Музей форума дьякона Кураева (1999 - 2006)

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ИНФОРМАЦИЯ: МИФ ИЛИ РЕАЛЬНОСТЬ? Полемика с Александром Викоруком (“НГ-наука”, # 2, 16 февраля 2000 г.) Вадим Репин Вадим Сергеевич Репин - член-корреспондент Российской академии медицинских наук, профессор. НАПИСАВ пару популярных статей в “НГ-науку” о двоемирии “вещественных знаков невещественных отношений” в клетке, я не по собственной воле неожиданно оказался втянутым в дискуссию о “правильном понимании сути явления информации”, вплоть до новых формулировок жизни (см. статью Александра Викорука “Метафоры вместо информации”). Я никогда не изменю своему правилу не дискутировать что-либо через прессу с неизвестным мне человеком, который занимается “вивисекцией” фраз и моделированием рассуждений другого смертного. Это напоминает разговор с заранее известным результатом между научным сотрудником и зам. директора по общим вопросам. И сейчас я использую свое законное право на ответ лишь для того, чтобы вернуться еще раз к проблеме изучения ДНК и живой клетки. Читателям, думаю, небезынтересно будет узнать, какие новые страницы знаний предлагает геномика. Киллер хаоса Без клеток нет жизни. Без ДНК нет клеток. Вне универсального плана организации и без генов молекулярное содержимое клеток превращается в кучу биохимического мусора. Как неживые молекулы становятся живой клеткой с целенаправленной деятельностью во имя выживания на краю хаоса? Ответ большинства клеточных биологов однозначен: переход от вещества к существу есть “скачок” в мир информационных сетей и потоков информации, которые управляют потоками веществ и энергии. Понятно, что молекулярные управляющие сети материальны, но не тождественны ферментам и биохимическим машинам, которыми они управляют. В клетке есть потоки энергии, веществ и сигналов. Потоки сигналов (информация) столь же материальны, как и остальная часть клетки. По мнению выдающегося клеточного биолога Вернера Левенстайна, открывшего механизмы межклеточной сигнализации, только циклизованные информационные сети (а не метаболические автокаталитические цепи) превращают клетку в универсальную единицу жизни. С помощью информационных сетей и программ набираются “партитуры” генов для разных сценариев деятельности клеток. Главная часть программы записана и хранится на линейном языке ДНК, но реализуется на трехмерном языке белков. Суть жизни сводится к хранению, передаче, реализации информации по сетям и каналам клетки. Все биохимические циклы, молекулярные машины и органеллы в клетке имеют подпрограммы (software) автономной деятельности. Молекулярная биология открыла молекулы и структуры с функцией переносчика, преобразователя (переводчика) и накопителя новой информации. Открыты коды соответствий и молекулярный язык кодирования генетической информации в трех важнейших классах линейных макромолекул - ДНК, РНК и белков. Однако биология пока не знает кодов соответствий между порядком молекул и физиологическими функциями клеток (Werner Loewenstein, “The Touchstone of Life: Molecular Information, Cell Communication, and the Foundations of Life”,1998 (pp. 108-115), Oxford Univ. Pess) Бактерии являются замечательным примером перекачки энергии солнечного света и пищевых молекул в миллиарды копий старых и новых хромосом. За три миллиарда лет до появления многоклеточной жизни на нашей планете отрабатывался механизм серийного генообразования в терабайтных масштабах повторов. Отобранные гены или комбинации генов микроорганизмов использовались на следующем этапе эволюции для построения многоклеточной жизни. В эпоху кембрия возникли первые эукариотические (имеющие ядро) клетки, которые заложили основу многоклеточной жизни. Геном эукариотических клеток как минимум на порядок содержал больше генов. Окружение генома имело молекулярную операционную систему с двумя важнейшими программами. С помощью так называемых “архитектурных” генов потоки веществ и энергии перекачивались в многочисленные копии незрелых зародышевых клеток. На стройку нового многоклеточного здания завозились запасы строительных модулей, из которых шла сборка органов и тканей эмбриона. Гены эмбриогенеза контролируют сборку клеток с помощью специальных “замковых” стыковочных узлов, фиксирующих клетки в пространстве. Когда постройка многоклеточного здания близится к завершению, геном включает программу специализации клеток. Из общего пула стволовых незрелых клеток зародыша возникают клетки сердца, мозга, печени, сосудов, кишки и т.п. Избыток генов позволяет создавать более 200 фенотипов клеток из одного генотипа. Клетка превратилась в “чип” для наращивания возможностей молекулярных машин, собранных в параллельные ряды или сети. Модульная сборка клеток открыла доступ к новым функциональным задачам живых систем. На наших глазах молекулярная биология трансформируется в модулярную биологию. Мой оппонент настаивает, что информация не может быть сущностью, что она не может храниться, поскольку является лишь мерой. Мне же нравится прагматизм американских биологов, которые давно называют ДНК информационной “твердой валютой” клетки. Информация, как деньги, вездесуща, она является сутью, мерой, качеством, поскольку работает, создавая новые реальности. Одна и та же биологическая информация может передаваться разной комбинацией молекул. Молекула ДНК может иметь, не иметь смысла либо содержать искаженный смысл, как это происходит в случае наследственных заболеваний. Как в человеческом языке, молекулярный язык ДНК кодирует много операций: хранение, перенос и избирательную выдачу информации для создания новых видов деятельности в трехмерном мире белков и белковых машин. Только с помощью новых копий ДНК информация передается новым клеткам, а через половые клетки - новым организмам. Надежное хранение участков, содержащих биологический смысл, достигается в хромосомах с помощью многочисленных машин и редакционных устройств. Мир хранящейся ДНК - это сеть химических реакций в обособленных мини- и микро-пространствах клеточного ядра. В ДНК накапливаются участки с “испорченной” информацией. Около 1% занимают фрагменты проникших ретровирусов. Хромосомы одновременно являются органеллами клетки и выполняют множественные функции, соединяя генетический аппарат с другими частями клеток. Гены не только клонируют, размножают, рекомбинируют, переносят, но и создают искусственные молекулы смысла и бессмыслицы. Эволюция вселенной генов “Большой взрыв” вселенной ДНК реализовался в эволюции видов. В своей теории “генов-волков” (selfish genes) Ричард Доукинз перенес идеи Дарвина в мир ДНК. По его мнению, движущей силой эволюции является бесконечная конкуренция и отбор новых генов либо использование старых генов для новых функций клеток. До человека машина эволюции направлялась универсальными законами наращивания биопорядка в борьбе с хаосом неживой природы. По мнению Доукинза, эволюция - это гигантское биопредприятие. Передний фронт эволюции жизни имеет отдел новых разработок (Research Department) и отдел практического внедрения (Development) в виде старых генов. Ключевые позиции в отделе разработок занимает цивилизация невидимых бактерий, поставляющая в каждом поколении на рынок информации новые гены. С помощью вирусов и латерального переноса новые гены постепенно внедряются в геном других видов. Новизна приходит в мир клеток с новыми молекулами ДНК. Хромосомы бактерий и эукариотических клеток имеют семейства “константных” генов, структура и функции которых не меняются более миллиона лет. Этот “золотой запас” информации используется для незаменимых ключевых реакций, без которых клетке не выжить. “Золотой запас” генов формирует основной каркас “ковчега” жизни, тогда как новые гены оснащают судно новыми, более совершенными приборами для ориентации, восприятия новой информации и принятия решений. По каким-то неизвестным причинам структура генов из “золотого запаса” практически не меняется на гигантских отрезках эволюции. В дополнение к “золотому запасу” в каждом геноме бактерий или многоклеточных имеется “экспериментальный отдел”, где создаются, привносятся и испытываются новые гены или целые кассеты генов в поисках новых, неизвестных ранее возможностей и функций. С помощью “экспериментальных” генов любая клетка стремится расширить диапазон или качество воспринимаемой информации и создать новые машины для новых функций. Каждая клетка на протяжении своей жизни стремится уподобиться расширяющейся мини-информационной единице. Как работает ДНК Все видимые проявления жизни и функциональной активности реализуются ограниченным числом генов с помощью ограниченного числа копий мРНК в цитоплазме клеток. С помощью белковых машин прочитывания информации и управляющих сигналов происходит выбор прочитываемых генов в комплементарный текст мРНК. Далее, с помощью рибосом-машин синтеза белка информация из линейных текстов мРНК вырывается в реальный трехмерный мир белков. ДНК работает как писатель, РНК - как художник-график, а белки - как скульптор, синхронно создавая триединые реальности клеток. Рецепторные белки воспринимают химическую информацию рецепторными доменами. Связывание сигнала преобразуется в конформационное изменение дистантных доменов белка. Информация по белкам и белковым комплексам движется “конформационной волной” от рецепторов плазматической мембраны в ядро с минимальными энергетическими затратами. Один и тот же белок может находиться в разных конформационных состояниях и передавать сигнал на разные машины и молекулярные комплексы. Аллостерические (регуляторные) домены белков включают или выключают активность каталитических центров ферментов и целых молекулярных машин. Эти потоки регуляторной информации удается визуализировать в самих клетках. От законов Дарвина к закону Мура Создание первого полупроводникового компьютера оказалось ключевым событием нового витка эволюции, которое по значимости можно сравнить с появлением эукариотической клетки. С помощью человека были созданы первые “абиогенные” информационные модули перекачки внешней энергии в hardware и software. В середине ХХ века фон Нейманн заговорил о неизбежности создания техногенных “двойников” генома клеток мозга и даже личности. Сперва наука создала мощных “серых кардиналов” для наших органов чувств. С их помощью человек увидел события на краях расширяющейся Вселенной, информационные пляски элементарных частиц в микромире, разглядел устройство ДНК и мельчайших биохимических машин живых клеток. В ближайшее время основные информационные потоки в клетках и организме человека будут визуализированы при жизни с помощью новых компьютерных томографов, ультразвуковых сканеров и прочего “имиджинга”, перекачивающего массивы абстрактной информации в картинки-концентраты знаний. Дальнейший прогресс науки будет происходить на языке умозрения - языке обобщения цифр и деталей. Закон Мура - удвоение числа транзисторов на одном кремниевом микрочипе каждые 18 месяцев - предсказал, по сути, долгий нелинейный рост информационных сетей. Нынешние глобальные информационные сети представляют основу (hardware) гигантского мозга планеты, переписавшего файлы ДНК на новый электронный язык. Мы доживаем последние десятилетия дарвиновской эволюции, когда мозг и интеллект человека оставался чемпионом и венцом творения. Быстродействие, оперативная память и сложность компьютеров продолжают удваиваться на планете за каждые 18 месяцев. Уже сегодня компьютеры позволяют имитировать функции мозга человека, не вдаваясь в устройство нервных сетей и клеток. Реальности работающего человеческого мозга могут послойно переноситься в компьютер. Скоро общение с друзьями и семьей не потребует присутствия вашего тела. Крупнейшие специалисты по виртуальным реальностям предсказывают, что 80-90% умственных персональных интересов людей окажутся в компьютерных сетях. К концу третьего тысячелетия информационный каркас человеческой души перейдет в “бессмертный” ковчег электронных сетей и виртуальных реальностей. Приближаясь к эре информационного “мезозоя”, сама материя может перевоплощаться в software. Герд Биннинг, один из лидеров IBM в области нанотехнологий, утверждает, что компьютеры будут способны реконструировать устройство клеток и организмов из материала неживой природы. Компактные диски таких суперкомпьютеров будут фиксироваться комбинациями молекул либо даже движением молекул в ангстремном масштабе. Симбиоз человека с информационными сетями становится новым витком эволюции и символом перемен. Инфосфера теснит биосферу по всем фронтам. Инфраструктура коммуникационных систем пронизывает жизнь планеты и каждого человека. Хочется надеяться, что законы Дарвина и Мура будут уравновешены мудростью человечества во имя сохранения биосферы в техносфере. Сервер |Регистрация |Блокнот |Участники |Для участников |Вопросы и ответы |Статистика |Форумное БратствоЛица |Православный календарь |Объявления |Правила форума |Открыть тему |Настройки |Анкета |ЧатМониторинг новых сообщений |On-line участники |Поиск по серверу |Поиск по форуму |Трибуна |Библия |Лекции в MP3© Vinchi Group 1999-2000Программирование: max@vinchi.ruОрганизационные вопросы: andrey@vinchi.ru u=“u049.45.spylog.com”;d=document;nv=navigator;na=nv.appName;t=“”;p=1; sz=“ width=88 height=31 ”; hl=history.length;d.cookie=“b=b”;c=0; bv=Math.round(parseFloat(nv.appVersion)*100); if (d.cookie) c=1;n=(na.substring(0,2)==“Mi”)?0:1; if((n==0)||(bv >= 300)){rn=Math.random();t=(new Date()).getTimezoneOffset();} else {rn=0;} z=“p=”+p+“&rn=”+rn+“&t=”+t+“&c=”+c+“&hl=”+hl; if (self != top) { fr=1;} else { fr=0;} r=escape(d.referrer);r1=“”; sl=“1.0”;h=0; pl=“”;sl=“1.1”; if((n==1) && (bv >= 300)) { for(var i = 0; i sl=“1.2”;s=screen;wh=s.width+'x'+s.height; px=(n==0)?screen.colorDepth:screen.pixelDepth;z+=“&wh=”+wh+“&px=”+px; sl=“1.3” y=“”; y+=“”; y+=“”; y+=“”; d.write(y); “); } //--> Оглавление форумаДиакон Андрей Кураев:kuraev@vinchi.ru