книги из ГПНТБ / Теплов Л. Очерки о кибернетике

открытый Чарлзом Дарвином (1809—1882). Каждое новое поколение, возникая на основе старой информации, опытом своего существования добавляет в нее содержание и, как эстафету, передает потомкам.

Знаменитый английский естествоиспытатель был занят только одной проблемой: откуда возникли разные виды животных и растений и поче­ му они так хорошо приспособлены к среде обитания? Он не догадывал­ ся о возможности более широких обобщений. А принцип отбора из шума является общим свойством информации (его иногда называют «мето­ дом проб и ошибок»). Заключается он в том, что хаотические сигналь­ ные сочетания могут быть обращены в информацию при отборе тех из них, которые соответствуют некоторым наперед заданным условиям. Лишь один мыслитель заметил, что Дарвин не только нанес удар телео­ логии, но и «эмпирически выяснил ее рациональный смысл», впервые отнес его теорию ко всем без исключения случаям целесообразности и управления в природе. Это был Карл Маркс.

двоичных знаков, если, например, обозначить пару «аденин-тимин» нулем, а пару «цитозин-гуанин» — единицей.

Две тысячи двоичных знаков даже при большой избыточности могут обеспечить точный выбор из огромного количества возможных комби­ наций аминокислот в белке. По подсчетам Л. Полинга, в живой природе имеется около 100 тысяч разных белков. Для выбора из этого количе­ ства требуется всего 17 двоичных знаков! Конечно, число возможных белков гораздо больше.

Сейчас известно более 20 аминокислот. Если бы взять по одной молекуле каждого их сочетания и связать из них веревку в далец тол­ щиной, то такая веревка имела бы длину более 75 тысяч... Чего бы вы думали? Миллиметров? Километров? Нет, световых лет! Ею можно было бы перевязать гигантское звездное скопление Галактику (Млечный Путь), рядовым и малозаметным членом которого является Солнце. И это была бы веревка из «волокон», еле заметных в сильнейший микро­ скоп, причем двух одинаковых «волокон» в ней бы не нашлось! Но и при этом количестве вариантов теоретически 300 двоичных знаков вполне достаточно для точного выбора: остальные избыточны.

Все высокоорганизованные живые существа имеют двухступенчатое кодирование наследственной информации, способное сократить избыточ­ ность: сначала коды ДНК определяют выбор нуклеотидов, составляю­ щих РНК, а уже молекулы РНК, более простые, определяют выбор аминокислот при синтезе белков.

В 1954 г. физики с помощью электронной вычислительной машины

вершенство методики, вынуждающей прибегать к огромным переборам, помешали закончить эту работу. Подсчитано, что если бы во времена Римской империи была запущена машина с быстродействием миллион

операций в секунду, то она до сих пор не выполнила бы всего перебо­ ра. Наиболее интересным результатом этой работы было указание на высокую содержательность наследственного кода: запрещенных или предпочтительных комбинаций аминокислот никто не нашел.

Положение, казавшееся довольно мрачным, прояснилось, когда американскому биохимику М. Ниренбергу в 1961 г. посчастливилось первому наблюдать синтез вещества —■полимера, подобного белку, в присутствии рибонуклеиновой кислоты с точно известным порядком оснований. Правда, этот порядок был очень прост: вся рибонуклеиновая кислота была полимеризована только из нуклеотидов с урацилом. Итак, был известен код

...УУУУУУУУ УУУУУУУУУ...

и хотя в растворе присутствовали все 20 аминокислот, в новообразован­ ный полимер — «белок» вошла только одна — фенилаланин!

Согласно теории, для выбора одной из 20 аминокислот «слово», обо­ значающее одну аминокислоту, должно состоять из трех букв, и код полифенилаланина, согласно опытам Ниренберга, получается такой:

...УУУ—УУУ—УУУ—УУУ—УУУ...

Затем была полимеризована нуклеиновая кислота с одним цито­ зином, и в ее присутствии получен полимер только из молекул амино­ кислоты пролина. Стали известны значения уже двух кодов:

УУУ— фенилаланин;

ЦЦЦ— пролин.

ВКембриджском университете под руководством Ф. Крика была проделана серия тончайших опытов на бактериофагах, которые подтвер­ дили, что генетический код состоит из «трехбуквенных слов» с фиксиро­ ванным началом.

Вот что это значит. Предположим, в рибонуклеиновой кислоте скрыт

код:

...УУЦУГАГАУУУУЦАУУАУ...

Он разбивается на сочетания — тройки так:

...УУЦ—УГА—ГАУ—УУУ—ЦАУ—УАУ...

и синтезирует белок с таким чередованием аминокислот:

серин — метионин — тирозин — фенилаланин — треонин — лейцин...

Теперь выбьем из кода третью от начала букву Ц (цитозин). Полу­ чится:

...УУУГАГАУУУУЦАУУАУ...

При разбивке на группы все «слова» кода переменятся:

...УУУ—ГАГ—А У У -У У Ц -А У У —АУУ...

130

и появится совершенно другой белок:

фенилаланин — глицин — изолейцин — серин •— изолейцин...

Ф. Крик и его сотрудники обнаружили, что свойства белка почти восстанавливаются в двух случаях. Если, выбив одну «букву», мы затем в любое место вставим другую, безразлично какую:

УГУ—УГА—ГАУ—УУУ—ЦАУ—УАУ...

(цистеин — метионин — тирозин — фенилаланин — треонин — лейцин),

или выбьем три «буквы» сразу:

4-УУЦ—УГА—ГАУ—УУУ—УАУ—УАУ...

(серин — метионин — тирозин — фенилаланин — лейцин — аргинин....),

в составе белка изменится или выпадет вовсе только одна аминокисло­ та, а это не сможет сильно изменить формы его макромолекулы.

К началу 1962 г. стал известен состав «слов» наследственного кода для всех аминокислот, хотя порядок букв в этих «словах» еще подлежал уточнению. Летом 1962 г. свердловский биофизик Н. Лучник, исполь­ зовав сведения о «замещениях» аминокислот в белках, создал вариант кода РНК с жестким порядком оснований. Американец Корнберг пока­ зал, что последовательность «аденин-тимин» синтезирует код «урауиладенин» в РНК. Исследования бурно расширялись и манили почти ска­ зочными перспективами. Впереди — полная расшифровка наследствен­ ного кода, а за ней синтез прямо в реакторах нужных нам белков, анти­ тел, затем вирусов и целых клеток, растений и животных! Вооруженный знаниями человек скоро сможет повторить сознательно то, что произо­

А теперь представим себе огромную, дикую нашу планету, блистаю­ щую обнаженными пластами самородного металла, буйными, кристаль­ но чистыми водопадами среди острых обломков гранита. С тихим упор­ ством маньяка в течение тысячелетий на всем протяжении береговой линии (а может быть, и в других водах) природа тасовала атомы до тех пор, пока где-то в ничтожной капле солоноватой воды не образо­ вался «центр кристаллизации» жизни — первый нуклеопротеид.

В первую очередь возникновение жизни сделало невозможным ее повторное самозарождение, так как всякие новые, варианты полимеров были менее активными и специализированными катализаторами, чем уже отобранные, и годились только в пищу потомкам первого нуклеопротеида. Дарвин заметил, что возникновение жизни было возможным только на стерильной, безжизненной Земле.

Далее, появилась возможность лавинообразного нарастания : орга­ низации вещества по всей, планете.

Предположим, что одна первородная система, имеющая более или менее удачную организацию, делится один раз в десять секунд надвое. Тогда общее количество ее потомков увеличивается в геометрической прогрессии (по степеням числа 2):

2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024, 2048...

И через час, если бы эта зависимость могла продолжаться, число потомков достигло бы величины 2360 штук. Но, как упоминалось, даже количество атомов в теле величиной с солнечную систему равно всего 2200. Никаких запасов питательных веществ в океанах не хватило бы для того, чтобы поддержать жизнедеятельность всех этих более удачных по­ томков за счет менее удачных. Первое заселение Земли было подобно вспышке, занявшей считанные минуты, а затем каждый из случайно возникших в одном организме признаков немедленно приобретал решаю­ щее значение для всего живого мира.

Отбирались первородные организмы, способные, наряду с актив­ ными ферментами-катализаторами, создавать вокруг себя оболочку, непроницаемую для высокомолекулярных соединений, кишащих вокруг. Но эта оболочка должна быть проницаема для выхода наружу фер­ ментов, вырабатываемых организмом, и для проникновения внутрь питающих его соединений типа углеводов, аминокислот, фосфатов, оснований.

Малоподвижные нуклеопротеиды, которые поддерживали уровень своей упорядоченности за счет беспорядка, устраиваемого ими в бли­ жайшей среде, погибали, а на их место приходили более запасливые, приспособившиеся к синтезу необходимых веществ, или хищники, выра­ батывающие разрушительные для соперников ферменты. Шла настоя­ щая химическая война «всех против всех», а итогом ее битв было общее совершенствование.

Положительное обратное взаимодействие характеризовало взаимо- • отношение существ со средой: наличие жизни изменяло, среду, а измене­ ния в среде заставляли жизнь приобретать новые формы.

Главным источником накопления информации в первородных клет­ ках была обратная связь между клеткой и внешним миром. Энергетиче­ ское изобилие «первородного бульона» падало, и организмы приспосаб­ ливались уже к результатам собственного приспособления. Оба про­ цесса — внешний и внутренний — развивались непрерывно, плавно, и только благодаря этому мог совершаться отбор. Давно уже было заме­ чено и сформулировано в так называемом «биогенетическом законе» Мюллера — Геккеля, что аппарат наследственности неспособен к реши­ тельной, полной перестройке своих кодов: он накапливает их и выдает в последовательности накопления, так что высший организм в процессе роста некоторое время проходит стадии, на которьих останавливались его предки. Резкое изменение условий могло бы убить все живое, не успевшее накопить информации, достаточной для приспособления к ним.

132

Ионные процессы, происходящие в плазме, чувствительны к солнеч­ ной радиации, теплу, давлению, изменениям в электрическом поле и химическом составе окружающей клетку жидкости. Естественный отбор может обеспечить либо снижение чувствительности, либо ее обострение и в зависимости от этого направить развитие первородных организмов по пути превращения их в растения или в животных.

Первоначально энергию для своего синтеза нуклеопротеиды полу­ чали, разлагая более неустойчивые и богатые энергией соединения, на­ пример аденозинтрифосфат АТФ. К тому времени, когда среда потеряла запас АТФ, клетки успели выработать ферменты для разложения саха­ ра брожением, а свободную энергию научились запасать впрок, синте­ зируя АТФ. При брожении выделялся углекислый газ. Когда иссякли запасы свободных сахаров, выжили и распространились клетки, научив­ шиеся создавать сахар из углекислого газа и воды за счет энергии сол­ нечного излучения. Раньше энергия Солнца должна была вызывать на­ копление химической энергии во внешней среде. Теперь появились клет­ ки, включившие связывание лучевой энергии в свою структуру. При этом выделялся свободный кислород, а используя его, клеткам удалось бо­ лее экономно использовать энергию сахаров, изменив химию их разло­ жения — перейти от брожения к дыханию. Распадающиеся остатки жи­ вых существ способствовали образованию почвы.

Так изменялись атмосфера и поверхность планеты, а область, где могла существовать жизнь, распространилась на планету, всю ее сушу и все воды.

Количество информации, как известно, зависит от вероятности изби­ раемого продолжения процесса. Поэтому в одной свободной клетке — и в миллионах их, составляющих большую колонию, — количество ин­ формации может быть одинаковым, если между тканями нет различия в функциях и структуре. Одно уклонение от нормы, несущее полезный признак, может распространиться на большее или меньшее число кле­ ток, и от их количества величина информации, содержащаяся в уклоне­ нии, также не меняется. Весьма вероятно, что каждая новая клетка будет похожа на свою предшественницу в лестнице клеточных делений Наоборот, прекращение делений на уровне, целесообразном для всего организма, имеет некоторую невероятность: нужен особый гормон, что­ бы его осуществить, нужна обратная связь, приносящая в центр управ­ ления сообщение о достигнутом объеме ткани и уносящая команду об изменении темпа делений.

Клеточные деления в подавляющем большинстве живых организмов осуществляются особым способом, который называют «митозом». Он обеспечивает сохранность аппарата наследственной информации и выра­ ботался в результате длительного процесса накопления информации.

При митозе агрегаты из молекул ДНК удерживают на себе белки и превращаются в микроскопически различимые нитевидные образова­ ния — хромосомы. Обычно в ядре современных клеток, которые суще-

133

ствуют отдельно или входят в состав многоклеточных организмов, появляется несколько парных хромосом, а оболочка ядра исчезает. Далее увеличивается электриче­ ская активность белковых образований в плазме — цен­ тросом, обмен ионами между ними усиливается, и ориен­ тированные вдоль путей обмена полимеры образуют фи­ гуру «митотической звезды». Дальнейшее увеличение электрического отталкивания между центросомами вы­ зывает расщепление хромосом, а затем и деление всей клетки.

В 1957 г. микробиолог Тейлор пометил радиоактив­ ным тритием все водородные связи одного набора хромо­ сом, а затем определил радиоактивность клеток, полу­ чающихся при делении. Первые две клетки, получившие по половине меченых хромосом, были радиоактивны. Из их четырех потомков радиоактивность была обнаружена у двух. И далее из гигантски увеличивающегося количе­ ства клеток только две были радиоактивны, хотя и про­ должали делиться наравне с другими.

Результат опыта наглядно показал, что полухромосомы далее не дробятся и не распадаются; как целые об­ разования, они переходят из клетки в клетку, воспроиз­ водя подобные себе половинки из материала плазмы,

Обеспечение митоза потребовало нового важнейшего

масса ДНК в ядре активна уже не на всей своей поверх­ ности, а лишь в пределах некоторых очагов активности, которые перемещаются от молекулы к молекуле. К этим очагам поступает энергия АТФ, здесь синтезируются мо­ лекулы РНК, которые уходят в плазму и там катализуют синтез белков. Шаг развертывания программы во време­ ни подчиняется росту общей активности плазмы, завися­ щей от накопления питательных веществ, а в многокле­ точном организме — и особым веществам: гормонам. Яд­ ро последовательно изменяет сигналы, управляющие син-

Сложная перестройка клетки при делении называется митозом. В на­ чале митоза (см. сверху) расходятся контролирующие друг друга молекулы ДНК и формируются парные нити — хромосомы. Они рас­ полагаются между полюсами сил отталкивания, расщепляются, тут же восстанавливаются за счет свободных нуклеотидов и расходятся к полюсам. Образуются два подобных ядра, и клетка делится надвое.

134

тезом белков, а с ним — всеми проявлениями жизни в клетке.

Из того, что наследствен­ ная информация содержит все признаки будущего организма, не вытекает, конечно, предста­ вительство каждой структуры организма, каждой его клетки

икаждого внутриклеточного образования в коде ДНК. Один

итот же сигнал способен опре­

делить строение множества од­ нообразных структур или на­ правление изменения структу­ ры. Некогда в Ирландии жил олень, рога которого из поко­ ления в поколение становились все более мощными, и расстоя­ ние между концами их дости­ гало трех с половиной метров. Олень не смог выдержать тя­

жести своих рогов и вымер. Видимо, не постепенное накопление призна­ ков привело ирландского оленя к печальному концу, а один сигнал, гормон, направляющий рост ткани в сторону увеличения. Возможно, резкое увеличение больших полушарий мозга обезьяны, положившее на­ чало формированию человеческого организма, было вызвано одним изменением в коде наследственной информации и было урегулировано затем возможностями вынашивания головастых детенышей.

...Помните в конце «Мертвых душ» со страниц поэмы выглядывает вдруг доморощенный мыслитель Кифа Мокиевич. Человек он был нрава кроткого, проводил жизнь халатным образом, как пишет Гоголь, и занимался разными сложными проблемами. «Например, зверь, — гово­ рил он, ходя по комнате, — зверь родится нагишом. Почему же именно нагишом? Почему не так, как птица? Почему не вылупливается из яйца?» Мысли, занимавшие этого чудака, перекликаются с содержанием многих проблем кибернетики. «А когда из яйцеклетки разовьется неко­ торая форма, — размышляет У. Р. Эшби, — то кибернетика спросит: по­ чему результатом изменений явилась форма кролика, а не форма собаки, форма рыбы или даже форма тератомы?» '. В совпадающем «почему?» Кифы Мокиевича и современного кибернетика скрываются три вопроса: каково назначение разных форм жизненного процесса, как возникли эти формы исторически и каков механизм проявления этих форм всякий раз, когда образуется новый организм?

' Т е р а т о м а — организм с врожденными уродствами.

135

стала размножаться в обычной среде и давать полноценное потомство.

физика — отравляет наши надежды. Ионизирующее излучение само по себе может только разрушать, но не восстанавливать, только умень­ шать потенциал информации в наследственном аппарате клетки, но не увеличивать его. Когда разящий луч касается сокровенных глубин жи­ вой клетки — ее нуклеиновых кислот, — а бурно рождающиеся потоки ионов рвут и перемешивают молекулярные буквы, которыми записан наследственный опыт, — снова найти прежний порядок клетка может только путем проб и ошибок, путем естественного отбора. Возврат к старому законы статистической физики не запрещают абсолютно — на то они и статистические, а не абсолютные законы! Но они достоверно утверждают, что ни мы, ни тысячи поколений исследователей после нас такого возврата не увидят.

Статистическая физика вообще не запрещает явлений, которые фактически никогда не происходят и произойти не могут. В комнате, например, быстрые и медленные молекулы воздуха распределены рав­ номерно, и поэтому температура воздуха одинакова. Но пути молекул случайны, и, собственно, ничто не мешает холодным молекулам, имею­ щим малую скорость, собраться в одном месте, а горячим, быстрым — в другом. Шкаф представляет собой рой молекул, движущихся в разные стороны. Если бы направления их путей совпали (скажем, все молеку­ лы направились только вверх), то шкаф взлетел бы без приложения внешней силы. Оба события противоречат двум началам термодинами­ ки — закону сохранения энергии и закону возрастания энтропии, и все же они не невозможны, а крайне маловероятны.

. Нам могут возразить — и как часто это делают! — что законы ста­ тистической физики не могут определять свойств живого организма. Как известно, еще Аристотелем было выдвинуто утверждение о еди­ нообразном направлении развития мира: от простого и несовершенного к более сложному и совершенному. Это обобщение хорошо выводилось из биологического материала, но прямо противоречило второму началу термодинамики; физики и биологи держались здесь крайне противопо­

138