Информация как основа жизни
Шрифт:
Теперь перейдем к генетической информации, носителями которой являются молекулы ДНК. Слова "ДНК", "гены", "наследственная информация" стали настолько привычными, что нередко воспринимаются как синонимы. В действительности это далеко не так. Гигантская по длине молекула ДНК состоит из четырех типов "кирпичиков", или нуклеотидов, которые могут быть соединены в любой последовательности. Эти молекулы обладают свойством, которое Г. Меллер назвал аутокатализом. Если в раствор, содержащий такие молекулы, внести в должном количестве все четыре нуклеотида (основания), то при соблюдении некоторых дополнительных условий эти молекулы начнут пристраивать основания вдоль своей цепи точно в той же последовательности, как и в них самих, а затем отделять от себя готовые копии. Процесс этот не зависит от того, какова последовательность оснований, составляющих исходные молекулы ДНК. Это может быть случайная последовательность, или строго чередующаяся, или любая иная – копии
Если ДНК состоит из случайной последовательности оснований, это далеко не ген, поскольку никакой наследственной информации она не содержит, хотя и может самовоспроизводиться. Информация возникает на отрезках молекулы ДНК лишь тогда, когда благодаря мутированию (или по иным причинам) там сложится такая последовательность оснований, которая сможет повлиять на химические процессы, протекающие в ее окружении. Только тогда, выступая в роли "катализатора", ген сможет ускорить одни или притормозить другие процессы, изменяя тем самым свое химическое окружение. Постепенно все большие преимущества будут получать такие структуры ДНК, которые в непосредственном своем окружении могут увеличивать концентрацию нуклеотидов и других веществ, необходимых для их размножения. Лишь когда этот процесс завершится и в "первичной" молекуле ДНК возникнут отрезки, каждый из которых стимулирует образование необходимых для удвоения ДНК соединений или угнетает синтез соединений, препятствующих их удвоению, можно считать, что в молекуле ДНК возникли гены и что сама эта молекула стала носителем генетической информации.
Генетическая информация, следовательно, содержится в наборе генов, контролирующих синтез соединений, которые обеспечивают удвоение молекул ДНК в некоторых данных условиях. Появление генов тесно связано с возникновением аппарата трансляции, а также с формированием оболочек или мембран, отделяющих от внешней среды участок, где находятся молекулы ДНК [17]. Это уже возникновение живых объектов, которые могут расти, размножаться и приспосабливаться к новым условиям благодаря генам, возникающим и изменяющимся в результате мутаций; они умирают, когда разрушаются содержащиеся в них гены или когда они не в состоянии приспособиться к внешним условиям. Изменяясь, гены влияют и на другие структуры организма, обеспечивая тем самым "заселение" все новых мест обитания, появление многоклеточных растений, грибов и животных, т. е. эволюцию жизни на Земле. Как писал Г. Меллер, в основе жизни лежит ген.
Таким образом, совокупность генов, или генетическая информация, регулирующая целенаправленную деятельность любой живой клетки, определяется не самими основаниями ДНК, а последовательностью их расположения.
Различие между генетической информацией и молекулой ДНК позволяет также ввести понятие генетической информации и выяснить отличие таких ее носителей от информации как таковой. Поэтому-то мы и говорим, что генетическая информация записана в ДНК определенной последовательностью оснований. Именно эта информация, т. е. запись последовательности тех событий, которые должны произойти, чтобы вновь возникающие клетки могли вырасти, а затем вновь поделиться и т. д., – самый важный компонент живой клетки. То, о чем писал Меллер около 70 лет назад, можно сформулировать следующим образом: живое - это совокупность объектов, содержащих информационные структуры, обладающие свойствами аутокатализа и гетерокатализа, обеспечивающие размножение этих объектов в разнообразных условиях внешней среды. Жизнь – это возникновение все новых содержащих информацию объектов, материальные компоненты которых обеспечивают ее воспроизведение во все более разнообразных и сложных ситуациях. Очевидно, что чем сложнее эти ситуации, тем больше нужно информации, чтобы в соответствии с ней построить живой объект, способный в этих ситуациях существовать.
Как нам кажется, в мире неживой Природы нет примеров информационных систем, в которых носители информации отличались бы качественно от остальных элементов системы.
Мы привыкли к словосочетанию "генетическая информация", забыли даже, что ввел его в научный обиход Э. Шредингер в середине 40-х годов [18]. В своей книге "Что такое жизнь с точки зрения физика?" он опирался на работу Н. В. Тимофеева-Ресовского, К. Г. Циммера и М. Дельбрюка "О природе генных мутаций и структуре гена", увидевшую свет в Германии в 1935 г. [19]. Это произошло вскоре после того, как Г. Меллер, ученик Т. Моргана, впервые показал, что гены не только воспроизводят себя и изменяются (мутируют), но что можно повлиять на частоту их мутирования, например, повышением температуры или действием ионизирующих излучений [20].
В 1928 г. Меллер [21] в статье "Ген как основа жизни" показал, что именно гены (образования неизвестной тогда природы), способные к ауто- и гетерокатализу, положили начало феномену жизни на нашей планете. "Ясно, что, став на эту точку зрения, мы избегаем логических трудностей, связанных с
Всего через 20 с небольшим лет после этой публикации было установлено, что гены представляют собой отдельные участки молекулы ДНК, размножающиеся путем комплементарного пристраивания друг к другу четырех видов нуклеотидов; гены мутируют, когда происходят ошибки в этом процессе; они управляют синтезом разного рода белков, составляющих протоплазму, переключаясь время от времени с аутокатализа (построения собственных копий) на гетерокатализ (построение инородных молекул) путем синтеза РНК и, с ее помощью, молекул белка.
Сейчас все это хорошо известные процессы. Можно ли проводить аналогии между свойствами живых клеток и, например, кристаллов? Рост и размножение кристаллов основаны на присоединении к исходной "затравке" все новых, точно таких же молекул из раствора. Вероятность этого равновесного процесса зависит от температуры и концентрации раствора. Размножение вирусной частицы также зависит от условий окружающей среды. Но вирусы, как и все живые организмы, – открытые системы и с большей эффективностью используют окружающую среду для выживания и размножения. Это касается, например, поиска клетки-хозяина и размножения в ней. Прикрепившись к поверхности живой клетки, вирус с помощью специального белкового устройства впрыскивает в нее свою молекулу ДНК или РНК, содержащую его гены. Гены вируса не только воспроизводят себя, используя синтезируемые зараженной клеткой "кирпичики", но также заставляют эту клетку создавать новые, не свойственные ей белковые молекулы, которые, окружая готовые генетические структуры новых вирусных частиц, создают белковую оболочку вируса, приспособленную для осуществления следующего цикла – заражения других клеток и размножения в них.
Все теории происхождения жизни вращаются вокруг попыток ответить на вопрос: как возникла ДНК и та информация, которая записана в ней [17]?
Генетическая информация и ее изменчивость полностью определила эволюцию всех организмов, ведущих преимущественно прикрепленный образ жизни, т. е. растений и грибов. Однако, с развитием подвижности животных, активации поисков пищевых ресурсов и половых партнеров, все большую роль в их жизнедеятельности начинают играть новые, случайно возникающие ситуации, которые невозможно заранее предвидеть и "запастись" генетически детерминированными ответами на них. Это, видимо, и послужило основой для возникновения поведенческой информации. Поведенческой будем называть информацию, лежащую в основе поступков, контролируемых особенностями нервной системы, которые формируются временно, под влиянием жизненного опыта или процессов научения, например путем подражания родителям или другим сородичам.
С возникновением поведенческой информации роль генетической информации в жизни высших животных начинает изменяться. Теперь все большая роль в их выживании принадлежит не только генетически детерминированным ответным реакциям на те или иные ситуации, но и таким особенностям нервной системы, которые обеспечивают эффективное использование обучения и научения, в том числе решение без предварительного опыта внезапно возникающих задач [22]. Поведенческая информация постепенно играет все большую роль в выживании высших животных, примеры чему можно найти как у классиков [22, 23], так и у наших современников [24-27]. Максимальное развитие поведенческая информация получила у млекопитающих. Мы еще не знаем материальной (точнее, молекулярной) природы носителей этого вида информации и не умеем определять ее количество. Но нет поведения, которое не обеспечивало бы целесообразность поступков высших животных в разных ситуациях. Здесь тоже "работает" дарвиновский отбор: неадаптивные реакции приводят, как правило, к гибели животных, а вместе с ними погибает и "неправильная" информация.