Текст книги "Информация или интуиция?"

Автор книги: Алексей Шилейко

Соавторы: Тамара Шилейко
сообщить о нарушении

Текущая страница: 12 (всего у книги 16 страниц)

«ЧЕЛОВЕК-КРОЛИК»

Описание эксперимента с зародышами морского ежа Мы позаимствовали из статьи Л. Белоусова, опубликованной в журнале «Наука и жизнь» (1967, № 3). Перед тем как высказать собственное мнение по этому поводу, мы приведем еще несколько фактов.Каким образом организм узнает, что пересаживаемая ему ткань имеет чужеродное происхождение? Почему он отвергает ее, даже если она могла бы его спасти? Какие механизмы нарушаются в клетке при раке? Все эти вопросы имел в виду доктор Гаррис из Оксфордского университета, ставя свой поразительный эксперимент. Вместе со своим коллегой доктором Уоткинсом он создал гибридные сочетания клеток, принадлежащих различным видам животных и человека. Ими созданы сочетания человек-мышь, человек-кролик и даже человек-курица.Метод Гарриса основан на одном медицинском наблюдении, сделанном сто лет назад. Именно тогда стало известно, что некоторые болезни, в частности вирусные, вызывают появление в организме клеток с несколькими ядрами. Объяснение этому нашлось недавно, лет десять назад. Вирус, оказавшийся в точке соприкосновения двух клеток, растворяет в этом месте оболочки клеток, их цитоплазмы сливаются. В результате получается одна клетка со смешанной цитоплазмой и двумя ядрами.В конце 1965 года Гаррис и Уоткинс сообщили в английском журнале «Нейчур» о полном успехе своего опыта. С помощью вируса гриппа они получили гибридную клетку человека и мыши. Позже им удалось так же успешно получить гибридные сочетания, сливая клетки человека с клетками кролика и курицы. А это уже означало, что возможности клеточной гибридизации не ограничиваются только млекопитающими – они простираются на весь тип позвоночных.Гибридная клетка обладает двумя ядрами, если она получена от соединения двух клеток, или несколькими, если было соединено несколько клеток. Как же теперь будут вести себя ее ядра? Будут ли они сосуществовать, сотрудничая или воевать друг с другом?Наблюдения показали, что оба ядра продолжают жить нормально. С помощью радиоактивных изотопов удалось проследить, что ядра продолжают вырабатывать РНК (рибонуклеиновую кислоту), управляющую синтезом белков цитоплазмы. Больше того, оба ядра проходят нормальный митоз. Если митоз обоих ядер гибридной клетки наступает одновременно, то результат получается особенно интересным. Каждый из хромосомных наборов человека сливается с одним из наборов кролика. Таким образом, двухъядерная гибридная клетка дает две дочерние клетки, каждая из которых снабжена лишь одним огромным ядром – получеловеческим, полукроличьим. С этого момента исследователи располагают настоящими гибридными клетками «человек-кролик», нормально обладающими лишь одним ядром и продолжающими расти и делиться на дочерние клетки-гибриды.Многочисленные опыты с пересадками органов, и не только с пересадками, однозначно доказали, что клетки организма умеют распознавать посторонние клетки. До сих пор не было точно известно, каким образом им удается это делать, где происходит процесс распознавания.Как показали опыты Гарриса, на уровне ядра и цитоплазмы прекрасно сосуществуют даже столь различные клетки, как клетки человека и кролика. Значит, распознавание происходит не внутри клетки, а на уровне клеточных оболочек. Именно оболочка узнает «чужака» и притом узнает его именно по оболочке.Гибридные клетки могут жить и делиться. Это значит, что цитоплазма кролика воспринимает сигналы, передаваемые хромосомами человека, а цитоплазма человека принимает информацию от хромосом кролика. Суть передаваемых сообщений сводится к записанному в генетическом коде синтезу белков. То, что хромосомы человека и кролика могут управлять этим синтезом совместно, подтвердило предположение исследователей: язык генетического кода является, по-видимому, универсальным. Как известно, в клетке постоянно идет взаимодействие между ядром и цитоплазмой. Конечно, роль ядра трудно переоценить. Именно оно управляет синтезом белков цитоплазмы. Но при этом оно учитывает потребности клетки, то есть управляет в зависимости от информации, поступающей от цитоплазмы.Механизм здесь примерно такой. Информация с гена переписывается на молекулу-посредник РНК. Затем по этой РНК строится белок. Все эти процессы происходят лишь в том случае, если присутствует специальный катализатор, названный РНК-полимеразой. Только при условии наличия в цитоплазме этого фермента происходит синтез белка. Каждая цепочка РНК-посредника начинается с РНК-полимеразы, примыкающей непосредственно к гену. Более того, клетка может не делиться в течение достаточно долгого времени. Сигнал на деление поступает опять-таки от цитоплазмы.Можно сказать, что цитоплазма непрерывно посылает в ядро бюллетени о своем здоровье. А ядро в ответ на это включает то тот, то другой синтез. Оксфордские опыты показывают, что язык цитоплазмы так же универсален, как и язык генетического кода.

ОСТОРОЖНО – ХИМЕРЫ

Какие еще возможности открывает метод гибридизации по Гаррису? В Гарвардском университете был проделан эксперимент по гибридизации клеток различных видов хомяка. Сливая раковые клетки с нормальными, обнаружили, что во всех случаях получившиеся гибриды теряли способность развиваться в раковую опухоль. Значит ли это, что нормальное состояние «доминирует» над раковым? Делать какие-либо выводы на основании одной серии исследований рано. Однако метод гибридизации, безусловно, открывает новые возможности для экспериментов по выяснению механизмов, вызывающих рак.В частности, с его помощью выяснено обстоятельство, по которому имелись разногласия. Вирусы, вызывающие рак, удавалось до сих пор выделить только у животных. У человека канцерогенные вирусы пока не найдены. Это, конечно, не значит, что их нет. Известно, что у животных вирус, заразив клетку, становится «невидимкой». Что с ним происходит? Исчезает ли он вовсе или остается латентным и невидимым?Здесь мнения ученых разделились. Метод Гарриса, по-видимому, решает этот спор. Гибридные клетки в данном эксперименте состояли из раковых клеток, в которых вирус не был обнаружен, и из нормальных клеток, очень чувствительных к этому вирусу. И в гибридных клетках вирус появился снова. Значит, он не исчезал. Он оставался замаскированным в раковых клетках. Стало быть, то, что вирус в раковых клетках не обнаруживается, совсем не означает, что этого вируса нет.

САМЫЙ СОВЕРШЕННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Суммируя все сказанное, мы приходим к выводу, что живой организм – это физическая система, насыщенная информацией. На уровне клетки информация может быть представлена по меньшей мере с помощью трех носителей.Во-первых, хромосомы. Это постоянный и практически неизменяемый информационный фонд организма. О роли информации, заключенной в хромосомах, мы еще поговорим далее. Пока что ясно, что информация, записанная в хромосомах, представляет собой полную программу построения данного индивидуального организма, позволяющую последовательно воспроизвести его во всех подробностях. Там же записаны программы подобного воспроизводства.Во-вторых, цитоплазма. Именно в цитоплазме сосредоточена жизнедеятельность клетки. Цитоплазма осуществляет обмен с внешней средой, содержит запасы сырья, из которого на основании генетических программ строятся белки, и готовую продукцию. Состояние клетки в основном определяется состоянием цитоплазмы. Цитоплазма содержит информацию о состоянии клетки и передает ее ядру и оболочке.В-третьих, оболочка. Эта информация используется в основном во взаимных обменах между клетками. В частности, именно оболочка нервных клеток ответственна за передачу сигналов по нервным цепям. Об этом также еще будет сказано.Физическая система, насыщенная информацией, должна характеризоваться весьма высоким качеством энергии. Так оно и есть на самом деле. Достаточно указать, что мышцы человека и животных представляют собой на сегодня самый совершенный двигатель, обладающий наиболее высоким коэффициентом полезного действия и самой малой удельной массой, приходящейся на единицу производимой механической работы. Современные конструкторы всевозможных двигателей внутреннего сгорания, электрических и т. п. могут лишь мечтать о тех показателях, которые природа уже давно достигла в своих творениях. В организме человека энергия перерабатывается также в самую совершенную продукцию во вселенной – мысль.Все это достигается благодаря чрезвычайной сложности структур клеток живого организма. К слову сказать, клетки мышц представляют собой длинные волокна с одной оболочкой, одной цитоплазмой и большим количеством ядер, расположенных вдоль волокна. На примере внутриклеточных процессов очень удобно проследить роль информации в биологических системах.Химия знает три вида реакций: экзотермические, эндотермические и идущие в присутствии катализатора. Экзотермические реакции идут с выделением энергии. Обычно вещества очень охотно вступают в экзотермические реакции, и они происходят либо сами по себе, либо в результате слабого начального толчка, как, например, взрыв смеси кислорода с водородом. Реакция идет с выделением тепла, и поэтому образовавшееся в результате реакции вещество характеризуется несколько более низким качеством внутренней энергии по сравнению с исходными реагентами.Эндотермические реакции совершаются с поглощением тепла. Они могут проходить только в специальных условиях при наличии запаса энергии и путей передачи этой энергии к реагентам. Получающееся в результате таких реакций вещество характеризуется несколько более высоким качеством внутренней энергии и просто большим запасом энергии по сравнению с исходными реагентами.Реакции, идущие в присутствии катализатора, могут быть как экзотермическими, так и эндотермическими. Присутствие катализатора создает в пространстве, окружающем реагирующие компоненты, условия для прохождения реакции. Здесь важно заметить следующее. Как в реакциях, проходящих без катализатора, так и в реакциях, проходящих с катализатором, информация, на основании которой строится вещество – продукт реакции, – записана в самих молекулах или атомах реагентов. Например, конструкция молекулы воды, состоящей из одного атома кислорода и двух атомов водорода, определяется внешними так называемыми валентными электронами атомов кислорода и водорода. Этой информации довольно много, потому что, кроме количества атомов в молекуле, определяется также угол между прямыми, проходящими через ядра атомов водорода и ядро атома кислорода. Этот угол всегда составляет точно 104 угловых градуса и 31 минуту.Исследование процессов, происходящих в клетке, показывает, что существует также четвертый тип реакций. Это реакции, требующие для своего осуществления присутствия информации, хранящейся на специальном носителе. Типичным является процесс синтеза белка в клетке. Он сводится к следующему.Информация, записанная в молекуле ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), как уже отмечалось, в присутствии катализатора – РНК-полимеразы – Переписывается на другой носитель – молекулу РНК. Эта молекула РНК и участвует в процессе синтеза белковой молекулы из исходных продуктов, хранящихся в цитоплазме. При этом информация, записанная в молекуле РНК, в буквальном смысле этого слова указывает, какая очередная молекула какой аминокислоты (относительно простых органических химических соединений, из которых состоит РНК) должна подсоединяться в каждый данный момент времени к уже построенной заготовке.Все это заставляет нас задать вопрос: является ли информация в биологических системах той же самой информацией, с которой мы уже познакомились на примерах термодинамических и атомных систем, или же это какая-то особая биологическая информация, подчиняющаяся своим закономерностям? Этот вопрос в последние годы интересует как биологов, так и физиков

ЧТО ТАКОЕ ЖИЗНЬ!

Под этим названием в феврале 1943 года один из основоположников современной физики, профессор Дублинского института перспективных исследований Э. Шредингер, прочитал курс лекций, посвященных некоторым проблемам биологии. Впоследствии эти лекции были изданы отдельной книгой. Э. Шредингер утверждал, что физика и химия в их современном состоянии не могут полностью объяснить те явления в пространстве и времени, которые происходят внутри живого организма. С другой стороны, неизбежное умирание всякого живого организма может служить еще одним, подтверждением справедливости второго начала термодинамики.Другой физик, Ю. Вигнер, считал, что для любого физика по меньшей мере кажется чудом способность молекулярных структур воспроизводить самих себя. То обстоятельство, что информация, необходимая для самовоспроизведения, заложена в структурах, имеющих молекулярные размеры и удерживаемых в порядке только химическими связями, делает это, в сущности, физически неправдоподобным. Ю. Вигнер указывал, что сложный генетический код, особенно вследствие своих малых размеров, по необходимости должен непрерывно расстраиваться, так что, каким бы хорошим ни было начало, поддерживать его в порядке неограниченно долго представлялось бы невозможным. Поскольку молекулярная информация должна непрерывно искажаться, то буквально чудом надо считать то, что организмы в действительности столь успешно сохраняют постоянство вида, воспроизводя себе подобных.Ю. Вигнеру ответил профессор Гарвардского университета Дж. Уолд. К счастью для всех нас, сказал Дж. Уолд, такого чуда не происходит. Генетическая информация непрерывно искажается. Это лежит в основе процесса возникновения мутаций. Из-за него организм в точности не воспроизводит себя. Всякий из нас знает об этом на основании собственного опыта в отношении явления репродукции. Всегда появляются какие-нибудь различия, хотя и необязательно только по этой причине.Это не означает несовершенства в организации живых организмов. Напротив, благодаря этому они стали тем, чем являются сейчас. Абсолютно верно, что непрерывное появление генетической изменчивости является основой естественного отбора и, следовательно, эволюции. Существенно, что искажения генетического кода случайны, они, безусловно, непредсказуемы, так как происходят в мире молекулярных размеров, и, кроме того, связаны с поведением одиночных молекул.

ЧЕЛОВЕК И ДРОЖЖИ

Мы встречаем здесь в некотором смысле парадокс, так как, несмотря на генетические изменения у индивидуальных организмов, эволюция обладает фантастической консервативностью. Случайным изменениям, встречаемым в онтогенезе, то есть в истории особи, сопутствует исключительная стабильность в филогенезе, в истории вида. Консервативность выходит далеко за пределы того, что мы могли раньше вообразить.Известно, что молекула белка представляет собой цепь, состоящую из отдельных фрагментов-аминокислот. В настоящее время экспериментально подтверждено существование 25 видов аминокислот. Молекула одного белка отличается от молекулы другого как видами входящих в нее аминокислот, так и порядком, в котором они расположены. В клетке молекулы белков синтезируются на основе информации, поступающей от генов, которые, в свою очередь, состоят из фрагментов-нуклеотидов. Несколько нуклеотидов ответственны за выбор аминокислоты данного вида и размещение ее в данном месте цепи молекулы белка.Можно сравнить, например, аминокислотные последовательности в белках одного и того же типа у организмов разных видов. Оказывается, что а-цепь гемоглобина гориллы отличается от человеческой только одной аминокислотой из 146. Для синтеза последовательности из 146 аминокислот требуется специфическая последовательность из 3X146=438 нуклеотидов в соответствующем гене. Таким образом, между гориллой и человеком различие только в одном нуклеотиде из 438.Другая близкородственная группа белков – это цитохром С, один из ферментов клеточного дыхания. Он является одиночной цепью из 104 аминокислот, расположенных в строгой последовательности и, значит, синтезируется геном, имеющим 312 нуклеотидов. Между человеком и обезьяной макакой резус существует различие в одной аминокислоте из 104. Между человеком и лошадью – двенадцать различий, между человеком и цыпленком – четырнадцать, между человеком и тунцом – двадцать два, наконец, между человеком и дрожжевой клеткой – сорок три.Были времена говорит Дж. Уолд, сколько-то миллиардов лет тому назад, когда существовал общий предок дрожжей и человека. Некоторые его потомки пошли одним путем и постепенно стали дрожжами, некоторые другие следовали иной дорогой и постепенно стали человеком. Два пути ведут из того отдаленного прошлого, когда мы и дрожжи были одно, и за время этого двойного путешествия в гене, определяющем строение цитохрома С, произошли изменения всего в сорока трех нуклеотидах из 312.

БИОЛОГИЧЕСКИЙ БИЛЬЯРД

Вернемся к нашему вопросу о том, существует ли специальная биологическая информация? Чтобы с чего-то начать, зададим другой вопрос: чем отличается молекула белка от бильярдного стола?Самой главной характерной особенностью нашего бильярдного стола было то, что для каждого шара на нем не существовало никаких преимущественных положений. В молекуле белка, наоборот, каждый атом занимает относительно других атомов строго определенное, предназначенное именно для него положение. Можно ли говорить, что молекула белка представляет собой в этом смысле диаметральную противоположность бильярдному столу? Если шары идеально круглые и, как говорят, полностью изотропны, то есть обладают в точности одинаковыми свойствами в любом месте внутри шара и на его поверхности, то так оно и есть на самом деле.Однако стоит нам, например, намагнитить шары, и картина существенно меняется. Если, скажем, намагнитить шары так, чтобы каждый из них представлял собой двухполюсный магнит, то по прошествии относительно небольшого времени после первого удара они не только не разбегутся по всей поверхности стола, а, наоборот, создадут характерные фигуры, напоминающие движущиеся кольца.Мы говорили раньше, что случая, когда произвольно движущиеся шары снова соберутся в пирамидку, нужно ждать миллионы лет. Это справедливо опять-таки для идеально круглых однородных шаров. Если же шары намагнитить специальным, довольно сложным образом, то они начнут собираться в пирамидку значительно чаще. Правда, всякий раз, собравшись, опять будут расходиться, потому что общий запас кинетической энергии, по условию, остается неизменным.

Молекула белка и представляет собой такое образование из намагниченных, или, можно иначе сказать, помеченных шаров. Из одного этого сопоставления становится совершенно ясно, что информация, управляющая строительством и поведением живого организма, – это та же самая хорошо знакомая нам информация, с которой мы впервые познакомились, перенумеровав бильярдные шары.Девяносто девять процентов частей живых организмов состоят всего из четырех естественных элементов: углерода, водорода, кислорода и азота. Одно из особых свойств углерода, кислорода и азота заключается в том, что радиусы связей и, следовательно, внутриатомные расстояния в молекулах почти равны для всех трех элементов так же, как и углы между связями. В результате цепи, образованные этими атомами, имеют почти одинаковую геометрию независимо от того, состоят ли они целиком из углерода или последний любым .образом перемешан с атомами кислорода и азота. Две такие цепи могут геометрически соответствовать друг другу при любой последовательности составляющих их атомов и при любом вновь возникающем изменении в их составе.Продолжая аналогию с бильярдом, можно сказать, что белковые заготовки – аминокислоты – напоминают бильярдные шары, намагниченные простейшим образом, так что каждый шар представляет собой двухполюсный магнит. Такие заготовки (как и шары) могут соединяться между собой любым произвольным образом. Дожидаться того, чтобы аминокислоты сами собой– объединились, скажем, в молекулу ДНК, это, в известном смысле, то же самое, что и дожидаться, чтобы произвольно движущиеся по поверхности бильярдные шары сами собой собрались в пирамидку. А они тем не менее собираются! Как же это происходит?

ЕДИНСТВЕННОЕ ЧУДО

Один из наиболее универсальных законов современной квантовой физики гласит: всякое возможное событие, то есть событие, не запрещенное законами сохранения, рано или поздно, но обязательно наступает. Это справедливо и для аминокислот. Соединяясь в самые произвольные сочетания и затем снова разъединяясь, они в конце концов должны соединиться в молекулу ДНК. И вот тут проявляется некое замечательное свойство, которое при желании можно даже считать чудом.Мало того, что молекула ДНК сама по себе оказывается весьма устойчивой, она еще поставляет информацию (отдает соответствующие распоряжения) в окружающую среду и благодаря этому воспроизводит сама себя и другие белковые молекулы. Что же касается информации, то это та самая, уже хорошо знакомая нам информация, действующая в термодинамических, атомных и любых других физических системах. Просто, когда этой информации накапливается достаточно много, совершается диалектический переход и материя приобретает новое качество – качество живого.Ну а как же быть со вторым началом термодинамики и его многочисленными следствиями? Читатель, наверное, давно уже подметил, что авторы не склонны считать второе начало термодинамики столь же всеобъемлющим законом природы, как, например, закон сохранения энергии. Второе начало термодинамики, безусловно, действует в массовых вырожденных системах, то есть системах, состоящих из очень большого количества неотличимых друг от друга элементов и таких, что каждое отличимое состояние в них может быть реализовано очень большим количеством способов. Однако по мере снятия вырождения справедливость второго начала, вообще говоря, становится сомнительной.Лучшим примером может служить хотя бы та же молекула воды. Как совсем недавно отмечалось, атомы водорода в ней расположены под строго определенным углом. Если считать, что этот угол не может быть известен с точностью большей, чем одна минута, то в молекуле воды каждый раз реализуется один способ из 10800 возможных. Молекула воды – достаточно информированная система. Во-первых, ее энтропия значительно ниже максимально возможной, то есть энтропии такой системы, в которой атомы водорода могут располагаться совершенно произвольным образом. И во-вторых, при этом нет никаких оснований считать, что по истечении сколь угодно большого промежутка времени молекулы воды как-либо изменятся, станут более беспорядочными. Все то же самое справедливо в еще большей степени для сложных молекул органических веществ.– Но организмы все-таки стареют и умирают! – скажете вы.Это верно. Но у нас, во всяком случае, нет достаточных оснований считать, что это из-за второго начала термодинамики. Живые организмы действительно подвержены процессу старения, причем большинство ученых сходятся сегодня на том, что процесс старения имеет своей причиной частичное разрушение генетических кодов за счет неизбежных мутаций. Но то, что приносит смерть и разрушение одному индивидууму, служит целям еще большего повышения устойчивости биологического вида в целом. Можно пойти и дальше. Отдельные биологические виды приходят на смену друг другу, непрерывно совершенствуясь, и это служит целям повышения устойчивости (как говорил Дж. Уолд, консервативности) биосферы в целом.По словам того же Дж. Уолда, появление размера и формы, переход от неопределенности ко все увеличивающемуся определенному порядку в материальной организации – это одна из сущностей исторического развития вселенной. Морфология – это непрерывно утолщающаяся нить, проходящая через всю иерархию рангов организации материи. И дело не в том, что вселенная имеет тенденцию к порядку. Как раз наоборот, она проявляет сильнейшую тенденцию к беспорядку, выраженную вторым законом термодинамики. Однако в мощном потоке, устремленном в направлении возрастающей неупорядоченности, создаются условия сохранения некоторой малой доли порядка и даже известного увеличения этой доли. Здесь нет нарушения второго закона. Это маленькая область порядка образует едва различимый водоворот в общем ламинарном потоке к беспорядку, и за него (за этот водоворот) заплачено много раз и с избытком увеличением беспорядка в других областях вселенной.У нас есть все основания не согласиться с автором только что приведенного высказывания. Начнем с того, что второе начало термодинамики вообще справедливо лишь для замкнутых систем, ничем не обменивающихся с внешней средой. В то же время одним из самых характерных признаков живого организма являются процессы метаболизма, то есть процессы обмена с окружающей средой. Без метаболизма нет жизни. Поэтому физические системы, относящиеся к категориям живого, вообще не могут быть примерами ни в пользу, ни против справедливости второго начала.В процессе своей жизнедеятельности живые организмы потребляют энергию. Это и есть та цена, которой, по словам Дж. Уолда, заплачено за эволюцию. Более того, организмы потребляют энергию высокого качества и преобразуют ее в энергию самого низкого качества – тепло. Значит ли это, что жизнедеятельность организма сопровождается общим понижением качества энергии, то есть опять-таки повышением энтропии?Это может быть справедливо для отдельных участков вселенной, которые не изолированы, а значит, не обязаны подчиняться второму началу. Более того, у нас есть все основания полагать, что живые организмы в их высшей форме – организмы мыслящие – способны соответствующим образом организовывать потоки энергии в своей среде обитания, то есть повышать качество энергии (увеличивать информацию) и тем самым понижать энтропию системы.Последний возможный аргумент в этом рассуждении сводится к тому, что возрастает энтропия во всей вселенной и наличие биосфер в отдельных, локальных ее участках ускоряет этот процесс. Все, что можно ответить здесь, – это то, что лишь на самом примитивном уровне рассуждений можно присваивать вселенной в целом свойства, характерные для отдельных, локальных ее участков. Достаточно сказать, что если справедлива упомянутая нами раньше теория А. Фридмана и если за переживаемым нами сейчас периодом разбегания галактик последует период их сближения, то любые рассуждения о тепловой смерти вселенной теряют всякий смысл.Возвращаясь, однако, к нашей теме, мы можем сказать, что живое есть продукт совместного действия энергии и информации, причем в процессе творения живой материи одно не может заменить другое. Энергия не может заменить информацию, и наоборот. Следовательно, рассмотрение биологических систем еще раз подтверждает наш основной тезис о том, что информация есть независимая и универсальная физическая величина.