УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2013, том 133, № 2, с. 209-222
УДК 576. 12; 574. 3
РОЛЬ БАЗОВЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ В СТАНОВЛЕНИИ НОВЫХ УРОВНЕЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОРГАНИЗАЦИИ
© 2013 г. Ю. И. Митрохин
Институт проблем химической физики РАН, Черноголовка, Московская область,
E-mail: ymitrokhin@mail.ru
Обсуждаются основные принципы формирования и эволюции биологической организации. Принимается, что биологическая организация начала свое становление как информационная система, базовыми элементами которой являются полинуклеотиды (носители информации) и связанные с ними кодовыми отношениями полипептиды (носители биологических функций). Важнейшим свойством этой системы является свобода, понимаемая как способность элементов генетической системы переходить в новое состояние (комбинацию нуклеотидов) в периоды ее неустойчивости. Вместе с ростом размеров и сложности генома растет и свобода системы. Другим ее важным свойством является поддержание оптимального баланса времен нахождения системы в устойчивом и неустойчивом состояниях. Обсуждается идея, что устойчивость физических, химических и биологических систем зависит от соотношения числа степеней свободы этих систем и вероятностей их перехода в неустойчивое состояние. На основании сравнительного анализа становления все более сложных уровней биологической организации, наблюдаемого в филогенезе, делается вывод, что только две информационные системы (два уровня) в биологических объектах являются базовыми, т.е. системообразующими. Это молекулярно-генетический уровень клетки и уровень, выразителем которого является психика человека. Только они обладают способностью к перебору, запоминанию и воплощению найденных вариантов в жизнеспособные формы. Все иерархически более высокие уровни организации находятся под контролем соответствующих базовых, т.к. сами не обладают каким-либо особым материальным субстратом, могущим быть носителем, выразителем их активности и являются производными базовых уровней. Творческие импульсы, новая ценная информация возникают внизу, - в генетической системе клетки и в мозгу человека. Условием их рождения является свобода и неустойчивость. Организмы, государства, боги, - лишь их производные, их воплощения. Способностью генерировать новую информацию не обладает даже такой уровень, как многоклеточный организм. Состояние наших знаний об эмбриогенезе не позволяют с уверенностью говорить о возможном участии в этом процессе какой-либо иной информации, кроме генетической. Формирование принципиально нового уровня организации, - многоклеточного организма, не связано с генерированием какой-либо новой информации в ходе самого процесса эмбриогенеза.
Ключевые слова: биологические информационные системы, свобода и устойчивость информационных систем, информация и ее генерирование, уровни биологической организации.
Жизнь, рассматриваемая во всей совокупности своих проявлений, имеет две стороны, принципиально отличные по своему внутреннему содержанию. Это - бытие и становление (При-гожин, Стенгерс, 2003). Несколько высокопарно-философское звучание противопоставления этих двух сторон жизни, которое используют авторы, не должно вызывать ощущения, что здесь дей-
"Бог - это свобода, которая допускает существование всех остальных свобод"
Дж. Фаулз
ствует принцип "или - или". Реальные живые объекты (и прежде всего, клетка) обладают таким уровнем организации, который позволяет им поочередно находиться в этих двух состояниях. Уже давно (начиная с Гёте) это свойство живых организмов было интуитивно осознано и в наши дни нашло свое строго научное выражение в теории устойчивости и в синергетике - науке о
неустойчивых процессах. Сложные развивающиеся системы (а живые организмы являются таковыми) значительные периоды времени существуют в устойчивом динамическом режиме. Это устойчивое состояние зримо проявляется, например, в жизни микроорганизмов, которые в течение десятков и сотен последовательных поколений остаются генетически идентичными сами себе и воспроизводят свою организацию. Устойчивое состояние этих систем связано с реализацией выделенных степеней свободы, основано на предопределенных путях прохождения процессов, на неизменном наборе таких процессов, на стандартных узлах их взаимодействия. Это, по-видимому, создает у наблюдателя ощущение ограничения свободы вообще; возникает представление о господствующем в системе детерминизме. Но это не означает, что система будет вечно оставаться неизменной. Она обладает другими степенями свободы, которые не реализуются в данный момент, но принципиально они разрешены и реализуются в те моменты, когда система достигает точки бифуркации и становится неустойчивой (Чернавский, 2001). Когда наступает этот момент - не может быть предсказано; это стохастический процесс. Реально это означает, что в генетической системе клетки произошла мутация (не имеет значения, - простая ли это замена основания в ДНК или мутация важного регуляторного гена) Тогда меняется ранее работающая организация (или появляются новые ее черты при сохранении старых). Происходит переход к новому состоянию - неустойчивости. Оно может быть реализовано тремя способами: система практически не изменится; приобретет новое качество и эволюционные преимущества; будет элиминирована (последнее - наиболее вероятное следствие). Это состояние системы непосредственно связано с тем, что она обладает потенциалом открытия новых степеней свободы, реализацию которых мы имеем возможность наблюдать, глядя на все многообразие проявлений жизни. В этой статье мы хотели бы, опираясь на хорошо известные и твердо установленные факты молекулярной и клеточной биологии, выявить ту роль, которую играет свобода в становлении и эволюции живых систем. Наши интуитивные (но вполне адекватные) представления о свободе человека или свободе в социальных системах -с одной стороны, и строго научное представление о степенях свободы в физических и химических системах - с другой, не всегда помогают составить адекватное представление о роли свободы в формировании и иерархии уровней биологической организации.
Здесь уместно сказать несколько слов о том, как соотносятся между собой два понятия, которые будут постоянно использоваться в статье - организация и свобода. Сразу оговоримся, что будем рассматривать только самопроизвольно развивающиеся системы, т.е. живые системы, и оставим за скобками так называемые приготовленные системы, имеющие определенные черты организации. Эти системы, сконструированные человеческим разумом и функционирующие с его участием и под его контролем, обладают рядом свойств, которые наблюдатель иногда непроизвольно, по аналогии пытается обнаружить в самопроизвольно развивающихся биологических системах. Свободная воля человека как инструмент предварительно осознанного (или даже бессознательного), просчитанного выбора очередного шага в поведении искусственных систем, оказывает нам порой медвежью услугу при описании систем натуральных. В последних в определенные моменты времени система тоже делает выбор одного из возможных путей своего развития, выбор новой траектории. Но это - выбор чисто случайный. Смысл понятия свободы в сложных организованных системах с очевидностью вытекает из вышесказанного: системы обладают свободой, если они могут делать выбор (не важно, - случайно, или, в определенной степени, осознанно для систем, где человек является системообразующим элементом) одного варианта развития из некоторого множества. Величину этого множества легко себе представить, если вспомнить размеры современных геномов, размеры генов и число их допустимых комбинаций. Собственно, это множество и есть количественное выражение свободы, которой обладает система. Здесь есть интересный момент: с одной стороны - случайный выбор нового варианта при реорганизации генома, - это шаг с завязанными глазами в неизвестность и, с другой - осознанный выбор, который делает человек как элемент какой-либо антропоморфной системы, проигрывающий в воображении возможные пути развития событий и использующий при этом имеющийся у него объем информации. В первом случае выбранный вариант сразу становится объектом отбора, во втором же случае отбору подвергается виртуальный образ реальности. Это многократно увеличивает шансы выживания индивидуальной материальной системы. Но это - только одна сторона процесса. Не менее важно здесь то, что выбор вариантов, о котором говорилось выше, имеет место исключительно в информационных подсистемах наших организаций и, прежде всего, в генетической системе клетки, а другие элементы организации лишь следуют по избранному пути.
Считается общепризнанным, что биологическая организация, которая является предметом нашего интереса, начала свое становление как информационная система. В отличие от Мей-нарда Смита и Цатмари, которые определяют биологическую информацию и всю систему ее передачи как неразлагаемый процесс, т.е. холи-стически (Maynard Smith, 2000), мы исходим из того, что естественные, самопроизвольно развивающиеся биологические системы информации организованы модулярным (блочным) способом, где составляющие ее элементы (нуклеотиды ДНК, либо дискретные состояния нейронов) могут менять свое положение (комбинироваться) без разрушения целого. Биологические информационные системы могут быть определены как линейно организованные последовательности молекулярных структурных элементов (генетическая система), либо как динамическая последовательность дискретных состояний нейронов и их синапсов, которые в периоды своей неустойчивости могут переходить в новые комбинации и генерировать таким образом новую информацию. Эти комбинации элементов возвращаются в устойчивое состояние, что и обеспечивает одно из важнейших свойств информационной системы - память. Другим их важнейшим свойством является способность через кодовые отношения определять структуру функциональных элементов биологических организаций (ферментов, сложных функциональных комплексов и т.п.) или смысловое содержание звуковых и письменных знаков, которыми оперирует мыслящий человек.
Наконец, нельзя не упомянуть об основополагающем свойстве генетич
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.