идей меняется только материальный носитель но не информационная сущность живых объектов.

Поэтому мы не будем обсуждать более детально это направление.

2. В нашей биосфере носителями информации являются полинуклеотиды: ДНК и РНК. При этом ДНК выполняет функции хранения информации и передачи потомкам РНК участвует в биосинтезе белков (трансляции и транскрипции). Вопрос о том какие полинуклеотиды ДНК или РНК участвовали в первичных процессах возникновения жизни до сих пор является дискуссионным. Преимущества ДНК состоят в том что эти полинуклеотиды более приспособлены к хранению генетической информации и комплиментарной авторепродукции. Преимущества РНК состоят в том что молекулы РНК могут выполнить некоторые каталитические функции (хотя функции хранения и авторепродукции выполняют несколько хуже). На наш взгляд эти преимущества иллюзорны.

Дело в том что функция хранения информации и функция реализации се существенно различны и даже дополнительны. Чем лучше обеспечено хранение информации тем труднее заставить ту же систему выполнить работу предусмотренную в этой информации. Поэтому эти функции выполняются двумя различными подсистемами. В современной биологии первая функция выполняется ДНК; вторая - белками РНК выступают в роли посредника и не несут ни первой ни второй функции. В принципе роль посредника могут выполнить белки соединенные с подсистемами (т.е. адаптеры). Поясним сказанное на примере из техники. Информация о производстве какого-либо продукта содержится в чертежах или на дискетах и хранится в архивах. Использование этой информации производится в цехах. Можно попытаться представить такую конструкцию которая хранила бы в себе информацию и одновременно реализовывала ее. Любой инженер скажет что это во-первых трудно и во-вторых (и это главное) - не нужно.

Поэтому ниже мы будем предполагать что первичным полинуклеотидом была молекула ДНК а первичным "рабочим телом" - молекула белка.

Ранние стадии биологической эволюции. В этом процессе можно выделить три этапа: 1) образование биологически важных молекул (сахаров липидов аминокислот и нуклеотидов) в предбиологический период; 2) самопроизвольное скопление этих молекул в пространстве и их поликонденсация с образованием полимеров (полипептидов и полинуклеотидов со случайными последовательностями); 3) возникновение биологической информационной системы и ценной информации в ней.

На третьем этапе происходит выбор единого для всего живого на Земле генетического кода и возникают простейшие "существа" способные к комплементарной авторепродукции с использованием этого генетического кода. Слово "существа" взято в кавычки.

На втором этапе происходит самоорганизация материи но еще не достаточная для возникновения у объектов "цели" и следовательно ценной информации. Поэтому такие объекты нельзя еще называть "живыми существами".

И только в конце третьего этапа можно говорить о возникновении "живой материи" т.е. "существ". Пока что эти термины мы употребляем без определения понятия "жизнь" (поэтому они взяты в кавычки). Такое определение целесообразно рассмотреть после обсуждения третьего этапа. Однако перед этим необходимо кратко рассмотреть первые два.

Первый этап - возникновение биологически важных молекул и их самоорганизация. Такие органические вещества как сахара липиды аминокислоты и нуклеотиды обладают избытком свободной энергии. Поэтому в термодинамически равновесной системе концентрация их ничтожно мала. Однако в открытой системе при наличии источников энергии такие вещества могут синтезироваться.

В настоящее время показано что наиболее эффективно синтез таких веществ может протекать при извержении вулканов а также при электрических разрядах (молнии) под воздействием ультрафиолетового излучения и космических лучей. Синтез некоторых полимеров например сахаров путем полимеризации формальдегида возможен даже в космическом пространстве.

Однако в этих условиях соотношение скоростей образования и распада биологически важных веществ такова что концентрация их в первичном океане может быть очень мала. Иными словами если бы вещества были бы распределены в пространстве равномерно то дальнейшая их полимеризация или коликонденсация была бы практически невозможна. Поэтому необходим был второй этан - их самоорганизация.

Второй этап - самопроизвольное скопление молекул. Впервые (еще в 1924 г.) на эту возможность обратил внимание А. Опарин. Было показано что биологически важные молекулы могут самопроизвольно концентрироваться образуя капли названные коацерватами. По ряду свойств коацерваты напоминали клетки простейших. Позднее аналогичные структуры наблюдал С. Фокс и назвал их микросфорами.

Таким образом важность второго этапа состоит в том что благодаря самоорганизации в каплях подобных клетке (коацерватах микросферах и маригранах) создаются условия для спонтанного образования биополимеров. В этой связи можно сказать что образование "клетки" точнее ее аналога предшествовало возникновению жизни.

Третий этап - образование информационной системы. Обсудим свойства каплеподобных образований состоящих из случайно связанных полинуклеотидов и полипептидов как информационных систем. При этом основное внимание обратим на свойства полинуклеотидов как хранителей генетической информации.

Молекулярные аспекты механизма авторепродукции. Как упоминалось комплементарная авторепродукция необходима для запоминания биологической информации. Хранителем информации является биспираль ДНК и следовательно речь идет о репродукции ДНК. Для ускорения репликации и предохранения ДНК от гидролиза необходим белок-фермент с такими функциями называемый репликазой.

Ясно что первичный процесс репликации был проще современного. Тем не менее для того чтобы представить молекулярный механизм первичной репликации целесообразно рассмотреть современную картину включая свойства белка-репликазы и его биосинтез.

Расчеты вероятности являются основным камнем преткновения в вопросе о происхождении жизни. Именно эти абсурдно малые величины вероятности лежат в основе утверждения о невозможности понять и описать возникновение жизни в рамках современной науки.

Для преодоления трудности достаточно отказаться от буквального понимания слова "кодирует" и принять что молекула ДНК в первичном гиперцикле способствовала образованию белка-репликазы (катализировала его синтез) без участия кода.

Иными словами первичная последовательность ДНК начинает играть существенную роль в определении первичной последовательности белка. Именно благодаря адаптерам ускоряется формирование той белковой последовательности которая соответствует функциональной форме белка. Таким образом существует переходная стадия в которой совмещены процессы синтеза белка без кода и процессы кодирования сходные с современным биосинтезом. Последнее позволяет при изменении (мутации) последовательности ДНК (но без изменения набора адаптеров) синтезировать белки с измененной последовательностью аминокислот и следовательно с измененной формой и функцией. Иными словами появляется возможность дальнейшей биологической эволюции.

В рамках данного варианта проблема малой вероятности образования первичного гиперцикла не возникает. Однако встает другой вопрос: почему в современной биосфере господствует один вариант кода и отсутствуют другие? Обсуждаются два ответа на этот вопрос.

Первая гипотеза сводится к тому что среди разных вариантов кода имелся наилучший который и был "отобран" в последующей эволюции.

Во второй гипотезе принимается что все варианты кода были равноправны но в результате взаимодействия между разными популяциями был выбран (а не отобран) единый код.

Вернемся к вопросу о синтезе белка в первичном гиперцикле. Смысл слова "кодирование" в рассматриваемом случае существенно иной чем в современном биосинтезе. В обычном понимании никакого кодирования вообще не происходит. Главную роль играет форма ДНК полинуклеотид функционирует как гетерогенный катализатор. При этом фиксируется форма белка-репликазы последний в силу механизма образования принимает комплементарную форму т.е. представляет собой слепок с ДНК.

Последний этап - выбор единого кода - имел место уже после образования нескольких различных популяций гиперциклов с различными вариантами кода.

Поэтому антагонистическое взаимодействие в данном случае заведомо сильнее чем не антагонистическое. Выше было показано что в конце всего процесса образуется "чистое" состояние т.е. выбирается один вариант кода. Это имеет место и в несимметричной модели т.е. в случае когда варианты не одинаковы. При этом побеждает вовсе не "наилучшая" популяция а та которая по воле случая оказалась более многочисленной.

Иными словами происходит не отбор наилучшего варианта (в традиционном дарвиновском понимании) а выбор одного из практически равноправных который вытесняет остальных.

Здесь уместно сделать ряд замечаний. Можно сказать что белок образованный по схеме гетерогенного катализа является грубым слепком с молекулы ДНК. Первичные адаптеры тоже являются "слепками" (уже не грубыми) с одной стороны с участка ДНК (кодона или антикодона) а с другой - с прилегающего блока аминокислот.

Эволюцию биосинтеза белка можно сравнить с эволюцией письменности.

Древняя форма письма - иероглифы. В древности каждый иероглиф представлял собой рисунок объекта можно сказать "слепок" с него. Так дом изображался в виде шалаша-треугольника а бык - в виде морды с рогами (алеф). При этом не было необходимости использовать алфавит (т.е. код). Иероглифическому этапу соответствует схема первичного синтеза адаптеров.

Затем некоторые иероглифы потеряли свойство прямого соответствия целому объекту (при этом существенно упростились) но приобрели новую функцию - буквы. Буква является частью слова - ее осколком и сама по себе ничего не значит. Она приобретает смысл в сочетании с другими буквами в соответствии с алфавитом (кодом). Алфавитная письменность появилась с увеличением количества передаваемой информации. Смысл этого прост число сочетаний даже небольшого количества символов факториально велико по сравнению с количеством символов. Переход от иероглифической письменности к алфавитной был постепенным. Сперва к иероглифу соответствующему предмету (или действию) добавляли более простой символ уточняющий смысл первого. Такая смешанная письменность не нарушая функций иероглифов расширила возможности письменной передачи информации. При этом иероглифы постепенно вытеснялись буквами. Подчеркнем это происходило именно постепенно поскольку превращение каждого иероглифа в букву не препятствовало восприятию всего текста. При этом каждый из участников как создатели знака так и реципиенты постепенно путем взаимного обучения вырабатывали условия кода т.е. алфавит. Схема промежуточного биосинтеза белка соответствует смешанной письменности где адаптеры с одной стороны являются осколками чехла (иероглифы) а с другой - уже буквами.

Отметим особенность биологической эволюции. В рассматриваемый период гиперцикл включал только один белок - репликазу с единственной функцией. Даже в таких простейших популяциях был выработан (выбран) единый код. Можно сказать что "В начале было слово" оно имело один смысл - комплиментарную репродукцию т.е. жизнь. Алфавит был выработан на основе единого слова.

Возникновение биологического разнообразия и проблема темпов биологической эволюции. В современной биосфере имеется большое разнообразие видов которое появилось в результате эволюции. Обычно его изображают в виде схемы именуемой эволюционным деревом.

Новые виды находят себе новые источники питания осваивают новые экологические ниши и приспосабливаются к ним. При этом выживают наиболее приспособленные а менее приспособленные вымирают. В результате вариабельность внутри каждого вида уменьшается и распределения сужаются.

Эта стадия называется конвергентной. В молекулярном аспекте появление нового вида означает появление белков с новой функцией и соответствующих этим белкам новых генов. Обсуждавшийся выше процесс образования гиперциклов можно рассматривать как возникновение вида. Образование многих гиперциклов с различными вариантами кода соответствует дивергентной стадии а выбор одного варианта кода - конвергентной. Сейчас мы рассмотрим этапы дальнейшей эволюции акцентируя внимание на наиболее острых проблемах.

Перед этим сделаем ряд замечаний.

1. Разнообразие возникает когда исходные ресурсы (мононуклеотиды и аминокислоты) исчерпываются и необходимы новые белки с новыми функциями. Например белки разлагающие полинуклеотиды и полипептиды умерших особей. Другой пример - белки способные усваивать сахара (углеводы) и липиды созданные в предбиологический период.

Каждый из организмов обладающий белком с новой (катаболической) функцией осваивает свою экологическую нишу. Процесс освоения новых (разных) ниш за счет синтеза новых (разных) белков является дивергентным.

2. Различают два типа процессов образования новых белков.

а) градуальный или приспособительный когда "новый" белок мало отличается от уже существующих. В этом случае "новый" белок может возникнуть за счет небольшого числа точечных мутаций.

б) появление нового белка с принципиально новыми функциями и/или системы таких белков. Такие события в эволюции называются "ароморфозами" (в буквальном переводе с греческого - изменение формы); используется также название "большие скачки". В этом случае новая система не может возникнуть за счет точечных мутаций.

Примером может служить образование фотосинтетического аппарата т.е. системы белков способной утилизировать солнечную энергию и использовать ее для синтеза органических соединений (сахаров). Такие процессы играют роль только на дивергентных стадиях.

3. Основная проблема биологической эволюции связана с ее скоростью. Бытует утверждение о том что в течение времени существования Земли (или даже Вселенной) наблюдаемое биологическое разнообразие не могло возникнуть. Оно относится главным образом к "большим скачкам". Существует и противоположное мнение так что вопрос остается дискуссионным.

Для корректной постановки этого вопроса необходимо сравнить две величины: число "попыток" N и вероятность создать новый белок за одну попытку. Число попыток уже обсуждалось выше оно порядка десяти в двадцать девятой степени. Вероятность создать белок с новой функцией за счет точечных мутаций существенно зависит от того сколь сильно отличается новый белок от своего предшественника и сколько аминокислотных остатков нужно заменить в белке чтобы он мог выполнять новую функцию. При градуальной эволюции число таких остатков не велико. Вероятность создания белка (или системы белков) с принципиально новой функцией за счет точечных мутаций того же порядка что и вероятность создания функционального белка заново. Оценки ее приводились выше и было показано что она абсурдно мала. В этом собственно и заключается проблема темпов биологической эволюции.

Информационный аспект биологического разнообразия. В биологической эволюции базовый этап - выбор единого кода т.е. алфавита. Код отработан на основе одного белка - репликазы. В данном случае алфавит возник на основе одного слова. Аналогом иероглифической записи информации можно считать предшествующую стадию - образование репликазы как слепка с ДНК.

Следующий этап - образование белка способного усваивать новые субстраты - генерация новой информации на основе единого кода который является тезаурусом на следующем этапе.

Страницы: 1 2