 |
 |
 |
gordon0030@yandex.ru
Возникновение биологической информации
22.05.2003 
40:34
Стенограмма эфираДля 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.
Участники:
Чернавский Дмитрий Сергеевич — доктор
Чернавская Нина Михайловна — доктор биологических наук, профессор МГУ
Материалы к программе:
Из книги Д. С. Чернавского «Синергетика и информация». М., 2002.
Глава «Информационные процессы в биологии».
В изучении информационных процессов в живой природе следует принимать во внимание следующие специфические особенности.
•
•
•
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
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
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
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
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
Расчеты вероятности являются основным камнем преткновения в вопросе о происхождении жизни. Именно эти, абсурдно малые, величины вероятности лежат в основе утверждения о невозможности понять и описать возникновение жизни в рамках современной науки.
Для преодоления трудности достаточно отказаться от буквального понимания слова «кодирует» и принять, что молекула ДНК в первичном гиперцикле способствовала образованию
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
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
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
Следующий уровень — создание принципиально новой информации.
Ароморфоз. Наиболее яркие примеры «больших скачков» — появление фотосинтезирующих организмов в воде и возникновение дышащих организмов на суше. Это свойства обеспечивали очень большие эволюционные преимущества и позволили заселить практически пустые экологические ниши. Однако каждая из новых функций требовала появления сразу нескольких новых белков, т. е. новой белковой системы. При этом каждый из белков системы в отдельности не давал никаких эволюционных преимуществ. Поэтому градуальная (постепенная) реализация «большого скачка» невозможна. С другой стороны, возникновение всей системы в целом «сразу» (за один акт) за счет точечных мутаций тоже крайне маловероятна.
Физическими причинами каждого из упомянутых этапов дивергентной эволюции являются,
Так, в начальный период (до появления фотосинтезирующих) основными субстратами питания были органические вещества абиогенного происхождения и остатки отмерших организмов. Атмосфера Земли в то время была восстановительной и основным энергетическим процессом являлся гликолиз. Настал момент, когда наши далекие предки все эти продукты съели — наступил продовольственный и энергетический кризис, и темп репродукции сильно уменьшился.
Усвоение энергии света и использование ее для синтеза АТФ позволило решить энергетическую проблему. Возникновение белковой системы фотолиза воды и использование углекислоты для синтеза сахаров (цикл Кальвина) позволили решить продовольственную проблему.
Однако тут же возникла проблема загрязнения окружающей среды. Дело в том, что атмосфера наполнялась кислородом, который, с точки зрения наших анаэробных предков, являлся сильным ядом.
Следующим «большим скачком» было образование дыхательной цепи — белковой системы, способной усваивать кислород, окислять сахара вплоть до углекислоты (цикл Кребса) и синтезировать АТФ за счет энергии окисления (окислительное фосфорилирование). Это позволило превратить ядовитые отходы в полезный субстрат. Одновременно появилась новая экологическая ниша — суша.
Дальнейшие ароморфозы были связаны с образованием многоклеточных и высших организмов.
Из изложенного следует, что биологической эволюцией двигали три главных фактора: стремление сохранить свою информацию, а также голод и загрязнение окружающей среды биологическими отходами.
Механизм образования ароморфозов. Рассмотрим проблему на примере образования белков, способных усваивать и утилизировать свет. Как правило, это мембранные белки. Они отличаются от растворимых в воде белков (протеаз, эстераз и т. д.). Глобулы растворимых белков устроены так, что на поверхности расположены гидрофильные остатки аминокислот. Глобулы мембранных белков с боковых сторон покрыты гидрофобными, а с торцовых сторон — гидрофильными остатками. Поэтому для образования таких белков необходимы новый активный центр и новая глобула. Соответственно, ценную информацию, необходимую и достаточную для функционирования нового белка, можно разделить на две части: одна относится к активному центру, другая — к конструкции глобул.
Вероятность спонтанного возникновения системы из нескольких (хотя бы трех) таких белков, необходимых для функции фотосинтетического фосфорилирования, уже оказывается абсурдно мала.
Именно это обстоятельство лежит в основе проблемы араморфозов, и именно на этом основании делается вывод о невозможности объяснить наблюдаемый (т. е. быстрый) темп эволюции.
Разрешение проблемы в информационном аспекте выглядит достаточно просто. Действительно, в приведенных выше оценках делается неявное предположение о том, что при возникновении новых структур не используется информация, возникшая раньше и содержащаяся в прежних структурах, выполняющих другие функции. Это предположение действительно оправдано, если имеется только механизм точечных мутаций и другие отсутствуют.
Проблема решается, если допустить, что помимо точечных мутаций существует другой механизм — блочные мутации. При этом новый белок собирается из уже имеющихся блоков (деталей) старых белков. Информация, содержащаяся в блоках, не пропадает, а сохраняется и используется уже в новой белковой конструкции, выполняющей новые функции.
Вероятность появления целой белковой системы не мала (в наших масштабах).
В целом создание новых белков из уже имеющихся блоков сходно с детской игрой «конструктор», в которой из одних и тех же деталей можно собрать мост, дом, экипаж и т. д. Поэтому обсуждаемую гипотезу можно условно назвать «конструктор».
Выше мы оперировали блоками, входящими в белки. В действительности перестановки блоков совершаются на уровне генома. На оценку вероятности перестановки блоков это не влияет. Однако с молекулярной точки зрения это важно, ибо в запасе должны храниться не лишние белки, а лишь информация о них. Используя аналогию с эволюцией техники, можно сказать, что при конструировании новой машины инженер использует чертежи прежних машин, хранившиеся в архиве, и выбирает из них чертежи нужных деталей.
Другой пример «большого скачка»: возникновение аппарата усвоения кислорода происходило аналогично и закончилось образованием простейших дышащих организмов. Впоследствии в результате симбиоза они внедрились в другие клетки и превратились в органеллы — митохондрии.
Таким образом, проблему скорости биологической эволюции можно считать решенной. Она протекала действительно быстро. Впрочем, тот же вопрос можно было бы поставить и в отношении эволюции техники. Она также осуществлялась достаточно быстро, но была бы гораздо более медленной (или даже невозможной), если бы при создании каждой новой машины приходилось каждую ее деталь изобретать заново. Большую роль при этом играли стандартизация деталей и сохранение в архивах чертежей прежних конструкций.
Библиография
Аветисов В. А., Гольданский В. И. Физические аспекты нарушения зеркальной симметрии биоорганического мира//Успехи физ. наук. 1996. Т. 160.
Волькенштейн М. В. Молекулярная биофизика. М., 1975.
Капица С. П., Курдюмов С. П., Малинецкий Г. Г. Синергетика и прогнозы будущего. М., 1998.
Кастлер Г. Возникновение биологической организации. М., 1967.
Опарин А. И. Жизнь, ее природа, происхождение и развитие. М., 1924.
Романовский Ю. М., Степанова Н. В., Чернавский Д. С. Математическая биофизика. М., 1984.
Романовский Ю. М., Степанова Н. В., Чернавский Д. С. Математическое моделирование в биофизике. М., 1975.
Чернавская Н. М., Чернавский Д. С. Туннельный транспорт электронов в фотосинтезе. М., 1977.
Чернавский Д. С. Синергетика и информация. М., 1990.
Чернавский Д. С., Чернавская Н. М.
Чернавский Д. С. Проблема происхождения жизни и мышления с точки зрения современной физики//Успехи физ. наук. 2000. № 170.
Уоддингтон К. Морфогенез и генетика. М., 1964.
Эйген М. Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул. М., 1973.
Avetisov V. A., Goldanskii V. I., Kuzmin V. V. Handedness, Origin of Life and Evolution//Physics Today. 1991. V.44.
Chernavskaya N. M., Chernavskii D. S. Some aspects of the Problem of Life Origin//J. Theor. Biol. 1975. V. 53.
De Duve C. Origin of Life. Blueprint for a Сell. Burlington, 1991.
Frontiers of Life/Ed. Tran Thanh Van et al. Sigapore, 1991.
Molecular Evolution and Protobiology/Ed. K. Matsuno et al. NY; London, 1984.
Тема № 257
Эфир 22.05.2003
Хронометраж 40:34
www.ntv.ru