Реферати українською » Остальные рефераты » Виникнення біологічної інформації


Реферат Виникнення біологічної інформації

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Чернавський Д.С., Чернавская М.М.

Для описи процесів, що протікають на ранніх стадіях біологічної еволюції, досить знання законів фізики та хімії відкритих систем. За якими законами відбувалося подальше її розвиток? Чи можна у рамках сучасної науки зрозуміти й описати процеси, які у основі виникнення життя? Чому у сучасній біосфері панує один варіант генетичного коду і відсутні інші? Про виникненні життя, як боротьбі умовних інформацій - фізик Дмитро Чернавський і біолог Ніна Чернавская

У вивченні інформаційних процесів на живу природі слід сприймати до уваги такі специфічні особливості.

· По-перше, в біології актуальне це питання про виникнення (генерації) цінної інформації.

· По-друге, питання про механізми збереження та використання генетичної інформацією процесі розвитку організму досі залишається дискусійним.

· По-третє, проблема обробки інформацією нейросетях зараз інтенсивно розробляється у математиці й лазерній техніці. Використання отриманих тут результатів стосовно біологічним нейросетям залишається актуальним.

У зв'язку з цим недавно виник новий напрям - біоінформатика, що займається б цими питаннями.

Проблематика виникнення життя. Одну з яскравих негараздів у біології - виникнення життя. Існує наукова дисципліна - "Life Origin". Йому присвячені монографії великих учених, спеціальні випуски журналів і доповіді на конференціях і звісно, безліч оглядів і оригінальних робіт.

Найважливішою і досі пір дискусійною залишається проблема виникнення біологічної інформації та, зокрема, генетичного коду, що її розглянемо докладно.

Зробимо кілька попередніх зауважень.

1. Сучасна біосфера полягає в з'єднаннях вуглецю. Не випадково, оскільки вуглець - унікальний елемент, що пов'язане його центральним (чи проміжним) становище у таблиці Менде-лєєва (4-та група).

Інакше кажучи, органічні сполуки мають набором властивостей, необхідним і достатнім для освіти інформаційної системи.

Інші елементи такими наборами властивостей що немає. Найближче до вуглецю за розмаїттям сполук перебуває кремній (теж приналежний 4-й групі). Соединения кремнію з алюмінієм і киснем (алюмосиликаты - тобто. глини) можуть утворювати полімери і гетерополимеры. Але вони нездатні до компліментарною авторепродукции глиноземов. Чистий кремній використовують у елементарної базі сучасних комп'ютерів. Останні мають властивостями інформаційної системи, крім властивостей компліментарною авторепродукции. У виробництві комп'ютерів необхідна людини. Самопроизвольное виникнення "комп'ютерного заводу" без людини неможливо. Проте у науковій і науково-фантастичній літературі обговорюється гіпотеза - про можливості появи живих систем з урахуванням кремнію. На перший такий хід думок здається оригінальним. За більш уважному підході з'ясовується, що це типовий приклад кон'юнктурної інформації. Справді, у своїй автори залишаються у рамках аксіоматики інформаційних систем і припускають ніяких принципово нових ідей, змінюється лише матеріальної носій, але з інформаційна сутність живих об'єктів.

Тому не будемо обговорювати детальніше цей напрям.

2. У нашій біосфері носіями інформації є полинуклеотиды: ДНК і РНК. У цьому ДНК виконує функції зберігання інформації та передачі нащадкам, РНК бере участь у біосинтезі білків (трансляції і транскрипції). Питання, які полинуклеотиды ДНК чи РНК брали участь у первинних процесах виникнення життя, досі є дискусійним. Переваги ДНК у тому, що це полинуклеотиды більш пристосовані до збереження генетичної інформації та компліментарною авторепродукции. Переваги РНК у тому, що молекули РНК можуть виконати деякі каталітичні функції (хоча функції збереження і авторепродукции виконують трохи прикріші). На думку, ці переваги ілюзорні.

Річ у тім, що функція зберігання інформації та функція реалізації се істотно різняться навіть дополнительны. Чим краще забезпечене зберігання інформації, важче змусити таку ж систему виконати роботу, передбачену у цій інформації. Ці функції виконуються двома різними підсистемами. У сучасному біології перша функція виконується ДНК; друга - білками, РНК виконують роль посередника, і не несуть ні першої, ні другий функції. У принципі так роль посередника можуть виконати білки, з'єднані з підсистемами (тобто. адаптери). Пояснимо сказане з прикладу з техніки. Інформації про виробництві будь-якого продукту міститься у кресленнях чи дискетах і зберігається в архівах. Використання цієї інформації виробляється у цехах. Можна спробувати надати таку конструкцію, яка зберігала в собі інформації і одночасно реалізовувала її. Будь-який інженер скаже, що це, по-перше, важко знайти й, по-друге (і це головне), - непотрібно.

Тому нижче ми припускати, що первинним полинуклеотидом була молекула ДНК, а первинним "робочим тілом" - молекула білка.

Ранні стадії біологічної еволюції. У процесі можна назвати три етапу: 1) освіту біологічно важливих молекул (цукрів, ліпідів, амінокислот і нуклеотидів) в предбиологический період; 2) мимовільна скупчення цих молекул у просторі та його поліконденсація із заснуванням полімерів (полипептидов і полинуклеотидов зі випадковими послідовностями); 3) виникнення біологічної інформаційної системи та цінної інформацією ній.

На етапі відбувається вибір єдиного для живого Землі генетичного коду і виникають найпростіші "істоти", здатні до комплементарної авторепродукции з цього генетичного коду. Слово "істоти" взяте лапки.

З другого краю етапі відбувається самоорганізація матерії, але ще достатня до виникнення об'єкти "мети" і, отже, цінної інформації. Тому такі об'єкти не можна ще називати "живими істотами".

І лише кінці третього етапу можна казати про виникненні "живої матерії", тобто. "істот". Поки що це терміни ми вживаємо без визначення поняття "життя" (тому вони взято у лапки). Таке визначення доцільно розглянути обговорюватимуться третього етапу. Проте цим необхідно коротко розглянути перші двоє.

Перший етап - виникнення біологічно важливих молекул та його самоорганізація. Такі органічні речовини, як цукру, ліпіди, амінокислоти і нуклеотиди, мають надлишком вільної енергії. Тож у термодинамічно рівноважної системі концентрація їх мізерно мала. Однак у відкритої системі за наявності джерел енергії такі речовини можуть синтезуватися.

Нині показано, що "найефективніше синтез таких речовин може протікати при виверженні вулканів, і навіть при електричних розрядах (блискавки), під впливом ультрафіолетового проміння і космічного проміння. Синтез деяких полімерів, наприклад цукрів шляхом полімеризації формальдегіду, може бути навіть у космічному просторі.

Однак цих умовах співвідношення швидкостей освіти і розпаду біологічно важливих речовин така, що концентрація в первинному океані може дуже мала. Інакше кажучи, якби речовини було б розподілені у просторі рівномірно, то подальша їх полімеризація чи коликонденсация було б практично неможлива. Тому потрібен був другий этан - їх самоорганізація.

Другий етап - мимовільна скупчення молекул. Вперше (ще 1924 р.) з цього можливість звернув увагу А. Опарин. Було показано, що біологічно важливі молекули можуть спонтанно концентруватися, створюючи краплі, названі коацерватами. З властивостей коацерваты нагадували клітини найпростіших. Пізніше аналогічні структури спостерігав З. Фокс і назвав їх микросфорами.

Отже, важливість другого етапу у тому, завдяки самоорганізації в краплях, подібних клітині (коацерватах, микросферах і маригранах), створюються умови для спонтанного освіти біополімерів. У цьому можна сказати, що освіта "клітини", її аналога, передувало виникненню життя.

Третій етап - освіту інформаційної системи. Обговоримо властивості каплеподобных утворень, які з випадково пов'язаних полинуклеотидов і полипептидов як інформаційних систем. У цьому основну увагу звернімо на властивості полинуклеотидов як хранителів генетичної інформації.

Молекулярні аспекти механізму авторепродукции. Як згадувалося, комплементарная авторепродукция необхідна для запам'ятовування біологічної інформації. Хранителем інформації є биспираль ДНК, і, отже, йдеться про репродукції ДНК. Для прискорення реплікації і запобігання ДНК від гідролізу необхідний белок-фермент з цими функціями, званий репликазой.

Зрозуміло, що первинний процес реплікації був простіше сучасного. Проте, щоб уявити молекулярний механізм первинної реплікації, доцільно розглянути сучасну картину, включаючи властивості белка-репликазы та її біосинтез.

Розрахунки ймовірності є основним каменем спотикання щодо походження життя. Саме це, абсурдно малі, величини ймовірності лежать у основі утвердження про неможливість зрозуміти й описати виникнення життя жінок у рамках сучасної науки.

Для подолання труднощі досить відмовитися від на розуміння слова "кодує" і прийняти, що молекула ДНК у первинному гиперцикле сприяла освіті белка-репликазы (каталізувала його синтез) й без участі коду.

Інакше кажучи, первинна послідовність ДНК починає відігравати суттєву роль визначенні первинної послідовності білка. Саме завдяки адаптерам пришвидшується формування тієї білкової послідовності, що відповідає функціональної формі білка. Отже, існує перехідна стадія, у якій суміщені процеси синтезу білка без коду і процеси кодування, подібні до сучасним біосинтезом. Останнє дозволяє за зміни (мутації) послідовності ДНК (але не матимуть зміни набору адаптерів) синтезувати білки зі зміненою послідовністю амінокислот і, отже, зі зміненою формою і функцією. Інакше кажучи, з'являється можливість подальшої біологічної еволюції.

У межах цього варіанту проблема малу ймовірність освіти первинного гиперцикла немає. Проте постає інше запитання: чому сучасної біосфері панує один варіант коду і відсутні інші? Обговорюються два відповіді це запитання.

Перша гіпотеза зводиться до того що, що з різних варіантів коду був найкращий, який був "бути відібраний" в наступної еволюції.

У другій гіпотезі приймається, що це варіанти коду були рівноправні, але натомість взаємодії між різними популяціями був обраний (а чи не бути відібраний) єдиний код.

Повернімося до питання синтезі білка у первинному гиперцикле. Сенс слова "кодування" в аналізованому разі іншою, ніж у сучасному біосинтезі. У звичному розумінні ніякого кодування взагалі відбувається. Головну роль грає форма ДНК, полинуклеотид функціонує як гетерогенний каталізатор. У цьому фіксується форма белка-репликазы, останній силу механізму освіти приймає комплементарную форму, тобто. є зліпок з ДНК.

Останній етап - вибір єдиного коду - мала місце вже після освіти кількох різних популяцій гиперциклов з різними варіантами коду.

Тому антагоністичне взаємодія у разі явно сильніше, ніж не антагоністичне. Вище показано, що наприкінці всього процесу утворюється "чисте" стан, тобто. вибирається один варіант коду. Це має місце й у несиметричною моделі, тобто. у разі, коли варіанти різні. У цьому перемагає зовсім не від "найкраща" популяція, а та, котра, за волі випадку виявилася більш чисельної.

Інакше кажучи, відбувається відбір найкращого варіанта (у традиційному, дарвінівському розумінні), а вибір однієї з практично рівноправних, який витісняє інших.

Тут доречне зробити кілька зауважень. Можна сміливо сказати, що білок, освічений за схемою гетерогенного каталізу, є грубим зліпком з молекули ДНК. Первинні адаптери теж є "зліпками" (не грубими), з одного боку, але ДНК (кодона чи антикодона), з другого - з прилеглого блоку амінокислот.

Эволюцию біосинтезу білка можна порівняти з еволюцією писемності.

Давня форма листи - ієрогліфи. У давнину кожен ієрогліф був малюнок об'єкта, можна сказати "зліпок" від нього. Так, будинок зображувався як шалаша-треугольника, а бик - як морди з рогами (алеф). У цьому був необхідності використовувати алфавіт (тобто. код). Иероглифическому етапу відповідає схема первинного синтезу адаптерів.

Потім деякі ієрогліфи втратили властивість прямого відповідності цілому об'єкту (у своїй істотно спростилися), але набули нової функцію - літери. Буква є частиною слова - її осколком, і самі собою щось отже. Вона набуває зміст у сполученні з іншими літерами відповідно до алфавітом (кодом). Алфавитная писемність з'явилася вже з збільшенням кількості переданої інформації. Сенс цієї простий, число поєднань навіть невеликої кількості символів факториально велике проти кількістю символів. Перехід від ієрогліфічним писемності до алфавітній був поступовим. Спочатку до иероглифу, відповідному предмета (чи дії) додавали простіший символ, уточнюючий сенс першого. Така змішана писемність, не порушуючи функцій ієрогліфів, розширила можливості письмовій передачі. У цьому ієрогліфи поступово витіснялися літерами. Підкреслимо, це діялося саме поступово, оскільки перетворення кожного ієрогліфа в букву не перешкоджало сприйняттю всього тексту. У цьому кожен із учасників, як творці знака, і реципієнти, поступово, шляхом взаємного навчання, виробляли умови коду, тобто. алфавіт. Схема проміжного біосинтезу білка відповідає змішаної писемності, де адаптери, з одного боку, є осколками чохла (ієрогліфи), з другого - вже літерами.

Зазначимо особливість біологічної еволюції. У аналізований період гиперцикл включав лише одне білок - репликазу, з однією функцією. Навіть у таких найпростіших популяціях розробили (обраний) єдиний код. Можна сміливо сказати, що "Спочатку було слово", вона мала один сенс - компліментарну репродукцію, тобто. життя. Алфавіт розробили з урахуванням жодного.

Виникнення біологічного різноманітності й проблема темпів біологічної еволюції. У сучасному біосфері є велика розмаїтість видів, яке з'явилося результаті тривалої еволюції. Зазвичай його зображують як схеми, що називається еволюційним деревом.

Нові види знаходять собі нові джерела харчування, освоюють нові екологічні ніші і пристосовуються до них. У цьому виживають найбільш пристосовані, а менш пристосовані вимирають. Через війну вариабельность всередині кожної виду зменшується і розподілу звужуються.

Ця стадія називається конвергентной. У молекулярному аспекті поява нового виду означає автоматичну появу білків з новою функцією і лобіювання відповідних цим білкам нових генів. Обсуждавшийся вище процес освіти гиперциклов можна як виникнення виду. Освіта багатьох гиперциклов з різними варіантами коду відповідає дивергентной стадії, а вибір одного варіанта коду - конвергентной. Сьогодні ми розглянемо етапи подальшої еволюції, зробивши основний акцент найбільш гострі проблеми.

Перед цим зробимо ряд зауважень.

1. Розмаїття виникає, коли вихідні ресурси (мононуклеотиды і амінокислоти) вичерпуються і нові білки з новими функціями. Наприклад, білки, розкладницькі полинуклеотиды і поліпептиди померлих особин. Інший приклад - білки, здатні засвоювати цукру (вуглеводи), і ліпіди, створені в предбиологический період.

Кожен із організмів, у

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Схожі реферати:

Навігація