Информационная феноменология жизни. Часть I: Внутриклеточные информационные отношения
На основе выявленной однонаправленности А-минорных связей исследователи подразделили молекулу 23S-рРНК на более мелкие относительно независимые блоки, с учетом того, что А-минорная связь поддерживает стабильность трехмерной структуры лишь той части молекулы 23S-рРНК, к которой принадлежит создающий ее аденозиновый стек. В результате этого нарушение А-минорной связи приводит к нестабильности и, как следствие, к разрушению той части фрагмента молекулы 23S-рРНК, в которой находится соответствующий аденозиновый стек. В тоже время стабильность структуры, к которой принадлежит двойная спираль, индифферентна к потере А-минорной связи. Исследователям удалось выявить 60-ти блочное деление структуры молекулы 23S-рРНК, при котором направленный граф А-минорных связей представляет собой дерево, т.е. не имеет циклов. Это предполагает возможность отделение фрагмента с аденозиновым стеком без нарушения структуры остающейся части. Гипотеза исследователей: направленный граф межблочных А-минорных связей отражает последовательность добавления блоков в ходе эволюции молекулы. Подтверждением гипотезы является то, что молекулу действительно можно постепенно «разобрать» ни разу не нарушив структуру остающихся блоков. И этот «разбор» приводит к ожидаемому результату: в основании графа межблочных А-минорных связей лежит участок пятого домена (составляющий 7% общей массы молекулы 23S-рРНК), содержащий в себе каталитический центр, ответственный за реакцию транспептидации.
Оказывается, что принцип наращивания и структурного усложнения полирибонуклеопротеидного комплекса рибосомы довольно прост. Заметим, что этот принцип весьма совпадает с рассмотренной моделью фрактального роста на основе агрегации, ограниченной диффузией. Агрегация, при этом регулируется супрамолекулярными отношениями, которые, по-видимому, и поддерживают отсутствие переупорядочения, (например, однонаправленность межблочных А-минорных связей в структуре графа – дерева). В тоже время, необходимость реализации супрамолекулярных отношений (они весьма многофакторны и причудливы) значительно влияет на снижение скорости диффузии, что в свою очередь определяет достаточно невысокий темп происходящих эволюционных изменений особенно на этапах формирования надцарств (про– и эукариотов).
Говоря об агрегации, ограниченной диффузией, хочется подчеркнуть, что это не программируемый процесс, а процесс, зависящий от достаточно случайных событий не только совпадения и возможностей реализации супрамолекулярных отношений, но и событий, связанных с синергетической увязкой вновь возникающих структур с окружающей биосферой, как в ресурсном обеспечении, так и в информационных отношениях. Вследствие фактически абсолютной идентичности рибосом для всех особей в каждом биологическом надцарстве (про– и эукариоты) и фундаментальной значимости рибосом в обеспечении жизни всех организмов, можно считать, что процессы действенного конструктивного формирования этих надцарств начинались именно со времени определенного завершения структуризации рибосом каждого надцарства. В развитии биосферы на нашей планете это произошло дважды: при переходе от пражизни к прокариотной биосфере и при зарождении в структуре прокариотной биосферы надцарства эукариотов, и каждый раз длительность этих переходных этапов начального формирования надцарств занимала около 1млрда лет. Возможно, это характерный временной масштаб для такого глобального типа фрактальных процессов в общепланетарном объеме живой материи нашей биосферы. Кажущаяся медлительность эволюционных процессов в эти переходные периоды в сравнении с темпами эволюционных преобразований, например, в надцарстве эукариот, может быть в определенной степени обусловлена различием механизмов формирования фрактальных процессов схемной реструктуризации базовых клеточных органелл и процессов коэволюции организмов на основе вариации информационных отношений синтеза фенотипической информации, определяющей реальную структуру живых организмов.
Одним из явных факторов, влияющих на различие временных масштабов эволюционных процессов базовых клеточных органелл и организмов в целом, является различие принципов и, в результате этого, объемов тиражирования элементной базы внутриклеточных структурных образований для реализации информационных отношений на основе генетической информации (молекулы РНК и ДНК) и белков – основы ферментативных клеточных систем. Эти различия достаточно отчетливо иллюстрируются на примере рибосом и рибосомных РНК. В результате процесса трансляции за один оборот клеточного цикла на основе одной копии гена, воплощенной в молекуле иРНК, синтезируется порядка 104 молекул белка (например, миоглобина). В тоже время, синтез рибосомных РНК осуществляется только путем транскрипции рДНК генов в молекулы рРНК: «один в один» (рРНК являются конечным продуктом генов рДНК). Здесь нет стадии трансляции, на которой могло бы произойти резкое увеличение выхода продукции. Из этого видно, что временные и ресурсные масштабы реакции на какие-либо изменения рРНК и изменения в фенотипической информации отличаются не менее чем на порядок тиража синтеза молекул белка с одной молекулы иРНК, т.е. более чем в 104 раз. При этом следует учесть, что в каждой клетке для обеспечения жизненного цикла присутствует 104 – 106 рибосом. Это подсказывает, что успех появления устойчивых жизнеспособных организмов с новыми структурными воплощениями рибосом является результатом длительного, в значительной степени стохастического, процесса, который по своим временным масштабам изменчивости существенно медленнее процессов эволюционной изменчивости организмов за счет вариаций генетической информации, связанной с репродукцией фенотипической информации.
Хромосомы
При переходе от прокариот к эукариотам наибольшие топологические и структурные изменения материального обеспечения реализации информационных отношений в жизни клеток произошли в организации долговременного хранения генетической информации. Носителями хранения генетической информации остались молекулы ДНК. Сохранился и генетический код, но существенно изменилась форма организации хранения генетической информации. Это наглядно отражается в процессах митоза эукариотных клеток. Одним из ключевых признаков различных типологий и классификаций митоза является совместное поведение ядерной оболочки и хромосом. При этом топология и структура хромосом с феноменологической точки зрения практически идентичны для всех видов эукариотных организмов. Это наводит на представление, что истинное митотическое деление эукариотных клеток в тех типах, в которых мы их наблюдаем, сформировалось и вышло на этап эволюционного развития после этапа принципиального качественного преобразования организации формы долговременного хранения генетической информации в виде хромосом. Именно хромосомная структура организации хранения и соответствующего тиражирования генетической информации, обеспечивающая мультипрограммность реализации информационных отношений в ходе жизненных циклов эукариотных клеток, явилась определяющим феноменологическим шагом к возникновению качественно нового – эукариотного надцарства живых организмов.
Напомним, что вся генетическая информация прокариот содержится в одной молекуле ДНК, имеющей форму ковалентно замкнутого кольца – бактериальной хромосомы (хромотида). Топологически обе комплиментарные цепи молекулы ДНК образуют замкнутые кольца с определенным порядком зацепления Lk (от англ. linking), который является топологическим инвариантом системы, состоящей из пары колец. Этот показатель не изменяется при различных трансформациях формы молекулы покуда сахаро-фосфатные цепи, образующие структуру каждой из комплиментарных цепочек остаются целыми и невредимыми. Благодаря этому обстоятельству замкнутые кольцевые молекулы ДНК обладают особыми свойствами, отличающимися от линейных молекул. Именно на их основе сформировалось большинство протоколов и интерфейсов внутриклеточных информационных взаимодействий прокариот.
Одним из основных из этих свойств является сверхспирализация замкнутых кольцевых молекул ДНК. Исследования американского математика Б. Фуллера из Калифорнийского университета показали, что замкнутая кольцевая молекула ДНК представляет собой обязательно двустороннюю полосу (в отличии, например, от листа Мёбиуса), краями которой следует считать сахаро-фосфатные цепи молекулы. Это определяется чисто химическим фактом, связанным с тем, что в каждой цепи ДНК комплиментарные нити направлены друг другу навстречу. При этом было установлено, что топологическая характеристика Lk не выражается однозначно через какую-либо геометрическую характеристику молекулы, а связана сразу с двумя геометрическими характеристиками. Первая – это осевая закрутка полосы Tw (от англ. twist): суммарное количество оборотов, которое делает вектор, лежащий в плоскости полосы и перпендикулярный оси полосы, при движении вдоль полосы. Вторую характеристику Б. Фуллер обозначил Wr (от англ. writhe – скрючиваться): зависит только от формы, которую имеет ось полосы в пространстве, но совершенно не зависит от того, как полоса закручена вокруг своей оси. Американский математик Дж. Уайт доказал (1968г.), что существует однозначная связь: Lk=Tw+Wr. При этом, если Lk принимает только целочисленные значения, то Tw и Wr могут принимать любые значения, не обязательно целочисленные. Полученные результаты выявили широкий диапазон и спектр возможностей возникновения сверхспирализации молекул ДНК. В природе прокариот на этой основе реализуются определенные протоколы информационных взаимодействий и преобразований. В частности, например, процедуре репликации молекулы ДНК обязательно предшествует ее закручивание в сверхспираль. Эта успешно осуществляется только в тех условиях, когда обе нити молекулы на всем протяжении целы. Таким образом проводится своеобразное тестирование целостности молекул ДНК перед их репликацией. Существуют достаточно обоснованные гипотезы влияния изменения сверхспирализации на транскрипцию и на протоколы других внутриклеточных информационных отношений.
Казалось, в природе создан и отработан в процессе эволюции богатый арсенал механизмов хранения и рекомбинации генетической информации на клеточном уровне. Это действительно так для ситуаций, когда результатом репродукции является формирование независимой пары дочерних кольцевых бактериальных хромосом. Отметим, что действующие в прокариотных организмах механизмы формирования замкнутых кольцевых молекул ДНК, при наличии в единой цитоплазматической среде нескольких независимых молекул ДНК, не защищали их от возможности возникновения узлов и катенаноподобных образований (кольцевых конструкций с зацеплением уже на уровне замкнутых кольцевых молекул ДНК). Это существенно усложняет топологию организации хранения и считывания генетической информации. Устранение таких и им подобных коллизий достаточно естественно происходит в топологии линейных молекул. Реалии показывают, что именно так Природа и распорядилась. Но на начальных этапах формирования организмов – эндосимбионтов переход к разомкнутой (линейной) топологии организации хранения генетической информации на молекулах ДНК достаточно естественно приводил к нарушению эффективности функционирования отработанных в жизни прокариот протоколов и интерфейсов реализации внутриклеточных информационных отношений.
Разрешение этих противоречий происходило в течение длительного этапа эволюционного развития биосферы (~ 1,5млрд. лет) на основе формирования нового уровня организации в эукариотной жизни информационных отношений, включающих как внутриклеточные уровни обеспечения процессов репликации, репарации, транскрипции, трансляции и системного управления мультипрограмным пулом симбиозной генетической информации, так и учитывающих трансцендентные для клетки информационные отношения, обеспечивающие парадигму диплоидной структурной организации генетической информации эукариот. Значительная сложность и длительность этих процессов были связаны с формированием адекватного hardware, при котором создались условия для возможностей реализации этого уровня информационных отношений.
Для единения жизненного цикла в эндоклеточном симбиозе необходима определенная синхронизация процессов рекомбинации всей совокупности гетерологичных компонент генетической информации симбионтов. Обычно, наиболее просто это достигается в условиях одинакового масштаба репродуцируемых файлов информации. Но акты формирования симбеогенетических структур, вряд ли лимитировались этим принципом. Достаточно обосновано признается, что лимитирующим фактором является не столько способность организмов проникать внутрь других клеток, как способность клетки хозяина «принимать» таких гостей. В этих условиях структура генетических файлов симбионтов могли иметь не только различные количественные масштабы, но и иметь качественные различия в структуризации информации, включая генетический код (например, митохондрии). Но геном тех же митохондрий значительно беднее и короче генетического материала, обеспечивающего общий метаболизм и информационно-репродуктивные отношения в жизненном цикле эндоклеточного симбиоза. Вследствие этого ни о какой равномасштабности генетического материала симбионтов не приходится говорить. В таких условиях процесс перехода к линейной топологии молекул ДНК достаточно естественно мог сопровождаться процедурами декомпозиции генетического материала до фрагментов, в которых соблюдалось определенное однообразие масштабов репродуцируемых файлов для обеспечения необходимой синхронизация процессов рекомбинации всей совокупности гетерологичных компонент генетической информации симбионтов. Возможно, мы можем наблюдать законсервированные следствия этих процессов у ряда простейших: например, у радиолярий до 1000–1600 хромосом, у Amoeba proteus количество хромосом доходит до 500. Если это так, то дальнейшая структуризация генетической информации в складывающемся эндоклеточном симбиозе происходила, по крайней мере, уже близко к одноформатному масштабу, что способствовало определенной сенергетике внутриклеточных жизненных процессов.
Не обсуждая подробности гипотез конкретных явлений и их последовательности в эволюции рождения и дальнейшего формирования клеток эукариотной биосферы, отметим, что в результате исследований последних десятилетий достаточно четко обозначилось представление о многостадийности и спектральном разнообразии компонент формирования эндосимбиозной структуры, включая активную роль архей, с их инфраструктурой hardware. Достаточно веским обоснованием этому служат, например, глубокие исследования отечественных ученых А. В. Маркова из Палеонтологического института Российской академии наук и А. М. Куликова из Института биологии развития Российской академии наук, которые проанализировали распределение белковых доменов, внесенных в 15-ую версию базы данных Pfam (август 2004г.) в трех надцарствах: Archaea, Bacteria и Eykaryota.
Сошлемся на их утверждение, что «эукариотическую интеграцию» следует рассматривать как конечный результат длительного развития интеграционных процессов в прокариотном сообществе». Далее: «Считать предками первых эукариотических организмов несколько отдельно взятых видов прокариот, объединившихся в симбиотический организм, не вполне корректно. Следуя системному пониманию жизни и биологической эволюции, точнее будет сказать, как это не парадоксально звучит, что предком эукариот было сообщество прокариотических организмов, включавшее как минимум три компонента: 1) анаэробных гетеротрофов, по всей вероятности, представителей археобактерий с экзонно-интронной организацией генома, получавших энергию путем бескислородного сбраживания углеводов (гликолиз); 2) аэробных гетеротрофов – эубактерий, получавших большое количество энергии за счет кислородного окисления низкомолекулярных углеводов (в частности, пирувата, молочной кислоты или этанола, являвшихся конечными продуктами энергетического обмена первого компонента сообщества); 3) анаэробных автотрофов – фотосинтетиков (цианобактерий), обеспечивавших первый компонент сообщества высокомолекулярными углеводами, а второй – кислородом».
Не правда ли, в клетке фактически сформировалось триединство экологического многообразия компонент, обеспечивающих кругооборот живого вещества в природе: продуценты, консументы и деструкторы. Не это ли явилось определяющей причиной эффективного развития эукариотной биосферы?
Динамическая неустойчивость среды обитания архей и фактически анклавное распространение их ареалов, способствовали формированию механизмов переключения программы управления развитием и жизнеобеспечеием клетки при существенных изменениях параметров внешней среды. Считается, что на ранних этапах эволюции горизонтальный (латеральный) обмен генетическим материалом между отдельными организмами, чему в определенной степени способствовал анклавный характер обитания архей, имел первостепенную роль, как инструмент инновационных приобретений, т.е. фактора, определяющего развитие адаптивного потенциала клеток. Такие «решения» в природе наблюдаются и у более развитых живых организмов, например, кузнечик – саранча. Но главное, что на уровне прокариот в этих ситуациях не включается новый уровень многообразия программного обеспечения. Реализуется конкретная программа в соответствии с трансцендентными воздействиями окружающей среды. В эволюции это породило экзон-интронную организацию генома, которая у прокариот наиболее инфраструктурно поддерживаема в архитектуре организмов архей. Это в определенной степени способствовало переходу (с позиций hardware) к мультипрограммности эндосимбиозных эукариотных, структур.
В упомянутой работе А. В. Маркова и А. М. Куликова отмечается, что «функциональный спектр эукариотных доменов «архейного» происхождения в основном связан с процессами хранения, воспроизведения, структурной организации и считывания генетической информации…Следует обратить внимание, – считают авторы этой статьи, – на практически полное отсутствие в этой группе метаболических доменов (что представляет резкий контраст с группой эукариотных «доменов бактериального происхождения», где метаболические белки, напротив, резко преобладают)». Фактически, «переключательный» характер организации генетической информации архей с феноменологической точки зрения явился некоторой прелюдией к возможности перехода в мультипрограммный режим обеспечения жизни эукариотных клеток.
Механизмы реализации переключения программ у архей опираются на два феноменологически различных внутриклеточных информационных пула:
– генетическая информация (программное обеспечение), материальными носителями которой являются молекулы ДНК и РНК; поступает в клетку по наследству и не изменяется в ходе жизненного цикла клетки (не считая акт тиражирования);
– фенотипическая информация (данные), материальными носителями которой являются в основном протеиновые комплексы; частично поступает от материнской клетки при рождении, но основные массивы данных формируются внутри клетки в процессе её жизненного цикла.
На основе генетической информации формируются факторы работы механизмов, обеспечивающих энхасерные свойства генов и экзонно-интронную организацию генома. Предполагается, что для архей это было связано с адаптацией к высоким температурам. Так, например, в той же работе А. В. Маркова и А. М. Куликова приводятся сведения, что число измененных нуклеотидов в тРНК термофильных архей растет при повышении температуры, что, в свою очередь, позволяет тРНК сохранять правильную третичную структуру при нагревании.
В эукариотной биосфере механизмы экзонно-интронной организации генома обеспечивают возможности наращивания и усложнения программного обеспечения в режиме его мультипрограммного функционирования. Аналогично на основе фенотипической информации формируются факторы работы механизмов, обеспечивающих вариабельность экспрессии генов, что является одним из базовых динамических атрибутов реализации on line мультипрограммности. Одним из важных материальных компонентов обеспечения этого процесса являются гистоны. Гистоны относятся к катионным, или положительно заряженным белкам, и их взаимодействие с ДНК неспецифично. Это обеспечивает при формировании хроматина (полинуклеопротеидных комплексов) отсутствие искажений или нарушений функционального назначения нуклеиновых компонент (ДНК и РНК как носителей генетической информации) и даже, в ряде случаев, создаёт с помощью протеиновых компонент условия их более устойчивого функционирования по назначению. ДНК-связывающие белки защищают хроматин от температурной денатурации и компактизируют ДНК при суперизоляции, создавая нуклеосомную организацию хроматина. Так, например, белок термофильного археота Thermoplasma acidophilum, гомологичный бактериальному белку HU, компактизирует ДНК и защищает её от тепловой денатурации, повышая температуру её плавления примерно на 400С. Такие качества активно способствовали развитию института гистонов в «архейной» биосфере.
Вместе с тем, нуклеосомная организация хроматина, стабилизируя ДНК, одновременно во многих ситуациях не редко препятствует транскрипции. Этот заградительный эффект создает новую степень свободы в управлении экспрессией генов. Природа активно этим воспользовалась в отработке и реализации механизмов переключения программ развития клеток, как в «архейной» биосфере, так и при организации мультипрограммных режимов on line в эукариотной биосфере. В ходе эволюции эукариотных клеток происходило изменение функций белков. Так, например, А. В. Марков и А. М. Куликов приводят сведения: что белковый домен CBFD_NFYB_HMF (PF00808): у архей это гистон, а у эукариот – гистоноподобный транскрипционный фактор.
Институт гистонов, обеспечивая функции стабилизации и компактизации ДНК, наряду с расширением программных возможностей внес решающий вклад в переходе от присущей прокариотам топологии ковалентно замкнутого кольца организации молекулы ДНК для хранения генетической информации к незамкнутой структуре хромосом эукариот. Именно с этим, пожалуй, связаны основные процессы структурной перестройки клеточного hardware. Длительность этих процессов порядка 1,5млрд. лет достаточно впечатляет по сравнению с темпами ароморфоза многоклеточных. Возможно, это связано с отсутствием в этих процессах эволюции hardware жесткого информационного императива, обусловленного чем-то вроде «храповика Мёллера», либо слабыми или медленными коэволюционными отношениями изменяющейся окружающей среды и формирующейся эукариотной биосферы при её «созревании» до многоклеточных организмов. Не будем останавливаться на этой стороне эволюции эукариотной биосферы с её фантастически необъятной палитрой проходивших явлений. По этим вопросам существует огромное количество высококлассного, профессионального научного материала, для которого стиль наших очерков вряд ли уместен.
Оперативная (операционная) память
В предыдущих новеллах было отмечено, что основополагающей парадигмой структурной организации генетической информации эукариот является диплоидность, порождающая феноменологическую мультипрограммность реализации информационных отношений жизненных циклов клеток эукариотных организмов. Необходимо отметить, что реализация этой парадигмы охватывает и имманентные, и трансцендентные системные аспекты. Не смотря на идентичность «элементной базы» в обеих надцарствах биосферы, на каждом системном уровне семантика информационных эукариотных отношений именно феноменологически существенно отличается от подобных реализаций в прокариотной биосфере – прародительнице эукариот.
Эти различия привели к формированию новой эукариотной архитектуры информационных отношений, которая охватывает и hard– и software. Наиболее глубоко это проявилось в организации долговременной памяти на основе хромосом с линейной топологией молекул ДНК – носителей генетической информации. Естественно, эти трансформации затронули интерфейсы и протоколы передачи информации при формировании объектных, а затем и загрузочных программных модулей, которые управляют работой клеточных процессоров (рибосомы), синтезирующих белки – основу фенотипической клеточной информации.
Нечто подобное можно отметить и в развитии (эволюции) искусственных информационно-вычислительных систем. Парадигмой организации вычислительных процессов искусственных систем с точки зрения информационной феноменологии является цикл формирования в определенной последовательности различного уровня информационных объектов (software), обеспечивающих в совокупности возможность обработки на идентифицированных вычислительных ресурсах (hardware) заданного для системы множества «данных». Идентификация hardware создает, в определенной степени, его феноменологический приоритет, в значительной степени регламентируя архитектурные возможности software. При этом на основе сформулированной для системы миссии искусственные системы разрабатываются и функционируют принципиально в целях обеспечения определенных трансцендентных услуг. В связи с этим информационно феноменологическая последовательность организации вычислительных процессов искусственных систем может быть представлена в следующем виде: