В статье [12] мы начали разговор о "мире РНК". Посмотрели разные точки зрения на проблему и мнения специалистов. Но информация накапливается медленно и возникла необходимость продолжить тему. Об информации в клетках. О логике Живого. И конечно, о том, как вообще могла возникнуть жизнь на Земле ...
Да, гипотеза "мира РНК" очень тесно переплетается с этой, еще более обширной темой. О возникновении Жизни.
Тема возникновения Жизни [26, 27] и роль РНК в этом процессе [28]обсуждается в интернете достаточно широко.
Обсуждается теория А. Опарина [26]. Согласно его теории процесс, приведший к возникновению жизни на Земле, может быть разделён на три этапа:
" Возникновение органических веществ
" Возникновение белков
" Возникновение белковых тел
"В зависимости от того, что считается первичным, различают два методологических подхода к вопросу возникновения жизни:
Генобиоз - методологический подход в вопросе происхождения жизни, основанный на убеждении в первичности молекулярной системы со свойствами первичного генетического кода.
Голобиоз - методологический подход в вопросе происхождения жизни, основанный на идее первичности структур, наделённых способностью к элементарному обмену веществ при участии ферментного механизма."
[26]
Обсуждаются опыты Стенли Миллера, установившие возможность образования органических соединений от мощных электрических разрядов в газовой среде древней Земли, и продолжающие это направление исследования Э.Галимова [44]. Особый интерес вызывает программа "Происхождение жизни и эволюция гео-биологических систем" [22], прежде всего своим профессиональным подходом.
И конечно же, тема "мира РНК" и теория Панспермии. Со всех позиций..., как с точки зрения официальной и научной, так и с альтернативной [30]. Так что, говорить об отсутствии информации по теме возникновения Жизни явно не приходится.
Что же касается нас, любителей, то здесь обсуждение, так или иначе замыкается на одном направлении: генетический код РНК и ДНК. И понятно, почему. В биологии и органической химии особого понимания нет, в тонкостях разбираться нет ни времени, ни сил. И потому, оценивается общий подход, рассматриваются взаимодействия теорий и философских подходов с самых разных точек зрения. Научных, околонаучных, совсем не научных..., и почти сказочных.
С другой стороны, такой широкий спектр взглядов и мнений позволяет усмотреть и общую тенденцию понимания. Что мы все хотим понять, разбираясь с вопросами происхождения Жизни?
Вот тут возникает понимание однотипности профессионального подхода и любительских точек зрения. Любители явно следуют в фарватере поисков профессионалов. А вот куда идут профессионалы, большой вопрос...
Профессиональные интересы ученых очень узко специализированы. Спектр этих интересов огромен и связи одних исследований с другими иногда даже не просматриваются. И потому разобраться, найти ответы по возникающим вопросам в профессиональных научных статьях очень трудно.
РНК находится в основании возникновения Жизни на Земле. И видимо, чтобы понять, как появилась Жизнь, надо разобраться с её первоосновой - появлением РНК.
В связи с этим возникает два главных вопроса.
Первый: Как и при каких условиях может появиться РНК и начать самостоятельную репликацию?
И второй вопрос, не менее интересный: Почему именно РНК стала основой возникновения Жизни?
Был ли "мир РНК", и где?
При всем своем правдоподобном виде 'мир РНК' все же подвергается критической оценке специалистов:
"Например, существует так называемый водный парадокс. Вроде бы вода нужна для поддержания стабильности двойной спирали РНК, которая бы обеспечивала самокопирование. К тому же она позволяет макромолекулам свободно перемещаться. Но, та же самая вода при определенных условиях делает цепочку РНК нестабильной, разрушает связи и вообще не дает ей нормально жить. Таких парадоксов довольно много.
Есть и еще одна проблема. Обитатели мира РНК были довольно нежными. Даже существующие сейчас вирусы, которые почти полностью состоят из РНК, все-таки имеют защитную оболочку из белков. А в том древнем мире органические молекулы были совершенно 'голыми', к тому же в отличие от вирусов у них не было возможности комфортно устроиться в чьем-то организме и паразитировать на нем."
[28]
Тут есть, над чем подумать...
А. С. Спирин, продолжительное время занимался проблемой происхождения жизни, став одним из главных специалистов в России по "миру РНК". В результате изучения этого вопроса он пришел к заключению: жизнь на Земле подобным путем возникнуть не могла. [33]
Ниже приводится заключительный фрагмент из его статьи[34]:
"...Предположения о космическом происхождении клеточной формы жизни на Земле находит поддержку в современных данных о диапазоне условий и мест обитания, в которых могут существовать микроорганизмы клеточная форма жизни на Земле, гораздо более широком, чем мы могли представлять себе еще недавно. Жизнеспособные и живые микробы находят в древних глубинных льдах Арктики и Антарктиды и в глубинах вечной мерзлоты (Звягинцев и др., 1985; Gilichinsky et al., 1992; Vorobyova et al., 1997; Розанов, 2002). Жизнь в виде бактериальных сообществ обнаружена на глубинах до 3 и даже до 5 км в горных породах континентов и в глубинах океанов при колоссальном давлении и высоких температурах (Gold, 1992; Stevens and McKinley, 1995; Розанов, 2002). Ряд исследователей полагает, что глубинная земная и морская биосфера может включать в себя более половины общей биомассы Земли. В таком случае основная живая компонента биосферы Земли - это не многоклеточные эукариотическими фотоавтотрофы и органотрофы, т.е. растения и животные, чаще всего ассоциируемые с понятием 'жизнь', а прокариотические хемоавтотрофы глубинной (горячей и холодной) биосферы, полностью не зависимые от солнечной энергии и свободного кислорода (Gold, 1992; Заварзин, 2006б; Zavarzin, 2006; Hoover, 2006). Данные глубинной микробиологии континентов Земли дают пищу для размышлений о возможности существования глубинной биосферы и на других планетах, включая их спутники (в частности Ио и Европу Юпитера). Кроме того, свойством многих существующих на Земле свободно-живущих бактерий является их приспособленность к переживанию в условиях полного вакуума, т.е. сохранение жизнеспособности в вакууме, в том числе в обезвоженном состоянии, в течение длительного времени. Способность микроорганизмов (бактерий) сохранять жизнеспособность в глубоком вакууме и при крайне низких температурах позволяет предполагать, что ядра комет, полярные шапки Марса и ледовые спутники Юпитера и Сатурна тоже могут быть местами присутствия потенциально жизнеспособных микробов (Hoover, 2006).
... Вместе с тем, принятие предположения о попадании жизни на Землю и расселении жизни во Вселенной уже в виде организованных одноклеточных организмов не освобождает нас от проблемы происхождения клеточных форм жизни - пусть не на Земле, но все же где-то во Вселенной, и происхождение простейших клеток из мира РНК представляется на сегодняшний день самой правдоподобной гипотезой, основанной на современных знаниях о молекулярных основах жизни."
[34]
И потому, чтобы спасти основную роль РНК в формировании Жизни возникают гипотезы появления "РНК мира" в различных специфических условиях, например, в космосе [28]:
""Имеющиеся естественнонаучные данные указывают на допланетный околозвездный диск как на наиболее вероятное время и место первичного абиогенного синтеза пребиотического вещества из простых молекул вместе с миром РНК и самим возникновением жизни" - это цитата уже из другой статьи, опубликованной в том же номере "Палеонтологического журнала". Ее автор - Валерий Снытников, сотрудник Института катализа Сибирского отделения РАН.
Согласно его гипотезе, жизнь зародилась одновременно с формированием Солнечной системы. Солнце уже пытается как-то светить, хотя оно еще гораздо тусклее и холоднее нынешнего светила. Вокруг него вертится огромное облако частичек. Некоторые из них будут притянуты Солнцем и превратят его в настоящую звезду. Другие объединятся и через какое-то время образуют планеты. А пока что на поверхности некоторых частичек идут хитрые химические реакции.
...Гипотеза Снытникова отчасти разрешает и 'водный парадокс'. Комки с зачатками жизни летают, то удаляясь, то приближаясь к Солнцу. И вода соответственно сначала накапливается, потом испаряется и так далее."
[28]
Гипотеза В.Снытникова [41] дополняет мнение А.С.Спирина. Жизнь зародилась в космосе. На Земле шел уже второй этап развития - белковый. Тогда вроде бы всё встает на свои места.
Но, примерно в то же время, в 2009г. появляется информация А.Маркова [38], что химик Джон Сазерленд (John Sutherland) и его коллеги из Манчестерского университета(Великобритания) нашли "обходной путь", позволяющий синтезировать рибонуклеотиды не из готовых крупных блоков - рибозы и азотистых оснований - а из более простых органических молекул:
"В основе их открытия лежат три замечательные находки. Первая состоит в том, что они догадались сразу добавить в реакционную смесь фосфорную кислоту (неорганический фосфат). До сих пор все исходили из естественного допущения, что фосфат нужен только на последней стадии синтеза рибонуклеотида, когда фосфат присоединяется к рибозе, которая до этого уже присоединилась к азотистому основанию. Однако оказалось, что фосфат необходим и на ранних стадиях процесса. Его присутствие резко снижает выход разнообразных "ненужных" веществ в ходе реакций и повышает выход "нужных". Вторая находка состоит в том, что исследователи с самого начала поместили в реакционную смесь и вещества, основанные на углероде и кислороде (простейшие углеводы), и азотистые соединения. До сих пор с этими двумя классами веществ работали по отдельности, пытаясь из первых синтезировать сахара, а из вторых - азотистые основания. Смешивать их в одну кучу с самого начала считалось бесперспективным, так как это резко повышает химическую "комбинаторику", то есть разнообразие получаемых продуктов, и без того слишком большое. Но фосфат резко снижает эту комбинаторику, и в результате из исходной смеси эффективно синтезируются в большом количестве ключевые промежуточные продукты, не являющиеся ни сахарами, ни азотистыми основаниями...
Теперь до настоящего активированного рибонуклеотида, пригодного для синтеза РНК, остался один шаг. Вещество 13 нужно фосфорилировать, чтобы оно превратилось в активированный рибонуклеотид Ц...
...для этого реакционную смесь нужно только немного подогреть ("настало утро, вода в луже согрелась"), а всё необходимое в ней уже имеется. Роль ключевого катализатора реакции фосфорилирования берет на себя, как ни странно, мочевина (6), которая образуется сама собой из излишков цианамида, изначально присутствовавшего в смеси. Наличие мочевины открывает для фосфорилирования сразу два возможных пути. В первом случае может использоваться непосредственно фосфат (для этого в смеси должно присутствовать еще одно простое вещество - формамид). Во втором случае в ход идет пирофосфат, который образуется сам собой из тех веществ, что образовались ранее в ходе реакции фосфата с цианоацетиленом. И в этом случае формамид уже не нужен.
Вместе с "правильным" нуклеотидом Ц в ходе последней реакции получается и ряд других, "неправильных" нуклеозидов и нуклеотидов, которые мешают дальнейшему синтезу "правильных" молекул РНК. Авторы стали искать способ избавиться от этих побочных продуктов. Кроме того, они надеялись получить из цитидина еще и второй пиримидиновый нуклеотид - уридин (У).
То, что они в итоге обнаружили, слегка похоже на чудо. Оказалось, что обе цели достигаются одной простой мерой - ультрафиолетовым облучением, которого, конечно, на древней Земле было вдоволь, поскольку озоновый слой отсутствовал. Под воздействием ультрафиолета все "лишние" нуклеотиды постепенно разрушаются, а цитидин остается, и часть его превращается в уридин. В отличие от всех остальных пиримидиновых нуклеотидов, Ц и У оказались устойчивы к ультрафиолету. Не правда ли, это очень похоже на четкий и простой ответ на вопрос о том, почему из всех возможных пиримидиновых нуклеотидов в состав РНК вошли именно Ц и У?"
[38]
В одной из своих статей [37] А.Марков делает вывод:
"В целом на сегодняшний день абиогенный синтез простых органических веществ - "строительных блоков" для более сложных соединений, таких как белки и нуклеиновые кислоты, - уже не является проблемой. Аминокислоты (составные части белков), азотистые основания и сахара (составные части нуклеотидов, из которых состоят нуклеиновые кислоты), а также другие важные молекулы могли синтезироваться абиогенно несколькими разными способами. Сложнее оказалось понять, как из этих блоков могли сами собой собраться первые репликаторы - молекулы или комплексы молекул, способные к самовоспроизведению.
Начиная с 80-х годов XX века, когда были открыты каталитические (ферментативные) функции РНК, именно этот класс молекул по праву считается главным кандидатом на роль "первой молекулы жизни". Скорее всего, первыми репликаторами были молекулы РНК, катализирующие синтез собственных копий..."
[37]
А.Марков отмечает: очередной важный шаг в этом направлении сделали Трейси Линкольн и Джеральд Джойс (Tracey Lincoln, Gerald Joyce) из Скриппсовского исследовательского института в Сан-Диего (Калифорния, США) [37]:
"Исследователям удалось подобрать несколько пар молекул РНК с каталитической активностью (рибозимов), которые успешно реплицируют (синтезируют копии) друг друга. В результате такой взаимной репликации популяция рибозимов может расти в геометрической прогрессии сколь угодно долго - для этого нужно только исправно снабжать растущую популяцию необходимыми "ресурсами", то есть исходными материалами для синтеза новых молекул РНК. За 30 часов популяция может в благоприятных условиях вырасти в 100 млн раз. Более того, заставив несколько разных пар размножающихся рибозимов конкурировать друг с другом за субстрат, исследователи вынудили их начать дарвиновскую эволюцию. В результате спонтанных мутаций и естественного отбора появились рекомбинантные рибозимы с повышенной скоростью размножения.
...Любопытно, что поведение протоклеток зависит от температуры: в тепле они активно "питаются", поглощая нуклеотиды из окружающей среды, а на холоде более активно используют эти нуклеотиды для матричного синтеза РНК. Может быть, для первых живых существ был характерен суточный цикл: днем они питались, а ночью реплицировали свой наследственный материал?"
Приведенная А.Марковым информация возвращают синтез РНК из глубин космоса обратно на Землю. В теплые лужи геотермальных источников и атмосферу Земли. В прибрежную зону океана, если таковой был в те времена.
Но если все ученые правы в своих выводах и проведенные эксперименты подтверждают эти выводы, то оказывается, что панспермия, как уникальный вариант возникновения Жизни на Земле, утрачивает особую значимость. При определенных условиях синтез РНК возможен и на Земле и в космосе. Процесс образования цепочек РНК и протоклеток из них носит космический характер, он вполне возможен в любой звездной системе с подходящими условиями и не является таким уж уникальным.
Вот мнение В.Н. Пармона:
"Из всего этого следует еще один заранее неочевидный, но очень важный вывод: если все происходило именно так, как мы говорили выше, то появление жизни на основе именно РНК и ДНК предопределено. То есть других форм жизни появиться не могло. И значит, РНК и ДНК образуются на любой планете, геологическая история которой сходна с историей Земли." [56]
Таким образом, жизнь вполне могла появиться на Земле и самостоятельно. Но, время от времени сюда могли прибывать и "посылки из космоса", в виде метеоритов с образцами микровложений "новейших достижений космической эволюции", корректируя этот процесс в ту или иную сторону.
Вывод не очень впечатляющий. Скорее, очевидный. РНК создала предпосылки Жизни не только на Земле. Мир РНК уже не представляется чем-то уникальным и только земным. Это часть космической эволюции. Ну что же, пусть так...
Почему РНК?
Действительно, почему РНК стала основой Жизни? Что в ней скрыто такое особенное, ставшее главным фактором естественного отбора из множества других органических соединений?
Об РНК написано уже так много, что добавить сюда что-то новое практически невозможно. Вот, например, различия РНК и ДНК:
1. " ДНК содержит сахар дезоксирибозу, РНК - рибозу, у которой есть дополнительная, по сравнению с дезоксирибозой, гидроксильная группа. Эта группа увеличивает вероятность гидролиза молекулы, то есть уменьшает стабильность молекулы РНК.
2. Нуклеотид, комплементарный аденину, в РНК не тимин, как в ДНК, а урацил - неметилированная форма тимина.
3. ДНК существует в форме двойной спирали, состоящей из двух отдельных молекул. Молекулы РНК, в среднем, гораздо короче и преимущественно одноцепочечные.
Структурный анализ биологически активных молекул РНК, включая тРНК, рРНК, мяРНК и другие молекулы, которые не кодируют белков, показал, что они состоят не из одной длинной спирали, а из многочисленных коротких спиралей, расположенных близко друг к другу и образующих нечто, похожее на третичную структуру белка. В результате этого РНК может катализировать химические реакции, например, пептидил-трансферазный центр рибосомы, участвующий в образовании пептидной связи белков, полностью состоит из РНК."
[42]
Биологи рассматривают в основном каталитические способности РНК. А так же способность взаимной репликации новых цепочек РНК. РНК может быть источником энергии, может изменять саму себя, копировать, резать и сшивать, создавать комплексы с самыми различными химическими свойствами. И всё это может быть создано из одной и той же РНК. Это уникальные возможности.
"Нуклеотиды РНК состоят из сахара - рибозы, к которой в положении 1' присоединено одно из оснований: аденин, гуанин, цитозин или урацил. Фосфатная группа соединяет рибозы в цепочку, образуя связи с 3' атомом углерода одной рибозы и в 5' положении другой. Фосфатные группы при физиологическом рН отрицательно заряжены, поэтому РНК - полианион. РНК транскрибируется как полимер четырёх оснований (аденина (A), гуанина (G), урацила (U) и цитозина (C), но в 'зрелой' РНК есть много модифицированных оснований и сахаров[11]. Всего в РНК насчитывается около 100 разных видов модифицированных нуклеозидов ... " [42]
Так что, когда мы говорим о четырех основаниях РНК, мы говорим только об основном варианте..., на самом деле оснований значительно больше. Но они относительно редко встречаются. Упрощение понимания тут примерно аналогично пониманию генетического кода. Вообще-то вариантов кода 16 или 18, но все говорят только об основном.
Как уже говорилось, одноцепочные молекулы РНК относительно короткие и образуют клубок сложной формы. РНК может существовать и в форме двойной спирали, аналогичной ДНК.
Различные проявления самых разных свойств РНК можно перечислять еще долго...
Такой уникальный набор свойств РНК сразу резко ограничивает количество других претендентов на роль основы Жизни.
Есть и свойство, присущее пока только РНК, проявившееся только в уже запущенном процессе эволюции Жизни - логическая и информационная основа с большим потенциалом развития. Те самые комплементарные пары оснований: А-U и C-G.
Кстати говоря, и комплементарность оснований РНК выполняется не всегда:
"Азотистые основания в составе РНК могут образовывать водородные связи между цитозином и гуанином, аденином и урацилом, а также между гуанином и урацилом. Однако возможны и другие взаимодействия, например, несколько аденинов могут образовывать петлю, или петля, состоящая из четырёх нуклеотидов, в которой есть пара оснований аденин - гуанин." [42]
Возможно, что это одна из причин 'воблирования' оснований при синтезе белка. Об этом уже упоминалось в [12]. Но, о всех возможных связях оснований в РНК знают только профессионалы. Остальные в такие тонкости стараются не вдаваться.
Наверное, это вполне правильно, рассматривать только основные варианты связей. На свойстве комплементарности оснований РНК построена вся система понимания эволюционного развития и усложнения форм Жизни.
В начале были...
На каком-то форуме я обратил внимание на спор по вопросу, что является основным в понимании роли РНК в эволюционном процессе. Одна часть респондентов стояла на том, что главным в РНК является её каталитические способности, вторая отстаивала информационную составляющую. Ни те, ни другие уступать не собирались и приводили множество аргументов в пользу своей правоты. Спор зашел в тупик. Почему?
Потому, что обе стороны были правы. Только вот защищали они разные стороны одного и того же эволюционного процесса. С одной стороны каталитическая химия, с другой математическая логика. Кроме того, в эволюционном процессе это разные временные рамки. Разница между ними - миллионы лет.
Понятно, что химики стояли на позициях теории А.Опарина, а вот чем руководствовалась другая сторона? Наверное, генетическим кодом...
Но, они с двух сторон подходили к одному и тому же периоду. Когда из клубка РНК стала формироваться ..., нет, не клетка, и даже не простейший вирус, что?
Это могла быть просто полупрозрачная оболочка из РНК, с частицами РНК внутри, и небольшими примитивными отрезками "дефектных" РНК, которые случайно могли или разрезать цепочки РНК, или наоборот, "сшивать" их. Вот и всё. Больше ничего на том этапе и не требовалось.
Собственно, такая оболочка возникает автоматически, была бы среда с избытком РНК. Молекулы РНК собираются в клубок сами по себе, сцепляясь свободными ионными связями.
Но нужен какой-то внешний фактор, постепенно разрушающий РНК, может быть, тот же, первичный "бульон" из термальной "лужи"..., или даже глинистые отложения в этой "луже" [59] и процесс запускается сам.
Рассеченная двойная спираль превращается в одноцепочную и сворачивается, смыкаясь основаниями с образованием однополярных "дырок" в разных местах, таких как А-А, С-С, G-G, U-U. Такие связи не могут соединиться и не дают сомкнуться цепочке до конца. Так, например, образуется "трилистник" т-РНК.
В другом случае, если на одноцепочной РНК остались остатки второй цепи, то разорванная цепь не сворачивается, а постепенно набирает основания на свободные связи достраиваясь снова до полной двойной спирали. Вот, хоть и слабое, но подтверждение:
"Но если часть нуклеотидов второй (комплементарной) цепочки уже стоит на своих местах, то процесс репликации может в определенных условиях продолжаться без помощи ферментов. И это уже немало." [55]
Вроде бы нормальный процесс, но именно он и приводит к образованию сферы из РНК. "Дырки" в свернутых РНК начинают работать. Они работают катализаторами процессов резки и сшивки РНК своими полярными (+) или (-) связями. Длинные цепи РНК опутывают эту активную зону и постепенно образуют полупрозрачную для РНК оболочку. "Бульон" постепенно разрывает связи РНК, но в основном на периферии, а изнутри сфера из цепочек РНК все время восстанавливается работой "дырок", было бы проникновение частей РНК внутрь. Вот он простейший автомат. Он будет работать там, где есть разрушение РНК. Это медленный процесс. Он работает на случайных взаимодействиях.
А потом, возможно, были уже и протоклетки с липидными оболочками [55].
Но и эту ситуацию, да и РНК, еще надо создать.
Если фосфаты могли появиться в водной среде вымыванием горных пород, то сахара, ту самую рибозу, еще надо получить.
Этим занимается В.Н. Пармон. Для него РНК, это конечный продукт синтеза, а не Начало. Он исследует пути зарождения "мира РНК". Вот его мнение:
"Наконец, опираясь на сказанное выше, можно дать более широкое физико-химическое определение понятию "жизнь". ... По нашему мнению, жизнь - это фазово-обособленная форма существования функционирующих автокатализаторов, способных к химическим мутациям и претерпевших достаточно длительную эволюцию за счет естественного отбора." [56]
Это он говорит о получении сахаров по реакции Бутлерова.
"Автокатализаторами в реакции Бутлерова служат синтезируемые в ней же сахара.
...Между тем большой набор сахаров - это не что иное, как прототип мутаций. Теперь вспомним, что полные химические названия РНК и ДНК - рибонуклеиновая кислота и дезоксирибонуклеиновая кислота, и корень обоих названий происходит от слова "рибоза". Рибоза - это сахар с пятью атомами углерода, который лежит в основе нуклеотидов, формирующих РНК и ДНК. Нуклеотиды РНК и ДНК отличаются от просто сахаров дополнительными фосфатными группами и азотсодержащими органическими соединениями. Отличие нуклеотидов РНК от нуклеотидов ДНК еще меньше - немного различаются азотистые основания, да в сахарном остатке ДНК не хватает одной гидроксигруппы. Причем если уже есть молекула сахара, то фосфорные и азотные соединения, необходимые для построения нуклеотидов, присоединяются к ней сами без серьезных проблем. Надо отметить, что и другой важный химический компонент живых организмов - переносчик энергии АТФ (аденозинтрифосфат) - тоже содержит моносахарид рибозы. То есть сахара - основа всего живого. И именно молекулы на основе сахаров, а не аминокислот (и следовательно, не белки) ответственны за биологическую память, то есть за отличие живого от неживого."
[56]
Мы добрались до исходной точки. Жизнь начинается отсюда. Со сложных химических реакций. Между этой точкой, "миром РНК" и появлением простейшей клетки, с памятью в виде записи генетического кода на РНК или ДНК, огромные временные пространства. Их разделяют миллионы лет эволюции.
Но именно тут, в начальном периоде становления Жизни и скрыт ответ, как мне кажется, на главный вопрос: Каким образом случайное изменение стало целенаправленным развитием? Как клубок из цепочек РНК, пусть даже способных к репликации, превратился в биологический автомат, выполняющий целевую функцию - жить?
О генетическом коде.
Вот уж в чем профессионалы и любители едины, так это в информативной оценке РНК. В оценке того самого генетического кода РНК и ДНК.
И вопрос вроде понятный, да и ответ должен лежать где-то на поверхности. Можно применить стандартный набор инструментов: математику, математическую и лингвистическую логику, набрать статистику и найти ключ к этой криптографической задачке с четырьмя неизвестными.
Самый видимый, да и самый динамичный процесс работы кода РНК, конечно же, в проводимом клеткой синтезе белка на основе триплетов. И потому на синтезе белка сконцентрировались и профессионалы и любители.
Классический подход можно показать на примере [45]. Вся история вопроса изложена очень четко. Опыты, таблицы кодонов, круговые диаграммы, возможные отклонения от правил..., и, конечно же, финальные правила организации триплетного кода. Код триплетный, непрерывный, вырожденный, избыточный...
Всё так, но только для кодирующей последовательности нуклеотидов, той части, которая работает при синтезе белка. А это лишь малая часть последовательности любого гена. Но эти правила уже выведены для всего генома... и надо бы их применять.
Не получается.
Тогда общую последовательность генома разделили на кодирующую часть и некодирующую. Если кодирующая часть что-то кодирует, например порядок сборки белка, то некодирующая - ничего не кодирует? Или все же кодирует?
Только вот с кодонами - неувязка. Непонятно, где они начинаются, и где заканчиваются...
С генетическим кодом, его избыточностью и вырожденностью мы уже разбирались неоднократно [46, 47, 48]. Обоснованием избыточности служит обычное математическое выражение 43=64, где число 3, это количество оснований в триплете, число 4, это количество системных оснований РНК, а результат вычисления, число 64, это количество возможных комбинаций оснований в триплете. 64 комбинации триплетов для кодирования 20 аминокислот признано избыточным. Вырожденность кода обосновывается наличием нескольких триплетных кодов для одной и той же аминокислоты. Да, всё так.
Только это, лишь то, что мы видим фактически, и никаким обоснованием системы не является. Потому, что при этом нет ответа на вопрос: почему это так получилось?
Вот я и постарался найти ответ на этот поставленный вопрос.
Если уж ученые путают причину со следствием, то, что говорить о любителях. Вот и идет жаркий диспут по этому вопросу на форумах. Вопрос расшифровки триплетного кодирования решается с применением, как высшей математики, так и с прямыми наскоками, типа: А ты кто такой? Сам - такой...
Но постепенно приходит понимание, что генетический код триплетами не ограничивается. Система не в триплетах, а где-то в стороне от них. Триплеты, это только частный случай кодирования информации.
И разговор начинает идти уже о другом...
О поисках начал логики Живого.
Вот уж тут, казалось бы, профессионалы от науки должны были сразу предложить целый букет версий и теорий, но - нет. Хотелось бы сказать - молчит наука..., нет, не молчит, но и особых подвижек в этом вопросе пока не видно. Есть всё, что угодно, кроме того, что нужно. Есть глобальный охват проблемы, есть философское осмысление, есть призывы к лингвистической оценке генетического кода, выработке единого подхода к пониманию.... Только реальных результатов этого пока не наблюдается.
И мало того, философский взгляд на эту проблему часто входит в противоречие с научными доводами биологов в вопросах начал логики Живого. В статье [62] об этом. Может быть, и не очень корректно, но многие вопросы поставлены справедливо.
Происходит примерно то же, что и с проблемой Искусственного Интеллекта, о чем говорилось уже не раз [49, 50].
Любая попытка формализовать задачу упирается в глобальное понимание Я. Любой разговор об интеллекте начинается с Разума, естественно, человеческого, и на нем же ... заканчивается. Никак не получается развести эти понятия в разные стороны. Философский подход только усугубляет ситуацию. В результате, мы находим интеллект там, где его нет, и не видим его технического проявления там, где он есть. А проблему ИИ, то открываем, то "окончательно" закрываем ввиду "бесперспективности" её решения.
Философское и математическое осмысление проблемы логики Живого пробует сделать В.Турчин [8]. Но, как всё это можно привязать к логике клетки и генетическому коду, пока непонятно.
В.Г. Редько и его "Эволюционная кибернетика" [51] сосредоточились на решении других задач. То, что пишет в своих работах математик С.В.Петухов [52, 53, 54], я комментировать не берусь..., для меня это слишком сложно.
Пожалуй, наиболее точно сформулирована задача в работах В.И.Гордиенко [1, 2]. И надо полагать, задача успешно решена. Функциональная логика Природы создана. Это сказано вполне конкретно:
"...эти операции могут самореализоваться (по Хакену) в неравновесной и нелинейной среде на самых начальных уровнях развивающейся материи. В этом плане приведенные алгоритмы являются фундаментальными. Они с успехом реализуются в естественных и искусственных системах и представляют собой базовые логические операции функциональной логики Природы. Именно эти логические операции лежат в основе механизмов выбора через нарушение симметрии." [1]
Правда, алгоритмы разработаны для компьютерного процессора. В полном соответствии с математической теорией. С целью практического применения в решении определенного класса задач. Как мы видим, операции и алгоритмы входят в функциональную логику.
Так что, поле поиска решений в логике Живого и осмысления логической основы генетического кода оказалось практически свободным. Его пока занимают любители. В том числе и я пробую разобраться в этой проблеме.
Функциональная логика.
Понятие функциональной логики появилось не сегодня и даже не вчера. Функциональной логикой называется логика предикатов [57, 58]. Но,... кажется, появилась реальная необходимость, всё же выделить функциональность в отдельное направление логики.
Предыстория.
Видимо, логика предикатов получила когда-то название функциональной логики по вполне понятному признаку. В состав применяемых буквенных обозначений вместе с кванторами, термами... вошли и функциональные буквы [58]. Ну, конечно, это функции... в их математическом понимании. По крайней мере, так выглядит видимая картина.
В этом аспекте понятие "функциональная", применительно к логике предикатов вполне понятно.
Дальнейшее развитие понятие функциональной логики мы видим, например, в работах группы В.И. Гордиенко [1,2]. Развивается тот же путь логических функций, теперь с помощью теории множеств, увязанный с синергетикой и нечеткой логикой Л.Заде.
При этом, наконец-то вспоминается и второй вариант понимания слова "функциональная", специального применения:
"...по набору функций (функциональности), которую имеют. Например, прибор, умеющий втягивать в себя пыль, называется пылесосом." [16]
Вспоминается хотя бы применительно к понятиям "отбор" и "выбор", которые, в базовые функции математической логики, естественно не входят.
Далее мостик понимания функциональности логики уходит к деятельности мозга, как логической системы, к работам В.П.Симонова [4-7]. Это связано с изменением понятия "функции", применительно к рассматриваемому объекту. Теперь это мозг. И его функции. Уже не только "логические", но и "логичные", т.е. обоснованные реакции и адекватные действия. Как условного, так и безусловного характера.
Таким образом, понятие "функциональной логики" охватывает весь спектр понимания слова "функция", объединяя и математический аппарат алгебры логики и основы работы логической системы в целом. Не знаю, как во всем этом многообразии разбираются специалисты..., но как-то разбираются.
У слова "функциональность" есть еще один нюанс понимания - специфичность и направленность. Если мы говорим, что этот стул очень "функционален", то понимаем примерно одно и то же: на нем должно быть очень удобно сидеть..., а все прочие качества являются приложениями, к этому - главному. Такая направленность свойств, применительно к стулу, как его "функциональность", указывает, как мне кажется, на важнейшее качество функции - целевую направленность.
Если рассматривать эту сторону функциональности, то функциональная логика предусматривает в основном действия и практический результат, а не работу с информацией, как единственный вариант.
Функциональность информации.
Рассмотрим функциональность информацию со стороны целевой направленности работы клетки. Зачем и для чего ей нужна информация?
Клетка создает линейку РНК с какой-то информацией, чтобы... эта информация помогла самостоятельной сборке т-РНК. Информация, сама по себе здесь ничего не стоит, она выполняет роль "ключика и замочка" в самосборке т-РНК. [12] Задача оснований в линейке - склеиться, по сложившимся парам А-U и С-G, и этим обеспечить правильность сборки. Много это или мало?
Очень много. Надо подобрать части линейки по зеркальной антисимметрии, вложить ключевые элементы в вершину и в "хвост" будущей конструкции, обеспечить нужные габаритные размеры трилистника и тем самым обеспечить его работу при синтезе белка в аппарате рибосомы.
Функциональность информации о т-РНК состоит в одном - самосборке выделенного фрагмента в законченный технический объект. Объект выполняет целевую задачу: транспортную, при трансляции белка, кодирующую, для правильности сборки, для отбора нужной аминокислоты из 20-ти возможных...
Как используется информация? Да, примерно, вот так:
"Из четырех нуклеотидов, входящих в состав РНК, могут образоваться две комплементарные пары: А - U и G - С. В такой паре между нуклеотидами устанавливаются слабые химические связи, называемые водородными. Водородные связи между комплементарными нуклеотидами удерживают вместе две нуклеотидные цепи двойной спирали молекулы ДНК. Точно так же могут взаимодействовать два участка РНК, имеющие комплементарные последовательности нуклеотидов. Благодаря комплементарному спариванию консервативных нуклеотидных последовательностей интрон сворачивается в определенную пространственную структуру. Модель ее была предложена Мишелем и Дэвисом на основании анализа нуклеотидных последовательностей." [63]
Никакой особой математики, да и логики не много. И, тем не менее, задача оказалась большая, и вся она уместилась в одной линейке оснований РНК.
Одной оказалась только цель, а вот функций т-РНК - много, но все они определяются целевой задачей.
Получается, что линейку информации РНК для получения т-РНК формировала цель?
Как такими же действиями создать рибосому? Когда сборка идет из тысяч оснований, десятков белков, в объеме. Принципы формирования т-РНК тут применить невозможно. [13] И все же...
Таким образом, функциональная логика начинается с цели. А функциональность информации зависит от вложенной в неё целевой задачи.
Память в виде цепочек РНК и ДНК для биологического автомата, такого, как клетка, абсолютно необходима. Особенно при почти полном отсутствии регистраторов как внутреннего, так и внешнего окружающего пространства. Эволюция информационной ценности РНК резко возросла при формировании памяти.
На этапе клетки память формируется в виде функциональных копий наиболее значимых конструкций автоматической сборки. И одновременно с этим формируется система кодирования порядка событий по применению копирования.
Если говорить о системе отображения в логике клетки, то, как мне представляется, единым информационным эквивалентом является образ [11]. Причем, в функциональной форме. Т.е. в виде решения целевой задачи. Клетка, в общем случае решает целевую задачу одним способом - создает в реальности тот самый образ, который сформулирован как задача.
Например, появилась целевая задача - чем-то доставлять аминокислоты к месту трансляции белка. Решением задачи стала т-РНК, которая эту работу выполняет. Понятно, что это результат бесконечного моделирования последовательности РНК, которая при сворачивании в двойную цепь создает необходимую транспортную структуру. Многофункциональную, но с четкой целевой направленностью.
Учитывая эту функциональную составляющую логики клетки, я ввел в свою модель логики клетки [11] понятия качества, как составную часть логического объекта и значимости, как определителя потенциальной цели. Система единиц логики имеет весовые соотношения. Они необходимы для реализации сравнения и выбора, сразу, в тех же единицах системы. Какая-то математическая составляющая в логике клетки конечно должна присутствовать, но в форме функционального действия. Действие дискретно. В том числе и во времени. Например, от "было" к "стало"...
Триплет, это высшее достижение логической системы клетки. То, что он отражает информацию, вроде бы понятно. Но, только частично. Потому, что до триплета и логика, и логическая информация, и система единиц измерения в клетке уже существовали.
Как тогда клетка фиксировала свои действия в памяти РНК, пока непонятно. В этом еще предстоит разобраться. Вся эта функциональная информация заложена и в триплетах.
Это лишний раз подтверждает, что информация в логике клетки сначала функциональна, а уже потом - информативна.
И это совсем не то, что мы привыкли понимать под информацией. Простым ключиком математической логики этот замочек не открывается.
Возможно, всё было примерно так...
Как мне кажется, логика клетки началась с каталитического действия РНК.
Вот что говорит об этом Томас Р.Чек:
"Каталитическая активность РНК была открыта в 1981 - 1982 гг., когда мои коллеги и я изучали РНК из одноклеточного организма Tetrahymena thermophila, относящегося к типу простейших. К своему изумлению, мы обнаружили, что эта РНК может катализировать разрезание и сплайсинг самой себя, в результате чего из нее выщепляется небольшой фрагмент. Если забыть, что РНК не белок, РНК тетрахимены удовлетворяет классическому определению фермента. От "настоящих" ферментов она отличается только тем, что белки-ферменты катализируют реакции, протекающие между другими молекулами, в то время как эта РНК катализирует собственные метаморфозы. Поэтому для ферментоподобных молекул РНК мы предложили термин "рибозим" (от англ. RIBOnucleic enZYME). А недавно нам удалось показать, что в несколько измененной форме та же РНК может сшивать не только саму себя, но и другие молекулы РНК и, стало быть, является ферментом в полном смысле слова." [63]
Видимо, первая информация в РНК определялась не основаниями, а "дырками" - дефектами взаимной репликации. Или случайными дополнениями.
"Оказалось, что аутосплайсинг - только одна из ступеней целого каскада превращений, которые РНК тетрахимены может проделывать сама с собой. После выщепления интрон сразу переходит в кольцевую форму, открытую Грабовской. В процессе циклизации интрон, в котором изначально было 414 нуклеотидов, теряет фрагмент длиной 15 нуклеотидов. Через короткое время кольцо опять размыкается. Линейная молекула далее снова превращается в циклическую, теряя на сей раз 4 нуклеотида. Это кольцо тоже раскрывается, и образуется линейная РНК, обозначаемая L-19 IVS (от англ. linear intervening sequence - линейная интронная последовательность минус 19 нуклеотидов).
... Анализируя нуклеотидную последовательность выщепленного интрона, Зауг обнаружил на его конце гуанозин, не закодированный в ДНК. Логично было предположить, что гуанозин нужен в реакции сплайсинга не как источник энергии, а для присоединения к цепочке нуклеотидов интрона. Чтобы проверить это, я смешал некоторое количество радиоактивного гуанозинтрифосфата (гуанозин-трифосфат, или сокращенно GTP, представляющий собой фосфорилированный гуанозин, участвует в качестве источника энергии во многих клеточных реакциях) с немеченым несплайсированным предшественником рРНК. Действительно, GTP использовался не для энергетических целей: по завершении сплайсинга радиоактивная метка оказывалась присоединенной к концу интрона." [63]
Напомню, интрон - участок ДНК, который является частью гена, но не содержит информации о последовательности аминокислот белка. Та самая, некодирующая часть ДНК и РНК...
"...когда интрон находится в свернутом состоянии, фосфатные группы в нужных для реакции участках активированы, т. е. их конформация благоприятна для разрыва фосфодиэфирной связи. Подтверждением этому служит тот факт, что даже в отсутствие гуанозина интрон претерпевает медленное расщепление в 3'-концевой точке сплайсинга и, еще более медленное, в 5'-концевой его точке. В данном случае роль атакующей группировки берут на себя ионы гидроксила (ОН-) из раствора.
... Сама пространственная структура интрона, независимо от атакующей группы, каким-то образом способствует расщеплению фосфодиэфирных связей именно на концах вырезаемого интрона.
Почему и как конкретно при сворачивании интрона активируются фоcфаты в точках сплайсинга, мы не знаем, но это не мешает оценить эффективность такого способа активации. Обычно РНК весьма стабильна: без катализа ее фосфодиэфирные связи расщепляются очень медленно. В точках сплайсинга благодаря пространственной структуре интрона расщепление этих связей ускоряется в 1010 раз. Для наглядности скажем, что время реакции сокращается с 19 тыс. лет до 1 минуты!"
[63]
Дефекты и дополнения определяли начало функциональности активной каталитической точки на цепочке РНК. Чем больше центров каталитической активности проявлялось, тем более она подходила для логической системы.
Локализация центров активности в одной центральной зоне, видимо, привело к созданию единого центра - ядра.
Вначале ядро было только местом, где шли основные реакции взаимодействия каталитических точек разной полярности. Видимо, потом произошло объединение этих точек в едином скоплении цепочек РНК. Точки активности стали влиять на деятельность друг друга. Возникли многочисленные вариационные кольцевые структуры обратных связей, как положительных, так и отрицательных.
Порядок следования нуклеотидов в цепи РНК очень долго не учитывался вообще. Весь огромный путь, от 'дырок' в РНК, до первичных колец обратной связи и их объединения в сложную систему управления по отклонениям, протоклетка прошла на случайных вариациях. Но, обратные связи создали условия появления регулирующей структуры над этим хаосом локальных обратных связей. Появилось ядрышко.
И только когда управление приняло централизованный характер, когда кольца обратной связи стали дублироваться, а то и перекрываться прямым управлением из центра, появилась задача надежного получения точного управляющего элемента на базе цепочки РНК:
"За последние десять лет в клетках многих объектов найдены так называемые микро-РНК (miRNA). Молекулы этого типа РНК имеют вид одноцепочечных фрагментов длиной 21-23 основания. Их регуляторная роль определяется возможностью комплементарного связывания с определёнными молекулами информационных РНК с образованием двуцепочечных структур, блокирующих биосинтез соответствующих белков." [60]
Очень долго функция копирования была лишь составляющей поддержания управления в системе протоклетки. Репликация, или прямое копирование, не решали задачу получения точной копии оригинала. Получалась "негативная" копия. Нужно было сделать еще одно копирование с этой первичной копии. Только полученная при этом вторичная копия соответствовала оригиналу. Вот эта матрица, первичная копия, "негатив", и стала основным гарантом получения правильной конструкции управляющего элемента - цепочки РНК. Постепенно матрица для получения нужной копии стала важнейшей составляющей протоклетки. И конечно была встроена в цепь РНК ядра, а потом и ядрышка, как составная часть.
Матриц управляющих сигналов становится все больше. Постепенно в ядре набирается уже целый архив. Появление обособленного архива функциональных управляющих и каталитических цепочек РНК привело к их объединению в отдельные информационные массивы. Пока непонятно, каким образом протоклетка сложила понятия управления, копирования и имеющуюся матрицу в одно - память, которую надо беречь.
Информационная ценность РНК и памяти на её основе еще более усилилась при переходе логики к целевому принципу. В данном случае, технически, цель [11] определяется как задача нахождение центром управления фактора влияния на управляемый объект.
Тут мы должны вспомнить безальтернативность достижения цели. [10] Конечно, это логическая задача, требующая решения. Любого. На уровне клетки достижение цели отменить нельзя, задача будет выполняться любыми доступными средствами, пока не будет достигнут результат. У этой задачи есть только один возможный вариант результата - решить задачу. А вот вариантов решений может быть сколько угодно, и время не ограничено. В качестве аналога использован все тот же бесконечный цикл кольца управления на основе ОС. Цикл закончится только при достижении цели. С этого момента любая целевая задача становится безальтернативной. Единственно возможный исход - достижение цели.
А если цель в принципе недостижима? Значит, цель становится постоянной, как и задача по её достижению.
Естественная цель любого управления - продлить управление бесконечно.
Эта постоянная цель и запустила механизм решения поставленной задачи - эволюцию.
Вариационное копирование стало основным техническим инструментом этого бесконечного процесса. Если инструмент эффективен, то его применение надо расширять во все стороны. И уж тем более, в сторону достижения основной цели - бесконечности времени управления. Копирование стало второй постоянной целью. Высшим достижением клетки в этом направлении стало полное самокопирование. Это то, что мы называем делением клетки. Но даже этот результат не принят, как достижение цели.
И целевая задача самокопирования снова и снова выполняется в режиме поиска решения. Дальнейшее развитие известно...
Способ достижения результата все тот же - случайный. Но теперь уже цель определяет эффективность полученных результатов. Цель недостижима, но достижимо постоянное улучшение условий управления. И тут любое достижение, даже в малом, уже принимается, как правило, требующее закрепления в системе управления. Как в качестве, так и в количестве.
Вот когда стала хоть как-то учитываться последовательность нуклеотидов. Она стала играть какую-то роль только при целенаправленном копировании любой функциональной линейки для получения локальных последовательностей. Но всегда на первом месте стоит функциональная эффективность полученного результата, и только потом точность выполнения последовательности.
Только точное расположение активных точек обеспечивает нужные каталитические свойства сложной активной зоны в сборке из цепочек РНК, например, той же РНК-полимеразы. А, в каком порядке стоят нуклеотиды в остальных точках... не так важно. Цель - обеспечить репликацию - достигнута. Не имеет значения количество сделанных вариантов, время, потраченное на их изготовление, сложность..., в условиях бесконечного цикла эволюции все это не играет никакой роли.
Если ДНК могла появиться при обычной для эволюции, случайной, но повторяемой ошибки естественного синтеза, однажды закрепленной в памяти клетки, то появление белков этим объяснить трудно.
Возможно, какая-то дефектная РНК-полимераза вдруг стала вместо репликации РНК производить ту же операцию, но с аминокислотами, видимо уже имеющимися в клетке на тот момент. И это повторялось и повторялось..., пока не отметилось в РНК-памяти клетки.
Наверное, в это время появилось первое правило логики клетки:
Случайность и ошибка являются составными частями логики клетки.
Тут надо отметить и второе правило функциональной логики клетки:
В решениях нет плохого результата. Ничего не отбрасывается, как плохой результат. Ничего.
Дефектные рибозимы продолжали появляться. Белки, самые разнообразные, стали синтезироваться. Сначала случайно, потом уже автоматически. И так же случайно они стали применяться клеткой. Целенаправленным применение белков стало позже.
Триплетная информационная составляющая не учитывалась до появления программного синтеза белка. До этого момента была другая система кодирования функциональной информации. Пошаговая. РНК-полимераза иначе и не может проводить репликацию. Только по одному нуклеотиду за шаг копирования.
Так или иначе, но возникли информационные триплеты РНК [11].
Из дефектных рибозим постепенно появились рибосомы, проводящие программную трансляцию белка теперь уже с триплетным шагом. И весь сложный комплекс, включающий т-РНК, м-РНК и т.д.
Белки были применены сначала внутри клетки, а потом и вне её...
Функциональность логики клетки.
Не знаю, заметили вы или нет, но всё, что было изложено чуть выше, до появления триплетов, вроде бы никак не затрагивает информационную составляющую генетического кода в ракурсе того понимания, которое мы вкладываем в двоичные последовательности памяти компьютера.
Клетка не проводит прямых логических вычислений. Её логика нацелена на результат. На действие, ведущее к результату. На логический ответ, дающий оценку полученному результату.
Оценивая это, мне пришлось ввести действие, как отдельное понятие в первичный вариант логики клетки [11].
<
Логика клетки работает по цепочке:
Цель - задача - решение - действие - результат - логический ответ при соотнесении с начальной целью.
Цепочка логических операций образует всё тоже кольцо управления. С обратной связью. Целевая задача будет решаться, пока в логическом ответе не будет достигнуто соответствие цели и результата.
![Mir_RNK [ANikitin]](/img/n/nikitin_andrej_wiktorowich/ot_mira_rnk_k_nachalu_jizny/mir_rnk.jpg)