1.4.2. Музыка жизни, или информационные процессы в клетке

Жизнь начинается с клетки, наименьшей единицы живого, которая содержит наследственную информацию своего вида. Как родилась информационная жизнь, откуда возникли уникальные алгоритмы, управляющие действиями клетки – великая тайна природы.

Мы наблюдаем в клетке биофизические и биохимические процессы, при протекании которых перерабатывается информация. Часть из них мы понимаем. Так, нам известны процессы, приводящие к переносу информации при диффузии и осмосе (за счет разности концентраций вещества по разные стороны мембраны клетки). Но в то же время существуют явления, биофизика которых нам по-прежнему не ясна. Например, что за сила влечет РНК из ядра в цитоплазму, где она соединится с рибосомой? Какое направление оси деления клетки, приводящее к возникновению ткани или органа определенной формы? Как в процессе дифференцировки на определенном этапе из одного типа клетки образуется другой?

В итоге, для протекания всех этих процессов у природы есть только четыре вида взаимодействия. Мы будем исходить из того, что любые физические явления, наблюдаемые человеком визуально или регистрируемые различными приборами, могут быть объяснены в рамках законов материального мира. Что касается информационного мира, то его изучение может осуществляться только косвенно, через проявления связей между ним и материальным миром. Следует заметить, что информационная природа клетки практически не изучена.

На первый взгляд может показаться странным, что мы пытаемся связать понятия “клетка” и “информация”. В основных положениях клеточной теории, сформулированных в прошлом веке, об этом ничего не сказано. Какая информация может содержаться в “наименьшей единице живого” – клетке? Прежде чем ответить на этот вопрос, давайте сначала договоримся, что мы будем понимать под всем известным словом “информация”.

Под информацией (от латинского informatio – разъяснение, осведомление) первоначально понимались сведения, передаваемые людьми, устным, письменным или другим способом (посредством условных сигналов, технических и других средств). С середины ХХ века это понятие становится общенаучным, включающим обмен сведениями между людьми, человеком и автоматом, автоматом и автоматом. Оно включает обмен сигналами в животном и растительном мире, а также передачу сведений от клетки к клетке, от организма к организму.

Сигнал – физический носитель информации (свет, звук, символ, механический удар и др.).

И неважно, будем ли мы думать, что информация – это способ общения материальных объектов или же будем считать, что она сама использует различные материальные объекты для своего существования. Важно понять, что:

	Информация и материя не существуют независимо друг от друга.

Информация “оживляет” материю. Оказывается, можно провести четкую грань между “живой” и “неживой” материей. Но прежде, чем это сделать, приведем несколько примеров передачи и переработки информации.

Когда мы слушаем чью-то речь, читаем книгу или газету, смотрим фильм или новости по телевизору, мы получаем какую-то информацию. Как передается нам эта информация? С помощью разных материальных носителей. Человеческая речь, как и другие звуки, передаются посредством акустических колебаний воздуха. Если общение идет по мобильному телефону, в дополнение к акустическим колебаниям добавляются электромагнитные волны. В книгах и газетах носителем информации является бумага. В телевидении в качестве одного из носителей используются электромагнитные колебания.

	Для передачи одной и той же по смыслу информации могут применяются различные материальные носители.

В какой-то момент действительно складывается ощущение, что информация использует в качестве “среды своего обитания” различные материальные объекты и виды взаимодействия. Если одну и ту же информацию можно передавать посредством различных материальных процессов, значит ее можно рассматривать и изучать независимо от типа материального носителя.

Аналогичным образом происходит передача информации в нейронных сетях. Рецептор воспринимает сигнал внешних раздражителей, переводя его в рецепторный потенциал. Например, механорецепторы возбуждаются при их механической деформации, терморецепторы воспринимают изменения температуры, фоторецепторы в сетчатке глаза воспринимают световую (электромагнитную) энергию. При этом в первом случае сигнал о деформации преобразовывается в электрический сигнал, несущий информацию о деформации ткани, но в других единицах. Тепловая информация об изменении температуры преобразуется рецептором в электрическую информацию, показывающую то же изменение температуры, но в других величинах (милливольтах). Далее, при прохождении к центральному звену анализатора, находящегося в ЦНС, может происходить попеременно преобразование электрического сигнала (имеющего во времени вид периодического сигнала) в биохимический сигнал в синапсе (также имеющий периодический характер). Несмотря на это, все промежуточные сигналы, независимо от их физической природы, передают по сути одну и ту же информацию. В первом случае о величине деформации ткани, измеряемой первоначально в миллиметрах или микрометрах, во втором – о разности температур между всем телом и его частью, измеряемой в градусах Цельсия, в третьем – об интенсивности светового сигнала, измеряемого в люксах.

Таким образом, видно, что информация использует различные виды материи для своего существования.

Зачем человеку нужна информация? Каждый шаг нашей повседневной жизни связан с получением и переработкой различной информации. Информация дает нам возможность принимать решения о дальнейших шагах, исключить неопределенность при их реализации. Совокупность этих шагов составляет наш “жизненный цикл”. Так, человек определяет время, чтобы знать, когда вставать с постели и ложиться спать. Ему необходимо знать: холодно на улице или тепло, солнечно или дождливо, темно или светло.

Так и в клетке информация обеспечивает реализацию жизненного цикла, описанного ранее. Если мысленно разбить жизнь клетки на множество мельчайших по времени шагов, то выяснится, что, прежде чем совершить следующий шаг, она перерабатывает огромное количество информации. Каждый миг клетка как бы спрашивает у себя, что делать дальше. С помощью встроенных природой “датчиков” – рецепторов она получает необходимую информацию о своем текущем состоянии (о параметрах или показателях текущего состояния). Но у клетки возникает неопределенность относительно дальнейших действий в конкретной ситуации и одним из важнейших критериев функционирования клетки является выбор из всех возможных алгоритмов такого, который обеспечит поддержание порядка внутри клетки. Результатом становится выработка решения: какое действие необходимо предпринять при данном состоянии. Каждое мгновение, с помощью алгоритмов, клетка получает информацию и “делает следующий шаг” в жизненном цикле, предписанном природой. Так продолжается на протяжении всей ее жизни.

Что же может случиться, если информация не поступит? Представим себе театр марионеток, где куклы двигаются, как живые. Движение каждой куклы осуществляется посредством нитей, соединяющих куклу с рукой кукловода. Но если кукловод на минуточку забывает роль, кукла застывает. То же произойдет с клеткой, если работа ее информационной системы на мгновение остановится.

Согласно теории информации, система правил (алгоритм) определяет содержание и последовательность операций, обеспечивающих решение задач определенного класса. Подобные алгоритмические процессы присущи и клетке! Именно программная подсистема клетки включает и реализует различные пошаговые (циклические) динамические процессы. На каждом шагу программа, согласно заложенному в нее алгоритму, выполняет определенные действия для поддержания порядка в системе.

Алгоритмы управления процессами в клетке. Что позволяет клетке сохранять определенную структуру, поддерживать режим деятельности, реализовывать свои программы? Каждое мгновение клетка одновременно должна решать важные задачи, задействовав несколько алгоритмов. Один из них поддерживает на генетически заданном уровне параметры подсистемы жизнеобеспечения, другой позволяет изменять оптимальным образом параметры, обеспечивающие выполнение специфических функций, следующий отслеживает фазу жизненного цикла. Эти алгоритмы должны работать синхронно. Используя подсистему поддержания жизнедеятельности и подсистему выполнения специфических функций, клетка проходит присущий ей жизненный цикл.

Предположим, что в ядре, цитоплазме и органеллах клетки действуют автономные алгоритмы управления. Каждый из этих алгоритмов обеспечивает получение информации о параметрах текущего состояния своего объекта. Сравнивая текущие значения жизненно важных параметров с величинами, заданными природой, алгоритм системы управления формирует регулирующее воздействие. По такой схеме работает любой механизм гомеостата – мы говорили о нем, рассматривая системную модель клетки. Допустим, что автономные системы управления способны перестраивать параметры определенной структуры клетки в зависимости от информации о воздействиях окружающей среды. Выдвинутая нами гипотеза вновь подтверждает известный тезис: в отличие от робота, клетка является намного более сложной системой, состоящей из множества одновременно и синхронно работающих алгоритмов.

В один и тот же момент времени в клетке происходит множество динамических процессов, каждый из которых имеет свой заложенный природой ритм. Этот ритм работает синхронно с ритмами других подсистем.

	Клетка представляет собой систему, состоящую из множества синхронно работающих информационно-аналитических подсистем.

Жизненные циклы однотипных клеток схожи (это подтверждают эксперименты). Однотипные клетки делятся одинаковое количество раз, длительность периодов их жизни совпадает. Теперь вдумаемся. Если период времени от начала клеточного деления однотипных клеток до его конца всегда одинаков, значит, клетка способна оценивать, в какой точке жизненного цикла она находится. Вероятно, внутри клетки существует некий хронометр, обеспечивающий динамический ритм, в соответствии с которым происходит определенный алгоритмический процесс.

В частности, митоз – всегда одинаковый по фазам (по их последовательности и длительности) пошаговый динамический процесс для определенного вида клеток. Иначе говоря, это запрограммированный природой динамический процесс, который проходит всегда одинаково в соответствии с алгоритмом (перечнем шагов) при наступлении определенных условий.

На поддержание ритма нужна энергия. При дефиците энергии влияние внешних воздействий может изменить ритм, нарушить алгоритм работы системы управления. Природа дала клетке множество разнообразных способов восполнения дефицита энергии. Для “настройки” сбившейся с ритма системы в клетке предусмотрен главный ритм. Он связывает и синхронизирует ритмы всех процессов, протекающих в клетке. В свою очередь, ритмом объединены все клетки, ткани, органы и системы. Синхронизация процессов в живых системах ориентирована на главный биологический ритм организма. Иерархия ритмов обеспечивает взаимосвязь всего живого в природе.

	Синхронизация динамических процессов в клетке ориентирована на ее главный ритм. Иерархия ритмов обеспечивает взаимосвязь всего живого в природе.

Совокупность параметров, которые клетка должна оценивать во время своего жизненного цикла, определяют состояние клетки как системы. Что могло бы случиться с клеткой, если бы она лишилась способности чувствовать и оценивать параметры своего текущего состояния?

Представим себе, что, не обладая навыками передвижения слепого человека, некто двинулся с завязанными глазами по городской улице в ближайший магазин за покупками. Высока ли вероятность того, что он осуществит свой план? Очевидно, нет. Отсутствие такого важного инструмента, как зрение, позволяющего определять свое местонахождение в пространстве, в лучшем случае приведет его к какой-либо стене, у которой он остановится в раздумье, что делать дальше, а в худшем?. Если тот же человек снял повязку с глаз, но связал себе ноги, он также вряд ли сможет дойти до магазина.

Таким образом, если клетка не может определять текущие показатели своего состояния и не имеет возможности их изменять, она не сможет осуществлять верные шаги в направлении поддержания порядка. В конце концов это приведет к ее деградации и гибели.

Поступающая по разным физическим каналам, а также генетически заложенная в клетку информация используется ею для определения параметров своего состояния в каждый момент времени жизненного цикла.

	Возможность оценивать параметры состояния и изменять их во времени является жизненно необходимым свойством клетки.

Мы уже обсуждали понятие зон устойчивости, разбирая системную модель клетки. Предельно допустимые значения параметров состояния клетки, при которых ее алгоритмы после прекращения действия внешнего фактора восстанавливают свою нормальную работу, определяют границы устойчивости клетки. При этом к внешним воздействиям можно отнести любые неблагоприятные условия окружающей среды, в частности, внешние поля, несущие дестабилизирующую для алгоритмов клетки информацию.

Каким же образом передается наследственная информация, инструкции по внутреннему обустройству клетки, и на каком языке разговаривают клетки? В рамках подсистемы лингвистического обеспечения клетки разберем “алфавит” генетики. В генетическом коде (таблица на рисунке 1.3.13) всего четыре буквы: А, T, G, C (или U – урацил, встречающийся только в РНК вместо тимина). Как вы помните, это обозначение имеющихся азотистых оснований – нуклеотидов (глава 1.3).

Язык генетики строго однозначен, как машинные языки, он не признает омонимов, метафоричности. Только алгоритм и только определенная последовательность действий. Слова на генетическом языке – это сочетание трех из указанных букв в любой комбинации. Давайте пофантазируем: AUG, CCA, GAG, UGA и так далее. Нетрудно сосчитать, что таких “слов” можно составить 4³ = 64. Каждое такое “слово” называется триплетом, или кодоном, а само свойство генетического кода – триплетностью. Известно, что для построения белковых молекул клетка использует 20 аминокислот (их можно представить как “алфавит языка белков”). Важно следующее: одним кодоном шифруется только одна аминокислота. Это свойство генетического кода называется специфичностью, или однозначностью.

Посмотрите на рисунок 1.3.13: триплет AUG соответствует метионину, UGG – триптофану. Одна из 20 аминокислот может быть зашифрована несколькими кодонами (их ведь 64). Например, аминокислота лейцин кодируется шестью триплетами: UUA, UUG, CUA, CUG, CUU, CUC (таблица на рисунке 1.3.13). Это свойство генетического кода назвали вырожденностью. 61 кодон несет информацию о какой-либо аминокислоте, а оставшиеся три “молчащих” – UAA, UGA, UAG – называются стоп-кодонами, или терминирующими кодонами (проверьте по таблице). Один из них расположен в конце каждой мРНК и останавливает синтез белковой молекулы. В настоящее время изучен генетический код всех живых организмов, от вируса до человека, и у всех этот “алфавит и язык” генетики оказались одинаковыми, то есть генетический код универсален!

Подсистема информационного обеспечения. Вся информация, составляющая геном (“базу данных”) клетки, содержится в ее ДНК – а это около 40 тысяч генов. Когда ученые ориентировочно прикинули, сколько белков могут синтезировать клетки (остановились на диапазоне 50-100 тысяч) и какой запас информации содержится в ДНК (оказалось 4-6 миллиардов бит), то оказалось, что ДНК хватает на синтез 3-6 миллионов белков, то есть обнаружился почти стократный избыток. Но информация не бывает лишней! Часть ее может случайно стереться из памяти, потеряться... Тогда включаются другие программы, заложенные эволюцией в геноме, информация восстанавливается, запоминается, копируется, чтобы в дальнейшем использоваться. Избыточность генома не прихоть, а необходимое условие устойчивости клетки, высокой приспособляемости в природе.

Многие из вас, наверное, меняли отработанную прокладку в водопроводном кране. Если у вас имеется заготовка, вы можете сделать новую прокладку двумя способами. Первый способ (для зануд) заключается в том, чтобы измерить диаметр старой (например, штангенциркулем), поделить его на два, затем установить раствор циркуля, равный значению радиуса и начертить круг на заготовке. Затем аккуратно вырезать ножницами по контуру круг. При этом в процессе работы мы можем ошибиться – неправильно измерить диаметр, поделить на два, может произойти механический сбой установки раствора циркуля...

Второй способ – более простой и надежный (для лентяев, или “в лоб”) – состоит в том, что вы накладываете старую прокладку на заготовку и вырезаете новую по контуру старой. Затем можете продолжать копирование прокладок, используя уже вырезанную.

Интересным образом происходит считывание информации в клетке. Клетка, как выяснилось, не ищет легких путей, и с завидной пунктуальностью вновь и вновь выверяет информацию во избежание ошибок (часто фатальных!). Такая пунктуальность обеспечивает многократный “запас прочности” генетической системы клетки.

• Музыка жизни