Реферат: 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.
--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--