Реферат: Возникновение биологической информации
Для преодоления трудности достаточно отказаться от буквального понимания слова "кодирует" и принять, что молекула ДНК в первичном гиперцикле способствовала образованию белка-репликазы (катализировала его синтез) без участия кода.
Иными словами, первичная последовательность ДНК начинает играть существенную роль в определении первичной последовательности белка. Именно благодаря адаптерам ускоряется формирование той белковой последовательности, которая соответствует функциональной форме белка. Таким образом, существует переходная стадия, в которой совмещены процессы синтеза белка без кода и процессы кодирования, сходные с современным биосинтезом. Последнее позволяет при изменении (мутации) последовательности ДНК (но без изменения набора адаптеров) синтезировать белки с измененной последовательностью аминокислот и, следовательно, с измененной формой и функцией. Иными словами, появляется возможность дальнейшей биологической эволюции.
В рамках данного варианта проблема малой вероятности образования первичного гиперцикла не возникает. Однако встает другой вопрос: почему в современной биосфере господствует один вариант кода и отсутствуют другие? Обсуждаются два ответа на этот вопрос.
Первая гипотеза сводится к тому, что среди разных вариантов кода имелся наилучший, который и был "отобран" в последующей эволюции.
Во второй гипотезе принимается, что все варианты кода были равноправны, но в результате взаимодействия между разными популяциями был выбран (а не отобран) единый код.
Вернемся к вопросу о синтезе белка в первичном гиперцикле. Смысл слова "кодирование" в рассматриваемом случае существенно иной, чем в современном биосинтезе. В обычном понимании никакого кодирования вообще не происходит. Главную роль играет форма ДНК, полинуклеотид функционирует как гетерогенный катализатор. При этом фиксируется форма белка-репликазы, последний в силу механизма образования принимает комплементарную форму, т.е. представляет собой слепок с ДНК.
Последний этап - выбор единого кода - имел место уже после образования нескольких различных популяций гиперциклов с различными вариантами кода.
Поэтому антагонистическое взаимодействие в данном случае заведомо сильнее, чем не антагонистическое. Выше было показано, что в конце всего процесса образуется "чистое" состояние, т.е. выбирается один вариант кода. Это имеет место и в несимметричной модели, т.е. в случае, когда варианты не одинаковы. При этом побеждает вовсе не "наилучшая" популяция, а та, которая по воле случая оказалась более многочисленной.
Иными словами, происходит не отбор наилучшего варианта (в традиционном, дарвиновском понимании), а выбор одного из практически равноправных, который вытесняет остальных.
Здесь уместно сделать ряд замечаний. Можно сказать, что белок, образованный по схеме гетерогенного катализа, является грубым слепком с молекулы ДНК. Первичные адаптеры тоже являются "слепками" (уже не грубыми), с одной стороны, с участка ДНК (кодона или антикодона), а с другой - с прилегающего блока аминокислот.
Эволюцию биосинтеза белка можно сравнить с эволюцией письменности.
Древняя форма письма - иероглифы. В древности каждый иероглиф представлял собой рисунок объекта, можно сказать "слепок" с него. Так, дом изображался в виде шалаша-треугольника, а бык - в виде морды с рогами (алеф). При этом не было необходимости использовать алфавит (т.е. код). Иероглифическому этапу соответствует схема первичного синтеза адаптеров.
Затем некоторые иероглифы потеряли свойство прямого соответствия целому объекту (при этом существенно упростились), но приобрели новую функцию - буквы. Буква является частью слова - ее осколком, и сама по себе ничего не значит. Она приобретает смысл в сочетании с другими буквами в соответствии с алфавитом (кодом). Алфавитная письменность появилась с увеличением количества передаваемой информации. Смысл этого прост, число сочетаний даже небольшого количества символов факториально велико по сравнению с количеством символов. Переход от иероглифической письменности к алфавитной был постепенным. Сперва к иероглифу, соответствующему предмету (или действию) добавляли более простой символ, уточняющий смысл первого. Такая смешанная письменность, не нарушая функций иероглифов, расширила возможности письменной передачи информации. При этом иероглифы постепенно вытеснялись буквами. Подчеркнем, это происходило именно постепенно, поскольку превращение каждого иероглифа в букву не препятствовало восприятию всего текста. При этом каждый из участников, как создатели знака, так и реципиенты, постепенно, путем взаимного обучения, вырабатывали условия кода, т.е. алфавит. Схема промежуточного биосинтеза белка соответствует смешанной письменности, где адаптеры, с одной стороны, являются осколками чехла (иероглифы), а с другой - уже буквами.
Отметим особенность биологической эволюции. В рассматриваемый период гиперцикл включал только один белок - репликазу, с единственной функцией. Даже в таких простейших популяциях был выработан (выбран) единый код. Можно сказать, что "В начале было слово", оно имело один смысл - комплиментарную репродукцию, т.е. жизнь. Алфавит был выработан на основе единого слова.
Возникновение биологического разнообразия и проблема темпов биологической эволюции. В современной биосфере имеется большое разнообразие видов, которое появилось в результате эволюции. Обычно его изображают в виде схемы, именуемой эволюционным деревом.
Новые виды находят себе новые источники питания, осваивают новые экологические ниши и приспосабливаются к ним. При этом выживают наиболее приспособленные, а менее приспособленные вымирают. В результате вариабельность внутри каждого вида уменьшается и распределения сужаются.
Эта стадия называется конвергентной. В молекулярном аспекте появление нового вида означает появление белков с новой функцией и соответствующих этим белкам новых генов. Обсуждавшийся выше процесс образования гиперциклов можно рассматривать как возникновение вида. Образование многих гиперциклов с различными вариантами кода соответствует дивергентной стадии, а выбор одного варианта кода - конвергентной. Сейчас мы рассмотрим этапы дальнейшей эволюции, акцентируя внимание на наиболее острых проблемах.
Перед этим сделаем ряд замечаний.
1. Разнообразие возникает, когда исходные ресурсы (мононуклеотиды и аминокислоты) исчерпываются и необходимы новые белки с новыми функциями. Например, белки, разлагающие полинуклеотиды и полипептиды умерших особей. Другой пример - белки, способные усваивать сахара (углеводы), и липиды, созданные в предбиологический период.
Каждый из организмов, обладающий белком с новой (катаболической) функцией, осваивает свою экологическую нишу. Процесс освоения новых (разных) ниш за счет синтеза новых (разных) белков является дивергентным.
2. Различают два типа процессов образования новых белков.
а) градуальный, или приспособительный, когда "новый" белок мало отличается от уже существующих. В этом случае "новый" белок может возникнуть за счет небольшого числа точечных мутаций.
б) появление нового белка с принципиально новыми функциями и/или системы таких белков. Такие события в эволюции называются "ароморфозами" (в буквальном переводе с греческого - изменение формы); используется также название "большие скачки". В этом случае новая система не может возникнуть за счет точечных мутаций.
Примером может служить образование фотосинтетического аппарата, т.е. системы белков, способной утилизировать солнечную энергию и использовать ее для синтеза органических соединений (сахаров). Такие процессы играют роль только на дивергентных стадиях.
3. Основная проблема биологической эволюции связана с ее скоростью. Бытует утверждение о том, что в течение времени существования Земли (или даже Вселенной) наблюдаемое биологическое разнообразие не могло возникнуть. Оно относится главным образом к "большим скачкам". Существует и противоположное мнение, так что вопрос остается дискуссионным.
Для корректной постановки этого вопроса необходимо сравнить две величины: число "попыток" N и вероятность создать новый белок за одну попытку. Число попыток уже обсуждалось выше, оно порядка десяти в двадцать девятой степени. Вероятность создать белок с новой функцией за счет точечных мутаций существенно зависит от того, сколь сильно отличается новый белок от своего предшественника и сколько аминокислотных остатков нужно заменить в белке, чтобы он мог выполнять новую функцию. При градуальной эволюции число таких остатков не велико. Вероятность создания белка (или системы белков) с принципиально новой функцией за счет точечных мутаций того же порядка, что и вероятность создания функционального белка заново. Оценки ее приводились выше и было показано, что она абсурдно мала. В этом, собственно, и заключается проблема темпов биологической эволюции.
Информационный аспект биологического разнообразия. В биологической эволюции базовый этап - выбор единого кода, т.е. алфавита. Код отработан на основе одного белка - репликазы. В данном случае алфавит возник на основе одного слова. Аналогом иероглифической записи информации можно считать предшествующую стадию - образование репликазы как слепка с ДНК.
Следующий этап - образование белка, способного усваивать новые субстраты, - генерация новой информации на основе единого кода, который является тезаурусом на следующем этапе. Геном организмов, способных синтезировать несколько белков с разнообразными функциями, можно уподобить фразе, имеющей определенный смысл. Действительно, если весь словарный запас сводится к одному слову, то о смысле его говорить трудно. Точнее, оно имеет столь общий смысл, что его трудно выразить иначе как "Бог" ("...и слово было Бог").
При появлении генома, кодирующего несколько разных белков, понятие "смысл" становится содержательным. Его можно выразить фразой "поглощать такой-то субстрат, чтобы жить". При дальнейшем усложнении организмов и увеличении кодируемых белков информация становится не только кодовой, но и смысловой. Цель организмов та же - сохранить свою (теперь уже смысловую) информацию.