Возникновение биологической информации

Чернавский Д.С., Чернавская Н.М.

Для описания процессов, протекающих на ранних стадиях биологической эволюции, достаточно знания законов физики и химии открытых систем. По каким законам происходило дальнейшее ее развитие? Можно ли в рамках современной науки понять и описать процессы, лежащие в основе возникновения жизни? Почему в современной биосфере господствует один вариант генетического кода и отсутствуют другие? О возникновении жизни как борьбе условных информаций - физик Дмитрий Чернавский и биолог Нина Чернавская

В изучении информационных процессов в живой природе следует принимать во внимание следующие специфические особенности.

· Во-первых, в биологии актуален вопрос о возникновении (генерации) ценной информации.

· Во-вторых, вопрос о механизмах хранения и использования генетической информации в процессе развития организма до сих пор остается дискуссионным.

· В-третьих, проблема обработки информации в нейросетях сейчас интенсивно разрабатывается в математике и технике. Использование полученных здесь результатов применительно к биологическим нейросетям остается актуальной задачей.

В связи с этим недавно возникло новое направление - биоинформатика, которая занимается этими вопросами.

Проблематика возникновения жизни. Одна из самых ярких проблем в биологии - возникновение жизни. Существует научное направление - "Life Origin". Ему посвящены монографии крупных ученых, специальные выпуски журналов и доклады на конференциях и, разумеется, великое множество обзоров и оригинальных работ.

Наиболее важной и до сих пор дискуссионной остается проблема возникновения биологической информации и, в частности, генетического кода, которую мы рассмотрим подробно.

Сделаем несколько предварительных замечаний.

1. Современная биосфера основана на соединениях углерода. Это не случайно, поскольку углерод - уникальный элемент, что связано с его центральным (или промежуточным) положением в таблице Менделеева (4-я группа).

Иными словами, органические соединения обладают набором свойств, необходимым и достаточным для образования информационной системы.

Другие элементы такими наборами свойств не обладают. Ближе всех к углероду по разнообразию соединений находится кремний (тоже принадлежащий 4-й группе). Соединения кремния с алюминием и кислородом (алюмосиликаты - т.е. глины) могут образовывать полимеры и гетерополимеры. Однако они неспособны к комплиментарной авторепродукции глиноземов. Чистый кремний используется в элементарной базе современных компьютеров. Последние обладают свойствами информационной системы, кроме свойств комплиментарной авторепродукции. В производстве компьютеров необходимо участие человека. Самопроизвольное возникновение "компьютерного завода" без человека невозможно. Тем не менее в научной и научно-фантастической литературе обсуждается гипотеза о возможности появления живых систем на основе кремния. На первый взгляд такой ход мысли кажется оригинальным. При более внимательном подходе выясняется, что это типичный пример конъюнктурной информации. Действительно, при этом авторы остаются в рамках аксиоматики информационных систем и не предполагают никаких принципиально новых идей, меняется только материальный носитель, но не информационная сущность живых объектов.

Поэтому мы не будем обсуждать более детально это направление.

2. В нашей биосфере носителями информации являются полинуклеотиды: ДНК и РНК. При этом ДНК выполняет функции хранения информации и передачи потомкам, РНК участвует в биосинтезе белков (трансляции и транскрипции). Вопрос о том, какие полинуклеотиды ДНК или РНК участвовали в первичных процессах возникновения жизни, до сих пор является дискуссионным. Преимущества ДНК состоят в том, что эти полинуклеотиды более приспособлены к хранению генетической информации и комплиментарной авторепродукции. Преимущества РНК состоят в том, что молекулы РНК могут выполнить некоторые каталитические функции (хотя функции хранения и авторепродукции выполняют несколько хуже). На наш взгляд, эти преимущества иллюзорны.

Дело в том, что функция хранения информации и функция реализации се существенно различны и даже дополнительны. Чем лучше обеспечено хранение информации, тем труднее заставить ту же систему выполнить работу, предусмотренную в этой информации. Поэтому эти функции выполняются двумя различными подсистемами. В современной биологии первая функция выполняется ДНК; вторая - белками, РНК выступают в роли посредника и не несут ни первой, ни второй функции. В принципе роль посредника могут выполнить белки, соединенные с подсистемами (т.е. адаптеры). Поясним сказанное на примере из техники. Информация о производстве какого-либо продукта содержится в чертежах или на дискетах и хранится в архивах. Использование этой информации производится в цехах. Можно попытаться представить такую конструкцию, которая хранила бы в себе информацию и одновременно реализовывала ее. Любой инженер скажет, что это, во-первых, трудно и, во-вторых (и это главное), - не нужно.

Поэтому ниже мы будем предполагать, что первичным полинуклеотидом была молекула ДНК, а первичным "рабочим телом" - молекула белка.

Ранние стадии биологической эволюции. В этом процессе можно выделить три этапа: 1) образование биологически важных молекул (сахаров, липидов, аминокислот и нуклеотидов) в предбиологический период; 2) самоп