Що е живот и генетична информация
Широко разпространено е определението за живота като специфична форма на съществуване и движение на материята, изградена на основата на белтъчни съединения, обусловена от физико-химични взаимодействия, характеризираща се с материален и енергиен обмен и способна да се самоизгражда, самоподдържа и самовъзпроизвежда.
Това определение за живота, обаче, не отразява неговата основна същност, а е насочено главно към най-ниските нива на организационната му структура – към физико-химичните взаимодействия на градивните му елементи. Животът е нещо много повече от тази градивна елементна база, като даже и в най-елементарния си вид, структурата и функционалните параметри на живата материя се характеризират с висока степен на организираност, подчинена на взаимодействия от друг клас – информационни и функционални.
Ще поясня това с една аналогия. Активните градивни компоненти на съвременния компютър са интегрални схеми изградени на основата на силиций, а в пасивната му елементна база – резистори, кондензатори, кабели и т.н. са използвани провеждащи и изолиращи материали. Материалната структура на тази елементна база е подчинена на физико-химически взаимодействия, функционирането на неговите електронни вериги – на електромагнитни взаимодействия, но това не дава основание да сведем до такива нива определението за "компютър", защото те не отразяват основната му същност, а тя е въвеждането, запомнянето, преобразуването и извеждането на информация при помощта на взаимодействия от съвсем друг клас – логически и информационни.
Биологическата същност на живота, поради високата степен на структурна и функционална организираност на неговите форми на съществуване, може да бъде разглеждана като антитеза на ентропията - схващана като енергийна деградация или като процес водещ към най-вероятностното състояние на хаотична неорганизираност и неопределеност. Такова състояние е антитеза и на информацията схващана като вероятностен израз на определеността.
В този смисъл, всяка форма на живот, която се характеризира с висока степен на функционална определеност и организираност има отношение към закономерности, които могат да бъдат разглеждани като информационно програмно начало.
Тук трябва да се изтъкне, че информацията не е самата действителност, а представлява нейното съответствие, кодирано и изразено чрез специфичен информационен език със своя символна и граматична системи (семиотика). Информацията не възниква от само себе си – това би било в противоречие с ентропията, която еднозначно води към неопределеност. Затова, наличието на информация винаги предполага съществуването на съответното информационно организиращо начало. Важна особеност на информацията е, че нейната семантика – т.е. самата същност на смисловото й съдържание няма материален характер, въпреки, че се носи от материални информационни носители и че може да описва и определя като програмно начало материални същности. В тази светлина, информационната семантика представлява свързващо звено между материалната и духовната сфери на Битието.
Да хвърлим поглед върху информационния език и неговите структурни и граматични особености. В него се използват елементарни символи – знаци,
които условно можем да наречем "букви" на азбуката на този език. Чрез "буквите" се образуват "думи", а от думите се формират "изречения" носещи семантичното (смисловото) съдържание. Така например, информационният език, който се използва в компютърната техника, в съвременните цифрови (дигитални) телекомуникации, както и в системите за записване и възпроизвеждане на акустични и видеосигнали, има азбука която се състои само от два вида символи - "0" и "1". Неговата основна "дума" (байт) е съставен от осем символа (бита). При различното подреждане на символите в "думата", се получава един речник от максимално възможни 256 думи. На пръв поглед изглежда, че това е език с твърде "беден" речник. Но доколкото всяко "изречение" – т.е. всяко елементарно сведение или инструкция може да съдържа много "думи", то възможностите на този "беден" речник са практически неограничени. Така, при изречения съставени от 5 "думи", потенциално могат да бъдат кодирани 2565 или около 1000 милиарда различни по своето смислово съдържание "изречения".
Освен принципното сходство между живота и информацията като същности с висока степен на определеност, животът има пряка и конкретна връзка с информационните взаимодействия от различен клас и непосредствено зависи от тях.
На първо място, тук стои генетичната информация. Тя представлява в кодиран вид програмно начало, на което е подчинено изграждането на общата структура на живия организъм и на отделните негови системи.
След това можем да посочим и оперативната функционална информация, която има отношение към материалния и енергийния обмен в живия организъм, спазвайки строго определени технологични и рецептурни указания, заложени в генетичната му програма. В съгласуваното управление на функциите на живия организъм участват не само нервната система, като информационна мрежа, но и хормоналната система, която по химически път предава необходимата информация, направлява и участва в процесите според общата програма за функционални взаимодействия.
Тук трябва да отбележим и комуникационната информация(1), която позволява обмена на сведения с външната среда чрез съответните сензорни и сигнални системи – зрение, термочувствителност, слух, обоняние, осезание, без които не е възможно ориентирането и оцеляването на организма, осигуряването на подходящо поведение, като и продължаването на рода чрез предаването и приемането на специфични сигнали (например феромони).
Не е възможно в такова разглеждане да се опишат подробно всички видове информационни взаимодействия в живите организми, затова ще се спрем преди всичко на генетичната информация. Именно чрез нея най-убедително може да бъде получена представа за основната роля и кардиналното значение на информацията в живата природа. Ще спомена, че революцията, която предизвика изясняването на природата на генетичната информация има отношение към трима учени – физици. Така, един от основоположниците на квантовата механика Шрьодингер, още през 1944 г. в публикацията си "Що е живот" изтъква, че развитието, съществуването и възпроизвеждането на всеки жив организъм се обуславя от наличието на кодирана информация (2). Впоследствие, Гамов – един от идеолозите на хипотезата за "големия взрив", пръв изказва предположението, че това става чрез кодиране върху органични химически информационни носители. Третият физик – Крик, откривателят на структурата на този информационен носител – на двойната спирална конструкция на ДНК –(дезоксирибонуклеиновата киселина), заедно с биолога Уотсън получи Нобелова награда за този епохален принос (3) .
Въпреки, че нашето внимание е насочено към информационните взаимодействия, за тяхното разглеждане се налага да споменем накратко и някои особености на основния градивен елемент на биологично ниво -клетката.
Известно е, че тя представлява ограничен с обвивка обем от цитоплазма, в която влизат главно вода, белтъчини, масти, въглехидрати и малък процент минерални вещества. Съществена роля тук играят протеините (белтъците), които се състоят от аминокиселини. Функционирането на клетката зависи от взаимодействията на протеините (структурни белтъци, ензими, хормони), а техните свойства се определят от подреждането на аминокиселините в тях.
Първоначално са смятали, че наследствените белези, които обуславят изграждането и функционирането не само на клетката, но и на целия жив организъм се носят от аминокиселините в протеините. Впоследствие, обаче, се изяснява, че наследствените белези се определят от дезоксирибонуклеиновата киселина (ДНК), която е в хромозомите, намиращи се в ядрото на всяка клетка. ДНК се състои от четири вида основни градивни съставки ("бази" или "нуклеотиди"), които следват без всякаква видима закономерност върху нейната дълга молекула. Трудно е било да се допусне(4), че поради нейния на пръв поглед еднообразен характер, тя би могла да носи цялата богата палитра на генетичната информация и това на времето е накарало Нобеловия лауреат Делбрюк да каже, че наричали ДНК "глупаво" вещество(5). Всъщност се оказало, че ДНК не само не е "глупава", а в привидно неподредената структура на всяка нейна молекула е закодирано огромно количество информация – подробни рецепти и инструкции, които осигуряват успешното изграждане, съществуване и възпроизвеждане на всеки жив организъм.
Пространствената структура на ДНК-молекулата представлява двойка спираловидно усукани една спрямо друга тънки нишки, върху които са разположени елементарните градивни съставки – нуклеотидите. Общата дължина на нишките е около 2,7 м при диаметър на молекулата от само 2 нм – т.е. около две милиардни части от метъра. Всеки нуклеотид представлява една от четирите "бази" - Аденин, Гуанин, Тимин и Цитозин, свързани със захари и с фосфорен радикал. Нуклеотидите следват на разстояние 0,34 нм, което съответства само на около 7 радиуса на електронната орбита във водородния атомен модел на Бор. Нуклеотидите са така подредени, че Аденинът от едната нишка винаги се свързва чрез водородни връзки с Тимина от другата, а Гуанинът от първата - със Цитозина от втората и обратно. Тази структура, с тегло под един микрограм изпълнява ролята на химически информационен носител и представлява памет с изключителни характеристики, надвишаващи (с изключение на бързодействието) всички постижения на съвременните информационни технологии.
Езикът, на който е записана биологичната информация, има само четири символни знака – "букви", съответстващи на четирите бази, които се групират в "думи" – "триплети", съставени всяка от три различно подредени символа. От тук следва, че речникът на този биологичен информационен език се свежда само до 64 възможни "думи". Всяка една от двадесетте основни аминокиселини, от които са изградени белтъчините, отговаря на определена "дума" от езика. Трябва да се подчертае, че се касае не за идентичност, а за кодирано информационно съответствие. При това, някои от "думите" действат като синоними (например не само ГТА, но също ГТГ, ГТТ и ГТЦ съответстват на аминокиселината валин), а други "думи" играят ролята на команди за "начало" или "край" на дадена рецепта или инструкция. Ако приемем, че една инструкция (т. е. "изречение") се състои например от 5 "думи", то броят на възможните инструкции би бил формално 645 или около 1 милиард. От тези колосални потенциални възможности на тази памет, обаче, се използват само около 3 % (екзони), като 97 % (интрони), се намират в участъци, разположени между команди, означаващи края на дадена инструкция и команди, с които е отбелязано началото на следващата. Предполага се, че информацията в тези участъци не отговаря на сегашните биологични форми на съществуване и би могла да има отношение към минали етапи на развитие.
Разглеждайки особеностите на информационните взаимодействия на клетъчно ниво, проличава един съществен белег – надеждното съхранение на основната генетична информация кодирана в ДНК. При възпроизвеждането на нейната молекула, връзките между комплементарните, насрещно разположени нуклеотиди "А" и "Т", както "Г" и "Ц" се разкъсват и тези, така освободени бази, се свързват избирателно със съответните градивни съставки, които се намират в ядрото на всяка клетка. Този процес, наречен репликация, осигурявайки запазването на първичната информация, позволява да бъдат получени необходимите копия от нея.
Синтезирането на белтъците, в съответствие с кодираните в ДНК символи не се осъществява директно, взаимодействайки непосредствено с основната първична памет, а с помощта на специализирана междинна оперативна памет - молекулата на информационната рибонуклеинова киселина (иРНК). Главните различия на РНК от ДНК се обуславят от наличието на един атом кислород в РНК и нейната единична, а не двойна спирална структура, както и това, че нуклеотидната база Тимин (Т) в нея е заместена с нуклеотидната база Урацил (У) – комплементарна (допълнителна) на Аденина (А). Това междинно информационно преобразуване се нарича транскрипция – т.е. преписване от ДНК в информационната РНК.
Същността на следващото, трето информационно взаимодействие транслация представлява "превеждане" от езика на РНК на езика на аминокиселините. Тук трябва да се изтъкне, че нуклеиновите киселини и аминокиселините са полимери с принципно различна структура, поради което процесът на "превеждане" е несравнимо по-сложен от процесите на репликацията или транскрипцията – защото се касае не само за "превод", а и за реализиране на програмиран химически синтез. Транспортната РНК (тРНК) е адапторната молекула, която осъществява връзката между даден триплет от иРНК и съответстващата й аминокиселина. В този процес участват и специализирани ензими – катализатори, които имат избирателни свойства – т.е. условно казано – "афинитет" от една страна към дадени нуклеотиди, а от друга – към съответстващите им аминокиселини.
При информационното преобразуване и управлявания синтез неминуемо възникват информационни грешки. Такива грешки могат да бъдат предизвикани и при въздействието върху молекулата на ДНК от йонизиращи лъчения, космични лъчи, високи температури и т.н. За елиминирането на тези грешки, в клетката непрекъснато се осъществяват ензимни проверки и корекции, но въпреки всичко, остават и некоригирани отклонения. Като критерий за информационните грешки се използва безразмерното отношение на сбърканите битове към битовете на общото количество информация. Интересно е да се отбележи, че както при биологическите така и при съвременните електронни информационни преобразувания, допустимата относителна грешка (ВЕR) е от порядъка на 10-9, т.е. на всеки милиард битове, един може да бъде погрешен.
По принцип, информационните грешки предизвикват изменения в биопрограмата на живите организми, които довеждат до т.нар. мутации. Някои от тях могат да се окажат благоприятни за даден биологичен вид в конкретната обкръжаваща среда, поради което, така мутиралите организми имат повече шансове за оцеляване и разпространение. В тази светлина, става ясно, че по своята същност, еволюционният процес се обуславя от възникването и по-нататъшното предаване на такива "благоприятни" информационни грешки и отклонения. В този смисъл, всеки организъм може да бъде разглеждан като диалектическо единство между поначало консервативната генетична програма и нейните постепенни изменения, оптималната динамика на които осигурява успешното оценяване на вида.
Отношение към информационните взаимодействия има и двуполовият начин на размножаване. При простото размножаване чрез клетъчно делене, генетичната ДНК програма се репродуцира без изменения. Това, потенциално може да доведе до задълбочаване на отклоненията от средностатистическите белези, характеризиращи даден вид. Някои от тези отклонения могат да бъдат неблагоприятни, с което се застрашава оцеляването на вида. При половото размножаване, обаче, влиза в сила информационният обмен и ДНК програмата на новосъздадения организъм е вече комбинация от различаващите се програми на двамата родители. Така не само се реализира някакво интегрално информационно програмно осредняване в рамките на вида, но се намалява и вероятността от задълбочаването на значителни средно-статистически отклонения. Поради тези причини, потомството на близки роднини, които имат сходна генетична информация е наследствено обременено.
Именно за осигуряването на този информационен ДНК обмен възниква необходимостта от сексуално общуване при което, чрез хормоналните механизми по един императивен начин се управлява поведението на сексуалните партньори.
Тук ще добавя, че изменения в генетичната програма могат да бъдат предизвикани и чрез бактериално или вирусно пренасяне и внедряване на чужда ДНК.
С информационните взаимодействия е свързано и възникването на ред заболявания причинявани от вируси, а най-вероятно и раковите заболявания. Както е известно, вирусите са елементарни форми на съществуване на границата на живата материя, пълният жизнен цикъл, на които не може да бъде осигурен от самите тях. Тяхната структура представлява почти изцяло РНК или ДНК програмно начало, което прониквайки в застрашената клетка започва да управлява процесите в нея и да се самовъзпроизвежда. Борбата с тези заболявания може да се води чрез мобилизирането или модифицирането на имунната система или чрез вмешателство в генетичната програма – посредством замяна на засегнатите участъци от ДНК. Такава намеса на генетично ниво, влиза в компетентността на генното инженерство. Тази област на научни изследвания и реализации е свързана и с т. нар. клониране -т.е. възпроизвеждането на принципно неограничен брой екземпляри от даден жив организъм, използвайки генетичната информация, намираща се в дадена клетка. Пример за подобен процес е първото клониране на овцата "Доли" в Англия.
Перспективите в това отношение са необозрими и е трудно да се прогнозира до къде ще се стигне в тази област. Днес, клонирането на човешки същества официално не е разрешено. Чрез него биха могли да бъдат създавани не само индивиди с уникални възможности, но и специализирани "биороботи" с необходимите качества на послушни изпълнители. Затова, овладяването на процеса на управление на генетичната информация може да се оцени не само като тържество на човешкия разум, но при неблагоприятно и излязло извън контрола развитие би могло да доведе до непредвидими и неуправлявани последствия. Това би могло да се случи не само поради рисковете, които крият изследванията и разработките в тази недостатъчно овладяна област, но и поради обстоятелството, че за разлика например, от ядрените технологии, които изискват сравнително скъпи, сложни и обемисти съоръжения, биогенетичните изследвания и експерименти могат да се реализират с по-достъпни ресурси и се контролират много по-трудно в глобален мащаб.
В този смисъл, основният проблем тук е не толкова успешното овладяване на ДНК технологиите, включително бактериалния синтез на ензими, имунни средства, а даже и на хранителни вещества, колкото до липсващия баланс между научно-технологическите възможности и етичното поведение на Човечеството.
Нека се спрем накратко и върху проблема за произхода на живота. Естествено е този произход да бъде тълкуван в пряка зависимост от схващането за неговата същност.
От позициите на механистичния материализъм, същността на живота се свежда или "редуцира" до физико-химическите взаимодействия на неговите градивни елементи. Това е т. нар. "редукционизъм", който предполага, че възникването на живота през "хадейската" епоха преди около три милиарда години е станало във водните басейни, където при подходящи температурни условия и под въздействието на ултравиолетовото и космичното лъчение, електрическите разряди и други фактори са се образували спонтанно "коацервати" – високомолекулни капковидни образувания. Според редукционистите, тези коацервати са претърпяли някакво развитие засягащо структурата, метриката и чувствителността им към околната среда, довело до появяването на РНК и ДНК.
По принцип, обаче, подобни процеси в крайна сметка закономерно водят само до нарастване на ентропията – т.е. до приближаването до едно равновесно състояние, характеризиращо се с потискането на сложните структурни отклонения и до деградацията на енергийните взаимодействия, а това по-начало е пълна антитеза на живота. Трябва да се отбележи, че резултатите от многобройните експерименти за моделиране на условия, които биха могли да доведат до спонтанното възникване даже само на съгласувани комплекси от аминокиселини, не потвърждават тези хипотези(7). Предположенията, че за достатъчно дълги периоди от време могат да се случат и най-малко вероятни събития са стимулирали и изследвания с високоскоростни компютри, които също показват, че вероятността на случайното възникване на живота остава практически нулева, независимо от нарастването на еквивалентните времеви интервали.
Не случайно, още преди 25 столетия, Платон, а впоследствие и неоплатониците са търсили други обяснения за произхода и същността на живота, застъпвайки тезата, че той възниква като материална реализация на някакъв абстрактен модел от един духовен свят на идеите.
По-близко до съвременните схващания са позициите на Аристотел, който смята, че произходът и същността на живия организъм могат да бъдат обяснени чрез понятието "форма" (eidos), тълкувайки го като модел или принцип на организиране на материалната среда (hyle). Така, Аристотел се доближава до съвременната оценка за кардиналната роля на информационните и функционалните взаимодействия в живата природа(8) Именно за това, през 1976 г. Нобеловият лауреат Делбрюк духовито възкликва, че на Аристотел трябва да се отсъди Нобелова награда за откриването на ДНК(9). По този повод, Кембъл и Майер също изтъкват, че прозренията на Аристотел съвпадат със съвременните схващания относно значението на информацията (10). Разглеждан в тази светлина, въпросът за произхода на живота фактически се свежда до произхода на генетичната информация (10), съдържанието на която в никакъв случай не се определя от физико-химическите взаимодействия, защото те имат отношение само към нейния материален информационен носител.
Представителите на креационизма доразвиват идеите на неоплатониците и на Аристотел, утвърждавайки, че щом има организиращо начало или модел, трябва да има и негов създател.
Интересно е да се проследи развитието на схващанията на нобелиста Крик по тези въпроси. Той, заедно с Уотсън, започва своите изследвания като редукционист и първоначално, през 1966 г. твърди за ДНК: "Всичко, което сме открили досега може лесно да се обясни чрез стандартните химически връзки"(12). Впоследствие, обаче, неговите позиции се променят и две десетилетия по-късно, през 1986 г. е на мнение, че "Биолозите трябва постоянно да помнят, че това което виждат е плод на замисъл, а не на еволюция“(13) .
Тук ще спомена и тезата за космическия произход на живота, предложена още от Аристарх (III век преди н.е.) и поддържана от бележити учени като Хелмхолц, Томпсън и Арениус.
Сериозни аргументи в нейна подкрепа, обаче, се появиха едва през последните десетилетия благодарение на Вакрамасинге и известния астроном Хойл(14). Те показаха, че размерите и ивиците на спектралното поглъщане от 3,4 мкм и 10 мкм на частиците на огромни облаци от космичен прах (напр. облака на Орт) съответстват точно на тези на бактериите. Това беше потвърдено и от космическите сонди "Джото" и "Вега" при изследването на Халеевата комета. Бе доказана и невероятната устойчивост на бактериите спрямо ниски температури и интензивна радиоактивност (напр. бактерията "Deihococcus radiourans" живее и се възпроизвежда даже в ядрените реактори). Адаптацията към такива екстремални условия също свидетелства за възможния космичен произход на подобни бактерии.
Имайки предвид, че върху земята ежедневно падат стотици тонове космичен прах , при подходящи условия става възможна и появата на живот по такъв начин. Благодарение на изотопния въглероден анализ на скалите, е изяснено, че това би могло да стане преди 3850 милиона години.
За съжаление, обаче, евентуалното Космическо начало на Живота върху нашата планета не дава отговор за същността на неговия произход, а само го измества.
Разбира се, представителите на отделните течения защитават схващанията си, изхождайки до голяма степен от своите предварително избрани философски позиции. И тук не бива също да се забравя, че приближаването към истината е бавен процес, при който се отричат част от вчерашните схващания, приближавайки се до утрешните, които днес все още се приемат като утопия или ерес.
За мен лично, по ред причини е трудно да приема тезата на редукционизма за случайното възникване на живота, даже и само за това, че математическата вероятност за стохастичното възникване на такива сложни информационни преобразувания като репликация, транскрипция и транслация е практически нулева. Тогава, трябва да се предположи съществуването на някакво организиращо информационно начало. В тази връзка ще цитирам Кембъл: "Природата не може да се разглежда само като материя и енергия. Нейните тайни не могат да бъдат разкрити само чрез химията и физиката. Всяко обяснение на света, което претендира да бъде цялостно, се нуждае от трети елемент. Към мощните химически и физически теории трябва да се добави едно по-късно научно постижение – теория на информацията. Природата трябва да се разглежда като МАТЕРИЯ, ЕНЕРГИЯ и ИНФОРМАЦИЯ (16).
В съзвучие с това са и идеите изложени в доклада ми "Физическа реалност и информация"(7), където се изтъква, че същността на природните закони се определя априорно от тяхното информационно съдържание. Тези непротиворечиви и взаимно свързани природни закони и константи обуславят възникването, съществуването и хармоничното единство на Битието, включително и на великото чудо наречено ЖИВОТ.
(Доклад на Симпозиум 26.11.2005 ”Наука и Религия”, Темто, София, 2006.)