Информационная феноменология жизни. Часть I: Внутриклеточные информационные отношения
Отдавая дань в развитии современных информационных технологий аспектам software, необходимо подчеркнуть, что общий прогресс этой области деятельности в значительной степени обуславливается перманентной сменой элементной базы. В отличие от этого ароморфоз живой природы происходит практически при постоянстве элементной базы операционных средств и памяти, обеспечивающих реализацию программного управления клеточными жизненными циклами всех живых организмов на Земле. Достаточно уверенно считается, что основой всех типов «процессорных» элементов живой природы является РНК. Процитируем лауреата Нобелевской премии за открытие каталитических свойств РНК Т. Р.Чека «Во всех известных на сегодня случаях субстратом для ферментативного действия РНК является сама РНК – участки той же полимерной молекулы, другая полимерная молекула РНК или же единичный нуклеотид. Вероятно, это не случайно. РНК прекрасно подходит для взаимодействия с РНК, и гораздо труднее представить, как она может сформировать хороший центр связывания, предназначенный для взаимодействия с иными важными биологическими молекулами, скажем, с аминокислотами или жирными кислотами. Поэтому, как мне кажется, если и будут найдены другие примеры каталитической активности РНК, субстратом в них тоже должна быть РНК.
Разумно выглядят две возможности. Одна из них предполагает участие маленьких рибонуклеопротеидных частиц, присутствующих в ядрах клеток, – так называемых частиц мяРНП (малые ядерные рибонуклео-протеиды), которые необходимы для многих реакций «созревания» РНК в ядре, включая сплайсинг. Каждая частица мяРНП состоит из молекулы РНК и нескольких молекул белков. Не исключено, конечно, что эти частицы просто отмечают, как маркеры, в предшественнике мРНК те точки, в которых «обычные», белковые ферменты должны осуществить сплайсинг. Но, по моему мнению, мяРНП принимают непосредственное участие в катализе.
Другая возможность связана с рибосомой. Рибосома состоит из 55 или более молекул разных белков и нескольких молекул РНК. Некоторые из субстратов, с которыми приходится иметь дело рибосоме, тоже представляют собой РНК – тРНК и мРНК. Работы многих исследователей, и прежде всего группы под руководством К. Возе из Иллинойсского университета в Эрбана-Шампейн и Г. Ноллера-младшего с сотрудниками из Калифорнийского университета в Санта-Крусе, показали, что в ходе эволюции пространственная структура рРНК менялась очень мало. Этот результат и тот факт, что существуют мутации рибосомных РНК, влияющие на синтез белков, можно интерпретировать как указание, что рРНК непосредственно участвуют в синтезе белка».
Не будем обсуждать более подробно это изумительное свойство живой природы – единство «процессорной элементной базы» всех живых организмов. Отметим лишь, что в ходе эволюционного развития эукариотных организмов мультипрограммность их генетического обеспечения привела к определенным изменениям внутриклеточных интерфейсов и информационных протоколов, которые присущи прокариотам. Естественно, в первую очередь, это касалось необходимости выполнения функций операционной системы и обеспечения языковых средств представления всей совокупности генетической информации для реализации эффективной синергетической увязки действия разных программ в ходе развития эукариотных организмов. Особенно ярко это проявляется в многоклеточных организмах, но даже у примитивных одноклеточных эукариот, например Tetrahymena thermophila, четко проявляются отличия протоколов структурирования генетической информации. Наиболее существенные изменения в протоколах реализации внутриклеточных информационных отношений при переходе от прокариот к эукариотам произошли в реализации процедур транскрипции иРНК и процедур организации записи (хранения) и чтения генетической информации на молекулах ДНК, а также передачи ее для активизации и исполнения. Эти изменения принципиально обусловлены переходом к мультипрограммной структуре информационных отношений эукариотных клеток.
Рассматривая аспекты формирования и реализации на клеточном уровне мультипрограммного обеспечения развития жизненных циклов и организации воспроизводства живых организмов, с феноменологической точки зрения необходимо обратить внимание на возникновение на этой основе принципиально новых уровней организации информационного обеспечения в живой природе, которые выходят за рамки клеточной замкнутости и охватывают клеточные ассоциации, а также еще более высокий уровень – организацию репродукции многоклеточных организмов. В данном случае речь идет о специализации и дифференциации клеток многоклеточных организмов в ходе их жизненных циклов, а так же о генетической рекомбинации при размножении двуполых организмов. Именно эти аспекты обусловили вектор ароморфоза эукариотного надцарства живой природы, который мы наблюдаем.
Наряду с обеспечением синергетической увязки мультипрограммных компонент генетической информации элементы системного программного обеспечения играют существенную роль в защите информационных внутриклеточных процессов от возможных генетически не регламентированных воздействий. Это повышает устойчивость процессов редупликации клеток организмов в рамках одного вида. Вместе с тем реализация этих функций ограничивает вариабельность изменчивости клеточных образований каждого вида. Не это ли является причиной содержательной стороны онтогенеза многоклеточных? Ведь в нем фактически повторяется эволюция эукариотов от простейших до соответствующей ветви многообразия этого царства живых организмов. Подобный способ развития организмов практически исключил комбинаторный принцип эволюции клеток, присущий прокариотам.
Сформировалась основополагающая тенденция эволюции эукариотных организмов, опирающаяся на наследственность продуцирующей генетической информации в ходе эволюционных преобразований. Возможно одним из фактов, подтверждающих эту гипотезу, являются результаты расшифровки геномов эукариотных организмов, значительно разнесенных по таксономическим категориям. Последние результаты исследований в этом направлении показывают большое перекрытие генетического материала, определяющего процессы синтеза белков во всей пирамиде многообразия эукариотных организмов. В тоже время структурная организация системного программного обеспечения весьма отлична даже в недалеких таксонах: начиная от количества и структуры хромосом до организации генов.
Диплоидность – парадигма структурной организации генетической информации эукариот
Реализация моно– или мультипрограммного обеспечения организации процессов жизни клеток в своей сущности представляет собой достижение цели, которой является акт тиражирования генетической информации для дальнейшего воспроизведения новых клеток. Это связано с тиражированием и передачей информации во вновь рождающиеся клетки – внешние структуры по отношению к клетке, завершившей свое развитие. На этом этапе информационные отношения реализации генетической информации выходят из категории чисто имманентных (структурных) аспектов и переходят (с феноменологической точки зрения) в аспекты, связанные с трансцендентными системными уровнями. Естественно, что переход к другим феноменологическим системным уровням обуславливает свои принципы организации информационных отношений. При этом необходимо отметить, что даже сам акт тиражирования (воспроизведения) новых клеток представляется отнюдь не однозначно. На основе применения операционных систем возникают возможности от узкой специализации до широкой универсализации компьютерных установок, а так же их функционального перепрофилирования в ходе эксплуатации. При обсуждении процессов формирования внутриклеточных информационных отношений и процессов эволюции прокариот было отмечено, что их ароморфоз происходил на основе потенциальных возможностей программного обеспечения эволюционно предыдущих поколений. Этот тезис абсолютно уместен и для объяснения появления эукариотных организмов. В основе этого – единство элементной базы внутриклеточных операционных органелл. Это касается как обработки и хранения генетической информации, так и формирования базисной компоненты фенотипической информации – белков и формируемых на их основе ферментов.
Представляется, что прелюдией эукариотного симбиоза двуполых организмов являлись трансцендентные процессы генетической рекомбинации прокариот. С этих позиций, в частности, обоснован интерес рассмотрения гипотез о формировании и действии механизмов тиражирования клеток.
Эффективность акта деления клетки для образования новых организмов напрямую определяется качеством процедуры репликации генетической ДНК, копии которой передаются дочерним клеткам. Под качеством копий подразумевается количество ошибок во время репликации, которое оценивается вероятностью (средней частотой) несовпадения последовательностей азотистых оснований в молекулах ДНК дочерних клеток в сравнении с материнской молекулой ДНК. Анализ супрамоллекулярных процессов полуконсервативной репликации ДНК, учитывающий физико-химические свойства оснований при образовании водородных связей в молекуле ДНК при отсутствии ферментов, дает значение вероятности появления ошибок – 10-2. Естественно, при таком «шуме» появление каких-либо устойчивых популяций практически невозможно. В реальных живых организмах точность копирования ДНК чрезвычайно высока. Ошибочное включение оснований происходит с вероятностью 10-8 – 10-10. Это обеспечивается работой ферментных систем.
В поддержании высокой точности репликации ДНК принимают участие три ферментные системы. Первые две системы работают во взаимодействии с аппаратом репликации ДНК, они обеспечивают механизм предотвращения ошибок. Третья система, действующая по завершении синтеза, обеспечивает механизм коррекции (репарации). Почему такое многообразие, казалось бы, для достаточно рутинной и регламентированной процедуры? По всей видимости, это связано со структурной нетривиальностью хиральной организации молекулы ДНК. Напомним, Д.Уотсон и Ф.Крик показали, что ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей. Каждая цепь закручена в спираль вправо, и обе свиты вместе, т.е. закручены вправо, вокруг одной и той же оси, образуя двойную спираль. Цепи антипараллельны, т.е. направлены в противоположные стороны, так что 3`-конец одной цепи располагается напротив 5`-конца другой.
В 1967г. А.Корнберг показал, что открытый им в 1956г. фермент ДНК-полимераза присоединяет нуклеотиды только в направлении 5`→3`. Поскольку две цепи ДНК антипараллельны, т.е. направления 5`→3` у них топологически противоположны, то ДНК-полимераза, в связи с собственной хиральностью, может непрерывно строить лишь одну новую цепь молекулы ДНК. Эту цепь принято называть лидирующей. Другая дочерняя молекула ДНК синтезируется отдельными короткими участками (фрагменты Оказаки – по имени исследователя, впервые их обнаружившего) под действием ДНК-полимеразы, движущейся в противоположном направлении. Эта цепь называется запаздывающей (отстающей). Отстающая цепь растет в направлении противоположном движению репликационной вилки разъединения цепей родительской ДНК. При синтезе отстающей цепи происходит множество актов инициации (для каждого фрагмента Оказаки). Короткие участки отстающей цепи (фрагменты Оказаки) связываются воедино ферментом ДНК-лигазой. Длина фрагментов Оказаки составляет порядка 103 п.н. у прокариот и 102 п.н. у эукариот. Такое различие (в 10 раз!) наверняка связано с более сложной структурной организацией хранения генетической информации у эукариот. Возможно, восприятие этой структурной сложности обусловлено и обеспечивается не столько непосредственно молекулами ДНК, сколько общей структурой организацией хромосом. В этой ситуации важной структурой, а возможно в значительной степени определяющей и доминирующей с точки зрения процессов организации и восприятия сложности структурной организации генетической информации эукариот, являются белковые оболочки (гистоны) хромосом. Эта фенотипическая информация может существенно структурно изменяться в ходе жизненного цикла клетки и обеспечивать полиморфизм восприятия и операционной интерпретации генетической информации, непосредственно связанной с молекулой ДНК.
Приведенное описание иллюстрирует определенную сложность процедуры элонгации (этап непосредственного синтеза новых молекул ДНК), которая связана с необходимостью синергетической увязки и жесткой временной синхронизации формирования дочерних молекул ДНК в эукариотных клетках. На первом этапе механизмы синтеза дочерних цепей молекул ДНК и предотвращения в них ошибок основаны на простых ферментативных реакциях, в которых более энергетически выгодные реакции преобладают над менее выгодными. Точность репликации зависит главным образом от эффективности выбора правильного нуклеотида. Селекцию и соединение нуклеотидов в полимерную цепь осуществляет фермент ДНК-полимераза из свободных нуклеотидов, присутствующих в клетке в виде трифосфатов, т.е. несущих три последовательно соединенные фосфатные группы. Для того чтобы нуклеотид можно было присоединить к растущей цепи ДНК, он сначала должен быть превращен в монофосфат. В связи с этим, синтез протекает в две стадии: расщепление нуклеотидтрифосфата до монофосфата и затем присоединение монофосфата к растущей нуклеотидной цепи. За счет каталитических свойств фермента ДНК-полимеразы и супрамолекулярной структуризации молекул ДНК вероятность включения неправильных нуклеотидов на этой стадии снижается до значения – 10-5, т.е. первая система предотвращения ошибок повышает качество репликации ДНК на три порядка, по сравнению с возможностями синтеза без участия ферментов.
В 1970-х годах сотрудниками Станфордского университета Д.Брутлагом и А.Корнбергом был открыт фермент, названный ими «редактирующая экзонуклеаза», который либо входит в состав полимеразы, либо тесно с ней ассоциирован. Он способен удалять с конца синтезируемой цепи ДНК некомплементарные нуклеотиды. Механизм предотвращения ошибок на этой стадии называется «редакторской правкой». При нормальных условиях в результате совместного действия механизмов отбора нуклеотидов и «редакторской правки» вероятность ошибок снижается до 10-6-10-7. Наиболее эффективно механизмы предотвращения ошибок действуют по отношению неправильного формирования пуриновых или пиримидиновых пар.
Третья ферментная система обеспечивает механизмы исправления ошибок путем коррекции (репарации) уже синтезированной цепи ДНК. Это достигается на основе выявления во вновь созданной цепи ДНК некомплементарных пар оснований и коррекции их по значению в родительской цепи. В течение долгого времени оставалось непонятным, как в системе репарации различаются родительская цепь и новосинтезированная дочерняя. На основе идеи сотрудника Гарвардского университета М.Мезелсона было показано, что на определенном временном интервале различить родительскую и дочернюю цепь можно по степени митилирования цепей ДНК. Родительская цепь вступает в процесс синтеза молекулы ДНК метилированной, в то время как дочерняя цепь некоторое время остается немитилированной. Это позволяет системе репарации менять в некомплементарных парах нуклеотид только неметилированний цепи. Так достигается, что неправильно включенный нуклеотид удаляется именно из дочерней цепи, а последовательность родительской цепи при этом сохраняется.
Некоторая подробность описания процесса репликации ДНК прокариот связана с тем, что:
общая схема процессов, происходящих при элонгации цепей ДНК, одинакова у про– и эукариот,
механизмы обеспечения репликации ДНК по своим функциональным возможностям потенциально превосходят сферу их действия в прокариотных клетках,
с точки зрения феноменологического представления репликация ДНК обеспечивает межграничные системные отношения клетки и внешней среды (дочерние клетки – обособленные, самостоятельные системы вне границ системы родительской клетки).
Гипотеза: механизмы полуконсервативной репликации ДНК прокариот, распространяемые на диплоидную структуру организации генетического материала, явились основой возникновения и формирования половой дифференциации и полового размножения эукариотных организмов. Дадим некоторые пояснения представлений сути объектов и отношений, затронутых гипотезой.
Механизмы полуконсервативной репликации ДНК. Необходимость идентификации способа репликации ДНК обусловлена тем, чтобы выделить именно этот механизм из многообразия способов синтеза ДНК в живой природе. Например, в отличие от первичного синтеза митохондриальной ДНК. Идентичность механизмов и общей схемы организации процессов репликации ДНК у про– и эукариот достаточно убедительно иллюстрирует реализуемую в природе концепцию ароморфоза на основе расширения области действия уже отработанных имманентных механизмов во вновь возникаемых структурных организациях живых клеток. Это так же подчеркивает имманентный базис эволюции живой Природы.
Диплоидная структура организации генетического материала. Следуя гипотезе эндосимбиоза образования эукариотных клеток, в начале этого этапа ароморфоза живых организмов стали формироваться диплоидные монопарные клеточные структуры из негомологенных (гетерологенных) бактериальных хромосом симбионтов (в отличие от гаплоидных прокариотных клеток). Это являлось сутью структурной трансформации организации генетической информации при переходе от про– к эукариотам. Представляется, что негомологенная пара бактериальных хромосом симбионтов явилась вначале прообразом половых хромосом, а затем на этой основе сформировалась диплоидная структура хромосом эукариотных организмов.
Естественно предположить, что упорядочение структур симбиозных клеток и их жизненных циклов представляло собой некоторый процесс опробования и фиксирования в том или ином виде действующих механизмов репликации гаплоидных прокариот. Рассматривая схемы жизненных циклов различных эукариотных организмов, можно отметить, что в каждом из них обязательно присутствуют стадии как диплоидного, так и гаплоидного состояния организации генетической информации. При этом переход из одной формы организации генетической информации в другую для всех без исключения эукариотных организмов происходит по идентичным схемам и на основе одинаковых механизмов репликации ДНК.
Переходом от гаплоидной формы к диплоидной является акт оплодотворения (сингамии): происходит слияние содержащихся в гаметах гаплоидных ядер с образованием диплоидной зиготы – клетки, содержащей двойной набор хромосом. В некоторой степени это повторяет процедуру слияния симбионтов (эндосимбиоза) при первичном образовании эукариотных клеток. Но в данном случае, этот процесс протекает в принципиально новых условиях по сравнению с эрой начала стадии ароморфозного перехода к эукариотным клеткам. В структуре взаимодействующих гамет содержится необходимая фенотипическая информация для комплементарного формирования зиготы и обеспечения ее дальнейшего развития. Создание фенотипической информации (ферментных систем) обусловлено историей жизни клеток, т.е. процессами, протекающими при зарождении клетки, ее развитии и в ходе образования из клетки дочерних структур. Набор «данных» (фенотипическая информация), присущих каждой клетке конкретного вида организмов, которые «новорожденная» клетка воспринимает от единственной делящейся материнской клетки у прокариот существенно отличается по смысловому содержанию от «данных», передаваемых родительской парой зиготам эукариотных клеток. В первую очередь, это связано с тем, что «данные», передаваемые новорожденной клетке от родительских клеток – фенотипическая информация, у эукариотных клеток содержат сведения о регламенте инициализации тех или иных программ их мультипрограммного пула. В то время как у прокариот нет необходимости формирования и передачи такой информации из поколения в поколение. В этих клетках реализуется монопрограммное управление процессами развития клетки. Для запуска программы достаточно единичной инициации, которая обуславливается самим актом рождения клетки.
С феноменологической точки зрения в организации информационного обеспечения живых организмов источником различий про– и эукариотных клеток явилось то, что в ходе закрепления клеточного эндосимбиоза в эукариотных клетках на основе монопарных негомологенных бактериальных хромосом симбионтов сформировалась диплоидная клеточная структура хромосомной организации генетиченской информации. Еще раз подчеркнем, что это определяет феноменологическую сущностью перехода от про– к эукариотам. Следствием этого – гипотеза: основополагающей парадигмой структурной организации генетической информации эукариот является диплоидность.
В имманентном аспекте это проявляется мультипрограммностью организации управления процессами жизненного развития клеток, что определило возможность формирования многообразия существующих форм эукариотных клеток и организмов на их основе. С точки зрения программно-информационных отношений идентичность схемы процесса образования зигот для всего надцарства эукариотных организмов говорит о реликтовости механизмов этого процесса. Это лишний раз подтверждает тезис об инициации ароморфоза на основе имманентной потенциальной функциональной избыточности и высокой степени возможностей реализации вариаций программно-информационного обеспечения жизненных процессов клеток.
Можно отметить, что концепция влияния потенциальной функциональной избыточности программно-информационного обеспечения на модернизацию, развитие и, по большому счету, на эволюцию информационных систем и технологий характерна не только для биологических систем, но широко известна в технике и информатике. Фактически, обязательным атрибутом проявления потенциальной избыточности программного обеспечения считается наличие его недекларированных возможностей. Это явление неоднозначно влияет на эффективность функционирования и эксплуатации информационных систем. С одной стороны наличие недекларированных возможностей, подчас даже неизвестных и не осознанных разработчиками, создает предпосылки нелегального и/или нелегитимного использования ресурса информационных систем и, в первую очередь, информационного ресурса. Это вносит большие сложности при создании систем с конфиденциальной информацией, а также систем управления процессами, для которых нарушения установленных регламентов может приводить к опасным и чрезвычайным ситуациям. На преодоление этих недостатков общество затрачивает существенные ресурсы. Разработки ведутся на высочайшем научном уровне, и все-таки обеспечить полную блокировку недекларированных возможностей не удается. С другой стороны, наличие недекларированных возможностей позволяет пользователям раскрыть новые актуальные приложения действующих информационных систем и технологий. Эти результаты обычно являются стимулом развития и hard– и software. История бурного развития информационного обеспечения общества на основе компьютерных технологий показывает, что положительные эффекты от недекларированных возможностей во многих ситуациях превалируют над недостатками. Именно эти факты обеспечивают беспрецедентное по интенсивности развитие этой сферы ресурсов и услуг в современном мире. Отрадно отметить, что это совпадает с тенденциями развития живой природы.
Половая дифференциация и половое размножение эукариотных организмов. Во всех без исключения эукариотных организмах наряду с диплоидностью в жизненных циклах присутствует гаплоидная фаза организации генетического материала. Вполне возможно, это явилось некоторым атавизмом, обеспечивающим возможность быстрой и эффективной адаптации гаплоидных прокариотных механизмов репликации генетического материала к диплоидным эндосимбиозным структурным образованьям. Актом превращения эукариотной клетки с диплоидной структурой организации генетической информации в набор гаплоиднах клеток является мейоз.
Для всех эукариотных клеток процедура мейоза практически идентична. Отсюда представление об архаичности формирования механизмов мейоза в эпоху еще до начала дифференциации эукариотных организмов на будущие их царства. Этот факт определяется, по-видимому, именно тем, что процедура мейоза формировалась на основе адаптации прокариотных механизмов репликации ДНК, нюансы которых связаны, например, с реализацией генетической рекомбинации при размножении прокариотных организмов. Использование в данном случае термина «организм», а не клетка, представляется обоснованным. В этих ситуациях процесс формирования и тиражирования передаваемой дочернему поколению генетической информации обусловлен не только имманентными клеточными свойствами, но и трансцендентными отношениями, связанными с поведением клетки именно как организма. Заметим в связи с этим, что для прокариотных организмов ситуации генетической рекомбинации на основе трансцендентных отношений организмов носят случайный характер, в то время как для жизненных циклов эукариотных организмов это регламентированное явление.