Парадоксы взамен законов – это о ситуации, формирующейся в настоящее время в биологии. Биология есть, она огромна по количеству составляющих её отраслей, а наука «биология», которая изучала бы целостный организм как основную единицу мира живого, исчезла, её нет. Парадокс?!
Существуют ли биологические законы и как они работают? В ряде словарей закон - это объективно существующая необходимая связь между явлениями, внутренняя существенная связь между причиной и следствием.
Закон природы - необходимое, существенное, устойчивое, повторяющееся отношение между явлениями в природе. Закон выражает связь между объектами, составными элементами данного объекта, а также свойствами внутри объекта. Закон - сущность взаимосвязи явлений, выражаемая словесной или символической формулой.
Теоретическая физика открыла многие законы, предсказав энергию атомного ядра и даже возможность её использования. А теоретическая биология? Клетки, ядро клеток нуждаются в теоретическом осмыслении, процессы в них более многочисленны, сложны и принципиально отличаются от взаимодействий в атоме. В клетках организма постоянно должен поддерживаться стабильный баланс между различными функциями, между активностью генов, которые обеспечивают их деление и рост с контролем этих процессов, не давая им делиться бесконечно.
Есть мнение, что в биологии очень вольно используют термин "закон". Некоторые авторы называют около двух десятков биологических "законов". Другие считают, что истинных законов значительно меньше. Третьи, полагают, что законы биологии не выведены, а придуманы при описании уже известных фактов и свершившихся событий. Но и законы, «провозглашённые» истинными, часто содержат существенные и многочисленные исключения.. Поэтому их нельзя считать законами, это некие правила. Правила допускают исключения, законы нет.
А, может быть, законы биологии должны быть и есть? Если организмы были созданы, то и законы для них могли быть установлены создателями на основе всех известных им фундаментальных знаний о Вселенной, в том числе об информационных взаимодействиях. Они должны быть обязательны для всего живого, для каждого организма без исключений, и не допускают двусмысленного толкования. Этим требованиям отвечает закон изначального, вечного и повсеместного неравенства организмов (см. на этом сайте, 2014 год).
В словарях «парадоксы» - это ситуации (высказывания, утверждения, суждения, выводы), которые могут существовать в реальности, но не имеют логического объяснения. Главный парадокс мира живого и прапрадедушка последующих парадоксов, рождающихся и в наши дни, в том, что выводы о появлении и существовании организмов на Земле логически не объяснены и научно не доказаны. Одинаково фантастичны, как религиозная концепция, так и теория эволюции путём естественного отбора. В это можно только верить или не верить
Нет удовлетворительного объяснения, каким образом из одноклеточных на планете возникли многоклеточные организмы. Где причина такого революционного события, сможем ли мы узнать её когда-то? Неразрешимой загадкой остаётся происхождение разнополых организмов. Предположение, что половое размножение детище эволюции, отбора случайных совпадений, мутаций, не выдерживает критики и не имеет логических аргументов. Оно просто лучше бесполого, поэтому и возникло!?
Биология изучает жизнь, но с понятием, что же такое «жизнь», не определились и сегодня. Парадокс! Жизнь – это информационная многофакторная надстройка, созидающая основы социальных отношений функционирующих организмов, их взаимодействия в борьбе за существование, и противостояния факторам среды. Изначальное и вечное неравенство организмов имеет информационный генез, но является той материальной силой, которая стимулирует и творит прогресс. Это не призрачный эфемерный и безмозглый естественный отбор без точек опоры и очертаний. Если признать, что живое не возникло спонтанно как следствие каких-то материальных законов мироздания, а оно создано, то присущие ему все закономерности, правила, тенденции, также созданы и верны, но только для мира живого. Здесь пролегает граница между живым и остальным миром, преграда, не преодолимая для спонтанных взаимных превращений. Живое и неживое имеют одну и ту же материальную основу. Атомы те же, молекулы те же, и химия, и физика те же. Но эволюция не может повторить пройденного, одни и те же организмы и биологические виды никогда не появлялись дважды. А случаи эволюционного регресса описаны неоднократно.
В истории цивилизации официально не зарегистрировано ни одного спонтанно появившегося организма, тем более нового биологического вида, возникших в результате случайных и невероятных совпадений, якобы замеченных, оцененных и воплощенных естественным отбором в огромное разнообразие растений и животных. И здесь парадокс, возрастом уже более 150 лет.
Научно-технический прогресс шагнул далеко вперёд, появились новые отрасли науки и техники, информационные технологии. В те времена многое из сегодняшнего называли бы чудом. Но и сегодня нигде и никому не удалось воспроизвести условия той коацерватной капли «первобытного бульона», где могли бы появиться РНК, ДНК, белок, репликация, синтез, энергетический источник, а каплю замкнула бы мембрана, отделив её от внешнего мира. Как в сказке, будто «по-щучьему веленью», капля стала «общаться» со средой, реагировать на её изменения, противостоять вредным факторам, используя при этом кибернетический принцип прямой и обратной связи.
О составляющих организм структурах и функциях известно очень много. И это заслуга биологических отраслей науки. Но в лабиринтах добытых фактов затерялось главное, что не позволяет «синтезировать» хотя бы простенький одноклеточный организм, сделать из неживого живое. Взаимодействие веществ, структур и функций в каждой клетке многоклеточных организмов, даже в простых одноклеточных, так тесно связаны между собой и взаимозависимы, что формирование их порознь и само сборка не реальны. Ни одна научная лаборатория в мире и нашей стране задачу создать организм не ставит. Действующие теории, идеология и технологии не дают оснований даже фантазировать на этот счёт. А центров, институтов, лабораторий, программ, проектов очень много, по некоторым данным на биологию в мире приходится одна треть всех затрат на науку. А результат?
В биологии стало отрицательной традицией провозглашать революционными, сулящими грандиозные открытия научные проекты, программы уже на стадии их формирования, сопровождать комментариями, напоминающими навязчивую рекламу, а не экспертные заключения. Нобелевский комитет не раз ошибался, присуждая премии за исследования молекулярных структур живого, которые многие годы не находят применения в биологии и медицине, и не имеют реальных перспектив реализации в обозримом будущем.
Пример - программа «Геном человека», стоимостью более шести миллиардов долларов Обещания, что с расшифровкой геномов будет познан весь живой мир, не сбылись. Прогнозы, что будут найдены способы лечения и предупреждения многих тяжёлых недугов, в том числе рака, не оправдались. Итог оказался значительно скромнее, а парадоксы множились как из рога изобилия. Оказалось, что размеры геномов и количество генов не соответствуют сложности организмов, и их положению на эволюционном древе. Число генов у кукурузы в два раза превышает число генов у человека, а у червячка нематоды и у горчицы примерно такое же, как у человека. Геномы саламандры и лилии почти в 30 раз превышают размер человеческого генома. Даже у дрозофилы 13601 ген. По геномам не наблюдается никакого эволюционного ряда в развитии организмов. У человека геном на пять тысяч генов меньше, чем у микроскопического членистоногого, рачка-дафнии - Daphnia pulex, и примерно в 40 раз меньше, чем у двоякодышащей рыбы Protopterus aethiopicus. Геном цветка вороньего глаза японского (Paris japonica) состоит из 149 миллиардов пар, то есть он в 50 раз длиннее человеческого. Ученые недоумевают, и объяснить не могут. И это только небольшая часть парадоксов генома.
В лаборатории К. Вентера, используя компьютеры и программы, усовершенствовали секвенирование ДНК, ускорив процесс и удешевив его. По пути расшифровали геном руководителя проекта, а впоследствии собрали якобы новый геном, который внедрили в другой микроорганизм, закодировав в нём имена и адреса электронной почты участников эксперимента. Бесспорно, что секвенирование генома виртуозная технически сложная работа. Что из этого получилось? Грандиозная шумиха, со временем сошедшая на нет. Что стало с «волшебной» микоплазмой и её «искусственным геномом», адресами и именами? Руководитель проекта, не постеснялся заявить, что понимание генома потребует сотни лет. Дж. Уотсон в своё время ошибся, полагая, что достаточно будет 10 лет. Сегодня таких прогнозов не делают, каждое исследование добавляет новую порцию парадоксов.
Выполнялись проекты «1000 геномов человека», «178 геномов микроорганизмов», раскрыты геномы многих растений и животных, секвенирован геном из Денисовой пещеры, в НИЦ «Курчатовский институт» - геном россиянина. В работе много других проектов и программ.
Но нет объяснения, почему в одном эукариотном геноме соседствуют кодирующие и некодирующие нуклеотидные последовательности (н-ДНК), якобы не работающие, но значительно превышающие по размерам функционирующие участки. При этом, чем сложнее устроены организмы, тем больше в их геномах н-ДНК. У человека менее 2% генома кодируют белки. Что остальные 98% бездействуют? А может быть именно здесь скрыты главные секреты нашего организма?
Кодирующие части генома работают на создание, ремонт, восстановление материальной части биологических машин. Происходит достаточно простой процесс: печать по готовым образцам, напоминающим технологию 3D, только с одновременным копированием программ. Для этого оказалось достаточным использование незначительной части последовательностей и достаточно простой генетический код из четырёх букв. Если случается ошибка, обусловленная мутацией, заменяется аминокислота в формирующемся белке, трагедией это не грозит - программа сохраняется неизменной.
Другая ситуация с н-ДНК. В более сложно устроенных организмах удельный вес этих нуклеотидных последовательностей в несколько раз больше, чем в простых. Информационная логика предполагает, что чем сложнее устроен организм, чем разнообразнее и уникальны его функции, тем больше должен быть объём и уровень его информационного обеспечения. Увеличивается количество и сложность операционных систем, программ, требуется больше пространства для оперативной и долговременной памяти, и так далее. А для этого нужно также увеличивать количество и качество носителей. Они вкупе с информацией не мусор, а самая важная часть биологической машины. Здесь выполняется весь огромный объём информационной работы клетки.
Потери и ошибки в информационной составляющей организмов смерти подобны, потому она должна быть надёжно защищена. Известны несколько механизмов такой защиты, самый радикальный - апоптоз. В одном ряду с ними - отсутствие мутаций в «мусорной» н-ДНК.
Факты, полученные проектом ENCODE, в том числе в архитектуре генома, названы не парадоксальными, а провокационными, вызвав бурную дискуссию. Оказалось, что более 80% генома человека так или иначе функциональны. Половину ДНК человека составляют большие и малые повторяющиеся последовательности. Только Alu-повторов более миллиона копий и занимают они около 10% генома.
Участки н-ДНК исключительно разнообразны: интроны, псевдогены гомологичные своим прототипам, молчащие последовательности, сателлиты, мобильные элементы. К н-ДНК отнесены промоторы, транскрипционные факторы образующие регуляторные участки по всему геному, теломеры, центромеры
Многие гены, кодирующие белки, имеют альтернативные сайты старта транскрипции (ССТ), удаленные от них порой более чем на 100 тысяч оснований. Стираются различия в понятиях «генные» и «интергенные» регионы. Часты случаи, когда гену соответствует не отдельный генетический локус, а несколько регионов, так как последовательности, кодирующие продукты этого гена, могут быть разбросаны по геному, находиться даже на различных нитях хромосомы или на разных хромосомах. . У некоторых генов от двух до ста аллелей. Для чего?
Участники проекта считают, что для определения реального числа генов в нашем геноме потребуются долгие, долгие годы. А назначение всех молекул генома, скорее всего, мы никогда не узнаем. Происходит смена приоритетов от генов к регуляторным элементам, от структуры к управлению. Многое указывает на то, что именно здесь ключ ко многим особенностям человека.
Все определения гена не согласуются с новыми данными о гене, полученными в ходе проекта ENCODE. Действительно, реализовать разноплановые регуляторные функции невозможно без использования кибернетических принципов, без прямых и обратных связей, без предварительной алгоритмизации и программирования.
Вновь потребуется уточнение: что же такое ген, геном? ДНК органелл клетки, РНК вирусов это тоже геномы?
В 1999 году я назвал клетку биологическим компьютером, а многоклеточный организм сетью, объединяющей клетки по принципам интернета («Информационные основы живого. Размышления врача у компьютера» 1999). С 2008 года поняв, что они сложнее компьютеров, использую понятия биологическая информационная машина и биологическая информационная сеть («Теория информационного устройства живого и биология сегодня», 2008). Сегодня с учётом достижений в информационных технологиях, появления суперкомпьютеров, обнадёживающих работ по искусственному мозгу, интеллекту, созданию автоматических и самоуправляемых систем, различных типов роботов, эти определения представляются уже устаревшими.
Каковы объёмы информационной работы клетки? Таких расчётов обнаружить не удалось. Но достаточно вспомнить, что рецепторов - аналогов устройств ввода в технических компьютерах, только на её мембране может быть до 100 тысяч! Добавьте к ним рецепторы ядерной мембраны рецепторы внутриклеточных органелл. Они работают без перерывов на обед и сон. Трудно оценить без специалистов этот беспрерывный поток сигналов, поступающих в клетку каждое мгновение. Каждый сигнал надо не только преобразовать, опознать и оценить, но и выработать соответствующие ответные действия и команды. Становится понятным, даже мне - дилетанту в информатике, что с этой задачей справился бы не каждый современный суперкомпьютер.
Вторгаясь, как врач, не в свою область знаний, прошу прощения у специалистов, за возможно допущенные неточности, ошибки или устаревшие сведения.
Может быть, геном и есть информационная машина, в архитектуре и работе которой заложены какие-то правила общие для подобного типа устройств? Конечно, преодолеть сомнения в их однотипности трудно, сопоставляя огромную разницу в размерах.
Так, суперкомпьютер «Ломоносов» занимает площадь 252 квадратных метра. Вес всех составляющих более 75 тонн. Типов вычислительных узлов 8. Количество 5104. Графических вычислительных узлов 1065. Узлы соединены высокоскоростной сетью из 5000 кабелей. Число процессоров\ядер 12346\52165, число графических ядер 954240. Пиковая производительность - 1.7 петафлопса
SuperMUC в Вычислительном центре имени Лейбница занимает площадь 500 кв.м. и весит 100 тонн. В системе установлено 19252 процессора, используется 155000 процессорных ядер. размещенных в двух метровых шкафах и соединенных друг с другом многокилометровыми сетевыми и силовыми кабелями. Он способен выполнять три биллиарда операций в секунду, то есть его мощность три петафлопса.
Это главное различие. А в чём сходство суперкомпьютера и клетки? И там, и там сложно устроены сами машины, вычислительные узлы и процессоры. Мощность суперкомпьютера зависит не только от сложности процессоров, процессорных ядер и их количества, но и от степени параллельности. Системы с высокой параллельностью позволяют одновременно проводить вычисления и анализировать все возможные решения задач. Естественно, что всё это требует соответствующего программного обеспечения.
В ядре клетки человека отдельно упакованы 48 хромосом. Не вычислительные ли это узлы? Они разного размера, отличаются друг от друга количеством последовательностей нуклеотидов от 50 до 280 миллионов, числом и функциями генов, количеством различных типов некодирующих повторов. Общее число таких повторов в геноме человека составляет приблизительно 5 миллионов. Только Alu-повторы занимают почти в 10 раз больше места, чем все последовательности, кодирующие белки. Разное устройство – условия для решения разных задач.
Связь количества повторов со сложностью организмов, может означать, что повторы это участки ДНК, наделённые вычислительными функциями процессоров и процессорных ядер. Большие участки последовательностей – процессоры, меньшие по размеру - ядра. И те, и другие обеспечивают увеличение степени параллельности в работе машин и их мощность. Напомним, что у дрозофилы доля повторов в геноме составляет менее 5 %, у червя — 6–7 %, самая высокая у человека - 70%, чуть меньше у других млекопитающих. Это не случайно.
В суперкомпьютерах узлы, процессоры, источники энергопитания и другие системы объединены многочисленными многокилометровыми кабелями. В геноме их нет, но связь между хромосомами, внутри хромосом, между генами и в самих генах, когда их локусы разбросаны по хромосоме, осуществляется надёжно, но без электронов. В биологических машинах работает по всей вероятности беспроводная связь, дополняемая мигрирующими элементами. Если биологические машины основаны на квантово – оптических принципах, а химический состав и строение ДНК такую возможность не исключают, то понятно, почему функционирующие геномы светятся, генерируют электромагнитные волны, даже звуки. Лет 20 назад биофизики описали эти феномены.
В совершенствовании суперкомпьютеров основная цель повышение мощности, решаемая увеличением степени параллельности. Новая архитектура XC30 позволит создавать суперкомпьютеры, которые по производительности превысят 100 петафлопс (!) - 100 квадриллионов операций в секунду с плавающей точкой.
Но для этого необходим и соответствующий очень сложный программный комплекс, состоящий из набора разных компонентов. Разработчики полагают, что система сама должна проводить мониторинг эффективности работы всех составляющих, выявлять сбои, ошибки и принимать решения по их устранению. Один из компонентов будет следить за «железом», другой за программами, третий заниматься анализом огромного объёма данных, четвёртый – предвидеть вероятные проблемы и предупреждать о них.Суперкомпьютер будет сам отслеживать своё «здоровье»,
Имея такой программный комплекс с элементами интеллекта, система станет высоко автоматизированной, однако конечные решения всё равно будет принимать администратор. А вот биологические машины давно впереди. Они работают полностью в автоматическом режиме без вмешательства извне. Они сами строят, сами контролируют и регулируют, сами «лечат», в особых случаях принимают решение даже о «самоубийстве» - апоптозе. Также как стартовавшая ракета при возникновении не устраняемой ошибки без команды из центра может включать программу самоуничтожения.
Не повторяют ли современные информационные устройства принципы архитектуры и программного комплекса клетки? То, что обычная клетка имеет важные информационные черты суперкомпьютера и других информационных устройств, очевидны. Но довольно распространённые в биологии термины информация, программа, регулятор, сайты, трансляция и другие используются неверно применительно к структурам устаревших понятий генетического кода и теории наследственности.
На этом фоне для информационной теории живого обнадёживающим представляется мнение нейробиологов из НИЦ «Курчатовский институт». Они считают наш мозг огромной сетью, а разум гиперсетью, «очень похожей на сеть огней в большом городе или сеть Интернета, социальную сеть» (из интервью К. Анохина 21 апреля 2015 года). Сеть в живом подразумевает информационный характер взаимодействий, автоматическое управление без вмешательства извне, и так далее. Это шаги к синтезу, реализовать подобное можно только на основе предварительного проектирования, разработанных алгоритмов, программ, многоуровневых операционных систем и соответствующего аппаратного обеспечения. Мозг и разум - единая сеть, функционально они неделимы.
Нужен решительный переход от анализа к синтезу. Надо открыть двери в биологию для специалистов в области информатики и информационных технологий, с новой информационной идеологией. Но тенденции изучать всё более мелкие структуры для поиска механизмов, путей и способов интеграции структур и функций, координации их действий по ритмам и циклам отдаляют науку от истины
Продолжающаяся дифференциация пополняет комплекс так называемых «наук о жизни». На совместном общем собрании РАН и РАМН «Наука – здоровью человека», состоявшемся в 2003 году, было провозглашено, что будущее за постгеномными технологиями, а геномика, протеомика, биоинформатика названы науками о жизни, которые будут определять начало XXI века. Что определилось за прошедшие 15 лет нового века? Но могут ли считаться науками о живом, об организмах отрасли, которые изучают только отдельные структуры, пытаясь связать их функции с пространственным положением нуклеотидов, белков, аминокислот или последовательностью расположения в них атомов, молекул? Молекулярные и атомарные структуры не имеют никаких свойств и признаков живого. Тем более некорректно связывать их с жизнью, наука ещё не определилась - что такое «жизнь». Можно ли ожидать фундаментального прорыва в познании живого от структурной биологии, мобильной генетики, коннектомики, оптогенетики, пептидомики, транскриптомики, микробиомики, метаболомики?
Сегодня появилось достаточно оснований дополнить информационную теорию живого и уточнить некоторые определения. Надо признать одноклеточные организмы, клетки биологическими информационными супермашинами, автоматами с высокой производительностью, большим объёмом данных о внешней и внутренней среде.
Клетки многоклеточных организмов объединены в ткани, органы и системы - биологические информационные гиперсети, которые образуют целостные биологические информационные мегасети различных организмов.
Вопрос о происхождении живого пора закрывать. Такие сложнейшие информационные устройства могли возникнуть случайно? Устройства, противостоящие агрессивным факторам внешней среды, ею же и порождены? А сложнейшие многоуровневые программы, операционные системы могут быть созданы и объединены с материальной частью не разумом, а естественным отбором? Нет, нет и нет!
Вернёмся в начало, к эпиграфам. В них мудрость тысячелетий! Это воистину подсказки на историческом пути к познанию, а, возможно, и к созиданию живого!
И.П. Павлов видел ещё дальше. Не могу не повториться, цитата была в моей первой работе, приводя его мысли из книги «Двадцатилетний опыт объективного изучения высшей нервной деятельности» (М.-Л., 1938, с.123): «Каждый животный организм представляет собой сложную обособленную систему, внутренние силы которой каждый момент, покуда она существует как таковая, уравновешивается с внешними силами окружающей среды….
Придёт время – пусть отдалённое – когда математический анализ, опираясь на естественнонаучный, охватит величественными формулами уравнений все эти уравновешивания, включая в них, наконец, и самого себя».
Если математический анализ заменить, а может быть дополнить программированием, формулы – программами, то время, может быть, не настолько отдалённое, но уже пришло. Пора учёным признать заблуждения и ошибки в стратегии изучения живого и делать необходимые выводы! В разы сократятся биологические парадоксы, появятся настоящие биологические законы.
Разум - причина создания живого, Разум - Созидатель, воплотивший Слово, Мысль, Информацию в вечно движущуюся материальную силу – сообщества организмов.
Ибадулин Р.Р. Ноябрь, декабрь 2015 г.
