Динамика иерархических систем: эволюционное представление - Николис Дж.
Скачать (прямая ссылка):
первоначальный виток имеет еще один изгиб на втором уровне. Молекулярная
масса отдельной молекулы ДНК может достигать 2• 109, что соответствует
примерно 3/106 парам оснований. Такая структура может достигать в длину
приблизительно 1 мм и иметь диаметр 20 А, т. е. сравнима по своим
размерам с очень тонкой шелковой нитью длиной в одну милю.
Рис. 4.16. Схема фрагмента ДНК.
Молекулы ДНК поэтому весьма хрупки и легко распадаются на более мелкие
фрагменты. Количество ДНК в живом организме и сложность организма, по-
видимому, взаимосвязаны. Например, в бактерии общая длина ДНК достигает
~0,5 мм, а число ступеней ~7-10б. В вирусе длина ДНК может доходить до
~0,1 мм, а число ступеней - до 170 000.
Каким образом наследственные детерминанты кодируются в такой молекуле?
Существует только один способ кодирования: в последовательности
нуклеотидных пар (А, Т) и (Г, Ц). Наиболее поразительный факт о природном
процессе состоит в том, что огромные различия в наследственных
характеристиках людей, животных, растений, бактерий и вирусов (а также
наследственные различия между расами и отдельными особями одной и той же
расы) почти целиком опираются на случайную
198
Глава 4
последовательность пар (А, Т) и (Г, Ц)15. Именно эта последовательность
определяет также (в динамической связи с специфической окружающей
средой), какие из особенностей поведения развиваются в фенотип.
Взаимосвязь между ДНК как источником информации и характеристиками
зрелого организма содержит много промежуточных иерархических уровней (см.
также разд. 4.8 и приложение А). На сегодня "биокибернетической
интерпретации", или моделированию, поддается только первая пара этих
иерархических уровней (рис. 4.17). Эта метаболическая стадия состоит из
процессов, в которых ДНК управляет синтезом белков. В свою очередь белки
через петлю обратной связи управляют синтезом ферментов, которые
"включают" и "выключают" отдельные участки ДНК генов (см. ниже). Белки -
не только основной строительный материал (вместе с углеводородами и
жирами), из которого состоят организмы (у высших животных исключением
является только твердое вещество костей - минерала, состоящего из фосфора
и кальция), но и химический агент, используемый организмом, например, в
ферментах-катализаторах, делающих возможным протекание всех химических
реакций в организме. Белки, принадлежащие к "второму иерархическому
уровню" организма, по своему строению совершенно отличны от ДНК. Они
состоят из углерода (С), водорода (Н), кислорода (О), азота (N) и серы
(S). Их молекулы, как и молекула ДНК, закручены "влево", но в отличие от
ДНК состоят не из двух, а из одной нити. Эта нить состоит из элементов,
расположенных в линейной последовательности, и число различных типов
компонент уже не исчерпывается четырьмя, как в случае
ДНК, а достигает двадцати одной. Эти компоненты называются
аминокислотами.
¦> В том смысле, что "трансмутация генома", достижимая, возможно,
средствами генной инженерии, в принципе должна казаться ничуть не более
странной, чем "трансмутация элементов", достигаемая средствами ядерной
инженерии. Разумеется, отмеченная нами аналогия в лучшем случае
поверхностна, так как трансмутация генома требует сжатия длинных
случайных рядов, что является сложной проблемой, выходящей за рамки чисто
вычислительной проблемы (см. также разд. 4.6 и гл. 5 и 6).
Уровень
нуклеиновых
кислот
Рис. 4.17. Иерархическая система
ДНК и белков.
Элементы теории информации и кодирования
199
Первый шаг в установлении информационной взаимосвязи, или отображения,
между ДНК и характеристиками организма состоит в том, что порядок
оснований в ДНК определяет порядок аминокислот в синтезируемой
полипептидной цепи. (О роли промежуточного вещества - информационной ДНК-
будет сказано ниже.)
Сколько нуклеотидов необходимо в каждом данном случае, чтобы определить
включение одной молекулы специфической аминокислоты в цепь молекулы
белка? Так как существует четыре различных нуклеотида, они могли бы
определять образование четырех различных аминокислот. А как быть с
остальными? Ясно, что отдельного нуклеотида еще недостаточно для
однозначного выбора направления формирования аминокислот. Если бы
формирование каждой аминокислоты происходило под влиянием двух
нуклеотидов, то положение 16 (=42) различных аминокислот в молекуле белка
можно было бы задать однозначно, что опять недостаточно. И только
комбинации трех нуклеотидов позволяют формировать 20 различных сигналов,
соответствующих 20 аминокислотам. Биохимия подтверждает этот вывод. В
терминах теории информации можно сказать, что нуклеотиды несут количество
информации, равное log24 = 2 бит. Соответственно одна аминокислота несет
log2 20 - 4,32 бит. Если нуклеотиды должны определять аминокислоты, то на
одно "слово" из них должно приходиться по крайней мере столько же
информации, сколько ее приходится на отдельную аминокислоту. Комбинаций
из двух нуклеотидов для этого недостаточно, так как каждая из таких
