Інформаційні процеси в клітині
Життя починається з клітини, найменшої одиниці живого, яка містить спадкову інформацію свого виду. Як народилася інформаційна життя, звідки виникли унікальні алгоритми, керуючі діями клітини – велика таємниця природи.
Ми спостерігаємо в клітці біофізичні і біохімічні процеси, при протіканні яких переробляється інформація. Частина з них ми розуміємо. Так, нам відомі процеси, що призводять до перенесення інформації при дифузії і осмосу (за рахунок різниці концентрацій речовини по різні боки мембрани клітини). Але в той же час існують явища, біофізика яких нам як і раніше не ясна. Наприклад, що за сила тягне РНК з ядра в цитоплазму, де вона з’єднається з рибосомою? Який напрям осі ділення клітини, що приводить до виникнення тканини або органу певної форми? Як в процесі диференціювання на певному етапі з одного типу клітини утворюється інший?
У підсумку, для протікання всіх цих процесів у природи є тільки чотири види взаємодії. Ми будемо виходити з того, що будь-які фізичні явища, які спостерігаються людиною візуально або реєструються різними приладами, можуть бути пояснені в рамках законів матеріального світу. Що стосується інформаційного світу, то його вивчення може здійснюватися тільки побічно, через прояви зв’язків між ним і матеріальним світом. Слід зауважити, що інформаційна природа клітини практично не вивчена.
На перший погляд може здатися дивним, що ми намагаємося зв’язати поняття “клітина” і “інформація”. В основних положеннях клітинної теорії, сформульованих в минулому столітті, про це нічого не сказано. Яка інформація може міститися в “найменшою одиниці живого” – клітці? Перш ніж відповісти на це питання, давайте спочатку домовимося, що ми будемо розуміти під всім відомим словом “інформація”.
Під інформацією (від латинського informatio – роз’яснення, інформування) спочатку розумілися відомості, що передаються людьми, усним, письмовим або іншим способом (за допомогою умовних сигналів, технічних та інших засобів). З середини ХХ століття це поняття стає загальнонаукових, що включає обмін відомостями між людьми, людиною і автоматом, автоматом і автоматом. Воно включає обмін сигналами в тваринному і рослинному світі, а також передачу відомостей від клітини до клітини, від організму до організму.
Сигнал – фізичний носій інформації (світло, звук, символ, механічний удар і ін.).
І неважливо, чи будемо ми думати, що інформація – це спосіб спілкування матеріальних об’єктів або ж будемо вважати, що вона сама використовує різні матеріальні об’єкти для свого існування. Важливо зрозуміти, що:
Інформація та матерія не існує незалежно один від одного.
Інформація “оживляє” матерію. Виявляється, можна провести чітку грань між “живою” і “неживою” матерією. Але перш, ніж це зробити, наведемо кілька прикладів передачі і переробки інформації.
Коли ми слухаємо чиюсь мова, читаємо книгу або газету, дивимося фільм або новини по телевізору, ми отримуємо якусь інформацію. Як передається нам ця інформація? За допомогою різних матеріальних носіїв. Людська мова, як і інші звуки, передаються за допомогою акустичних коливань повітря. Якщо спілкування йде по мобільному телефону, на додаток до акустичних коливань додаються електромагнітні хвилі. У книгах і газетах носієм інформації є папір. У телебаченні в якості одного з носіїв використовуються електромагнітні коливання.
Для передачі однієї і тієї ж за змістом інформації можуть застосовуються різні матеріальні носії.
У якийсь момент дійсно складається враження, що інформація використовує в якості “середовища свого проживання” різні матеріальні об’єкти і види взаємодії. Якщо одну і ту ж інформацію можна передавати за допомогою різних матеріальних процесів, значить її можна розглядати і вивчати незалежно від типу матеріального носія.
Аналогічним чином відбувається передача інформації в нейронних мережах. Рецептор сприймає сигнал зовнішніх подразників, переводячи його в рецепторний потенціал. Наприклад, механорецептори збуджуються при їх механічній деформації, терморецептори сприймають зміни температури, фоторецептори в сітківці ока сприймають світлову (електромагнітну) енергію. При цьому в першому випадку сигнал про деформації перетворюється в електричний сигнал, що несе інформацію про деформації тканини, але в інших одиницях. Теплова інформація про зміну температури перетворюється рецептором в електричну інформацію, яка показує той же зміна температури, але в інших величинах (мілівольтах). Далі, при проходженні до центрального ланці аналізатора, що знаходиться в ЦНС, може відбуватися по черзі перетворення електричного сигналу (що має в часі вид періодичного сигналу) в біохімічний сигнал в синапсі (також має періодичний характер). Незважаючи на це, всі проміжні сигнали, незалежно від їх фізичної природи, передають по суті одну і ту ж інформацію. У першому випадку про величину деформації тканини, вимірюваної спочатку в міліметрах або мікрометрів, в другому – про різниці температур між всім тілом і його частиною, яка вимірюється в градусах Цельсія, в третьому – про інтенсивність світлового сигналу, що вимірюється в люксах.
Таким чином, видно, що інформація використовує різні види матерії для свого існування.
Навіщо людині потрібна інформація? Кожен крок нашого повсякденного життя пов’язаний з отриманням і переробкою різної інформації. Інформація дає нам можливість приймати рішення про подальші кроки, виключити невизначеність при їх реалізації. Сукупність цих кроків становить наш “життєвий цикл”. Так, людина визначає час, щоб знати, коли вставати з ліжка і лягати спати. Йому необхідно знати: холодно на вулиці чи тепло, сонячно або дощитиме, темно або світло.
Так і в клітці інформація забезпечує реалізацію життєвого циклу, описаного раніше. Якщо подумки розбити життя клітини на безліч дрібних за часом кроків, то з’ясується, що, перш ніж зробити наступний крок, вона переробляє величезну кількість інформації. Кожна мить клітина як би питає у себе, що робити далі. За допомогою вбудованих природою “датчиків” – рецепторів вона отримує необхідну інформацію про свій поточний стан (про параметри або показниках поточного стану). Але у клітини виникає невизначеність щодо подальших дій у конкретній ситуації і одним з найважливіших критеріїв функціонування клітини є вибір з усіх можливих алгоритмів такого, який забезпечить підтримання порядку всередині клітини. Результатом стає вироблення рішення: які дії необхідно зробити при даному стані. Щомиті, за допомогою алгоритмів, клітина отримує інформацію і “робить наступний крок” в життєвому циклі, запропонованому природою. Так триває протягом усього її життя.
Що ж може статися, якщо інформація не зробить? Уявімо собі театр маріонеток, де ляльки рухаються, як живі. Рух кожної ляльки здійснюється за допомогою ниток, що з’єднують ляльку з рукою ляльковода. Але якщо ляльковод на хвилиночку забуває роль, лялька застигає. Те ж відбудеться з кліткою, якщо робота її інформаційної системи на мить зупиниться.
Відповідно до теорії інформації, система правил (алгоритм) визначає зміст і послідовність операцій, які забезпечують вирішення завдань певного класу. Подібні алгоритмічні процеси притаманні і клітці! Саме програмна підсистема клітини включає і реалізує різні покрокові (циклічні) динамічні процеси. На кожному кроці програма, згідно закладеному в неї алгоритму, виконує певні дії для підтримки порядку в системі.
Алгоритми управління процесами в клітині. Що дозволяє клітині зберігати певну структуру, підтримувати режим діяльності, реалізовувати свої програми? Щомиті клітина одночасно повинна вирішувати важливі завдання, задіявши кілька алгоритмів. Один з них підтримує на генетично заданому рівні параметри підсистеми життєзабезпечення, інший дозволяє змінювати оптимальним чином параметри, що забезпечують виконання специфічних функцій, наступний відстежує фазу життєвого циклу. Ці алгоритми повинні працювати синхронно. Використовуючи підсистему підтримки життєдіяльності і підсистему виконання специфічних функцій, клітина проходить властивий їй життєвий цикл.
Припустимо, що в ядрі, цитоплазмі і органелах клітини діють автономні алгоритми управління. Кожен з цих алгоритмів забезпечує отримання інформації про параметри поточного стану свого об’єкта. Порівнюючи поточні значення життєво важливих параметрів з величинами, заданими природою, алгоритм системи управління формує регулюючу дію. За такою схемою працює будь-який механізм гомеостата – ми говорили про нього, розглядаючи системну модель клітини. Припустимо, що автономні системи управління здатні перебудовувати параметри певної структури клітини в залежності від інформації про впливи навколишнього середовища. Висунута нами гіпотеза знову підтверджує відому тезу: на відміну від робота, клітина є набагато більш складною системою, що складається з безлічі одночасно і синхронно працюючих алгоритмів.
В один і той же момент часу в клітці відбувається безліч динамічних процесів, кожен з яких має свій закладений природою ритм. Цей ритм працює синхронно з ритмами інших підсистем.
Клітка являє собою систему, що складається з безлічі синхронно працюючих інформаційно-аналітичних підсистем.
Життєві цикли однотипних клітин схожі (це підтверджують експерименти). Однотипні клітини діляться однакову кількість разів, тривалість періодів їх життя збігається. Тепер вдумаймось. Якщо період часу від початку клітинного ділення однотипних клітин до його кінця завжди однаковий, отже, клітина здатна оцінювати, в якій точці життєвого циклу вона знаходиться. Ймовірно, всередині клітини існує якийсь хронометр, що забезпечує динамічний ритм, відповідно до якого відбувається певний алгоритмічний процес.
Зокрема, мітоз – завжди однаковий за фазами (по їх послідовності і тривалості) покроковий динамічний процес для певного виду клітин. Інакше кажучи, це запрограмований природою динамічний процес, який проходить завжди однаково відповідно до алгоритму (переліком кроків) при настанні певних умов.
На підтримку ритму потрібна енергія. При дефіциті енергії вплив зовнішніх впливів може змінити ритм, порушити алгоритм роботи системи управління. Природа дала клітці безліч різноманітних способів поповнення дефіциту енергії. Для “настройки” збилася з ритму системи в клітці передбачений головний ритм. Він пов’язує і синхронізує ритми всіх процесів, що протікають в клітині. У свою чергу, ритмом об’єднані всі клітини, тканини, органи і системи. Синхронізація процесів в живих системах орієнтована на головний біологічний ритм організму. Ієрархія ритмів забезпечує взаємозв’язок всього живого в природі.
Синхронізація динамічних процесів в клітці орієнтована на її головний ритм. Ієрархія ритмів забезпечує взаємозв’язок всього живого в природі.
Сукупність параметрів, які клітина повинна оцінювати під час свого життєвого циклу, визначають стан клітини як системи. Що могло б статися з кліткою, якби вона втратила здатності відчувати і оцінювати параметри свого поточного стану?
Уявімо собі, що, не володіючи навиками пересування сліпої людини, хтось вирушив із зав’язаними очима по міській вулиці в найближчий магазин за покупками. Чи висока ймовірність того, що він здійснить свій план? Очевидно, немає. Відсутність такого важливого інструменту, як зір, що дозволяє визначати своє місцезнаходження в просторі, в кращому випадку призведе його до будь-якої стіни, у якій він зупиниться в роздумі, що робити далі, а в гіршому?. Якщо ж людина зняв пов’язку з очей, але пов’язав себе ноги, він також навряд чи зможе дійти до магазину.
Таким чином, якщо клітина не може визначати поточні показники свого стану і не має можливості їх змінювати, вона не зможе здійснювати правильні кроки в напрямку підтримки порядку. Зрештою це призведе до її деградації і загибелі.
Надходить по різних фізичних каналах, а також генетично закладена в клітку інформація використовується нею для визначення параметрів свого стану в кожен момент часу життєвого циклу.
Можливість оцінювати параметри стану і змінювати їх в часі є життєво необхідною властивістю клітини.
Ми вже обговорювали поняття зон стійкості, розбираючи системну модель клітини. Гранично допустимі значення параметрів стану клітини, при яких її алгоритми після припинення дії зовнішнього фактора відновлюють свою нормальну роботу, визначають межі стійкості клітини. При цьому до зовнішніх впливів можна віднести будь-які несприятливі умови навколишнього середовища, зокрема, зовнішні поля, що несуть дестабілізуючу для алгоритмів клітини інформацію.
Яким же чином передається спадкова інформація, інструкції по внутрішньому облаштуванню клітини, і якою мовою розмовляють клітини? В рамках підсистеми лінгвістичного забезпечення клітини розберемо “алфавіт” генетики. У генетичному коді (таблиця на малюнку 1.3.13) всього чотири літери: А, T, G, C (або U – урацил, зустрічається тільки в РНК замість тиміну). Як ви пам’ятаєте, це позначення наявних азотистих основ – нуклеотидів (глава 1.3).
Мова генетики строго однозначна, як машинні мови, він не визнає омонімів, метафоричності. Тільки алгоритм і тільки певна послідовність дій. Слова на генетичному мові – це поєднання трьох із зазначених букв в будь-якій комбінації. Давайте пофантазуємо: AUG, CCA, GAG, UGA і так далі. Неважко порахувати, що таких “слів” можна скласти 43 = 64. Кожне таке “слово” називається кодоном, або кодоном, а саме властивість генетичного коду – тріплетном. Відомо, що для побудови білкових молекул клітина використовує 20 амінокислот (їх можна уявити як “алфавіт мови білків”). Важливо наступне: одним кодоном шифрується тільки одна амінокислота. Це властивість генетичного коду називається специфічністю, або однозначністю.
Подивіться на малюнок 1.3.13: триплет AUG відповідає метионину, UGG – триптофану. Одна з 20 амінокислот може бути зашифрована декількома кодонами (їх адже 64). Наприклад, амінокислота лейцин кодується шістьма триплету: UUA, UUG, CUA, CUG, CUU, CUC (таблиця на малюнку 1.3.13). Це властивість генетичного коду назвали виродження. 61 кодон несе інформацію про будь-яку амінокислоті, а решту три “мовчазних” – UAA, UGA, UAG – називаються стоп-кодонами, або термінують кодонами (перевірте по таблиці). Один з них розташований в кінці кожної мРНК і зупиняє синтез білкової молекули. В даний час вивчений генетичний код всіх живих організмів, від вірусу до людини, і у всіх цей “алфавіт і мова” генетики виявилися однаковими, тобто генетичний код універсальний!
Підсистема інформаційного забезпечення. Вся інформація, яка становить геном ( “базу даних”) клітини, міститься в її ДНК – а це близько 40 тисяч генів. Коли вчені орієнтовно прикинули, скільки білків можуть синтезувати клітини (зупинилися на діапазоні 50-100 тисяч) і який запас інформації міститься в ДНК (виявилося 4-6 мільярдів біт), то виявилося, що ДНК вистачає на синтез 3-6 мільйонів білків, то є виявився майже стократний надлишок. Але інформація не буває зайвою! Частина її може випадково стертися з пам’яті, загубитися… Тоді включаються інші програми, закладені еволюцією в геномі, інформація відновлюється, запам’ятовується, копіюється, щоб в подальшому використовуватися. Надмірність генома не примха, а необхідна умова стійкості клітини, високою пристосовності в природі.
Багато з вас, напевно, міняли відпрацьовану прокладку в водопровідному крані. Якщо у вас є заготівля, ви можете зробити нову прокладку двома способами. Перший спосіб (для зануд) полягає в тому, щоб виміряти діаметр старої (наприклад, штангенциркулем), поділити його на два, потім встановити розчин циркуля, що дорівнює значенню радіусу і накреслити коло на заготівлі. Потім акуратно вирізати ножицями по контуру коло. При цьому в процесі роботи ми можемо помилитися – неправильно виміряти діаметр, поділити на два, може статися механічний збій установки розчину циркуля…
Другий спосіб – більш простий і надійний (для ледарів, або “в лоб”) – полягає в тому, що ви накладаєте стару прокладку на заготівлю і вирізаєте нову по контуру старої. Потім можете продовжувати копіювання прокладок, використовуючи вже вирізану.
Цікавим чином відбувається зчитування інформації в клітині.
(2 votes, average: 3.00 out of 5)