Реферати українською » Наука и техника » Алгоритмическая загадка молекулярну еволюцію


Реферат Алгоритмическая загадка молекулярну еволюцію

А. Колесников

Потому, як вчені навчилися читати генетичні тексти спадкової інформації, записані молекулах ДНК і РНК, з'ясувалося одне дивне обставина. Всупереч сподіванням, заснованим на класичної дарвінівської теорії еволюції, генетичні тексти виглядали зовсім не від випадковими послідовностями "літер", а, навпаки, виявилося, що мені присутній сувора упорядкованість. До загальному подиву з'ясувалося, що у найнижчому і фундаментальному рівні організації живої матерії спадковий код насичений численними повторюваними фрагментами і палиндромами. Нагадаємо, що палиндромом називається фраза чи слово, яке однаково читається по обидва боки. Наприклад, фраза "А троянда впала на лапу Азора" не враховуючи прогалин між словами читатиметься однакова у обох напрямках.

Упорядкованість генетичних текстів важко пояснити з урахуванням класичної дарвінівської теорії еволюції. Наріжним каменем дарвінізму є постулат у тому, що природний відбір векторизует випадкову мутационную мінливість. Тобто початкових сировиною для природної селекції виступають "помилки", раз у раз спонтанно які у спадкових кодах. Але тоді навіть самі коди повинні виглядати саме як наслідок численних випадкових помилок. І тут послідовність літер на генетичних текстах мусить бути порівняти з тієї, яку залишила на екрані маленька собачка, потоптавши клавіатурою комп'ютера. На насправді твердо експериментально встановлено, що тут інше. Отже, у природі діє якийсь інший механізм формування та еволюційної трансформації спадкового коду. Інший, але хоч ж?

Прибічники теорії номогенеза, розробленої академіком Л. З. Бергом на початку ХХ століття, схильні інтерпретувати феномен упорядкованості генетичних текстів як доказ існування певної номогенетической закономірності, керуючої біологічної еволюцією ззовні. Щоправда, природа цій закономірності продовжує залишатися загадкою.

Відомо, що тексти спадкової інформації передаються від своїх батьків до нащадків шляхом копіювання. Російський учений-генетик Тимофеев-Ресовский, той самий, про яку Данило Гранін написав біографічну повість "Зубр", називав той процес конвариантной матричної редубликацией. Можливо, розгадка таки у механіці цієї конвариантной редубликации. А що як припустити, що спадкові тексти кодують, зокрема і можливість свою власну зміни. Тобто тексти спадкової інформації та є носіями тієї закономірності, яка проявляється у їхніх підсумковій упорядкованості.

А, щоб у найзагальніших рисах уявити, як може відбуватися, розглянемо таку алгоритмічну модель. На початку сгенерируем випадкову послідовність якийсь довільній довжини n, що складається з нерегулярно які чергуються чотирьох знаків (позначимо їх - 1,2,3,4). Наприклад, 1214434. Наприкінці послідовності запишемо нуль як свідчення завершення коду. Потім розмістимо цю послідовність на клітинному полі з наступним правилам (див. малюнок а).

Перший символ запишемо в деяку, заздалегідь задану клітину. Потім, залежно від цього, що саме символ вписаний у поточну клітину, наступний елемент послідовності будемо заносити однієї із чотирьох осередків, сусідніх із даної. Якщо поточну клітину вписано одиниця, наступний символ розмістимо у правій сусідньої клітині; тоді як поточну клітину вписано двійка, наступний символ розмістимо у сусідній верхньої клітині; тоді як клітину вписано трійка, то наступний символ розмістимо у сусідній лівої клітині; і, нарешті, тоді як поточну клітину вписано четвірка, то наступний символ упишемо до сусіднього нижню клітину. Так само вчинимо з наступним символом, і продовжувати той процес, доки дійдемо нанівець (ознаки закінчення послідовності) або наткнемося наприкінці поля. Якщо у процесі записи чергова клітина виявиться вже зайнята, то писатимемо нагору, "забиваючи" попередній знак.

Інформаційні макромолекули РНК і ДНК, як й інші полімерні молекули, у реальних фізичних умовах мають певну просторову форму, яка багато чому визначається порядком прямування мономерів в первинної інформаційної ланцюжку. Описаний вище алгоритм записи одномірної послідовності знаків на клітинне полі вважатимемо певної дуже загальної алегорією процесу освіти просторової структури інформаційної полімерної молекули.

На наступний етап нашої алгоритмічної гри змоделюємо процес копіювання вихідного інформаційного коду. Але як матриці використовуватимемо не первинну лінійну послідовність символів, та її вторинну "просторову" структуру, розміщену на клітинному полі. У природі копіювання інформаційних біополімерів здійснюється спеціалізованим ферментом. Особливим чином організована білкова молекула прикріплюється до молекулярным цепочкам ДНК чи РНК у точці, позначеної спеціальним кодом ініціації, і символ за символом синтезує її копію. У цьому якщо, наприклад, на вихідної матричної молекулі якийсь її ділянку згорнуть в петлю, що існує шанс, що копирующий фермент проскочить це найкраще місце чи, навпаки, "зациклится" і повторить його кілька разів. Тобто, у принципі, вторинна просторова структура молекул ДНК чи РНК може активно проводити їх дочірніх копій. Приміром, "комплементарные паліндроми, здатні до утворення вторинної структури ДНК, придатні бути гарячими точками багатьох й одиночних мутацій, делеций і вставок... Найбільш істотно, що комплементарные паліндроми і инвертированные повтори здатні забезпечувати блочні перебудови під час еволюції генів"1. Інакше кажучи, що й причудливей буде закручена вихідна молекула, тим більша ймовірність різних "курйозів" у її відтворення. До чого це у сукупності можуть призвести, спробуємо розібратися, продовживши нашу алгоритмічну алегорію.

Копирования інформаційної матриці будемо моделювати так. Нехай спочатку, за аналогією з природним процесом реплікації, уявлюваний фермент чи считывающая голівка "сідає" на позначену осередок клітинного поля, у якій завжди розташовується перший символ. Після цього, у перші дочірньою воспроизводимой послідовності помістимо символ, що у цієї вихідної позначеної клітині. Подальші правила зчитування приймемо такими. Голівка може переправитися у жодну з чотирьох (ліву, верхню, праву, нижню), сусідніх із даної, але з порожніх осередків. Вибір однієї з можливих варіантів вважатимемо равновероятным. Для посилення схожості з реальною матричної редубликацией можна заборонити уявлюваного считывающей голівці відразу повертатися в попередню позицію. Це хіба що додасть процесу зчитування певну односпрямованість, але сенс результатів від прийняття цього змінюється незначно. При описаних правилах поведінки считывающей голівки суворо впорядковані послідовності будуть копіюватись однозначно, а хаотичні, складно скручені, навпаки, будуть допускати поливариантное чи конвариантное відтворення. На малюнку б представлений одне із можливих шляхів прочитання послідовності, зображеною малюнку а. Приклад видно, що дочірня копія вже зібрано понад впорядкована, проти вихідної, бо містить повтор.

Комп'ютерне моделювання описаної алгоритмічної гри переконує у цьому, що у переважну більшість (крім вырожденных випадків) вихідні випадкові послідовності символів після кількох циклів конвариантного відтворення перетворюються з хаотичних у суворо впорядковані. На врезке наведено три прикладу комп'ютерного "прогону" моделі.

3442144441422141312314141

344441214114141

3444412141214121412114141

34444121214121414121412121412141214114141

3444412144443

344441244124443

344441444144443

344441444144443

344441444144443

111432121324213142331414442

11121434141

111414341434141

11141434341

11141434143414111

1114143414341434111

111414341434311

111414341411

1114143414143414111

111414341434143414111

11141434143414111

1114143414143414111

111414341434143414111

1114143434341434111

1114143434143434343414343414343434143414111

1114143414111

111414341434143414111

1114143414111

11141414111

11141414111

11141414111

1213424223224133414443333333344441143112343321433

4224433333333444413334433234433144334432333144443

433333333444433

433333333444433

433333333444433

Ними можна очікувати, що з абсолютно випадкових наборів символів поступово самі собою виникають повністю симетричні паліндроми чи суворо періодичні послідовності, які дуже нагадують ті, що зустрічаються у реальних генетичних текстах. Отже, якщо припустити, основна причина мутаційної мінливості на молекулярному рівні організації життя перебуває поза, а всередині самих генів, то загадка молекулярну еволюцію представляється логічно можливо розв'язати. Зрозуміло, йдеться лише про дуже віддаленій алгоритмічної аналогії, тож не наполягати у тому, що відкрив механізм виникнення упорядкованості на молекулярно-генетичному рівні організації живої матерії (втім, і дуже протестувати також буду :).

Список літератури

1. Проблеми теорії молекулярну еволюцію/ Ратнер В.А., Жарких А.А., Колчанов Н.А. та інших. - Новосибірськ: Наука, 1985. З 196

Схожі реферати:

Навігація