3.3. Алгоритм восстановления испорченной информации
Этот алгоритм играет вспомогательную роль и предназначен для обеспечения работы первых двух алгоритмов.
Никакая физическая преграда не сможет защитить наследственную информацию в течение длительного времени, так как внешние факторы могут быть сильны непреодолимо, тем более, что у организмов нет ничего подобного. Но в теории информации известно много алгоритмов восстановления испорченной информации; выберем простейший из них и, как кажется, наиболее подходящий [1]. Это, так называемый, алгоритм «голосования». В простейшем случае это просто многократная передача по каналу связи одной и той же информации. Например, в обычном разговоре кто-то что-то не расслышал; он просит повторить сказанное.
При реальной работе этого алгоритма информация многократно повторяется и затем периодически сравнивается и исправляется при подсчете количества одинаковых элементов. Если это количество больше половины, то остальные элементы устанавливаются такими же.
Приведем небольшой пример для пояснения действия этого алгоритма (Рис. 6). Напишем на бумаге несколько колонок (не менее трех) одинаковых цифр, например номер телефона. Эти колонки располагаются так, чтобы их строки совпали. Заменим часть цифр случайным образом, т. е. испортим информацию. На рисунке испорченная информация (второй столбик цифр) выделена. Затем цифры сравним в строках. Если одинаковых цифр в строке больше половины, то остальные исправляются в соответствии с ними. Информация восстанавливается. Легко подсчитать вероятность случайной порчи более половины элементов строки. Она резко уменьшается с увеличением числа наших одинаковых колонок. При повторении информации более десяти раз эта вероятность становится настолько малой, что можно говорить лишь о ее логарифме.
Присутствие этого алгоритма в реальном мире, несомненно. Действительно, в человеческом обществе информация многократно повторена и регулярно сравнивается. Алгоритм работает автоматически, и мы не думаем о возможной потере ценной информации. Она повторена в различного рода записях (в книгах и т. д.), в памяти отдельных людей. Известное выражение о «неистребимой силе Жизни» также связано с этим алгоритмом. И, наоборот, в истории известно немало примеров, когда какая-нибудь ценная технологическая идея передавалась только от отца к сыну и рано или поздно терялась.
Рис. 6. Работа алгоритма восстановления испорченной информации
Мы берем на себя смелость предположить, что такой алгоритм есть в биохимических структурах организмов и, видимо, воплощен в структуре хромосомы. Если в ДНК наследственная информация многократно повторена [22, 26], то при многократном свертывании при укладке ДНК в хромосому одинаковые участки легко могут оказаться друг против друга, что необходимо для их сравнения (Рис. 7). Они могут быть сопоставлены и затем исправлены, например специальным ферментом.
Косвенные подтверждения этому таковы:
1. Известно, в ДНК одинаковая информация записана многократно. Число повторений одинаковых генов достигает многих тысяч [22] (проблема избыточной ДНК).
2. Некоторые регуляторные механизмы генома, при новом осмыслении их с учетом необходимости работы этого алгоритма, могут оказаться предназначенными именно для его осуществления.
3. Исходя из принципа работы алгоритма накопления опыта, жизненно важная наследственная информация о всех предыдущих ступенях эволюции организма сохранена в нём, и в то же время редупликация ДНК и синтез белков описываются в известной нам литературе как однократный процесс, без всякого контроля информации. Это вызывает большие сомнения, потому что вероятность ошибок в таких процессах чрезмерно велика. Известный механизм восстановления испорченной последовательности нуклеотидов [2, 19] также не выдерживает критики в смысле большой вероятности появления повторных ошибок. Алгоритм восстановления испорченной информации предполагает тысячекратное повторение.
4. В эмбриональном развитии организм повторяет эволюцию [4]. И это следует из алгоритма накопления опыта. При этом вероятность ошибки, потери отдельных ее этапов, должна быть еще меньше. Присутствие и соответствующее действие алгоритма голосования уменьшает вероятность таких ошибок практически до нуля. В соответствии с известными опытными данными в эмбриональном развитии сохраняются не все этапы эволюции. Это очень маловероятно. Они не пропущены, а топологически уменьшены (быстро проходят во времени) и поэтому не заметны. Нужны новые, более тщательные эксперименты. Вероятность таких «скачков», конечно, существует, но она очень мала.
5. Алгоритм голосования хорошо согласуется с алгоритмом накопления опыта. Чем информация древнее, тем большее число раз она повторена, и, следовательно, менее изменчива. Количественные соотношения этого процесса требуют дополнительного изучения. При этом могут быть найдены конкретные механизмы взаимодействия этих алгоритмов.
6. Добавление в наследственную информацию новых генов изменяет организмы и часто очень резко. Но эти изменения в большинстве своем нестабильны, и исчезают после смены нескольких поколений при возвращении животных или растений в естественные условия обитания. Если существование алгоритма голосования в организмах принять как истину, то это явление объясняется тем, что в наследственную память было добавлено недостаточное количество одинаковых генов. Известно также [2, 15], что редупликация (репликация) ДНК происходит не последовательно по всей ее цепи, а фрагментами (например, фрагменты Оказаки, репликоны), следовательно, существует возможность их повторения под влиянием внутренней среды организма.
7. Может быть, использование этого алгоритма природой связано с процессом роста организма в онтогенезе, с образованием формы различных его органов. Число повторений одинаковых генов может кодировать продолжительность размножения клеток того или иного органа. Вероятность этой возможности велика, так как используется уже применявшийся принцип, но по новому назначению. Влияние внешней среды на эти процессы не исключается.
8. Рассмотрим старую проблему о возможности переноса в наследственную информацию особенностей индивидуального организма. Чарльз Дарвин [4] не исключал влияния на наследственность упражнений или не упражнений отдельных структур организма в онтогенезе, но затем, при развитии генетики, это влияние было игнорировано, так как механизм передачи новых данных в наследственную информацию при жизни организма не был найден. Однозначно доказано [см. например, 4, 14], что при синтезе белков в процессе постройки организма информация может передаваться только с ДНК, обратного пути нет, т. е. информация не может быть передана от внутренней среды организма в его наследственную память (центральная догма молекулярной биологии). Значит, и нет никакого влияния фенотипа на генотип!? А есть только случайные мутации и естественный отбор. А как же быть с фактами. Например, выведены многочисленные породы собак. И от таксы рождается такса, от борзой – борзая. То есть, информация попала в наследственную память! Видимо, есть и другие пути закрепления изменчивости в поколениях организмов [20]. Вот что по этому поводу говорит сам Ч. Дарвин [4, стр. 412]. «Но так как в недавнее время, мои выводы были превратно истолкованы, и утверждали, что я приписываю модифицирование видов исключительно естественному отбору, то мне, может быть, позволено будет заметить, что в первом и последующих изданиях этой книги я поместил на очень видном месте, а именно в конце «Введения», следующие слова: «Я убежден, что естественный отбор был главным, но не исключительным фактором модификации». Но и это не помогло». У него слово «модифицирование» означает – изменчивость.
Но как же тогда быть с топологическими изменениями? Они осуществляются мелкими шагами, плавно и направленно, например, преобразование пальцев конечностей копытных животных. У них есть все пять пальцев, но работают только один (лошадь) или два (корова, свинья), остальные «недоразвиты». При одиночном малом шаге постоянного их упражнения при жизни организма маловероятно, что сработает естественный отбор, так как такие изменения почти безразличны для выживания.
Рис. 7. Укладка ДНК в хромосоме
Если же принять концепцию алгоритма голосования, то это явление объясняется просто. При редупликации ДНК под давлением среды организма (например, с помощью гормонов), вынужденного все время напрягать или, наоборот, не напрягать какой-нибудь орган, соответствующие участки ДНК повторяются, переходя при размножении в наследственную память. Это приводит к топологической изменчивости. Даже в онтогенезе при детренировке, например, мышц они уменьшаются в размерах, но ведь их клетки все время заменяются новыми. Как же эти новые клетки запомнили состояние старых? Правда, клетки мышц, это не наследственные клетки организма. Но «давление» его внутренней среды, очевидно, действует на все его клетки одинаково. Конкретный механизм изменения числа одинаковых генов в онтогенезе пока не известен, но он, несомненно, существует.
Но появление качественно новой наследственной информации таким путем невозможно, например, нового алгоритма функционирования (фотосинтез и т. п.), так как необходимо появление новых генов, а не изменение количества существующих. Реальный механизм работы этого алгоритма в организмах, несомненно, более сложен, как и в случае алгоритма накопления опыта, и только в принципе должен соответствовать примитивному циклу исправления информации «при голосовании».
9. Точечные мутации полностью ликвидируются алгоритмом восстановления испорченной ими наследственной информации и не являются основным источником изменчивости всех структур организма.
Алгоритм восстановления испорченной информации, например, может быть воплощен в структуре хромосомы. Если в ДНК наследственная информация многократно повторена, то при её многократном свертывании при укладке в хромосому одинаковые участки легко могут оказаться друг против друга (Рис. 7).
Рисунок построен так, что с каждым этапом упаковки масштаб меняется. Цепь ДНК имеет толщину 2 nm, т.е. 2 нм (1 нм = 10-9 м). Далее ДНК намотана на группу из 8 гистонов (это специальные белки присутствуют только в ядрах клеток). Эта группа названа – кор (глобула). Кор вместе с намотанной ДНК, которая закреплена на нем ещё одним гистоном (Н1), образует нуклеосому. Нуклеосомы образуют более крупную цепь (бусы) размером 11 нм. Затем эта цепь сворачивается в структуру, похожую на винтовую пружину диаметром 30 нанометров. Эта цепь сложена складками имеющими длину в среднем 300 нм. Эта уже довольно толстая цепь все-таки ещё очень длинная и представляется в виде нити диаметром 250 нм. И наконец, эта нить опять сворачивается в винтовую пружину диаметром 700 нанометров. И уже в таком виде она расположена в хромосоме. Но сама хромосома устроена тоже очень сложно. Во-первых, хромосом в геноме организма много (у человека более двух десятков). Принцип упаковки во всех хромосомах одинаков. Число генов в каждой хромосоме различно – от нескольких сотен до нескольких тысяч. Во-вторых, у неё много своих структурных элементов (перетяжки, ветвления, ядрышко и т.д.), роль которых ёще не выяснена до конца. Да и сами хромосомы имеют иногда большие различия у разных организмов, особенно, если они далеко разнесены в структуре общей классификации. Например, краб и человек. Эта упаковка позволяет разместить всю наследственную информация в ядре соматических клеток объемом 110 микрометров кубических. Отсюда получается диаметр ядра около шести микрометров.
Но нам для предварительного объяснения работы алгоритма восстановления испорченной наследственной информации этого вполне достаточно. Вполне отчетливо видно, что многократно повторяемые одинаковые массивы информации могут оказаться рядом, вплотную друг к другу. Они могут быть сопоставлены и затем исправлены, специальным ферментом. Здесь, конечно, возникает много проблем, но существует и множество возможностей. Как, например, контролируется число повторений одинаковых генов в ДНК? Как конкретно происходит изменение наследственной информации – куда конкретно она вставляется в ДНК?
Если вспомнить гипотезы о самых первых «шагах» Жизни [7, 18, 26], то, видимо, спонтанно появившиеся в «первобытном бульоне» нуклеотиды могли собираться в более или менее длинные полипептидные цепи. А такая цепь есть не что иное, как РНК. К концам этой цепи свободно могли подсоединяться новые нуклеотиды в произвольном порядке. Кроме этого нуклеотиды могли подсоединяться и к самой цепи, образуя комплементарную цепь. Но связи нуклеотидов между собой прочнее, чем водородные связи между комплементарными цепями. И однажды, под действием непрерывных встряхиваний от тепловых ударов внешних простых молекул (воды и проч.) эти цепи рассоединялись – как застежка «молния». Здесь нужны некоторые циклы во внешних условиях, допустим смена дня и ночи. Затем эти две цепи РНК могли опять приобретать комплементарные цепи. Вот Вам и простейший алгоритм размножения! И начеку – естественный отбор. Он сразу же начнет отбирать более жизнеспособные молекулы.
Это всего лишь гипотеза, поэтому много ещё остается проблем и неясностей. Неизвестно где располагаются массивы повторений более и менее древней информации, как возникают эти повторения? И многое другое. Здесь поле деятельности специалистов.