книги из ГПНТБ / Теплов Л. Очерки о кибернетике

Полимер обладает сравнительно простой, однообразной организацией. Но по мере замены отдельных своих частей — мономеров он может совершен­ ствоваться.

лажденный раствор крохотный кристаллик глицерина — своеобразный «потомок» кристаллов 1867 г.

В процессе кристаллизации информация подвержена действию по­ мех, как и в любом случае ее передачи и преобразования. Практически каждый кристалл имеет дефекты. Атомы примеси, находящиеся в веще­ стве, могут повлиять на структуру частей кристалла, исказить ее, стать так называемыми «ядрами дислокации».

Своеобразную переходную форму между растворами и настоящими кристаллами представляют собой «жидкие кристаллы», образуемые сравнительно большими молекулами, вытянутыми в длину. Электроста­ тические силы притяжения и отталкивания, зависящие от размещения электронов на поверхности молекул, заставляют их располагаться в растворе организованно на некоторых расстояниях друг от друга. При­ мером жидкого кристалла может служить раствор мыла.

Не только физические, но и химические свойства веществ — их спо­ собность соединяться, разлагаться и перекомбинироваться — зависят от статистических свойств ансамбля молекул. Приняв гипотезу молекуляр­ ного беспорядка, мы можем высчитать, какова при данной концентра­ ции и температуре раствора вероятность встречи двух молекул, способ­ ных вступить в реакцию, а следовательно, можем рассчитать ход реак­ ции. При этом мы допускаем, что не только пути молекул, но и поло­ жения их при встрече вполне случайны и не поддаются управлению. Встреча двух молекул, по-видимому, может привести к реакции только тогда, когда они находятся в соответствующей позиции относительно друг друга. В 100 кубических сантиметрах раствора бромистого этила и диэтилсульфида, по расчетам Д. Пфейффера', происходит 1,6 - 1034 столкновений молекул в секунду, а одна реакция приходится на несколь­ ко миллионов миллиардов столкновений (вероятность 1 : 1015) . Эту ве­ роятность, однако, можно изменить, вводя в раствор вещества, которые1

1 «Физика и химия жизни». М., 1960, стр. 176.

119

сами в реакции не участвуют, не­ способны упорядочивать положения молекул в момент реакции. Такие вещества называют катализаторами.

Введение катализатора — это сигнал, команда, которая подается неустойчивой, спусковой химической системе и убыстряет ее переход из состояния маловероятного, нерав­ новесного в состояние равновесия. При равновесном состоянии хими­ ческой системы количество вновь образующихся молекул соединения равно количеству распадающихся а результате столкновений.

Многие катализаторы облада­ ют избирательностью действия: из ряда происходящих в растворе ре­ акций они способны ускорять толь­ ко одну. Как показали опыты, по­ верхность молекул катализатора по распределению зарядов негативносоответствует поверхности молеку- лы-«субстрата», т. е. той молекулы, на которую действует катализатор.

Не существует еще достаточно точной теории катализа, которая бы позволила назначать или конструи­ ровать катализатор для данной ре­ акции. Инженеры-химики поэтому вынуждены прибегать к перебору разнообразных веществ, на опытевыясняя, которое из них катализует нужную реакцию.

Но кибернетические системы,, обладающие известным уровнем организации и автоматически управ­ ляющиеся, как уже говорилось, могут сами выполнять операцию отбора сигналов, действие которых соответствует какому-нибудь критерию.

Поэтому теоретически вполне возможна химическая система, по­

Законы физики и кибернетики налагают на такую систему опреде­ ленные ограничения. По первому началу термодинамики в ней не может возникать или уничтожаться энергия. По второму началу она должна»

1 2 0

программе вырабатывать катализаторы самой разнообразной и изощренной формы, она ускоряла бы такие реакции, которые полезны для ее суще­ ствования. Ничто не мешает считать такую систему живой.

быть энергетически открыта: всякое уменьшение энтропии внутри си­ стемы должно компенсироваться увеличением энтропии, рассеянием энергии вне ее. Поэтому живая система всегда будет немного теплее окружающей среды. Кроме того, в химическом автомате должны осуще­ ствляться сигнальные, управляющие воздействия через системы обрат­ ных связей, а возрастание информации в нем должно происходить за счет внешних потенциалов информации.

Как река, как огонь, самоуправляющаяся химическая система образует усилители и обратные связи только в динамике — постоянном направленном движении. «Жизнь, — говорит Фридрих Энгельс, — преж­ де всего состоит в том именно, что живое существо в каждый данный момент является тем же самым — и все-таки иным».

На нашей планете жизнь возникла более миллиарда лет назад, ког­ да условия на Земле были совершенно не похожи на те, которые суще­ ствуют сейчас. Иной была атмосфера: в ней не было ни кислорода, ни углекислого газа, присутствовали главным образом водород, метан и аммиак. Она свободно пропускала к земле мощное ультрафиолетовое излучение Солнца, и только тучи, временами изливавшие буйные теп­ лые дожди, заслоняли участки голой, каменистой поверхности от потока активной энергии. Среди туч бушевали грозы. В обширных, но мелких водоемах, временами сообщающихся с океаном, среди обломков скал вода реагировала с карбидами (соединениями углерода с металлами) и нитридами (соединениями азота). Образовывались и распадались разно­ образные соединения углерода, водорода, азота и фосфора — мо­ лекулы-мономеры. Некоторые из них при подсыхании луж соединялись в гигантские молекулярные цепочки, возникали полимеры типа совре-

121

менных искусственных смол, которые потом постепенно распадались на более простые соединения. В воде накоплялись соли, вымытые из гор­ ных пород. Как известно, молекулы солей, попадая в воду, расцепля­ ются на частицы — ионы, обладающие электрическим зарядом, и вода становится электролитом -— проводником электрического тока.

Говорят, мы до сих пор носим в себе воды тех первозданных водое­ мов, точнее, их солевой состав и концентрацию — чуть меньше 1%. Сей­ час мировой океан стал много солонее, но живые организмы поддер­ живают постоянным состав внутреннего электролита, к которому они давно приспособили свои реакции.

Молекулы полимеров, как уже говорилось, имеют на своей поверх­ ности чрезвычайно прихотливое, разнообразное распределение электри­ ческих зарядов. В электролите между ними начинается движение ионов—электрический ток. Сами молекулы под действием электроста­ тических сил двигаются и располагаются каким-то одним, единственно возможным способом — образуют жидкий кристалл, устойчивую струк­ туру среди беспорядочного, хаотического движения мелких молекул — мономеров. Этим путем возникали мельчайшие капли — коацерваты, спо­ собные отделяться от раствора.

Молекулярные образования, возникавшие в древних водоемах, це­ ликом зависели от приливов и отливов внешней энергии — ультрафио­ летового светового и теплового излучения Солнца, электрических раз­ рядов в атмосфере. Они появлялись и исчезали, не оставляя следа, хотя некоторые из них по воле случая получали довольно сложную органи­ зацию.

В 1898 г. немецкий биолог Л. Румблер поставил серию интересных опытов, доказывающих, что при искусственном подборе маловероятного сочетания условий из неживых веществ можно получить систему, вре­ менно обладающую многими свойствами одноклеточных животных. Румблер делал искусственных амеб из капелек масла или хлорофор­ ма, плавающих в воде. Касаясь тонкой нити из шеллака, капля хлоро­ форма постепенно втягивала ее в себя, как бы заглатывала. Если нить была из стекла, покрытого шеллаком, то искусственная амеба Румблера сначала захватывала ее, выпуская отросток, затем растворяла шеллач­ ное покрытие и,'наконец, выбрасывала голую стеклянную нить. Капли ■смеси масла, хлороформа и шеллака в растворе спирта строили себе пан­ цирь из кусочков стекла, как это делают некоторые амебы; при этом они отбрасывали негодные для дела крупные куски стекла. Однажды Румб­ лер наблюдал, как от искусственной амебы отделилась почка и начала быстро двигаться, выпуская и убирая отростки. Ему не удалось повто­ рить явление — и в этом, по существу, состоит вся оценка его опытов. Можно однажды намеренно или невольно привести неживую физико­ химическую систему в очень маловероятное состояние, в котором она будет делать то же, что живая клетка. Но так как эта система не нахо­ дится в динамическом равновесии — не имеет обратных связей и не мо­ жет удерживать себя в режиме работы периодического автомата, — то

123

ее «искусственная жизнь» быстро затухает, система переходит в состояние с наибольшей энтропией. Кроме того, определенная форма поведения навязывается искусственной амебеэкспериментатором без учета целесообразно­ сти. Так как амеба все-таки составлена из дру­ гих веществ, чем живая, действия ее сводятся не к поддержанию собственной устойчивости или овладению активной энергией, а к подра­ жанию действиям, целесообразным в других условиях и для системы из других веществ.

Только одно химическое вещество — со­ полимер нуклеопротеид — стало носителем жиз-

ни. Оно оставалось устойчивым при отливах и приливах

ков-мономеров — нуклеотидов, каждый из которых сам состоит из трех частей: пятиуглеродного сахара, фосфа­ та и основания.

Известно пять разных оснований и два вида сахара, которые могут входить в неуклеотид. Следовательно, возможны десять разных по химическому составу нуклео­ тидов.

Протеин тоже полимеризуется из кирпичиков — аминокислотных остатков двадцати разновидностей.

Мономеры способны соединяться в гигантские моле­ кулы белков и нуклеиновых кислот хаотически, как попа­ ло, безо всякой определенной последовательности, без це­ лесообразной организации. Впрочем, нуклеотиды с раз­ ными сахарами не могут входить в один полимер; поэто­ му получаются две нуклеиновые кислоты: рибонуклеино­ вая — РНК с сахаром рибозой и дезоксирибонуклеино-

При неуправляемой полимеризации нуклеотиды соединялись снача­ ла в небольшие цепочки с беспорядочным чередованием оснований, затем в длинные цепи — матрицы и, наконец, в двойные цепи, ко­ торые скручивались, как показано слева на геометрической. модели строения ДНК.

124

вая — ДНК с сахаром дезоксирибозой. Аминокислоты с нуклеотидами также не могут соединяться в одну цепь.

В нуклеопротеиде между последовательностями мономеров в со­ ставляющих его двух полимерах существует строгая зависимость: в при­ сутствии ДНК с определенной последовательностью нуклеотидов при по­

ных и чудовищно больших для микромира молекул белка и нуклеиновой кислоты очень индивидуальна, их каталитическая способность поэтому высокоизбирательна: из множества сочетаний, полимеризующихся в раст­ воре с равной вероятностью, они выделяют и ускоряют тот вариант, ко­ торый дает молекулы определенной формы.

Когда приходится пояснять процесс катализа, в голову приходит образ штампа: ДНК штампует РНК, а РНК — белки. Но среди машин есть более похожие устройства: это вибропитатели. Представьте себе большой ящик, в который беспорядочно засыпаны заготовки, какие-ни­ будь необточенные болты. Ящик все время трясется, и болты через во­ ронку попадают к отверстию — калибру, устроенному внизу. Воронка постепенно упорядочивает положения болтов, и через калибр они про­ ходят строго ориентированными, а те, которые не проходят в калибр, выбрасываются. Так, по-видимому, работают ионные потоки, текущие между макромолекулами. Они захватывают мономеры, проводят через калибры — сочетания атомов, отбирают их и располагают в строгом по­ рядке, зависящем от формы макромолекулы-катализатора, а этот поря­ док ускоряет течение одной из химических реакций.

При удачной комбинации аминокислот, с которой, собственно, и началась жизнь, в первородном нуклеопротеиде получился такой белок, который мог ускорять распад окружающих веществ, освобождать за­ ключенную в их связях энергию для того, чтобы продолжался синтез нуклеопротеида. Эта комбинация зависела от строения ДНК, следова­ тельно секрет удачи был спрятан в чередовании ее оснований.

При отливе энергии для такого случайно удачного нуклеопротеида резко увеличивалась вероятность сохраниться, так как вместо себя он заставлял распадаться другие вещества.

И все же он распался бы в конце концов, а воссоздавшись заново из нуклеотидов, утерял бы секрет своей устойчивости, если бы не одна примечательная особенность синтеза ДНК, вытекающая из свойств ее мономеров.

Дело в том, что, когда нуклеотиды соединяются в цепочку, где са­ хар чередуется с фосфатом, основания остаются свободными и торчат из цепочки, как зубцы. Их всего четыре: аденин, тимин, гуанин и цито­ зин. Два из них (аденин и гуанин) побольше, а два (тимин и цитозин) — „поменьше. Таким образом, зубцы получаются неровные.

У аденина и тимина имеется по одному атому водорода, теряя кото-

125

t

рый, можно присоединять другие основания, а у гуанина и цитозина — по два; поэтому аденин, например, может соединиться либо с аденином же, либо с тимином. Но если аденин присоединит аденин, а тимин — тимин, получится неустойчивое соединение.

Если же аденин присоединит нуклеотид с тимином, а тимин ■— с аде­ нином, возникает прочная вторая цепочка, где чередования зависят от расположения нуклеотидов в первой.

Обе сахарно-фосфатные цепочки в растворе скручиваются в двой­ ную спираль, а пары основани.' располагаются, как ступени старинных винтовых лестниц, внутри этой спирали.

Когда происходит разрыв двух цепочек в ДНК по водородным свя­ зям, свободные нуклеотиды дополняют обе половинки так, что появля­ ются снова две двойные цепочки с одинаковым чередованием оснований. Иначе говоря, ДНК способна размножаться, не теряя своей индивиду­ альности, лишь бы ей хватало энергии и материала — мономеров.

126

Предположим, что у нас имеются два нуклеопротеида, вырабаты­ вающие катализаторы для разложения сложных веществ вокруг себя. Поскольку у них разная индивидуальность, зависящая от чередования оснований в ДНК, активность катализаторов и строение их тоже раз­ личны. Более активный катализатор даст своему нуклеопротеиду боль­ ше энергии для синтеза и позволит ему обогнать другого в количествен­ ном росте. Если удастся, катализатор даже разложит на части другой нуклеопротеид. И обломки его — нуклеотиды и аминокислоты — после перекомбинации станут копией первого, более удачного молекулярного автомата.

Раскрытие самой интимной химии жизни — путей наследования мо­ лекулярных структур — стало одним из наиболее выдающихся достиже­ ний современной биологии. Первый намек на разгадку этой тайны по­ явился в 1944 г., когда микробиолог Эвери обнаружил, что микробы, по­ лучающие ДНК от другого вида микробов, постепенно приобретают и наследуют свойство этого вида. В 1952 г. Херши и Чейз описали зара­ жение бактерии ее паразитом — бактериофагом, при котором белок фа­ га остается вне тела бактерии и только ДНК входит внутрь, а затем внут­ ри бактерии появляются фаги-потомки. Четыре года спустя Гирер и Шрамм воспроизвели это явление экспериментально: они сами выделили нуклеиновую кислоту вируса и, вводя ее в живую ткань, получили новые вирусы. Незадолго перед этим Г. Френкель-Конрат и Стенли составили смешанные вирусы из белков и нуклеиновых кислот, принадлежащих разным видам вируса: скомбинированные вирусы получили признаки того вида, от которого была взята ДНК. Чаргафф и другие исследова­ тели выяснили многозначительные количественные закономерности: у каждого из видов живых существ в клетках тела оказывалось постоян­ ное количество ДНК, а в половых клетках ее было ровно вдвое меньше. Количество адёнина в точности равнялось количеству тимина, гуанина было столько же, сколько цитозина, но тимин и гуанин содержались в разных пропорциях, характерных для данного вида.

И наконец в 1953 г. хитрую молекулярную технику ДНК полностью расшифровали английский физик Ф. Крик и американский биолог Дж. Уотсон, изучая рентгеновские снимки молекул.

Что же означает эта техника для нуклеотида?

Теперь некоторое повышение уровня организации системы, возник­ шее случайно, уже не теряется среди обратных отклонений в сторону не­ целесообразности и беспорядка, хотя оно и менее вероятно. Оно приоб­ ретает общее распространение и становится основой для новых проб и ошибок, автоматически выполняемых живой молекулярной системой.

До тех пор, пока нуклеиновая кислота только копирует свое строе­ ние, этот процесс принципиально не отличается от обычной кристалли­ зации: одна структура повторяется многократно, как рисунок на обоях или ткани, количество информации не изменяется. Когда в это строение вмешивается шум, появляется ошибка, дислокация, или, говоря языком биологов, мутация, количество информации даже уменьшается: возни­

127

кает неопределенность, инфор­ мация становится неполной. Ведь ошибка сама по себе не имеет однозначного отношения к критерию устойчивости: она может быть полезной или вред­ ной, и есть все увеличивающая­ ся вероятность, что она окажет­

всех входящих в него молекул ДНК. Так размыкается сигнальная система, и информация, скрытая во внешнем потенциале — в среде, накапливается внутри системы.

По вопросу о том, случайны или закономерны наследственные изме­ нения в ДНК, до сих пор продолжается ожесточенный спор. При этом нередко речь идет о разных вещах: то об одной молекуле, то о целом ансамбле их. Изменения в одной молекуле возникают случайно, нена­ правленно. Причиной их может быть космическая частица, затронувшая структуру молекулы, радиоактивное излучение Земли, тепловое движе­ ние частиц, составляющих молекулу, или некоторые химические веще­ ства, прорвавшиеся через защитные оболочки. Но исчезают или распро­ страняются эти изменения не случайно, а в закономерной приспособи­ тельной зависимости от условий внешней среды.

Так осуществляется отбор содержательных вариантов из шума на основе критерия существования — великий закон органического мира,

128