Возникновение биологической информации

Участник:

Дмитрий Чернавский – доктор физико-математических наук

Александр Гордон: Доброй ночи! Феномен возникновения живого входит в явное и, я бы сказал, яркое противоречие с теорией вероятности – не только феномен возникновения, но и биологической эволюции. Принято считать, что вероятность возникновения жизни приблизительно равна вероятности самосборки самого современного «Боинга» из деталей, которые валяются на свалке. Но так ли неодолимы эти противоречия между теорией вероятности и возникшей всё-таки жизнью?

Дмитрий Чернавский: Проблема возникновения жизни волновала давно, и она состоит из нескольких этапов. Каждый этап был в своё время проблематичен.

Первая проблема. Как возникли необходимые органические молекулы? Эта проблема решена химиками и физиками. Нужно представить себе обстановку в предбиологический период. Обстановка была крайне, так сказать, термодинамически неравновесной. Там «беспрерывно гром гремел, во мраке молния сверкала», вулканы извергались. Ну и в результате образовались органические 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 прошлого столетия. Он показал, что действительно органические молекулы типа липидов и аминокислот могут собираться в капли. Он назвал это коацерватами. И проблема была решена.

Третья проблема. Хорошо, аминокислоты собираются, нуклеотиды собираются, но в жизни-то полинуклеотиды – они длинные. Как они могли образовываться сами в предбиологический период? Проблема решена была Фоксом и Егами. Показано было, что могли они образовываться, но, разумеется, случайные. И тут возникла четвёртая проблема.

Проблема в следующем. Биологические полимеры – они же не случайные. Они содержат информацию. Напомню, что основными полимерами являются ДНК или РНК – они хранители информации, в них последовательность несёт эту информацию. А рабочими телами являются белки. Известно, что в современной биосфере нуклеотиды кодируют белки – ко-ди-ру-ют. Что это значит? Это значит, что в соответствии с последовательностью нуклеотидов образуется последовательность белков, каждая тройка нуклеотидов – кодон – кодирует или соответствует одной аминокислоте и получается, таким образом, заданная последовательность белка. Затем она сворачивается и, в зависимости от последовательности, получается тот или иной белок, с той или иной функцией.

Какие белки должны быть, чтобы работали? Большие. Они должны содержать примерно 200 аминокислот. Следовательно, полинуклеотид должен содержать примерно 600 аминокислот – определённой последовательности. Давайте посчитаем, а сколько вообще может быть вариантов последовательности? Очень просто. Нуклеотидов всего четыре – 600 цепочек. Соответственно, число вариантов – четыре в шестисотой степени. Или два в тысяча двухсотой. Или десять в четырехсотой степени. Вот это число, вы о нём говорили, это число является круциальным. Вероятность, что соберётся какой-то определённый полинуклеотид – соответственно, единица, делённая на десять в сороковой. Число попыток за всё время существования Земли и во всех лужах – примерно десять 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 десять в минус 360-ой. Это число абсурдно мало. Соответственно, и число вариантов тоже мало. Никогда столько вариантов мы не переберём. Даже специальное название «гугол» введено.

Нужно сказать, что все остальные числа, которые есть в физике, они существенно отличаются от этого. Например, чисто атомов во всей Вселенной – порядка десять в пятидесятой – в пятидесятой! Вот в этом суть проблемы – десять в минус четырехсотой. Можно сделать этот показатель вдвое меньше, всё равно абсурд.

Как к этому относятся? По-разному. Химики (не все химики, естественно) считают, что можно собрать – они умеют собрать – полинуклеотид в заданной последовательности 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 одному 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) примерно 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 представить себе, что такое «кодирует» и что такое «катализирует». Нужно задуматься, что такое «кодирует». В современной биосфере процесс кодирования хорошо изучен. Если можно, первую схему.

А.Г. Сейчас дадут.

Д.Ч. Схема проста. В ней главное – последовательность ДНК. С неё снимается реплика. Я уверен, что это не раз обсуждалось у вас, поэтому я кратко очень скажу. С неё снимается реплика, потом поступает транспортная РНК к системе адаптеров. Что такое адаптеры? Адаптеры – это самое интересное и важное место здесь. Адаптеры, их всего 64, это белки, которые умеют присоединять нужную кислоту к РНК, нагруженной нужным кодоном. Адаптеры знают алфавит – 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 трансляция, то есть по коду, последовательности нуклеотидов собирается последовательность белка. Вот что значит «кодирует». Приведу аналогию.

Вот завод. Как он работает? Нужно изготовить деталь. Есть чертёж, инструкция. В инструкции сказано, причём, на определённом языке сказано, где нужно дырочку просверлить, какую там форму сделать и так далее, потом всё это реализуется и получается деталь. Вот что такое «кодирует».

Говорят, что белки катализируют. Что такое «катализируют»? Это я лучше поясню чуть попозже, а перед этим давайте представим себе, как мог образоваться самый простой живой организм. Что он должен содержать? Во-первых, последовательность ДНК. Во-вторых, белок, который бы способствовал её редупликации. Такой организм из двух всего компонентов может размножаться, причём так, что последовательность при этом сохраняется. И может – но вопрос: а как белок действует? Это более-менее известно.

Белок (в данном случае, белок репликаза, тот самый, который способствует редупликации) представляет собою нечто вроде подковы или чехла, который обволакивает. Можно следующий слайд?

Вот здесь изображена простейшая схема простейшего организма или гиперцикла, как Ейген его назвал. В этом гиперцикле содержатся четыре нуклеотида и четыре белка. Нуклеотиды кодируют белки, а белки катализируют образование ДНК. В простейшем случае – их всего два. Один кодирует, а другой катализирует, но что катализирует? Репликацию катализирует. Следующий слайд, если можно.

Как это можно себе представить? Вот здесь это схематически изображено. Белок, он, как видите, как подкова. Он обволакивает ДНК. Затем, при изменении температуры РНК или при гидролизе АТФ он немножко деформируется, разрывает внутренние связи, и на эти связи налипают комплементарные нуклеотиды: к аденину присоединяется тимин, к гуанину – цитозин, и наоборот. Налипают в соответствии с определённым порядком и получаются две последовательности. Важно, что на самом деле сама последовательность – внутри ДНК, внутри спирали, а внешняя сторона спирали – это фосфатные группы, которые слабо отражают, но отражают всё-таки. Вот как он катализирует.

А теперь представим себе: а может ли образоваться в первичном белке репликаза без информации, по принципу «катализирует», а не «кодирует»? Может. Для этого допустим, вполне, так сказать, реалистично, что аминокислоты сперва адсорбируются на ДНК. Неважно, в какой последовательности, пусть образовалась случайная последовательность. Эта вероятность случайной последовательности – единица. Они налипают, так сказать, на это, образуют подкову. И после этого происходит замыкание связи, то есть уже образование полипептида. Такой слепок уже может обладать каталитическими свойствами. Как он образуется, по какому принципу? По принципу кодирования? Нет. Он 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 самом деле – информационная. Под информацией я буду понимать далее по Кастлеру «запомненный выбор одного варианта из нескольких». Под ценной информацией – тот выбор, ту последовательность, которая способствует образованию белка, достижению цели. Ну а количество информации по Шеннону – это логарифм того самого числа, о котором мы говорили, числа вариантов.

По существу, вот с той самой проблемой – почему цифра так мала, – здесь можно провести аналогию с языком. Проблема та же. Например, можно задать вопрос: а как люди догадались, что есть алфавит и стали писать друг другу письма? Если варианты посчитаем, как расставить буквы, чтобы смысл получился, то даже в коротком письме: «Я вам пишу, чего же боле» получим те же самые величины. Десять в минус трехсотой. Так что здесь аналогия вполне прослеживается.

А.Г. Вначале был не алфавит, а слово. Тогда появление алфавита становится понятным.

Д.Ч. И здесь вопрос: а как появился всё-таки адаптер? Утверждение состоит в том, что адаптеры тоже могли появиться по принципу слепка. Но слепка уже не окружающего, а, так сказать, слепка со щели, где одна сторона чувствует детали структуры, где уже последовательность важна, а другая сторона чувствует нужную аминокислоту. Можно показать, что такое образование сильно ускорялось, упрощалось и так далее, и так далее. Тому есть сейчас просто экспериментальное основание, показано, что двойная спираль иногда тройной может быть и так далее. Я опускаю сейчас это. Важно вот что. Адаптеры тоже работают по принципу слепка. Здесь тоже можно провести аналогию с производством. Вот я сказал, как по инструкции делается. Там, в инструкции, информации много, и нужно знать язык. А можно сказать: «Вот вам деталь, бросьте её в глину, глина засохнет, получится слепок». А слепок – это уже 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, возник алфавит. Можно следующий слайд.

Вот здесь изображён первичный цикл. Здесь главную роль играет не последовательность ДНК, а её форма. Главную роль играет не последовательность, а форма белка, которая тут же образуется, минуя стадию информационного кодирования. После того как образовались адаптеры, если они образовались, возникает промежуточная схема.

Вот эта схема промежуточная. В ней могут идти процессы и по первому, и по второму образцу – параллельно. И это очень важно, потому что в эволюции всё должно быть последовательно. Нельзя сразу новое что-то такое предлагать, забыв про старое. Должен быть какой-то период, где и новое, и старое последовательно работают. И если отказала новая схема, работает старая. Вот таков эволюционный механизм.

Опять же приведу аналогию с языком. Я не специалист, поэтому могу здесь быть неточен. Но мне кажется, что здесь аналогия есть. Вопрос вот какой: как возник алфавит? До алфавита была иероглифическая или пиктографическая письменность. Просто люди посылали друг другу рисунки. А рисунок можно понять, не зная алфавита. Он сразу воспринимается. Рисунок – это как бы слепок с объекта. Затем постепенно при увеличении объектов, при развитии цивилизации рисунки уже перестали удовлетворять. Потому что, хорошо общаться с рисунками, когда объектов 10, 20, 30, 100. А когда их десятки тысяч, как сейчас слов, то не придумаешь же десятка тысяч рисунков. И тогда иероглифы постепенно 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 осколками чехла. Но постепенно эти осколки сами по себе уже перестали играть роль, а превратились как бы в буквы, как бы в алфавит – вот такая схема была предложена.

Спрашивается, а можно ли её подтвердить или опровергнуть экспериментально? Можно. Было предложено провести эксперимент, он вполне реален. Два или три раза было предложено, с Фоксом договорились, но Фокс скончался. Договорились здесь с одной лабораторией, с Отрощенко. Кончились реактивы… Так что, то, что я говорю, является пока гипотезой. Это я должен подчеркнуть.

А.Г. А в чём заключаются эти эксперименты, которые вы хотели провести?

Д.Ч. Для этого нужно провести эксперименты Фокса, но в определённой последовательности, а именно: Фокс проводил эксперименты отдельно – поликонденсация нуклеотидов и поликонденсация белков. А здесь нужно сперва найти условия, при которых аминокислоты сами адсорбируются на ДНК или РНК – на ДНК лучше. Как они адсорбируются? Безусловно, можно найти условия, когда образуется вот такой адсорбат-чехол. После этого нужно взять те самые реактивы, которые Фокс использовал, и провести образование связей. Это тоже вполне возможно. А дальше посмотреть, обладает ли такой искусственный белок репликазной активностью, особенно если его в периодических условиях делать.

Вот этот эксперимент непростой, сложный. Дорогой эксперимент, но вполне реальный. Ну, будет он проведён или нет, не знаю. Надеюсь. Вопрос, почему не хватило денег, я опускаю.

А.Г. Это да, это можно опустить.

Д.Ч. Почему кончились реактивы – это я тоже опускаю.

Но вот здесь встаёт вторая проблема, вот какая. Хорошо, мы поняли, как образуется код. Адаптеры – это уже есть код. Но тогда встаёт вот какая проблема. В современной биосфере – единый код. Образно выражаясь, всё живое говорит на одном алфавите, на одном языке. Исключения есть, но очень редкие и, так сказать, атавистические: в митохондриях, в хлоропластах. Это органеллы, которые раньше были самостоятельными организмами, потом внедрились и так живут. Так что есть исключения.

Почему код единый? Ответов несколько. Один ответ – и, я думаю, он прозвучит у вас из уст Ягужинского, возможно, такой: данный код – самый лучший в каком-то смысле. И он был отобран, а в результате все остальные исчезли. Другой ответ, наш ответ: в той схеме, о которой я рассказал, последовательность не важна и мог образоваться любой код. На самом деле, некоторые преимущества, конечно, могут быть, и они есть. Но они не столь велики и не столь сильны, чтобы выделить один код. А наш ответ – вот какой. Один код образовался не потому что он наилучший, а потому что организмы, обладающие разными кодами, взаимодействовали друг с другом антагонистически.

Что такое взаимодействие в биологии? В биологии всё просто. Взаимодействуют, значит, кушают друг друга. Представьте себе, два организма или две популяции смешались, а у них коды разные, адаптеры разные. Смешалось всё, и биосинтез белка перестал быть однозначным. То один белок, то другой, адаптер то такой, то такой… Это гибель. Поэтому при встрече, при взаимодействии двух особей с разными кодами…

А.Г. То есть двух особей, которые несут разную информацию в себе?

Д.Ч. Да, да – при таком взаимодействии обе погибают. Один – потому что его съели, а другой – потому что скушал яд. Вот это обстоятельство – антагонизм условных информаций – в данном случае имеет совершенно простую биологическую подоплёку. Кстати, такую же, как и при образовании биологической асимметрии, о которой здесь говорил Аветисов. Да, асимметричные молекулы – это часто яд.

Но для того, чтобы ответить точно на этот вопрос, нужно, конечно, построить математическую модель, что и было сделано, и показать, каковы свойства у этой модели. Но этот вопрос – какова здесь математическая модель может быть – заслуживает специального обсуждения, и я надеюсь, что мы его проведём.

А.Г. Да, мы вынесем его за рамки этой программы, по крайней мере.

Д.Ч. Сейчас могу сказать, что с учётом этого обстоятельства образуется чистое состояние. То есть, один вариант побеждает все остальные, даже если он ничем не выделен.

А.Г. Просто, потому что больше его.

Д.Ч. Если его чуть-чуть больше, если он чем-то выделен, то эта выделенность вовсе не является гарантом, что он победит. Случай здесь управляет. Даже если они равны, всё равно побеждает один. Мы с Ниной Михайловной называем это «принцип Оруэлла». Ну, вы знаете, что «all animal are equal but some of them are more equal than others». Все равны, но…

А.Г. Все животные равны, но среди них есть такие, которые равнее других.

Д.Ч. При таких условиях оказывается, что один более равный, чем другие.

А.Г. То есть не отбор, а выбор.

Д.Ч. Не отбор, а выбор. И это очень важно. При отборе не рождается новая информация. Отбор отбирает то, что уже было где-то заложено. Случайный выбор, по Кастеру, – это процесс генерации информации. Таким образом, во всех развивающихся системах, где накапливается, увеличивается информация (и в биологии тоже) не меньшую роль играет выбор, чем отбор.

А.Г. Тут пора перейти, наверное, к эволюции. Какую коррекцию это вносит в биологическую эволюцию, ведь сам факт существования биологической эволюции тоже в какой-то мере противоречит теории вероятности, потому что уж очень быстро она развивается с точки зрения вероятности.

Д.Ч. Вы правы. Это второй вопрос. Да, действительно быстро. Как решить этот вопрос? Мы с Ниной Михайловной тоже этим занимались. И некоторое решение предлагаем. В данном случае, я бы не сказал, что оно какое-нибудь дискуссионное, я думаю, что оно уже во многих местах принимается и независимо. Часто ведь независимо предлагают одно и то же. Тут уже нужно решать вопрос, принимая во внимание, что образовался единый код.

А.Г. Путём выбора.

Д.Ч. Да, путём выбора. Как дальше идёт? Дальше вот как. Пример. Вот наши древние предки жили в восстановительной атмосфере и питались друг другом, а так же тем, что накоплено в добиологический период. И все съели. Началась продовольственная проблема. Как она была решена? Причём это энергетическая проблема одновременно. Энергия-то ведь тоже нужна. Раньше гликолиз давал энергию. И тут освоили энергию Солнца – появились фотосинтетики. Спрашивается, сколько нужно белков для того, чтобы аппарат заработал? Оказывается, несколько. С какими функциями? С совсем новыми. И опять считаем: а какова вероятность, что случайно появились такие геномы, такие белки?

А.Г. В результате точечных мутаций.

Д.Ч. За счёт точечных мутаций. И приходим к той же самой цифре. Ну, не к той же, но, всё равно, к абсурдно малой. Как решается эта проблема? Точнее, как можно решить? Посмотрим на эволюцию техники. Она же тоже очень быстро шла. Спрашивается, как она развивалась? Если она развивалась за счёт точечных мутаций… Точечная мутация – это значит, что всё новое появилось сразу заново. Другой вариант: сохранялась прежняя информация, сохранялись детали, а новое было только в соединении деталей. Иными словами, если провести аналогию с техникой, то природа изобретала не сплошь новую машину, а изобретала новую машину из старых деталей.