ИНФОРМАЦИЯ, ТЕРМОДИНАМИКА И КОНСТРУКЦИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Л.А.Блюменфельд (МГУ им. М.В.Ломоносова)
Опубликовано в Соросовском образовательном журнале, N 7, 1996 г. Содержание

---

СМЫСЛ БИОЛОГИЧЕСКОЙ УПОРЯДОЧЕННОСТИ

Исследуя природу, естествоиспытатель задает ей вопросы. При изучении мертвой материи возможны только два принципиальных вопроса: как и почему? Ответы на первый вопрос дают описания строения исследуемых объектов, последовательности событий, с ними происходящих (например, в ходе химических превращений, при прохождении света через различные среды, во время землетрясений и т.п.). Ответы на второй вопрос дают физические и химические законы. Почему кристалл поваренной соли имеет кубическую структуру с данным расположением ионов Na⁺ и Cl^- друг относительно друга? Ответ: потому что расчеты с использованием законов физики показывают, что такая структура соответствует минимуму свободной энергии системы, то есть наиболее стабильна. Кстати, требование минимума свободной энергии значит, что структура кристалла не может быть идеально правильной. Вхождение в уравнение для свободной энергии члена приводит к появлению равновесной концентрации дефектов кристаллической решетки. При исследовании объектов живой природы и объектов, сделанных живой материей (главным образом в результате деятельности человека), можно задать третий вопрос: для чего? Собственно говоря, возможность задать такой вопрос и свидетельствует, что живая материя, ее компоненты и объекты, ею изготовленные, имеют смысл. Нельзя спросить: для чего кристалл NaCl имеет кубическую симметрию? Однако можно спросить: для чего молекула гамма-глобулина построена так, а не иначе? И получить ответ: для того чтобы осуществлять функции иммунной защиты и предотвращать гибель организма, уменьшая вероятность гибели вида. Попробуем разобраться в том, что такое "смысл" биологической упорядоченности и какими свойствами должны обладать системы, упорядоченность которых имеет смысл. Впервые четко поставил эти вопросы и попытался на них ответить Кастлер [Кастлер Г., 1967]. Приведу некоторые примеры из этой книги. Пусть имеется сейф с замком. Есть набор цифр от 0 до 9 и устройство случайного выбора, позволяющее выбрать тройку цифр. Выберем три цифры и введем их в качестве кода в замок сейфа. До этого любые мыслимые последовательности из трех цифр ничем друг от друга не отличались. Все они не имели смысла. Введение случайно отобранной тройки цифр в замок сейфа сделало ее осмысленной. Смысл ее заключается в том, что она открывает сейф, а другие нет. Другой пример возникновения осмысленной упорядоченности. Пусть в обширном водном резервуаре растворено большое количество нуклеотидов - мономеров, из которых построена ДНК. Присутствуют четыре сорта нуклеотидов: на основе аденина (А), гуанина (Г), цитозина (Ц) и тимина (Т). Между нуклеотидами могут идти реакции конденсации с образованием однонитевых ди-, три- и т.д. полинуклеотидов. Например,

	(1)
	(2)

Скорость распада ди-, три-, ... полинуклеотидов значительно больше скорости их образования, и равновесие в этих реакциях будет сдвинуто в сторону мономеров. Концентрации полинуклеотидов будут невелики и тем меньше, чем длиннее цепочка. Небольшое число полимерных нитей разной длины, которые всегда будут присутствовать в растворе в динамическом равновесии с огромным избытком мономеров, должно иметь совершенно случайные последовательности нуклеотидов (скорости реакций распада и синтеза для всех нуклеотидов практически одинаковы), и априорные вероятности всех последовательностей будут одинаковы. Ясно, что та или иная реализующаяся последовательность, та или иная возникающая упорядоченность не будут иметь смысла. Однако благодаря особым химическим свойствам нуклеотидов (возможность образования водородных связей между ними), помимо перечисленных выше реакций образования однонитевых цепочек, могут идти реакции присоединения цепочки других нуклеотидов и образование новой цепочки, связанной с первой. Этот процесс называется матричным синтезом. Последовательность нуклеотидов в новой цепочке полностью определяется последовательностью в исходной цепочке: против А всегда стоит Т, а против Г - Ц:

Матричный синтез

Возникающая в результате матричного синтеза молекула двунитевого полимера гораздо стабильнее молекулы однонитевого. По достижении достаточной длины она образует двойную спираль, практически не распадается и может успеть "редублицироваться", нарастив на обе нити соответствующие нуклеотиды:

Редубликация

Первая двунитевая молекула образуется в результате случайного и весьма маловероятного процесса: на одной из однонитевых полимерных молекул успевает до ее распада пройти матричный синтез. Последовательность нуклеотидов в этой однонитевой молекуле могла быть любой. Однако после того, как двунитевая структура образовалась, ситуация резко изменилась. Последовательность, реализованная в таком долгоживущем двунитевом полимере, приобрела смысл. Этот смысл состоит в том, что эта последовательность в стабильной и способной к редубликации молекуле существует, а другие возможные последовательности - нет. В системе будет быстро возрастать концентрация полимеров именно с такой, теперь уже особой, последовательностью. Случайные отклонения ("ошибки") от "правильной" последовательности будут также воспроизводиться и дадут начало самостоятельным системам, конкурирующим с исходной за наличные запасы мономеров. Таким образом, благодаря запоминанию случайного выбора возникла упорядоченность, имеющая смысл, возникла система, способная создавать осмысленную информацию. Этот пример стабильной самовоспроизводящейся системы нуклеиновых кислот ни в коем случае не претендует на то, чтобы его связывали с происхождением жизни на Земле. Это просто попытка продемонстрировать наиболее существенные характеристики процесса создания осмысленной упорядоченности на примере биополимеров с использованием некоторых хорошо известных их свойств. В обоих приведенных примерах речь шла именно о создании новой информации. До того, как полимер со случайной последовательностью нуклеотидов образовал стабильную двунитевую структуру, или до того, как случайная последовательность трех цифр была введена в замок сейфа, информации о том, что эти последовательности "лучше" других, просто не существовало. Информация была создана, сотворена. Непредсказуемое превратилось в неизбежное (Пьер Буле, цитировано по [Кастлер Г., 1967]). Системы, создающие осмысленную упорядоченность, обладают одним общим свойством: они содержат компоненты, конструкции, продолжительность жизни которых превышает время одного цикла работы системы. Для системы нуклеиновых кислот это значит, что двунитевой полимер не распадется до редубликации, а для другого примера - что замок сейфа не разрушится до того, как будет испытана хотя бы одна тройка цифр. Требование наличия долгоживущих, медленно релаксирующих конструкций обязательно для живой материи. Нельзя построить живое на основе газовой фазы! Таким образом, понятие конструкции становится весьма важным при анализе функционирования живых систем и их компонентов. С позиции статистической физики наличие конструкции означает наличие границ между областями фазового пространства, пересечение которых запрещено для фигуративных точек статистической системы в течение данного промежутка времени. Эта проблема выходит за рамки настоящей статьи.

ЛИТЕРАТУРА

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. Бриллюен Л. Наука и теория информации. М.: Физматгиз, 1960.
5. Кастлер Г. Возникновение биологической организации. М.: Мир, 1967.

Назад

Публикации с ключевыми словами: информация - энтропия - термодинамика Публикации со словами: информация - энтропия - термодинамика
См. также: Голографический принцип и чайник Голографический принцип Информация Горячие черные дыры Математическая теория связи Энтропия большого канонического ансамбля в расширяющейся Вселенной Абсолютная температура