В.А. Геодакян «Дифференциация на постоянную и оперативную память в генетических системах» (С. 6-13)

В.А. Геодакян

ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ НА ПОСТОЯННУЮ И ОПЕРАТИВНУЮ ПАМЯТЬ В ГЕНЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Институт проблем экологии и эволюции РАН им. А.Н. Северцова, Москва, Россия

1. Самым фундаментальным признаком живых систем является способность к самовоспроизведению. Поэтому генетические системн занимают центральное положение среди биологических систем. Рассмотрение структур основных генетических сиотем: нуклеопротеида, клеточного ядра, клетки, организма и популяции, показывает, что внутри каждой из этих систем можно заметить четкую дифференциацию на две оопряженные подсистемы. В популяции это два пола, в организме – два вида клеток, половые и соматические, в клетке – ядро и цитоплазма, в ядре – аутосомы и половые хромосомы, в нуклеопротеиде – ДНК и белок.

Случайно ли это? Какой принцип лежит в основе этой дифференциации? И, что она дает системе? Ведь существуют аналогичные отруктуры без указанной дифференциации: популяции без половой дифференциации (гермафродитные животные), организмы без дифференциации на сому и гаметы, клетки без дифференциации на ядро и цитоплазму, ядра без половых хромосом и т.д. Однако, почему-то во всех прогрессивных, в эволюционном смысле, структурах дифференциация наблюдается.

2. С точки зрения термодинамики живые системы являются открытыми рабочими системами. Они обмениваются со средой веществом, энергией, информацией. Поэтому их контакт со средой имеет информационную (в широком смысле этого слова) природу. Они производят работу против деградирующих (энтропийных) сил внешней среды. Поэтому представляется интересным сопоставить формы их контакта со средой с формами контакта других рабочих систем, неживых, физико- химических, с целью выявления общих черт и различий между ними.

3. Для неживых, физико-химических систем контакт со средой имеет, как правило, энергетическую природу, то есть, или система совершает работу против внешних сил, или наоборот, внешние силы совершают работу над системой. При этом, каждой форме энергетического контакта со средой соответствуют канал связи определенной природы и два сопряженных параметра системы экстенсивности и интенсивности [1]. Параметры:

Рабочая система (Природа, Экстенсивности интенсивности, Канала связи) механическая объем давление тепловая энтропия температура электрическая электрический электрич. потенциал заряд химическая масса химич. Потенциал Величина параметров экстенсивности зависит от размеров системы, это факторы ёмкости, объемные, или по терминологии Онзагера – «обобщенные термодинамические потоки». Это количественные параметры системы (обобщенные заряды) [2, 3].

Величина параметров интенсивности не связана с размерами системы, это потенциалы, или «обобщенные термодинамические силы» по Онзагеру. Они являются качественными параметрами рабочей системы, движущими силами, осуществляющими процесс (обобщенные потенциалы).

При соединении двух систем соответствующим каналом связи производится работа, при этом их параметры экстенсивности складываются, а параметры интенсивности выравниваются.

4. Понятие «экологической ниши» имеет смысл не только для живых систем, но и для любых. Если под экологичеокой нишей понимать совокупность диапазонов существования системы по разным факторам среды, то экологическую нишу можно характеризовать с одной стороны числом факторов среды, к которым система чувствительна – мерность ниши, с другой стороны величиной диапазона существования системы по данному фактору – ширина ниши. Факторами экологической ниши являются всевозможные параметры интенсивности (потенциалы) – температура, давление и различные концентрации (химических веществ, паразитов, хищников, жертв, особей своего и всех других видов и т.д.). Экологические ниши живых систем отличаются от экологических ниш физико-химических систем, прежде всего, своей многомерностью, и, как правило, сравнительно малой шириной диапазонов по факторам среды. Иными словами, живые системы более требовательны к условиям среды.

Но принципиальная разница в том, что живая система, в отличие от неживой, взаимодействуя со средой, может изменить положение диапазона в поле фактора среды, то есть адаптироваться (в широком смысле этого слова) – изменить свою экологическую нишу.

5. Работу генетической системы наглядно можно представить, как движение в пространстве обобщенных координат. К последним следует отнести, прежде всего, время и набор экологических факторов (T, P, C1, C2, C3,). Одна составляющая движения, направленная вдоль координаты времени, представляет собой вектор передачи генетической информации от поколения к поколению, она реализует связи между поколениями, внутренние взаимодействия системы, или тенденции наследственности.

Вторая составляющая движения, направленная вдоль обобщенной координаты факторов среды, представляет собой вектор экологических сдвигов, она осуществляет связи со средой, внешние взаимодействия системы, или тенденцию изменчивости.

Предлагается новая точка зрения, согласно которой в основе дифференциации генетических систем на сопряженные подсистемы лежит специализация по внутренним и внешним взаимодействиям.

Cистема подсистема внутренняя внешняя популяция женский пол мужской пол организм гаметы сома клетка ядро цитоплазма аутосомы клеточное ядро половые хромосомы нуклеопротеид ДНК белок.

Так как в основе нашего рассмотрения лежит идея взаимодействия системы со средой, то выделение внутренней и внешней подсистем необходимо понимать не в геометрическом (морфологическом) смысле, а в информационном, то есть потоки информации от среды, о происшедших изменениях в ней, попадают сначала во внешние подсистемы, а потом уже во внутренние.

6. Существует определенная аналогия между параметрами экстенсивности физико-химических рабочих систем и внутренними подсистемами генетических структур, с одной стороны, и, между параметрами интенсивности и внешними подсистемами с другой. Так же как каждой форме контакта физико- химических рабочих систем со средой соответствует пара сопряженных параметров, в генетических рабочих системах на каждом уровне структурной организации мы находим аналогичным образок сопряженную друг с другом пару подсистем.

Внешние подсистемы, реализуя непосредственную связь со средой, играют роль информационных потенциалов, движущих сил инициирующих процессы. Внутренние подсистемы, отделенные от среды внешними, представляют собой информационные ёмкости, инерцию, консервативность системы.

7. В понятиях термодинамики необратимых процессов внутренние подсистемы олицетворяют «обобщенные термодинамические потоки», количественные характеристики рабочих систем, в то время как внешние «обобщенные термодинамические силы», качественные характеристики.

8. В биологических категориях внутренние подсистемы генетических систем осуществляют больше тенденции наследственности и сохранения, а внешние – изменчивости и адаптации к условиям. Или же, если рассматривать альтернативные тенденции универсальности и специализации, то внутренние подсистемы (их элементы) представляют тенденцию универсальности (менее специализированы), а внешние более специализированы.

9. В терминах кибернетики одна подсистема это «постоянная память» системы (женский пол, гаметы, ядро, аутосомы, ДНК), в то время как другая — «оперативная память» (мужской пол, соматические клетки, цитоплазма, половые хромосомы, белки).

10. Такая дифференциация системы на постоянную и оперативную память, создает структуру «стабильного ядра» и «лабильной оболочки» в информационных взаимоотношениях системы со средой. Или, если рассматривать потоки, передающие генетическую информацию от поколения к поколению, то ёмкости постоянной памяти образуют осевую (наследственную) линию, тогда как, ёмкости оперативной памяти составляют «боковую» экологическую) линию, «вынос» части информации навстречу факторам среды.

11. Учитывая многомерность экологической ниш, взаиморасположение подсистем в ней для данного момента времени условно можно представить в виде двух вписанных один в другой замкнутых контуров. Внутренний контур отделяет постоянную память от оперативной, а внешний – оперативную память от среды (граница ниш). Чтобы представить картину во времени, направим вектор времени перпендикулярно плоскости контуров. Получится бесконечное тело, неправильного и переменного сечения. Движение в такой системе можно описать двумя составляющими: осевой (наследственная) и радиальной (экологическая). Радиальная составляющая – «боковой вынос» информации навстречу факторам среды – осуществляется оперативной памятью оистемы. Осевая составляющая – поток информации от поколения к поколению, поддерживается постоянной памятью системы. В радиальной составляющей можно выделить, в свою очередь, центробежный поток информации (от системы к среде) и центростремительный поток (от среды к системе).

12. Центростремительные потоки информации, поступающие от среды, попадают сначала в оперативную память системы, преобразуются там, подвергаются отбору, и только после этого, часть информации поступает в постоянную память системы.

13. Такая структура предполагает существование каких-то барьеров между подсистемами, препятствующих смешению всей информации. Описанный способ хранения генетической информации, в двух объемах, сообщающихся между собой каналом связи контролируемого сечения, даёт системе особые свойства, повышающие её устойчивость.

14. Для того, чтобы обеспечить информационный контакт системы со средой, в основном через оперативную память, необходимо, чтобы элементы оперативной памяти обладали большей дисперсией признаков, по сравнению с элементами постоянной памяти, то есть первые должны быть разнообразнее вторых. Осуществление преимущественного контакта среды с оперативной памятью за счет сдвига средних значений признаков, а не дисперсий признаков, не решает задачу, так как в этом случае возникают затруднения с альтернативными признаками [4].

15. Необходимость переработки новой информации в оперативной памяти, до того как она сможет попасть в постоянную, делает постоянную память системы инерционной. Инерционность постоянной памяти, её отставание от оперативной в получении новой информации от среды, придает ей (или её элементам) черты совершенства, и напротив, элементы оперативной памяти приобретают черты прогрессивности.

16. Такое разделение подсистем обеспечивает оптимальные условия для реализации основного метода эволюции живых систем – метода отбора, то есть в известном смысле – метода проб и ошибок. Оно дает возможность системе пробовать различные варианты решения эволюционных задач, с минимальным риском закрепления неудачных решений.

17. Предлагаемые представления менее всего очевидны для популяции. Этому вопросу нами было посвящено специальное исследование [4], основные положения которого в следующем: Если рассматривать каналы информации, связывающие мужской и женский пол с потомством, в хаотически скрещивающейся популяции, то можно видеть, что сечение «канала связи» самца с потомством во много раз превосходит сечение «канала связи» самки, т.е. самец в принципе имеет возможность передавать свою генетическую информацию значительно большему числу потомков, чем самка. Это приводит к тому, что количество потомства зависит от количества самок в популяции и не зависит от количества самцов. С другой стороны информационная ценность редких вариантов самцов становится несравненно больше, чем самок. Это обстоятельство, в сочетании с большей дисперсией признаков у мужского пола, создает условия, при которых скорость качественных сдвигов в наследственности популяции определяют в основном самцы. Такая «ассиметрия» придает дифференциации полов характер специализации на постоянную и оперативную память вида. Такой подход позволяет объяснить с единой точки зрения многие непонятные явления, связанные с дифференциацией полов: целесообразность дифференциации, избыточное зарождение и повышенную смертность мужского пола, большее разнообразие самцов, адаптивные изменения соотношения полов в популяции и др. Поскольку эволюционные изменения, при этом, прежде затрагивают самцов, а затем передаются самкам, то появляется возможность связать половой диморфизм по данному признаку с филогенетической тенденцией этого признака. Эту связь можно использовать в некоторых случаях для предсказания направления эволюции признака [5].

18. На организменном уровне организации элементами являются клетки, (орган не самовоспроизводится, поэтому не относится к генетическим системам). Все клетки организма делятся на гаплоидные (гаметы) и диплоидные (соматические). Прежде всего, обращает на себя внимание большое разнообразие (морфологическое и физиологическое) соматических клеток по сравнению с однообразием гамет. Очевидна также специализация этих подсистем в осуществлении задач наследственности и изменчивости. Гаметы представляют консервативную тенденцию, а соматические клетки, наоборот тенденцию изменчивости. Потоки информации от среды в течение всей жизни воспринимают соматические клетки (организмы растут, худеют, загорают и пр.), только после переработки в оперативной памяти, суммарная за жизнь, итоговая информация может попасть в постоянную память, в гаметы (в форме элиминации, дискриминации или привилегии данной особи, или в форме передачи каких-либо мутагенных влияний). Интересным примером влияния соматических клеток (физиологии) на гаметы может служить вскрытая нами отрицательная обратная связь, регулирующая соотношение полов потомства [6]. Если самка гуппи находится в аквариуме в окружении большого числа самцов, то среди её малькрв преобладают самки. И, наоборот, при нехватке самцов в аквариуме, в потомстве появляется избыток самцов [7]. Существует механизм компенсации соотношения полов.

19. На клеточном уровне организации бросается в глаза, прежде всего дифференциация на ядро и цитоплазму. Морфология клеток делает довольно очевидным соотношения между ядром, цитоплазмой и средой, как в смысле последовательности попадания информации, среда → цитоплазма → ядро, представления о «стабильном ядре» и «лабильной оболочке», барьеров (ядерная оболочка), так и в смысле большего разнообразия цитоплазм (клетки разных тканей) и однообразия ядер и т.д. Известны исследования, в которых показано, что ядра в любой клетке организма (по крайней мере, у определенных видов) содержат всю генетическую информацию (постоянная память), в то время как цитоплазма клетки определяет специализацию данного сорта клеток (оперативная память), определяет какую часть генетической информации необходимо извлечь из ядра в каждом отдельном случае.

20. Менее четкая картина дифференциации наблюдается в самом ядре, в хромосомном наборе, между аутосомами и половыми хромосомами. Прежде всего, не у всех видов существует (или открыта) такая дифференциация. Далее, морфология ядра не дает основания считать аутосомы «ядром», а половые хромосомы — «оболочкой», нет видимых барьеров между подсистемами и т.д. Однако в пользу взгляда на аутосомы и половые хромосомы, как на постоянную и оперативную память ядра, можно привести большую лабильность и изменчивость половых хромосом по сравнению с аутосомами. Среди ядер с ненормальным числом хромосом подавляющее большинство составляют отклонения, связанные с половыми хромосомами (у человека известен даже набор ХХХХY) [8]. При действии ультразвука, прежде всего, разрушаются половые хромосомы. А радиоактивные вещества половые хромосомы метят интенсивнее, чем аутосомы (в особенности Y-хромосому). Далее, по дисперсии размеров половые хромосомы (прежде всего Y- хромосома) также превосходят аутосомы. Есть указания на преимущественно периферическое расположение половых хромосом в ядре хромосом в ядре (у человека) [9].

21. Наконец, рассматривая как систему нуклеопротеид с подсистемами ДНК и белок, мы видим во многом аналогичную картину. О большей лабильности белков по сравнению с ДНК говорят температуры их денатурации, которые у белков значительно ниже, чем у ДНК. Морфологическое строение известных нуклеопротеидов, вирусов также говорит о том, что ДНК (или РНК у некоторых вирусов) в них представляет «ядро», а белки – «оболочку». Поэтому со средой, прежде всего, взаимодействуют белки, то есть опять мы имеем схему ДНК ↔ белок ↔среда.

Центробежный поток информации ДНК → белок хорошо изучен и о нем известно очень много. Это поток информации, осуществляющий синтез белков и определяющий поведение системы. Больший интерес представляет обратный, центростремительный поток информации, среда → белок → ДНК, в особенности звено белок → ДНК. Многими исследователями вообще отрицается существование такого потока. Конечно, можно представить, что в процессе эволюции, когда образовались более высокие уровни организации (клетки, организмы) и появились соответствующие обратные связи, то обратные связи на нижележащих уровнях (на молекулярном в данном случае) утратили свое значение и исчезли. Однако существуют факты, которые очень трудно объяснить, не допустив наличия центростремительных потоков, белок → ДНК. К ним можно отнести, прежде всего, явления, связанные с образованием адаптивных ферментов, антител и др.

22. Сопряженные пары подсистем не исчерпывается только приведенными структурами. Уже сейчас можно привести (или возможно, что будут открыты в будущем) и другие генетические системы, построенные аналогичным образом. Например, между парами бактерия – фаг, ген – признак и др. существуют, видимо, во многих отношениях такие же взаимоотношения. Можно думать также, что дифференциация систем на сопряженные подсистемы имеет взаимоотношениями подсистем в популяции с другой [10].

Список литературы:

1. Бур Я. де. Введение в молекулярную физику и термодинамику. М., 1962.

2. Miller O. Thermodynamic Theory of Irreversible Processes. «American Journal of Physics», vol. 24, № 6. 1956.

3. Onsager I. Reciprocal Relations in Irreversible Processes. «Physical review» vol. 37, 405, 38, 2265, 1931

4. Геодакян В.А. Проблемы передачи информации, №1, 105, 1965

5. Геодакян В.А. Н.Н. Смирнов, Проблемы эволюции в печати.

6. Геодакян В.А., В. И. Кособутский. Доклады Академии Наук СССР. Т. 173. № 4. С. 218-221. 1967.

7. Геодакян В.А.. Проблемы кибернетики, вып. 13, 187, 1965.

8. Геодакян В.А., В.И. Кособутский. Доклады Академии наук СССР, Т. 173, № 4, стр. 218-221, 1967.

9. Штерн К,. Основы генетики человека. М., 1965.

10. Barton D.Е., F. N. David, М. Merrington. The positions of the sex chromosomes in the human cell in mitosis. Ann. Hum. Genet. Lond., vol. 28, 123. 1964

11. Гуревич Г.А. Доклад на секции организации Совета по кибернетике, 1966.

Комментарии и пинги к записи запрещены.

Комментарии закрыты.

Дизайн: Polepin