Алексей Шилейко - Информация или интуиция?

Под этим названием в феврале 1943 года один из основоположников современной физики, профессор Дублинского института перспективных исследований Э. Шредингер, прочитал курс лекций, посвященных некоторым проблемам биологии. Впоследствии эти лекции были изданы отдельной книгой. Э. Шредингер утверждал, что физика и химия в их современном состоянии не могут полностью объяснить те явления в пространстве и времени, которые происходят внутри живого организма. С другой стороны, неизбежное умирание всякого живого организма может служить еще одним, подтверждением справедливости второго начала термодинамики.Другой физик, Ю. Вигнер, считал, что для любого физика по меньшей мере кажется чудом способность молекулярных структур воспроизводить самих себя. То обстоятельство, что информация, необходимая для самовоспроизведения, заложена в структурах, имеющих молекулярные размеры и удерживаемых в порядке только химическими связями, делает это, в сущности, физически неправдоподобным. Ю. Вигнер указывал, что сложный генетический код, особенно вследствие своих малых размеров, по необходимости должен непрерывно расстраиваться, так что, каким бы хорошим ни было начало, поддерживать его в порядке неограниченно долго представлялось бы невозможным. Поскольку молекулярная информация должна непрерывно искажаться, то буквально чудом надо считать то, что организмы в действительности столь успешно сохраняют постоянство вида, воспроизводя себе подобных.Ю. Вигнеру ответил профессор Гарвардского университета Дж. Уолд. К счастью для всех нас, сказал Дж. Уолд, такого чуда не происходит. Генетическая информация непрерывно искажается. Это лежит в основе процесса возникновения мутаций. Из-за него организм в точности не воспроизводит себя. Всякий из нас знает об этом на основании собственного опыта в отношении явления репродукции. Всегда появляются какие-нибудь различия, хотя и необязательно только по этой причине.Это не означает несовершенства в организации живых организмов. Напротив, благодаря этому они стали тем, чем являются сейчас. Абсолютно верно, что непрерывное появление генетической изменчивости является основой естественного отбора и, следовательно, эволюции. Существенно, что искажения генетического кода случайны, они, безусловно, непредсказуемы, так как происходят в мире молекулярных размеров, и, кроме того, связаны с поведением одиночных молекул.

Мы встречаем здесь в некотором смысле парадокс, так как, несмотря на генетические изменения у индивидуальных организмов, эволюция обладает фантастической консервативностью. Случайным изменениям, встречаемым в онтогенезе, то есть в истории особи, сопутствует исключительная стабильность в филогенезе, в истории вида. Консервативность выходит далеко за пределы того, что мы могли раньше вообразить.Известно, что молекула белка представляет собой цепь, состоящую из отдельных фрагментов-аминокислот. В настоящее время экспериментально подтверждено существование 25 видов аминокислот. Молекула одного белка отличается от молекулы другого как видами входящих в нее аминокислот, так и порядком, в котором они расположены. В клетке молекулы белков синтезируются на основе информации, поступающей от генов, которые, в свою очередь, состоят из фрагментов-нуклеотидов. Несколько нуклеотидов ответственны за выбор аминокислоты данного вида и размещение ее в данном месте цепи молекулы белка.Можно сравнить, например, аминокислотные последовательности в белках одного и того же типа у организмов разных видов. Оказывается, что а-цепь гемоглобина гориллы отличается от человеческой только одной аминокислотой из 146. Для синтеза последовательности из 146 аминокислот требуется специфическая последовательность из 3X146=438 нуклеотидов в соответствующем гене. Таким образом, между гориллой и человеком различие только в одном нуклеотиде из 438.Другая близкородственная группа белков — это цитохром С, один из ферментов клеточного дыхания. Он является одиночной цепью из 104 аминокислот, расположенных в строгой последовательности и, значит, синтезируется геном, имеющим 312 нуклеотидов. Между человеком и обезьяной макакой резус существует различие в одной аминокислоте из 104. Между человеком и лошадью — двенадцать различий, между человеком и цыпленком — четырнадцать, между человеком и тунцом — двадцать два, наконец, между человеком и дрожжевой клеткой — сорок три.Были времена говорит Дж. Уолд, сколько-то миллиардов лет тому назад, когда существовал общий предок дрожжей и человека. Некоторые его потомки пошли одним путем и постепенно стали дрожжами, некоторые другие следовали иной дорогой и постепенно стали человеком. Два пути ведут из того отдаленного прошлого, когда мы и дрожжи были одно, и за время этого двойного путешествия в гене, определяющем строение цитохрома С, произошли изменения всего в сорока трех нуклеотидах из 312.

Вернемся к нашему вопросу о том, существует ли специальная биологическая информация? Чтобы с чего-то начать, зададим другой вопрос: чем отличается молекула белка от бильярдного стола?Самой главной характерной особенностью нашего бильярдного стола было то, что для каждого шара на нем не существовало никаких преимущественных положений. В молекуле белка, наоборот, каждый атом занимает относительно других атомов строго определенное, предназначенное именно для него положение. Можно ли говорить, что молекула белка представляет собой в этом смысле диаметральную противоположность бильярдному столу? Если шары идеально круглые и, как говорят, полностью изотропны, то есть обладают в точности одинаковыми свойствами в любом месте внутри шара и на его поверхности, то так оно и есть на самом деле.Однако стоит нам, например, намагнитить шары, и картина существенно меняется. Если, скажем, намагнитить шары так, чтобы каждый из них представлял собой двухполюсный магнит, то по прошествии относительно небольшого времени после первого удара они не только не разбегутся по всей поверхности стола, а, наоборот, создадут характерные фигуры, напоминающие движущиеся кольца.Мы говорили раньше, что случая, когда произвольно движущиеся шары снова соберутся в пирамидку, нужно ждать миллионы лет. Это справедливо опять-таки для идеально круглых однородных шаров. Если же шары намагнитить специальным, довольно сложным образом, то они начнут собираться в пирамидку значительно чаще. Правда, всякий раз, собравшись, опять будут расходиться, потому что общий запас кинетической энергии, по условию, остается неизменным.

Молекула белка и представляет собой такое образование из намагниченных, или, можно иначе сказать, помеченных шаров. Из одного этого сопоставления становится совершенно ясно, что информация, управляющая строительством и поведением живого организма, — это та же самая хорошо знакомая нам информация, с которой мы впервые познакомились, перенумеровав бильярдные шары.Девяносто девять процентов частей живых организмов состоят всего из четырех естественных элементов: углерода, водорода, кислорода и азота. Одно из особых свойств углерода, кислорода и азота заключается в том, что радиусы связей и, следовательно, внутриатомные расстояния в молекулах почти равны для всех трех элементов так же, как и углы между связями. В результате цепи, образованные этими атомами, имеют почти одинаковую геометрию независимо от того, состоят ли они целиком из углерода или последний любым .образом перемешан с атомами кислорода и азота. Две такие цепи могут геометрически соответствовать друг другу при любой последовательности составляющих их атомов и при любом вновь возникающем изменении в их составе.Продолжая аналогию с бильярдом, можно сказать, что белковые заготовки — аминокислоты — напоминают бильярдные шары, намагниченные простейшим образом, так что каждый шар представляет собой двухполюсный магнит. Такие заготовки (как и шары) могут соединяться между собой любым произвольным образом. Дожидаться того, чтобы аминокислоты сами собой- объединились, скажем, в молекулу ДНК, это, в известном смысле, то же самое, что и дожидаться, чтобы произвольно движущиеся по поверхности бильярдные шары сами собой собрались в пирамидку. А они тем не менее собираются! Как же это происходит?