Возникновение биологическ
ой информации


22.05.03
(хр.00:43:34)

Участник :
Дмитрий Чернавский Ц доктор физико-математических наук

Александр Гордон : Доброй ночи! Феномен возникновения живого
входит в явное и, я бы сказал, яркое противоречие с теорией вероятности Ц
не только феномен возникновения, но и биологической эволюции. Принято сч
итать, что вероятность возникновения жизни приблизительно равна вероя
тности самосборки самого современного «Боинга» из деталей, которые вал
яются на свалке. Но так ли неодолимы эти противоречия между теорией веро
ятности и возникшей всё-таки жизнью?
Дмитрий Чернавский : Проблема возникновения жизни волновала
давно, и она состоит из нескольких этапов. Каждый этап был в своё время про
блематичен.
Первая проблема. Как возникли необходимые органические молекулы? Эта пр
облема решена химиками и физиками. Нужно представить себе обстановку в п
редбиологический период. Обстановка была крайне, так сказать, термодина
мически неравновесной. Там «беспрерывно гром гремел, во мраке молния све
ркала», вулканы извергались. Ну и в результате образовались органически
е молекулы. Проблема решена была.
Вторая проблема. Образовались молекулы, но их мало, а нужно, чтобы они были
сконцентрированы. Вот эту проблему фактически решил Опарин в 20-х годах п
рошлого столетия. Он показал, что действительно органические молекулы т
ипа липидов и аминокислот могут собираться в капли. Он назвал это коацер
ватами. И проблема была решена.
Третья проблема. Хорошо, аминокислоты собираются, нуклеотиды собираютс
я, но в жизни-то полинуклеотиды Ц они длинные. Как они могли образовывать
ся сами в предбиологический период? Проблема решена была Фоксом и Егами.
Показано было, что могли они образовываться, но, разумеется, случайные. И т
ут возникла четвёртая проблема.
Проблема в следующем. Биологические полимеры Ц они же не случайные. Они
содержат информацию. Напомню, что основными полимерами являются ДНК или
РНК Ц они хранители информации, в них последовательность несёт эту инфо
рмацию. А рабочими телами являются белки. Известно, что в современной био
сфере нуклеотиды кодируют белки Ц ко-ди-ру-ют. Что это значит? Это значит
, что в соответствии с последовательностью нуклеотидов образуется посл
едовательность белков, каждая тройка нуклеотидов Ц кодон Ц кодирует и
ли соответствует одной аминокислоте и получается, таким образом, заданн
ая последовательность белка. Затем она сворачивается и, в зависимости от
последовательности, получается тот или иной белок, с той или иной функци
ей.
Какие белки должны быть, чтобы работали? Большие. Они должны содержать пр
имерно 200 аминокислот. Следовательно, полинуклеотид должен содержать пр
имерно 600 аминокислот Ц определённой последовательности. Давайте посчи
таем, а сколько вообще может быть вариантов последовательности? Очень пр
осто. Нуклеотидов всего четыре Ц 600 цепочек. Соответственно, число вариан
тов Ц четыре в шестисотой степени. Или два в тысяча двухсотой. Или десять
в четырехсотой степени. Вот это число, вы о нём говорили, это число являетс
я круциальным. Вероятность, что соберётся какой-то определённый полинук
леотид Ц соответственно, единица, делённая на десять в сороковой. Число
попыток за всё время существования Земли и во всех лужах Ц примерно дес
ять в тридцатой. Вот сравните. Десять в тридцатой и десять в четырехсотой.

А.Г. Явное противоречие, не может быть такого.
Д.Ч. Просто помножим одно на другое, получим вероятность десят
ь в минус 360-ой. Это число абсурдно мало. Соответственно, и число вариантов
тоже мало. Никогда столько вариантов мы не переберём. Даже специальное н
азвание «гугол» введено.
Нужно сказать, что все остальные числа, которые есть в физике, они существ
енно отличаются от этого. Например, чисто атомов во всей Вселенной Ц пор
ядка десять в пятидесятой Ц в пятидесятой! Вот в этом суть проблемы Ц де
сять в минус четырехсотой. Можно сделать этот показатель вдвое меньше, в
сё равно абсурд.
Как к этому относятся? По-разному. Химики (не все химики, естественно) счит
ают, что можно собрать Ц они умеют собрать Ц полинуклеотид в заданной п
оследовательности из трех, четырех, пяти. «Умеем из пяти, соберём двести».
То есть, это качественное различие не осознаётся.
Математики: «Вероятность мала, ну и что? Жизнь уникальна, событие одно. К о
дному событию вероятность неприменима. Это случилось, живём, слава Богу,
и…»
Биологи. Вот биологи чувствуют это. И приходят к выводу: Бог создал жизнь.
Может ли быть здесь решение этой проблемы? Вот об этом и пойдёт речь.
Сразу должен предупредить, что речь пойдёт о дискуссионной проблеме. Мы
с Ниной Михайловной (она сейчас, к сожалению, заболела, не смогла прийти) п
римерно тридцать лет тому назад занялись этой проблемой. И она сейчас на
том же месте. Я сразу должен предупредить, что обычно учёные говорят о том
, как «наука семимильными шагами движется вперёд», и это, естественно, так
приятно. Но я буду говорить о том, как наука семимильными шагами топчется
на месте. Но, тем не менее, решение возможно. Какое это решение и как можно п
редставить себе, что такое «кодирует» и что такое «катализирует». Нужно
задуматься, что такое «кодирует». В современной биосфере процесс кодиро
вания хорошо изучен. Если можно, первую схему.
А.Г. Сейчас дадут.
Д.Ч. Схема проста. В ней главное Ц последовательность ДНК. С не
ё снимается реплика. Я уверен, что это не раз обсуждалось у вас, поэтому я к
ратко очень скажу. С неё снимается реплика, потом поступает транспортная
РНК к системе адаптеров. Что такое адаптеры? Адаптеры Ц это самое интере
сное и важное место здесь. Адаптеры, их всего 64, это белки, которые умеют при
соединять нужную кислоту к РНК, нагруженной нужным кодоном. Адаптеры зна
ют алфавит Ц код. Сами они белки, сами они по той же схеме образуются.
Но вот после того как адаптеры нагрузили транспортную РНК, она подходит
к рибосоме, к рибосоме же подходят мессенжер РНК. И там происходит трансл
яция, то есть по коду, последовательности нуклеотидов собирается послед
овательность белка. Вот что значит «кодирует». Приведу аналогию.
Вот завод. Как он работает? Нужно изготовить деталь. Есть чертёж, инструкц
ия. В инструкции сказано, причём, на определённом языке сказано, где нужно
дырочку просверлить, какую там форму сделать и так далее, потом всё это ре
ализуется и получается деталь. Вот что такое «кодирует».
Говорят, что белки катализируют. Что такое «катализируют»? Это я лучше по
ясню чуть попозже, а перед этим давайте представим себе, как мог образова
ться самый простой живой организм. Что он должен содержать? Во-первых, пос
ледовательность ДНК. Во-вторых, белок, который бы способствовал её редуп
ликации. Такой организм из двух всего компонентов может размножаться, пр
ичём так, что последовательность при этом сохраняется. И может Ц но вопр
ос: а как белок действует? Это более-менее известно.
Белок (в данном случае, белок репликаза, тот самый, который способствует р
едупликации) представляет собою нечто вроде подковы или чехла, который о
бволакивает. Можно следующий слайд?
Вот здесь изображена простейшая схема простейшего организма или гипер
цикла, как Ейген его назвал. В этом гиперцикле содержатся четыре нуклеот
ида и четыре белка. Нуклеотиды кодируют белки, а белки катализируют обра
зование ДНК. В простейшем случае Ц их всего два. Один кодирует, а другой к
атализирует, но что катализирует? Репликацию катализирует. Следующий сл
айд, если можно.
Как это можно себе представить? Вот здесь это схематически изображено. Б
елок, он, как видите, как подкова. Он обволакивает ДНК. Затем, при изменении
температуры РНК или при гидролизе АТФ он немножко деформируется, разрыв
ает внутренние связи, и на эти связи налипают комплементарные нуклеотид
ы: к аденину присоединяется тимин, к гуанину Ц цитозин, и наоборот. Налипа
ют в соответствии с определённым порядком и получаются две последовате
льности. Важно, что на самом деле сама последовательность Ц внутри ДНК, в
нутри спирали, а внешняя сторона спирали Ц это фосфатные группы, которы
е слабо отражают, но отражают всё-таки. Вот как он катализирует.
А теперь представим себе: а может ли образоваться в первичном белке репл
иказа без информации, по принципу «катализирует», а не «кодирует»? Может.
Для этого допустим, вполне, так сказать, реалистично, что аминокислоты сп
ерва адсорбируются на ДНК. Неважно, в какой последовательности, пусть об
разовалась случайная последовательность. Эта вероятность случайной по
следовательности Ц единица. Они налипают, так сказать, на это, образуют п
одкову. И после этого происходит замыкание связи, то есть уже образовани
е полипептида. Такой слепок уже может обладать каталитическими свойств
ами. Как он образуется, по какому принципу? По принципу кодирования? Нет. О
н образовывался по принципу гетерогенного катализа. То есть, форма была
главной здесь. Форма ДНК.
А.Г. При этом не важно, какую информацию она несёт и отличается
ли эта информация от шума.
Д.Ч. Да, была ли информация неценной.
Вот здесь немножко отступить хотелось бы и сказать, что проблема на само
м деле Ц информационная. Под информацией я буду понимать далее по Кастл
еру «запомненный выбор одного варианта из нескольких». Под ценной инфор
мацией Ц тот выбор, ту последовательность, которая способствует образо
ванию белка, достижению цели. Ну а количество информации по Шеннону Ц эт
о логарифм того самого числа, о котором мы говорили, числа вариантов.
По существу, вот с той самой проблемой Ц почему цифра так мала, Ц здесь м
ожно провести аналогию с языком. Проблема та же. Например, можно задать во
прос: а как люди догадались, что есть алфавит и стали писать друг другу пис
ьма? Если варианты посчитаем, как расставить буквы, чтобы смысл получилс
я, то даже в коротком письме: «Я вам пишу, чего же боле» получим те же самые в
еличины. Десять в минус трехсотой. Так что здесь аналогия вполне прослеж
ивается.
А.Г. Вначале был не алфавит, а слово. Тогда появление алфавита с
тановится понятным.
Д.Ч. И здесь вопрос: а как появился всё-таки адаптер? Утверждени
е состоит в том, что адаптеры тоже могли появиться по принципу слепка. Но с
лепка уже не окружающего, а, так сказать, слепка со щели, где одна сторона ч
увствует детали структуры, где уже последовательность важна, а другая ст
орона чувствует нужную аминокислоту. Можно показать, что такое образова
ние сильно ускорялось, упрощалось и так далее, и так далее. Тому есть сейча
с просто экспериментальное основание, показано, что двойная спираль ино
гда тройной может быть и так далее. Я опускаю сейчас это. Важно вот что. Ада
птеры тоже работают по принципу слепка. Здесь тоже можно провести аналог
ию с производством. Вот я сказал, как по инструкции делается. Там, в инстру
кции, информации много, и нужно знать язык. А можно сказать: «Вот вам детал
ь, бросьте её в глину, глина засохнет, получится слепок». А слепок Ц это уж
е штамп. Дальше штампуйте эту деталь.
А.Г. Вот вам деталь, сделайте такую же.
Д.Ч. И деталь будет такая же.
После того как образовались адаптеры, здесь уже и возникла информация, в
озник алфавит. Можно следующий слайд.
Вот здесь изображён первичный цикл. Здесь главную роль играет не последо
вательность ДНК, а её форма. Главную роль играет не последовательность, а
форма белка, которая тут же образуется, минуя стадию информационного код
ирования. После того как образовались адаптеры, если они образовались, в
озникает промежуточная схема.
Вот эта схема промежуточная. В ней могут идти процессы и по первому, и по в
торому образцу Ц параллельно. И это очень важно, потому что в эволюции вс
ё должно быть последовательно. Нельзя сразу новое что-то такое предлага
ть, забыв про старое. Должен быть какой-то период, где и новое, и старое посл
едовательно работают. И если отказала новая схема, работает старая. Вот т
аков эволюционный механизм.
Опять же приведу аналогию с языком. Я не специалист, поэтому могу здесь бы
ть неточен. Но мне кажется, что здесь аналогия есть. Вопрос вот какой: как в
озник алфавит? До алфавита была иероглифическая или пиктографическая п
исьменность. Просто люди посылали друг другу рисунки. А рисунок можно по
нять, не зная алфавита. Он сразу воспринимается. Рисунок Ц это как бы слеп
ок с объекта. Затем постепенно при увеличении объектов, при развитии цив
илизации рисунки уже перестали удовлетворять. Потому что, хорошо общать
ся с рисунками, когда объектов 10, 20, 30, 100. А когда их десятки тысяч, как сейчас сл
ов, то не придумаешь же десятка тысяч рисунков. И тогда иероглифы постепе
нно стали как бы частью объекта, упростились и постепенно превратились в
буквы. То же самое и в биологии. Вот эти адаптеры, они сперва были как бы оск
олками чехла. Но постепенно эти осколки сами по себе уже перестали играт
ь роль, а превратились как бы в буквы, как бы в алфавит Ц вот такая схема бы
ла предложена.
Спрашивается, а можно ли её подтвердить или опровергнуть экспериментал
ьно? Можно. Было предложено провести эксперимент, он вполне реален. Два ил
и три раза было предложено, с Фоксом договорились, но Фокс скончался. Дого
ворились здесь с одной лабораторией, с Отрощенко. Кончились реактивы… Та
к что, то, что я говорю, является пока гипотезой. Это я должен подчеркнуть.

А.Г. А в чём заключаются эти эксперименты, которые вы хотели пр
овести?
Д.Ч. Для этого нужно провести эксперименты Фокса, но в определё
нной последовательности, а именно: Фокс проводил эксперименты отдельно
Ц поликонденсация нуклеотидов и поликонденсация белков. А здесь нужно
сперва найти условия, при которых аминокислоты сами адсорбируются на ДН
К или РНК Ц на ДНК лучше.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29