INFORMACIYa, TERMODINAMIKA I KONSTRUKCIYa BIOLOGIChESKIH SISTEM

L.A.Blyumenfel'd (MGU im. M.V.Lomonosova)
Opublikovano v Sorosovskom obrazovatel'nom zhurnale, N 7, 1996 g. Soderzhanie

---

SMYSL BIOLOGIChESKO' UPORYaDOChENNOSTI

Issleduya prirodu, estestvoispytatel' zadaet ei voprosy. Pri izuchenii mertvoi materii vozmozhny tol'ko dva principial'nyh voprosa: kak i pochemu? Otvety na pervyi vopros dayut opisaniya stroeniya issleduemyh ob'ektov, posledovatel'nosti sobytii, s nimi proishodyashih (naprimer, v hode himicheskih prevrashenii, pri prohozhdenii sveta cherez razlichnye sredy, vo vremya zemletryasenii i t.p.). Otvety na vtoroi vopros dayut fizicheskie i himicheskie zakony. Pochemu kristall povarennoi soli imeet kubicheskuyu strukturu s dannym raspolozheniem ionov Na⁺ i Cl^- drug otnositel'no druga? Otvet: potomu chto raschety s ispol'zovaniem zakonov fiziki pokazyvayut, chto takaya struktura sootvetstvuet minimumu svobodnoi energii sistemy, to est' naibolee stabil'na. Kstati, trebovanie minimuma svobodnoi energii znachit, chto struktura kristalla ne mozhet byt' ideal'no pravil'noi. Vhozhdenie v uravnenie dlya svobodnoi energii chlena privodit k poyavleniyu ravnovesnoi koncentracii defektov kristallicheskoi reshetki. Pri issledovanii ob'ektov zhivoi prirody i ob'ektov, sdelannyh zhivoi materiei (glavnym obrazom v rezul'tate deyatel'nosti cheloveka), mozhno zadat' tretii vopros: dlya chego? Sobstvenno govorya, vozmozhnost' zadat' takoi vopros i svidetel'stvuet, chto zhivaya materiya, ee komponenty i ob'ekty, eyu izgotovlennye, imeyut smysl. Nel'zya sprosit': dlya chego kristall NaCl imeet kubicheskuyu simmetriyu? Odnako mozhno sprosit': dlya chego molekula gamma-globulina postroena tak, a ne inache? I poluchit' otvet: dlya togo chtoby osushestvlyat' funkcii immunnoi zashity i predotvrashat' gibel' organizma, umen'shaya veroyatnost' gibeli vida. Poprobuem razobrat'sya v tom, chto takoe "smysl" biologicheskoi uporyadochennosti i kakimi svoistvami dolzhny obladat' sistemy, uporyadochennost' kotoryh imeet smysl. Vpervye chetko postavil eti voprosy i popytalsya na nih otvetit' Kastler [Kastler G., 1967]. Privedu nekotorye primery iz etoi knigi. Pust' imeetsya seif s zamkom. Est' nabor cifr ot 0 do 9 i ustroistvo sluchainogo vybora, pozvolyayushee vybrat' troiku cifr. Vyberem tri cifry i vvedem ih v kachestve koda v zamok seifa. Do etogo lyubye myslimye posledovatel'nosti iz treh cifr nichem drug ot druga ne otlichalis'. Vse oni ne imeli smysla. Vvedenie sluchaino otobrannoi troiki cifr v zamok seifa sdelalo ee osmyslennoi. Smysl ee zaklyuchaetsya v tom, chto ona otkryvaet seif, a drugie net. Drugoi primer vozniknoveniya osmyslennoi uporyadochennosti. Pust' v obshirnom vodnom rezervuare rastvoreno bol'shoe kolichestvo nukleotidov - monomerov, iz kotoryh postroena DNK. Prisutstvuyut chetyre sorta nukleotidov: na osnove adenina (A), guanina (G), citozina (C) i timina (T). Mezhdu nukleotidami mogut idti reakcii kondensacii s obrazovaniem odnonitevyh di-, tri- i t.d. polinukleotidov. Naprimer,

	(1)
	(2)

Skorost' raspada di-, tri-, ... polinukleotidov znachitel'no bol'she skorosti ih obrazovaniya, i ravnovesie v etih reakciyah budet sdvinuto v storonu monomerov. Koncentracii polinukleotidov budut neveliki i tem men'she, chem dlinnee cepochka. Nebol'shoe chislo polimernyh nitei raznoi dliny, kotorye vsegda budut prisutstvovat' v rastvore v dinamicheskom ravnovesii s ogromnym izbytkom monomerov, dolzhno imet' sovershenno sluchainye posledovatel'nosti nukleotidov (skorosti reakcii raspada i sinteza dlya vseh nukleotidov prakticheski odinakovy), i apriornye veroyatnosti vseh posledovatel'nostei budut odinakovy. Yasno, chto ta ili inaya realizuyushayasya posledovatel'nost', ta ili inaya voznikayushaya uporyadochennost' ne budut imet' smysla. Odnako blagodarya osobym himicheskim svoistvam nukleotidov (vozmozhnost' obrazovaniya vodorodnyh svyazei mezhdu nimi), pomimo perechislennyh vyshe reakcii obrazovaniya odnonitevyh cepochek, mogut idti reakcii prisoedineniya cepochki drugih nukleotidov i obrazovanie novoi cepochki, svyazannoi s pervoi. Etot process nazyvaetsya matrichnym sintezom. Posledovatel'nost' nukleotidov v novoi cepochke polnost'yu opredelyaetsya posledovatel'nost'yu v ishodnoi cepochke: protiv A vsegda stoit T, a protiv G - C:

Matrichnyi sintez

Voznikayushaya v rezul'tate matrichnogo sinteza molekula dvunitevogo polimera gorazdo stabil'nee molekuly odnonitevogo. Po dostizhenii dostatochnoi dliny ona obrazuet dvoinuyu spiral', prakticheski ne raspadaetsya i mozhet uspet' "redublicirovat'sya", narastiv na obe niti sootvetstvuyushie nukleotidy:

Redublikaciya

Pervaya dvunitevaya molekula obrazuetsya v rezul'tate sluchainogo i ves'ma maloveroyatnogo processa: na odnoi iz odnonitevyh polimernyh molekul uspevaet do ee raspada proiti matrichnyi sintez. Posledovatel'nost' nukleotidov v etoi odnonitevoi molekule mogla byt' lyuboi. Odnako posle togo, kak dvunitevaya struktura obrazovalas', situaciya rezko izmenilas'. Posledovatel'nost', realizovannaya v takom dolgozhivushem dvunitevom polimere, priobrela smysl. Etot smysl sostoit v tom, chto eta posledovatel'nost' v stabil'noi i sposobnoi k redublikacii molekule sushestvuet, a drugie vozmozhnye posledovatel'nosti - net. V sisteme budet bystro vozrastat' koncentraciya polimerov imenno s takoi, teper' uzhe osoboi, posledovatel'nost'yu. Sluchainye otkloneniya ("oshibki") ot "pravil'noi" posledovatel'nosti budut takzhe vosproizvodit'sya i dadut nachalo samostoyatel'nym sistemam, konkuriruyushim s ishodnoi za nalichnye zapasy monomerov. Takim obrazom, blagodarya zapominaniyu sluchainogo vybora voznikla uporyadochennost', imeyushaya smysl, voznikla sistema, sposobnaya sozdavat' osmyslennuyu informaciyu. Etot primer stabil'noi samovosproizvodyasheisya sistemy nukleinovyh kislot ni v koem sluchae ne pretenduet na to, chtoby ego svyazyvali s proishozhdeniem zhizni na Zemle. Eto prosto popytka prodemonstrirovat' naibolee sushestvennye harakteristiki processa sozdaniya osmyslennoi uporyadochennosti na primere biopolimerov s ispol'zovaniem nekotoryh horosho izvestnyh ih svoistv. V oboih privedennyh primerah rech' shla imenno o sozdanii novoi informacii. Do togo, kak polimer so sluchainoi posledovatel'nost'yu nukleotidov obrazoval stabil'nuyu dvunitevuyu strukturu, ili do togo, kak sluchainaya posledovatel'nost' treh cifr byla vvedena v zamok seifa, informacii o tom, chto eti posledovatel'nosti "luchshe" drugih, prosto ne sushestvovalo. Informaciya byla sozdana, sotvorena. Nepredskazuemoe prevratilos' v neizbezhnoe (P'er Bule, citirovano po [Kastler G., 1967]). Sistemy, sozdayushie osmyslennuyu uporyadochennost', obladayut odnim obshim svoistvom: oni soderzhat komponenty, konstrukcii, prodolzhitel'nost' zhizni kotoryh prevyshaet vremya odnogo cikla raboty sistemy. Dlya sistemy nukleinovyh kislot eto znachit, chto dvunitevoi polimer ne raspadetsya do redublikacii, a dlya drugogo primera - chto zamok seifa ne razrushitsya do togo, kak budet ispytana hotya by odna troika cifr. Trebovanie nalichiya dolgozhivushih, medlenno relaksiruyushih konstrukcii obyazatel'no dlya zhivoi materii. Nel'zya postroit' zhivoe na osnove gazovoi fazy! Takim obrazom, ponyatie konstrukcii stanovitsya ves'ma vazhnym pri analize funkcionirovaniya zhivyh sistem i ih komponentov. S pozicii statisticheskoi fiziki nalichie konstrukcii oznachaet nalichie granic mezhdu oblastyami fazovogo prostranstva, peresechenie kotoryh zapresheno dlya figurativnyh tochek statisticheskoi sistemy v techenie dannogo promezhutka vremeni. Eta problema vyhodit za ramki nastoyashei stat'i.

LITERATURA

1. Shannon C.E., Weaver W. The Mathematical Theory of Communication. Univ. of Illinois Press, 1949.
2. Szillard L.Z. // Physik. 1929. V. 53. P. 840.
3. Maxwell J.C. Theory of Heat. London, 1971.
4. Brillyuen L. Nauka i teoriya informacii. M.: Fizmatgiz, 1960.
5. Kastler G. Vozniknovenie biologicheskoi organizacii. M.: Mir, 1967.

Nazad

Publikacii s klyuchevymi slovami: informaciya - entropiya - termodinamika Publikacii so slovami: informaciya - entropiya - termodinamika
Sm. takzhe: Golograficheskii princip i chainik Golograficheskii princip Informaciya Goryachie chernye dyry Matematicheskaya teoriya svyazi Entropiya bol'shogo kanonicheskogo ansamblya v rasshiryayusheisya Vselennoi Absolyutnaya temperatura