Статья опубликована в журнале "Сибирь-Восток" Выпуски №3 (39) с.с. 31-36 и №4 (40) с.с. 31-36 за 2001 год |
|
От редакции журнала |
|
На пути к информационной гипотезе происхождения и существования живых организмовР. Р. Ибадулин Московский городской центр дезинфекцииВ последнее время все чаще и чаще необходимой составляющей всех или большинства явлений в нашей Вселенной признается информация. С тех пор, когда Н. Винер охарактеризовал информацию как самостоятельное “объективно сущее состояние”, как некое содержание, сведения, получаемые из внешнего мира в процессе нашего приспособления к нему наших чувств, и что она - ни материя, ни энергия, интерес к возникшим проблемам постоянно растёт. Впервые информационные процессы были принципиально противопоставлены материальным физическим явлениям. Открытие способов измерения количества информации, ее кодирования, обработки и хранения, бурное увеличение технических средств, предназначаемых для обработки информации, вызвали новый качественный скачок в мировом прогрессе. Появление современных компьютеров, локальных информационных сетей и Internet, продолжающих завоёвывать мир, ознаменовали наступление информационной революции. Её первые итоги, которые каждый успел испытать, бесспорно, предвещают новую эпоху в истории цивилизации, связанную с появлением новых фундаментальных теорий и открытий во многих областях наук. Доказательство главенствующего положения информационного начала во многих явлениях изменит представления о мироздании, заставит пересмотреть философские, естественнонаучные, методологические взгляды на большинство процессов, протекавших и протекающих на Земле и в Космосе. Очевидно, что 21-ое столетие будет признано информационным. Предпринимаемые сегодня попытки найти всеоблемющую теорию информации, которая бы объясняла информационные отношения во Вселенной, пока успехом не увенчались. Продолжают существовать параллельно несколько концепций. Так, представители одной – атрибутивной – полагают, что информация является внутренним свойством каждого материального объекта, всей материи, от элементарных частиц до метагалактик. Другие связывают понятие информации с управлением, то есть придерживаются кибернетической концепции. Третьи считают, что информационное взаимодействие, это один из видов взаимодействий, связанных с переходом от объективного к субъективному. В физической концепции информация характеризуется, как мера неоднородности распределения материи и энергии в пространстве и во времени, как мера изменений, которыми сопровождаются все протекающие в мире процессы. Некоторые учёные отождествляют информацию с физическим вакуумом, способным образовывать материальные частицы. Если предположить, что вакуум и информация равнозначны, то интересны расчеты, показывающие, что на одну часть каждого твердого тела приходится 1015 вакуума. Математики объясняют информацию и её движение мерой упорядоченности и организации внутренней структуры объекта, энтропией и негэнтропией. Сторонники другой концепции исходят из того, что информация не может существовать в неживой природе. Пока формируется само понятие информации, пока идёт борьба мнений и взглядов, практика установила, что главным свойством всех информационных структур является их универсальность. В состав информационных систем или структур должны входить некоторые обязательные элементы, обладающие определённым функциональным предназначением и соответствующими возможностями. Первые из них рецепторы - система, воспринимающая и преобразующая поступающие сигналы. Затем следует - запоминающее устройство, со своей локальной памятью и программным обеспечением, где фиксируются предшествующие и текущие сигналы, обрабатывается поступившая информация и вырабатываются соответствующие решения. И, наконец, устройство, которое реализует процессы (действия), свойственные данной информационной системе. Это по сути самая простая, но принципиальная, схема любого компьютера. На фоне информационной революции и бурного развития компьютерных технологий, которые захватили науку, производство, образование и даже искусство, структурный подход, сохраняющийся в биологических и медицинских исследованиях, представляется устаревшим. Механистичен взгляд на молекулу ДНК, структура которой якобы определяет информационные свойства организмов, кодирует наследственную информацию. Изучение азов информатики, знакомство с некоторыми информационными концепциями, сравнения и аналогии убедили автора, что информационная составляющая в живом это далеко не структура ДНК. Информационное начало явление значительно более сложное, его главенствующая роль прослеживается на всех этапах развития и жизни организмов, формирования биологических видов и их исчезновения. Естественно, что в первую очередь, внимание было привлечено к итогам исследования геномов, так как масштабы работ, особенно в рамках международной программы “Геном человека”, уникальность применяемых методик, посыпавшиеся лавинообразно факты, открытия, сенсационные прогнозы стали оцениваться как фантастические. По научной значимости расшифровку генома поставили в один ряд с расщеплением атомного ядра. Некоторые крупные генетики утверждали, что с завершением программы “Геном человека” человечество будет знать о себе всё, более осторожные добавляли - почти всё. 2000-ый год ознаменовался тем, что компания “Селена Джикомикс” (Рокуэлл, штат Мериленд, США), мировой лидер в генетических исследованиях, расшифровала все гены человека. 26 июня 2000 года с официальными заявлениями об окончании картирования генома человека выступили на радио и телевидении Президент США Б. Клинтон и Премьер-министр Великобритании Т. Блэк. Из печати, научной и популярной, можно было узнать, что геном человека состоит из более 100000 генов, ДНК выстроена из 3 млрд. нуклеотидных пар. Сейчас описаны геномы многих микроорганизмов и вирусов, в том числе болезнетворных: микобактерии туберкулёза, генома холерного вибриона и других. На сегодня секвенировано 35 геномов бактерий. Расшифрован геном нематоды – простого многоклеточного организма, состоящего из 959 клеток, в каждой из которых 19099 генов и 97 млн. нуклеотидных последовательностей. Не так прост этот червячок размером в 1 мм! К. Вентером описан геном дрозофилы (11). В газетные киоски Лондона уже поступили в продажу компакт-диски с записью рабочего варианта генома человека, с цветными картами хромосом и всех букв, обозначающих последовательность нуклеотидов Получено много новых, интересных и в ряде случаев полезных для практики фактов. Но всё чаще оказывалось, что одному гену управление той или иной функцией, даже кажущейся достаточно простой, не под силу, а отношения генов и других участков ДНК в геноме не так однозначны. Рухнули постулаты “один ген –один гормон”, “ген – функция”. Канули в лету сенсации типа: “открыт ген рака – в ближайшее время рак будет побеждён”! Быстро улеглись страсти вокруг гена “памяти”, “гениальности”, “старения”, “страха” и так далее. Становится известным, что в опухолевом процессе принимают участие тысячи генов. Профессор биохимии из Национального института рака в Стэнфорде Пэтрик Браун сообщает, что по новой технологии отслеживает 18 тысяч опухолевых генов. Не один ген, а около 60 участков генома имеют прямое отношение к старению организма. Генная сеть системы кроветворения состоит не менее чем из 500-600 генов (12). Мы узнали, что в геноме значительную часть занимает “некодирующая” ДНК, почему-то не подверженная мутациям. Её роль остаётся неизвестной. А для чего в геноме “прыгающие”, “мигрирующие” гены? (9). В ряде случаев один и тот же ген с одинаковой нуклеотидной последовательностью выполняет в организме разные задачи. Давно отмечено, что различные аллели одного гена могут приводить в одном случае к одинаковым фенотипическим эффектам, в другом - к разным (1). Известны случаи, когда аллель одного гена может обуславливать различные формы одного и того же заболевания (3). Следовательно, не только структура определяет функции генов и генных сетей. Появились сомнения в том, что знание структуры генов даст исчерпывающие ответы на проблемы живого, как целостной системы. Лауреат Нобелевской премии Джеймс Уотсон считает, что расшифровка генома задача хотя и грандиозная, но всё же техническая, и потребуются десятилетия, чтобы осмыслить всё полученные данные (10). Чем интенсивнее будет идти процесс осмысления, тем больше будет описываться генных сетей и составляющих их генов. Больше будет возникать вопросов. Ведь и генные сети не могут и не работают в организме автономно. Даже в одноклеточном организме одновременно идут сотни различных процессов. Их продолжительность, очерёдность, использование конечных результатов одних процессов для осуществления других, строгая цикличность, взаимосвязь и взаимозависимость циклов подчинены двуединой цели – выживанию и воспроизведению себе подобных. Для этого необходимо анализировать сигналы, поступающие из внешней среды и передавать их соответствующим образованиям, получать данные о состоянии управляемых объектов внутри организма, их функциях, контролировать параметры внутренней среды, координировать всё для достижения цели, то есть управлять. В одном из интервью директор Института молекулярной генетики РАН академик Е.Д. Свердлов сказал: “Построение живого существа – пример хорошо организованного планового хозяйства”. Однако, генетика и молекулярная биология, исходя в исследованиях из существующих реалий, оказались в сложной ситуации. Изучены контуры предприятий и очертания зданий, составляющих такое сложное “плановое хозяйства”, хорошо известны конечные продукты и даже отходы каждого из производств. А механизмы плановой организации работ, система управления предприятиями и хозяйством в целом, остаются не познанными. Причина в господствующем до сего дня в биологии и медицине структурно-функциональном принципе исследований. Живые организмы дробятся на отдельные структурные части, эти части извлекаются, фиксируются и лишь потом изучаются. С совершенствованием и изобретением новых методов исследуемые структурно-функциональные образования становились всё мельче. Сейчас для изучения стали доступны органеллы клетки, мембраны, гены, нуклеотидные последовательности ДНК, даже – рецепторы органелл. Образования, длина которых измеряется в нанометрах ! Не изменилось существо структурно-функционального подхода при изучении геномов путём секвенирования (от слова - секвестр), полимеразных реакций - отторжение участков генома с последующим изучением их структуры. Вероятнее всего в науках о живом учёные подошли к рубежу, который предсказывал Бернард Шоу: “Исследователь, который в поисках истины все более и более дробит изучаемые явления, в конце концов, узнает всё ни о чем”. Поэтому большинство выводов и оптимистичных прогнозов, построенных на изолированных моделях структурных образований живого, в большинстве случаев не оправдываются. Сегодня дробить живое уже бессмысленно - дальше атомы, а теоретическая база для интеграции всё ещё отсутствует. Многие понимают, что дальнейшие шаги в изучении организмов при подобном подходе бесперспективны. В 1999 году академик РАМН Д. Саркисов говорил: “Если мы полагаем, что XXI-ый век будет веком проникновения исследователей к истокам жизни, направленного регулирования нарушенных интимных биологических процессов, то успех будет обеспечен только в том случае, если этот век будет одновременно и веком великого синтеза, крупномасштабных обобщающих теоретических концепций… Задачу медицинской науки и биологии в будущем следует видеть в познании пока еще наименее известного и самого трудного для изучения - работы организма как единой целостной системы”. И далее - "... новейшие открытия на молекулярном уровне сегодня на нас "сыплются" как из рога изобилия, в то время как в понимании общих принципов работы организма, синтетической деятельности всех его многочисленных частей мы фактически топчемся на месте На 1-ой Международной конференции по биоинформатике регуляции и структуры генома, состоявшейся 24-28 августа 1998 года в Новосибирске, признано, что изучение структуры генома не должно быть самоцелью. Важным становится “понимание механизмов, посредством которых информация, записанная в геномной ДНК (РНК), обеспечивает самовоспроизведение и функционирование организмов, их взаимодействие с окружающей средой при обмене потоками вещества, энергии и информации, реакцию на изменяющиеся условия внешней среды, адаптацию к этим условиям и т.д.” (12). Как и где начинать поиск теоретической базы, способной объединить в единое целое всё, что сейчас стало известно о живом, о его структурах и тысячеликих процессах, о десятках тысяч генах и миллиардах нуклеотидных последовательностей ? Философы и медики, учёные и практики никогда не прекращали думать о целостном организме и о факторах его объединяющих. С древних времён известны высказывания о том, что всему живому присуща своеобразная “жизненная сила”, которая поддерживает структуру, функцию, обеспечивает целевую ориентировку каждого организма на выживание и воспроизведение себе подобных. Ползающий ребёнок маленькой и слабой ручкой может легко сорвать растущую траву. Но эта же трава, попав под асфальт, поднимает его, рушит, пробивает! Мы часто становимся свидетелями, на что способна эта сила живого, но где она скрыта, откуда появилась, в результате чего ? Небольшой экскурс в прошлое показывает, что задолго до рождения кибернетики, информатики и до изобретения компьютера, философами и медиками были замечены в организмах необъяснимые в тот период свойства, характеризующие эти величайшие достижения второй половины 20 века. Ещё до нашей эры Платон говорил, что душа не только движет тело, но и движет себя. Сегодня мы знаем, что это свойство компьютерных программ, и не очень удивляемся этому. К информационному толкованию “жизненной силы” наиболее приблизились виталисты, которых нещадно критиковали те, кто позже объявил генетику и кибернетику лженауками. Виталисты называли эту силу “особой и своеобразной”; “первичной категорией, управляющей сама собой с какой-то первичной абсолютной закономерностью”. Они полагали, что все процессы в организме “приводятся в движение и регулируются приспособлениями, в нем же находящимися”. Механизмы такой силы являются “предустановленными, предрешенными, характерными своей какой-то целеустремленностью направленные сами по себе к достижению какой-то заранее установленной цели” Но tempora mutantur – времена меняются. Если в прошлом “жизненную силу” воспринимали как явление фантастическое или сверхъестественное, то бурное развитие кибернетики, информатики, компьютерных технологий и установившиеся тенденции в их поступательном движении, дают основания сделать некоторые далеко идущие предположения в отношении живого и провести некоторые аналогии между организмами и современными информационно-кибернетическими устройствами.В период, когда всё больше людей вовлекается в информационную среду в качестве пользователей персональным компьютером и информационными сетями, побуждение к таким сравнениям становится закономерным. Тем, кто знает основы информатики, всё труднее объяснять высокую организованность и слаженность “вечного” движения живого современными биологическими постулатами. Одной из первых возникает мысль, что одноклеточный организм, каждая клетка это сложнейшие биологические компьютеры, предназначенные для работы с внешней и внутренней информацией, имеющие собственную систему автоматизированного управления, энергообеспечения и воспроизводства. Сравнение устройства и принципов функционирования персонального компьютера и одноклеточного организма во многом подтверждает это предположение. Каждый, имея школьную подготовку по биологии и информатике, может самостоятельно сравнить их и убедиться в справедливости такого подхода. Надо только абстрагироваться от размеров сравниваемых объектов, их формы и консистенции (11). Мембраны, как и корпус компьютера, защищают клетку и ядро от неблагоприятных воздействий, поддерживают их форму, а также несут на себе устройства ввода-вывода или приспособления для их подключения. Цитоплазма и кариоплазма исполняет роль материнской платы в клетке. Они удерживают органеллы клетки, хромосомы и другие образования без “болтов и винтов”, позволяя при необходимости изменять положение и передвигаться, например, в процессе деления. Эти среды служат, по-видимому, также информационным полем, обеспечивая прохождение соответствующих сигналов во всех направлениях. На мембране смонтированы рецепторы – устройства ввода-вывода, с помощью которых клетка, “общается” с внешней средой. Рецепторы опознают внешние воздействия, нужные преобразуют на “язык” клетки и передают информацию соответствующим клеточным образованиям, другим - препятствуют проникать через мембраны вглубь клетки. Носителями информации в клетке являются ДНК, РНК, как микропроцессоры и чипы в компьютере. Роль центрального микропроцессора выполняет ядро клетки у эукариот, хромосомная ДНК у прокариот. Эндоплазматическая сеть объединяет все органеллы клетки, напоминая разветвлённые многоканальные кабели, соединяющие все устройства компьютера, и, возможно, также предназначенные для обмена информацией. В клетке вместо внешних источников энергетического снабжения имеются свои “электростанции” - митохондрии, преобразующие энергию солнца или пищи, обеспечивая энергетический баланс. Важнейшим условием для всех самоуправляемых устройств, работающих по программам, является наличие счётчика времени. Компьютер работает или выключен, но его внутренние электронные часы с автономным питанием отсчитывают каждую секунду. Накануне 2000 года, когда оказалось, что ряд компьютеров не смогут зафиксировать эту дату, появились серьёзные опасения и неприятные прогнозы, связанные с возможными сбоями в их работе. В клетке функционируют свои биологические часы с участием теломер. Все алгоритмы и команды, водители ритмов, зашифрованные в программах, ориентированы по времени. В соответствии с показателями счётчика времени определяются сроки, последовательность и периодичность всех процессов, в том числе, начало деления клетки, продолжительность митотических фаз, включение и выключение каждой функции. Укорочение теломер при каждом делении до определённого предела предопределяет апоптоз, то есть смерть клетки. Рассмотренные очень схематично структурные образования не что иное, как “железо” компьютера, только одна обязательная часть каждого информационного устройства. Сейчас мы знаем, что “железо” без программного обеспечения, остаётся просто железом. Если клетка и компьютер работают на основе информационных принципов, а структурные составляющие клетки являются биологическим “железом”, то по аналогии с компьютером клетка обязательно должна иметь также и “мягкую” часть – программы. А чтобы компьютер заработал его “железо” - твёрдую часть необходимо объединить с “мягкой” – программным обеспечение Такое объединение в технических компьютерах процесс многоэтапный. Вначале не очень сложные программы типа Setup, Post<, программы драйверов внешних устройств записываются на небольшом чипе материнской платы Bios. Они “оживляют” компьютер, объединяют все его устройства, связывая в единое целое аппаратную и программную части. Теперь компьютер начинает понимать команды и может адресовать их другим составным частям компьютера. Появляется возможность записать операционную систему, утилиты, инсталлировать программы управляющие принтером, сканнером и другими устройствами (14). Можно добавлять другие программы, которые делают его ещё более умным, неутомимым работником, организатором досуга.Если программная составляющая персонального компьютера известна и соответствующим образом описана, то об этой части клетки мы пока ничего не знаем. Вероятнее всего работой программ обуславливается та самая “жизненная сила”, которая не только “движет тело, но и движет себя”. Похожими свойствами обладают современные, постоянно совершенствующиеся операционные системы. За последнее десятилетие они прошли путь от DOS до WINDOWS-2000. В компьютерах они “разворачивают” себя, включают или выключают различные программы, по их командам приводятся в движение не только внутренние устройства компьютера, но и внешние - модем, принтер, осуществляются удалённые соединения и выходы в локальные и глобальные информационные сети. Чем совершеннее операционная система, тем легче работать пользователю, участие его становится минимальным, нужно только щелкнуть с помощью мыши по соответствующей “иконке” и заказанные действия пойдут в автоматическом режиме. Упрощая, мы не говорим о многочисленных операционных системах других разработчиков.Для каждого биологического компьютера в соответствии с информационными правилами наличие главной операционной системы обязательно. Она определяет основные отличительные признаки каждого биологического вида, содержит всю информацию о конкретной особи и биологическом виде в целом. Она в точности реплицируется на носители особей каждого последующего поколения, поддерживая все видовые характеристики. Вскрыв операционную систему, расшифровав её содержание, можно было бы получить сведения о технологии создания особи и вида, параметрах среды, в которой проходил этот процесс. Удалось бы узнать запрограммированную продолжительность жизни, старения и смерти, возможно и механизмы регуляции численности вида в зависимости от “капризов” внешнего мира. Сейчас некоторыми генетиками предпринимаются попытки доказать, что срок полного исчезновения биологических видов с лица Земли также запрограммирован, как и продолжительность жизни каждой клетки, каждой особи. Главная операционная система в ответе за всё. Каждый процесс управляется конкретной программой, но контролируется и корректируется операционными системами высшего уровня. Нарушения в работе любой из программ не должны привести к гибели особи и вида, в этом главная целевая установка всего живого. Однажды созданная и запущенная операционная система не может быть изменена. Б. Гейтс и другие разработчики программного обеспечения полагают, что любая, однажды созданная программа неизменна (5). Попробуйте удалить какой-то файл в Windows 2000. Результат вас ожидает плачевный. Убрав даже небольшую часть алгоритмов или изменив их последовательность, вы не сведёте концы с концами, программа окажется не дееспособной. Если вы профессионал, имеете математическое описание системы или состоите в числе разработчиков Windows ситуация разрешима, но для подавляющего большинства пользователей тупиковая. Программу надо исправить, сверить с описанием, откорректировать, вновь нанести на носитель и запустить. Без профессионалов не обойтись. Но для этого придётся остановить работу компьютера, отключить электропитание. Остановить в живом работу главной операционной системы, носителей, других программ для исправления повреждений и ошибок по понятным причинам нельзя - они включены раз и навсегда. Остановка – смерть. Поэтому одним из основных условий выживания каждой особи и биологического вида в целом, является наличие системы защиты носителей и программ, тестирования и восстановления повреждённых. В организме информационные - диагностические и лечебные - механизмы, типа Scan Disk, антивирусных программ – Web, Antiviral или других, вероятнее всего значительно эффективнее и совершеннее, чем в технических компьютерах, а работать они способны параллельно с другими пакетами программ. Программное обеспечение и носители в биологическом компьютере должны быть надёжно защищены ещё и потому, что этот механизм необходимо передать последующим поколениям в неизменённом виде. Организмам для эффективной работы с максимальной надёжностью необходимо иметь в своём арсенале программы и другого предназначения, в том числе различного рода преобразователи, проводники, активизаторы, оптимизаторы, архиваторы и другие. Без наличия в программном обеспечении универсальной справочной системы, в том числе о внешней среде и возможных колебаниях её параметров, целесообразные, целенаправленные действия и ответные реакции организмов также не объяснить. Из предшествующих рассуждений вытекает ещё один важный вывод, противоречащий общепризнанным взглядам: ДНК, РНК, не могут обладать информационными свойствами только в силу своей структуры или химического состава, они часть биологического “железа”. По совремённым взглядам информация материализуется только на носителях, а работа носителей возможна лишь при использовании соответствующих программ (7) . Следовательно, ДНК и РНК с их чередующейся по определённым правилам структурой это – всего лишь биологические носители информации. Косвенными доказательствами такого утверждения служат также жесткая структура ДНК, имеющая линейный, без ответвлений характер, и появившиеся в последнее время сообщения о хорошей электрической проводимости. Кстати, ДНК из всех биологических субстратов оказалась самой стойкой к тлению. Биологические носители целесообразно называть наносхемами, нанопроцессорами. В носителях таких размеров атомы, даже электроны, могут играть роль полупроводников, транзисторов, а связи между ними – проводящих путей. В книге “Дорога в будущее” Б. Гейтс пишет, что теоретическим пределом быстродействия является одноэлектронный транзистор, где бит информации будет представлен одним электроном. “Чтобы воспользоваться преимуществами быстродействия на молекулярном уровне, компьютеры должны стать очень маленькими, даже микроскопическими” (5). Может быть, эта закономерность уже использована в биологических компьютерах – в одноклеточных организмах, в половых и соматических клетках? А дезоксирибонуклеиновая и рибонуклеиновая кислоты для этих целей оказались идеальными носителями ? ДНК, как часть “железа”, не может без программного обеспечения осуществлять управление всеми процессами в живом: от рождения, воспроизведения себе подобных и до смерти. Последовательность нуклеотидов, состоящая даже из миллионов пар, не обеспечит требуемый объём памяти и не вместит необходимое количество программ.Поэтому, представление о том, что наследуемая информация кодируется последовательностью нуклеотидов в геноме живых организмов, является вероятнее всего ошибочным. Напомним, что одни и те же гены с одинаковой нуклеотидной последовательностью могут выполнять разные функции, в том числе на разных этапах жизненного цикла одного и того же организма. Так, теломеры, участвуя в отсчёте времени, имеют также отношение к некоторым функциям воспроизводства организмов, правильному соединению отцовских и материнских хромосом, к перестройке ДНК-белковых комплексов хромосом. Только структурой теломер такая вариабельность функций не объяснима.Утверждение, что структура ДНК кодирует информацию, опровергается также историей развития электронно-вычислительных машин. Достаточно вспомнить, с какой скоростью и сколько действий могли выполнять первые арифмометры, основанные на зубчатых, разновеликих колёсиках, приводившихся в движение механической силой. Размерами дисков и количеством зубцов на них действительно кодировались арифметические действия, но только самые простые. Хотя и в этом случае, цель и способы её достижения просчитывались заранее, то есть программировались. Сравните объёмы вычислений и быстродействие арифмометров с самыми простыми компьютерами. Механическим способом с помощью зубцов никогда не удалось бы создать современную вычислительную технику. А все ЭВМ сегодня ещё значительно отстают по своим характеристикам и возможностям от простейших одноклеточных организмов. Мнение, что наследственная информация и регуляторные функции обусловливаются (кодируются) структурой нуклеотидных последовательностей ДНК, то есть по принципу когда-то использованному при конструировании арифмометров, уже не корректно. Но это не мешает употреблять такую терминологию, как генетическая информация, информационная РНК, передача информации, информационная интегрированность биологических видов, и даже информационная молекула. К сожалению, информационная часть живого, его программное обеспечение, не изучалось в прошлом и не изучается сейчас. Наряду с принципиальным сходством, между техническими и биологическими компьютерами имеются, конечно же, существенные отличия. Кроме размеров, формы и исходных материалов, из которых они созданы, различия касаются сложности конструкции, уровня автоматизации, быстродействия, и, как следствие, объёмов выполняемых задач. И каждое из сравнений не в пользу технических компьютеров. Сегодня все созданные человеком информационно-кибернетические устройства несоизмеримо уступают по всем показателям биологическим компьютерам. Так, самый сложный компьютер был собран в США из тысячи процессоров и разработана программа, обеспечивающие его работоспособность при наличии 92 % повреждений. Геном микобактерии туберкулёза имеет 4000 генов и более 1 млн. нуклеотидных последовательностей. Если каждый ген, только равнозначен процессору в техническом компьютере, то по этому арифметическому показателю она в четыре раза превосходит самый сложный технический компьютер. А её программное обеспечение позволяет осуществлять функции, которые и по количеству, и по сложности пока недоступны ни одному устройству, созданному человеком. Термин – биологический компьютер, ранее уже был использован в научной литературе. Некоторые подразумевали под этим мозг, другие нервную систему, третьи - весь организм, и так далее. Доктор биологических наук Е.А. Либерман предполагал, что внутри нейрона действует электронная вычислительная машина, анализирующая входящую информацию, и что программы такой машины закодированы структурой ДНК. Но не внутри нейрона, а сам нейрон является совершеннейшей ЭВМ, а структура носителя - понятие больше техническое, а не информационное. Предлагаемое ниже определение биологического компьютера отличается от всех предшествующих по содержанию и смыслу. Клетка, одноклеточный организм – это самоуправляемые биологические компьютеры, создающие себя и работающие на основе сложного программного обеспечения, определяющего их специфическую структурную и функциональную организацию, автономность по отношению к внешней среде с целевыми механизмами гомеостаза, воспроизведения себе подобных и энергетического обеспечения. Такой взгляд на одноклеточный организм отрицает возможность его спонтанного возникновения в результате случайной цепи случайных совпадений под влиянием постоянно меняющихся условий среды. Сегодня с определёнными допусками на основе теории “первичного бульона”, хаоса и антихаоса, реакций полимеризации, в том числе протекающих при температурах близких к нулю, можно показать случайное усложнение какой-то химической структуры. Объяснить же самозарождение, стихийное появление сложнейшего программного обеспечения, ориентированного на перспективу и определённую цель, да ещё и в нужное время, в нужном месте и уже на носителях, представляется бесперспективным из-за отсутствия достоверной теоретической базы и реальных аргументов. Спонтанному появлению организмов противодействовала и сейчас противодействует сама внешняя среда. Простые наблюдения говорят о её враждебности по отношению ко всему живому. Разрушьте мембраны и все клеточные образования, жидкости, коллоиды становятся беззащитными перед природными факторами. Они распадаются, высыхают, замерзают и гибнут. Если процессы в организме отклоняются от нормы, то он, даже не имея видимых повреждений, лишается возможности поддерживать постоянство внутренней среды и гибнет. В этом кроются причины того, что человечество никогда не было свидетелем появления одноклеточного организма, даже в эксперименте. Все рассуждения о взаимодействии организмов с природой безосновательно преувеличены. Участвуя в борьбе за существование, организмы противостоят внешним условиям, а не приспосабливаются к ним. Могли ли в условиях такого постоянного противостояния нежизнеспособные соединения, каждое из которых в отдельности беззащитно перед факторами среды, объединиться в организм, функционирующий по своим внутренним правилам со своим целевым ориентированием! Как можно представить, что в течение миллионов лет шли процессы образования и объединения цитоплазмы, формирование клеточных структур и программ, закрытие мембран. Самое парадоксальное в теории спонтанного появления жизни состоит в том, что такому сложнейшему процессу будто бы способствовала сама природа и “обучала” организмы выживать. Организмы - системы замкнутые. Без механизмов, обеспечивающих автономность по отношению к внешним факторам, они бы появиться не смогли. Нет оснований принимать за взаимодействие способность организмов использовать некоторые факторы среды в своих интересах. Организм делает это не пассивно и не принимает как подарок, а специальным образом преобразует их с помощью своих, предназначенных для этих целей приспособлений. Теоретически, с учётом достигнутого уровня знаний, только информационная составляющая на носителях способна “двигать” себя, управлять образованием крупных молекул и клеточных структур, формировать, объединять, координировать функции и процессы. Под управлением и контролем главной операционной системы, в специально созданной среде с набором необходимых компонентов, в быстром темпе, в автоматическом режиме, одновременно в нескольких точках могли создаваться сложные биохимические молекулы, белки, формировались органеллы и связи между ними, плазматическая среда, адаптационные механизмы и мембраны. Как только цитоплазматическая мембрана замыкалась, одноклеточный организм приобретал способность к существованию в открытой природе. Так можно представить процесс их образования. Однако этого было бы недостаточно для формирования и сохранения биологического вида. Операционная система появившегося организма должна была содержать программу размножения, предусматривающую такие сроки созревания, периодичность и количество вновь появляющихся особей, которые восполняли бы естественную гибель, в том числе связанную с борьбой за существование. Таким образом, “курица” и “яйцо” программировались одновременно и могли появиться только вместе. Все другие рассуждения на этот счёт не выдерживают критики, а для любой эволюционной теории – теоретический тупик. Технологию и программы таких целевых процессов можно было разработать только заранее, также как состав и параметры среды, используемой для создания исходных организмов. Если проектирование могло продолжаться сколько угодно долго, то само образование организма по указанным выше причинам растянутым быть не может Огромны наукоёмкость и трудоёмкость работ, предшествовавших созданию биологического компьютера. Такой процесс трудно представить без использования математического моделирования и автоматизированного программирования, без знания основных информационных законов и владения высокими технологиями. Анализ тенденций в развитии компьютерных технологий, сложившихся в последние годы, а главные из них - это миниатюризация и стремление использовать биологические носители, позволяют утверждать, что путь к созданию простейших биологических компьютеров открыт. Сближение размеров технических и биологических компьютеров при современных темпах прогресса не такое уж далёкое будущее. Миниатюризация таит в себе огромные резервы по увеличению памяти и быстродействия, за счёт приближения участков носителей, предназначаемых для хранения информации, к местам её обработки. Пропадает необходимость создавать каналы связи и тратить энергию на перемещение по ним информации. Появились микротехнологии, позволяющие производить наночипы и объединять их. Некоторые лаборатории уже работают с так называемыми “баллистическими” транзисторами, скорость переключения которых порядка фемтосекунды - 1 –15 (!) сек. О ДНК–компьютерах, квантовых компьютерах, компьютерах в пробирке можно найти сообщения в научной литературе, а не в произведениях фантастов. Это уже реальность сегодняшнего и завтрашнего дня. Возможно, что миниатюризация компьютеров не только тенденция, но проявление неких обязательных информационных законов, которые ведут к созданию наиболее совершенных компьютеров, наиболее быстродействующих, наиболее экономичных и “вечных”. Не повторяет ли человечество путь кем-то уже пройденный? Итак, если клетки и одноклеточный организм – это биологические компьютеры, то многоклеточные организмы - информационные системы различной степени сложности. Как только от локальных сетей человечество пришло к глобальной компьютерной сети оказалось, что некоторые информационные принципы построения и функционирования многоклеточного организма и Internet также достаточно схожи. Сходство в первую очередь состоит в том, что и та, и другая системы выстроены из первичных элементов, имеющих одинаковое устройство и совместимое программное обеспечение. По этим причинам каждое из составляющих элементов, в какой бы части системы оно не находилось, полностью совместимы друг с другом. Так, все компьютеры в Internet имеют принципиально одинаковую конструкцию, как и все клетки одного и того же организма. По мере усложнения системы и разработки специальных программ отдельные компьютеры стали выполнять в Сети разные специализированные функции, в том числе по обслуживанию других компьютеров. Одни из них подключают к Сети, другие осуществляют поиск, третьи обеспечивают новостями, позволяют участвовать в конференциях. Некоторые хранят справочные материалы, доставляют адресатам электронную почту и выполняют другие функции в зависимости от того какими программами они оснащены. Такие компьютеры стали называть серверами. В многоклеточном организме все клетки не только устроены одинаково. Поскольку менять программы по жизни будет нельзя, каждая клетка содержит информацию обо всём организме, имея одинаковые носители и идентичное программное обеспечение, за исключением эритроцитов, не имеющих ядра. От программ, находящихся в активном состоянии, зависит специализация клеток и тканей, характер выполняемых ими задач, изменение размеров, формы, набора органелл и так далее. А вот функции нейронов очень сходны с теми, что свойственны серверам в информационных сетях, хотя и значительно сложнее. Организмы по сложности строения биологических носителей, их информационного насыщения, количеству входящих в систему первичных элементов, быстродействию и объёмам памяти в сотни тысяч и миллионы раз превосходят Internet. Если в Internet сейчас работает несколько десятков миллионов компьютеров (13;15), то организм человека состоит из 1014 клеток. Цифра из разряда астрономических. Количество составляющих элементов, сложность их устройства и программное насыщение определяют способность многоклеточных организмов к самообучению на основе приобретаемого опыта (17). Чем сложнее организм, тем это свойство выражено больше. В этом главное отличие биологических систем от технических информационных устройств и сетей. Попытки создать самообучающиеся технические устройства, предпринимаются давно, есть некоторые успехи на этом пути. Однако способности самых “интеллектуальных” компьютеров пока несоизмеримо ниже, чем у простых многоклеточных организмов. Не продолжая дальше сравнение технических информационных сетей с биологическими информационно-кибернетическими системами, а совпадений и аналогий можно обнаружить много, предлагается следующее определение многоклеточных организмов.Многоклеточные организмы–это автономные, самоуправляемые информационно-кибернетические системы разной степени сложности, создающие себя и функционирующие на основе биологических компьютеров, сложного многоуровневого программного обеспечения, определяющего их видовую принадлежность, способность к обучению, а также целевые механизмы гомеостаза, воспроизведения себе подобных и энергообеспечения.Информационный взгляд на многоклеточные организмы даёт основания усомниться в достоверности эволюционного учения. Неизменность программ, защита носителей и находящейся на них информации, как основные требования к устойчивому функционированию любой информационно-кибернетической системы, позволяют предположить, что биологические виды стабильны и не эволюционируют. Если у некоторых организмов какие-то признаки могут изменяться, то происходит это только в запрограммированных пределах. Приобретенные признаки, как давно установлено, вообще не наследуются (2). Пока ещё признаваемая теория органической эволюции, проходящая якобы путём естественного отбора признаков, детерминированных генетически, терпит крушение с накоплением фактов, получаемых при исследовании геномов. С информационных позиций изменения структуры генов в результате мутаций не могут детерминировать появление новых полезных признаков, которые в свою очередь станут материалом для естественного отбора, и вот почему. Мутации в генах относительно общего количества ДНК в организмах, очень редки. Вероятность их появления оценивается как 17, 110 (9) Общепринято мнение, что большинство мутаций вредны (6), как любое повреждение носителя информации. Так называемые точковые мутации, самые многочисленные среди редких, затрагивают только пару нуклеотидов гена. Такое повреждение, занимая в структуре гена только одну десяти тысячную часть последовательностей, повлиять на содержание программной составляющей и изменить свойства гена, не может. Как и нет объективных доказательств того, что повреждение вдруг может стать полезным и детерминировать появление полезный признак. Превращение повреждения в полезный фактор противоречит логике, а накопление и закрепление точковых мутаций в поколениях по теории вероятности ничтожна. Более сложные нарушения генетического аппарата, в том числе, инсерционные мутации, хромосомные аберрации, если они вдруг наследуются, ведут к снижению жизнеспособности особи и гибели (4). Мутации не встречаются в некодирующей части ДНК, которая может занимать 50 и более процентов нуклеотидных последовательностей в геноме. По-видимому, здесь записана и работает главная операционная система, определяющая все характеристики каждой особи и биологического вида в целом. Следовательно, влияние мутаций на этот самый важный участок генома и операционную систему вовсе исключается. Мутации, приобретенные в период жизни отдельной особи, лечатся, так как в каждой клетке организма действует мощная защита от повреждений, Наиболее эффективно идёт устранение мутаций в процессе образования половых клеток. Рассматривая проблему видообразования, нельзя не обратиться к результатам двух природных экспериментов, которые опровергают утверждение о пользе мутаций, их наследовании, да и саму органическую эволюцию. В институте микробиологии РАН в пробах антарктического льда, добытых с глубины 3500 метров, обнаружены микроорганизмы, находившиеся в состоянии анабиоза миллион лет, причём оказалось, что “в основном древняя ледниковая микрофлора состоит из тех же микроорганизмов, которые встречаются в наше время” (“ХЖ”, 2000, №4, с.4). Пока у сородичей отсутствовали все видимые проявления жизни, геномы микроорганизмов, доживших до наших дней, подвергались бесчисленным мутациям, рекомбинациям. Одна бактерия, делящаяся каждые 20 минут, теоретически могла дать до 272 особей за сутки (16). За миллион лет каждая из них делилась более 25 триллионов раз. Добавьте ещё влияние значительно возросшей за индустриальный период истории человечества мутагенности окружающей среды, действие дезинфицирующих средств, антибиотиков. Несмотря на будто бы благоприятную обстановку для эволюции, никаких промежуточных форм и новых видов микроорганизмов не появилось (18), хотя по количеству сменившихся поколений они многократно перекрыли все виды, жившие когда-то и живущие сейчас на Земле. Второй эксперимент продолжается с тех пор, как появилась жизнь. При высокой изменчивости генов и быстрой смене поколений сегодня известно всего около 5 тысяч видов бактерий, то есть 0,26 % от всех обитающих на Земле биологических видов. А вот среди насекомых насчитывается 500 тысяч видов или 26 %! Как же объяснить, что многоклеточные организмы, устроенные значительно совершеннее, с более сложным генетическим аппаратом, со специализированными органами и клетками, составляют на Земле подавляющее большинство видов, несмотря на несоизмеримо редкую смену поколений и сложные отношения с внешней средой. За прошедший миллион лет, как утверждают приверженцы эволюционного учения, на Земле появился даже Homo sapiens. Опыт, длящийся миллиарды лет, может лишь свидетельствовать ещё об одном необъяснимом парадоксе эволюции - о “высочайшей избирательности” и “целевом пристрастии” естественного отбора к сложнейшим организмам и полном безразличии к простым. Хотя для реализации эволюционных преобразований материальная база в геноме бактерий по количеству нуклеотидных последовательностей значительно проще, чем у многоклеточных организмов. Трудно объяснимые факты поставляют для эволюционной теории сравнение геномов одноклеточных, простых многоклеточных организмов и человека. Нет намёка на эволюционный ряд по таким биологические показателям, как количественное содержание ДНК в клетках или по числу хромосомных наборов. Так, содержание ДНК в пикограммах в клеточных ядрах с диплоидным набором хромосом у саламандры огненной 86,0, пшеницы – 36,2, жабы обыкновенной – 15,0, а у человека - 5,8. А хромосомные наборы почти одинаковы у таракана - 47, человека – 46, у болотной черепахи - 50. У сазана и карпа по 104 хромосомы, а у щуки всего 18 (20). Оказалось, что ген, контролирующий клеточный митоз, по структуре и последовательности нуклеотидов оказался одинаковым у многих организмов, в том числе у дрожжей и человека. Но, при одинаковой структуре скорость митоза и продолжительность митотических фаз у них значительно разнятся. Другой факт. В клетках всех организмов очень сходны механизмы биологических часов. В хромосомах всех позвоночных теломеры по структуре одинаковы, но они отсчитывают и фиксируют промежутки времени, специфичные для каждого биологического вида. Сходство структуры ряда генов у одноклеточных и многоклеточных организмов, простых и сложных, выявленное в процессе выполнения программы “Геном человека”, позволило генетикам говорить о едином геномном поле живого. Так, по мнению члена-корреспондента РАН Л.Л. Киселёва любой ген человека есть и у коровы, по структуре они на 80 % совпадают. Зная все гены человека, можно будет знать 99 % генов коровы. Да, гены совпадают, но только по структуре. Их функционирование и предназначение у особей различных биологических видов определяется программным обеспечением. Иначе как воспринимать недавнее сообщение К. Вентера, что его компания “Селера” расшифровала геномы трёх видов мышей, при этом оказалось - мышиный геном на 90 % совпадает с геномом человека!?. В первой декаде февраля 2001 года появились сообщения британских учёных о том, что в геноме человека оказалось всего 28-35 тысяч генов, а не более ста тысяч, как предполагалось ранее, и он на 50 % совпадает с геномом нематоды. Ещё одна сенсация, которая свидетельствует, что говорить о едином геномном поле, учитывая лишь структуру генов не корректно. Как по структуре на таком огромном поле вы дифференцируете ген, контролирующий клеточный митоз у мыши и человека, или генную сеть кроветворения? Структура генов одинакова у многих эукариот, а параметры функционирования и их конечные результаты, фенотипические проявления разные даже у отдельных особей одного биологического вида. Целевая функция генов и генных сетей определяется программным содержимым каждой структуры. Итак, многие данные свидетельствуют об изменчивости генов (мутации, рекомбинации, аллели), но любая изменчивость определяется не структурой, а информационной составляющей, при руководящей роли главной операционной системой. Геном же и генотип в силу неизменности главной операционной системы передаются в первозданном виде, из поколения в поколение. По этим причинам ещё никому не удалось показать на конкретных фактах, что изменения в генах биологического вида привели или могут привести к появлению нового вида. Ещё никто не собрал завершенного комплекса доказательств, что такого рода события были в прошлом, происходят сейчас или могут быть в будущем. Дарвин говорил, что несколько основных биологических видов были созданы (у него – Богом), став основой последующей эволюции растительного и животного мира, и очень сомневался, что глаз мог появиться в результате естественного отбора (8). Палеонтология, биогеография не имеют доказательств ни одного случая превращения одного вида в другой из-за отсутствия переходных форм.. Как объяснить естественным отбором полиморфизм? Удивительное явление - в пределах одного биологического вида имеются резко отличные по внешнему облику и роли в организации жизни популяции особи, между которыми нет переходных форм. Примером могут быть общественные насекомые, такие как муравьи, пчёлы. Как разнятся внешний вид и задачи “рабочих”, “воинов”, “маток”, “трутней”, появляющихся от единой матери. Если в пределах одного и того же вида невозможно обнаружить переходные формы между особями, то искать их между разными видами занятие вообще бесперспективное. Ведь особи одной популяции, одного биологического вида существовали и существуют вместе, подвергались и подвергаются влиянию одних и тех же природных факторов. Появление и исчезновение биологических видов в масштабе геологических эпох оценивается многими учёными как события мгновенные, не вписывающиеся в представления о времени появления жизни на Земле и эволюционном видообразовании. Наконец, нет ничего более объективного, свидетельствующего о слабости любой гипотезы или теории, чем постоянно возникающая необходимость их уточнения и дополнения. Вот формы эволюционных процессов, предложенные после Дарвина для поддержания теории: микроэволюция, макроэволюция, параллельная, направленная, надвидовая, географическая и полугеографическая, мозаичная, скачкообразная, симпатрическая, квантовая, случайная и даже программная. А “творческий” естественный отбор по литературным данным может быть: движущим, стабилизирующим, дестабилизирующим, дисруптивным, линейным, органическим, направленным, внутриполовым, внутрисоматическим, групповым, межгрупповым, нормализующим… Если сравнить определения и смысл, вкладываемые в эти термины, то они в большинстве случаев частично или полностью противоречат друг другу. Ни одна из названных теорий не может объяснить, как формировались структура клетки и её сложнейшие функции. Исследованиями молекулярного биолога Г. Блобела, профессора Рокфеллеровского университета, лауреата Нобелевской премии в области медицины за 1999 год в клетке открыта “системой почтового индекса”. Оказалось, что органеллы клетки также имеют рецепторы. Каждый вновь образовавшийся белок снабжен адресом органеллы, для которой предназначается, распознается рецепторами этой органеллы и поступает в нее. Человечество похожую систему только на макроуровне вырабатывало многие тысячелетия. Г. Блобелом была открыта органелла - “эндоплазматический ритикулум”, соединяющая сигнальную последовательность с рецептором и открывающая канал в ядерной мембране - каждую секунду для 10 вводов и 10 выводов, в том числе таких крупных молекул как ДНК, РНК! Но ничто не помешало похоронить все сомнения в справедливости эволюционного учения. Оно превратилось в догму, прочно владеющую умами многих, защищенную от всех новаций. Системой обучения, научной, учебной и популярной литературой, школьники и студенты и сейчас ещё ограждены от иных рассуждений на этот счёт, их заставляют поверить в незыблемость теории происхождения видов. Поскольку любой организм “настроен” на работу с информацией, поступающей из внешней среды, на опознание сигналов, исходящих от собственных структурно-функциональных образований, главной теоретической предпосылкой информационной гипотезы живого может стать понятие о трёх уровнях организации и функционирования живого (11). Первый уровень – информационный. Он главенствующий, определяющий всю специфику биологических видов, и управляющий всеми структурно-функциональными отношениями в онтогенезе и филогенезе, на протяжении всей истории существования каждого биологического вида. Первый уровень включает главную операционную систему, программные пакеты других уровней и биологические носители, на которых они записаны. Все структуры, параметры и характеристики программного обеспечения, составляющие этот уровень постоянны, сосредоточены в геноме и передаются последующим поколениям в неизменяемом виде.Второй уровень – биологический. Он характеризуется сложными взаимно зависимыми структурно-функциональными отношениями. По программам и командам операционных систем на основе анализа и оценки информации, поступающей из внешнего мира и собственных внутренних сред, здесь идут структурные и функциональные процессы, происходят изменения, направленные на сохранение гомеостаза, выживание и воспроизводство организмов. Третий уровень - физико-химический. Проявления и характеристики его по сравнению с двумя первыми относительно просты. Поэтому они могут изучаться изолированно, а их характеристики и параметры определяться лабораторными исследованиями, измерениями температуры, артериального давления, в ряде случаев даже визуально, органолептическими и другими способами. Белки, гормоны, ферменты, концентрация и состав сахаров и минеральных солей, диффузия, диализ, осмос, выделения во внешнюю среду - это следствия, конечные проявления работы двух первых уровней. Относительная простота процессов третьего уровня обусловила положение, когда исследования живого начались с него и продолжаются до настоящего времени. Но сегодня стало очевидным, что пытаться объяснить причинно-следственные отношения в живом, делать далеко идущие обобщения об организме, как целостной системе, по результатам исследования физико-химических показателей, уже нельзя. С позиции современных достижений науки и техники информационная гипотеза живого сегодня достаточно реалистична. Хотя отстаивать её всё ещё трудно, разброс мнений широк - от полного и частичного одобрения до категоричного отрицания. Чтобы признать информационное начало, надо отказаться от большинства постулатов современной биологии, пересмотреть эволюционное учение, ставшее диалектико-материалистической “религией”. А многие из нас учились и воспитывались на этом, впитывали убеждённость от учителей и преподавателей, профессоров, видных и выдающихся учёных, бывшими для каждого из нас высшими авторитетами в школе и вузе. С верой в эти знания взрослели, становились специалистами и учёными. Труднее всего сделать первый шаг - от сомнений к действиям. Поиск информационного начала в живом, его расшифровка, выяснение взаимоотношений биологических носителей и программного обеспечения, механизмов программной самоорганизации - это удел молодых. Новый качественный скачок в изучении живого возможен лишь при создании нового научного направления - информационной биологии, которая не только интегрирует знания добытые информатикой, математикой, генетикой, геномикой, молекулярной биологией, биоинформатикой и другими науками, но и преобразует их качественно. Это направление будет иметь свой предмет исследования и собственную методологию. Стержнем её, конечно, станут информатика, кибернетика и перспективные компьютерные нанотехнологии. Специалистам, биохакерам, которые будут работать в этой области, потребуется особая базовая подготовка, позволяющая отслеживать новое во многих технических и естественных науках, преобразовывать его и использовать в интересах информационной биологии. Это должны быть исследователи с новой профессиональной ориентацией, с широким диапазоном основных и прикладных знаний, преодолевшие путы узкой специализации и способные интегрировать достижения науки на новом качественном уровне. Но это уже другая проблема, требующая отдельного рассмотрения.
Литература 1. Биология. Большой энциклопедический словарь. Москва, “Большая
Российская энциклопедия”, 1999. | |
© Ибадулин Ренат Рашитович |
|
Сегодня к статье уже требуется комментарий, так как новые факты появляются постоянно. Жизнь и наука диктуют свои темпы. С 1998 года данные о количестве генов человека реэволюционировали со 100 тысяч до 35 тысяч в 2002 г. и 21 тысячу с небольшим в 2003, когда было расшифровано 99,9% всех нуклеотидных последовательностей генома. Устарели и некоторые другие факты, но идеи сохранились. |
|
На первую страницу |
Собачья верность |