Кирьяко А.

 

Генетика самолета

 

Не уверен, что нижеследующие мысли достойны большого внимания, но пробудить интерес к некоторым вопросам, как мне кажется, они могут.

На днях у нас с дочерью разгорелся бурный спор. Начала - не помню, но затем речь зашла об обезьянах, и она отметила удивительный  факт, заключающийся в том, что шимпанзе и человек имеют около 98% общих генов. Удивительность (по крайней мере, для меня)  заключается в том, что известных различий между ними довольно много (и не только в строении скелета и мышечном аппарате, что, в общем-то, наверно, можно исправить двумя процентами генов, но еще больше в таком важном и тонком органе, как мозг: здесь и объем (разница в два раза), и структура (имеются новые слои нейронов), и новые отделы (появились новые, например, ответственные за речь, а старые значительно расширены и развиты) и т.д.). Поэтому я возразил, что, вряд ли эти два процента - точная цифра, и что я встречал в литературе упоминание о разнице и в 5, и в 7 процентов.

Поскольку моя дочь учится на биолога и хочет стать генетиком, реакция была незамедлительной: на меня был вылит ушат данных, содержащихся в учебниках по генетике, согласно которым в 2 процентах ничего удивительного быть не может. Оказывается, что, чуть ли не 50% всей ДНК человека (и наверно шимпанзе тоже) не участвует в построении организма: это какой-то балласт или мусор, который неизвестно для чего содержится в молекуле ДНК.

Я стал сомневаться в том, всё ли учли генетики, когда решили, что эта часть ДНК просто мусор: ведь, возможно, они рассматривают только гены, непосредственно ответственные за построение белков, а не учитывают, что для построения человека (да и всякого развитого животного) требуется еще много другой информации? И быть может там, как раз, содержится еще пара десятков процентов, отличающих человека от шимпанзе?

Я не оспаривал, что мусор вполне может быть при таком способе накопления информации, какой имеет месть быть в эволюционном процессе, но согласитесь, что 50% ненужной информации, уж очень много. Вот, например, сравнительно недавно было открыто, что стволовые клетки (ответственные за возобновление и обновление органов, содержаться не только в эмбрионах, но почти во всех органах взрослого животного. Но ведь для того, чтобы они там были, необходимо в ДНК написать руководство об их построении и их размещении. Где гены, ответственные за это?

Мои доводы не подействовали. Дочь заявила, что все эти данные получены экспериментально и обсуждению не подлежат, и только мы - физики - вечно задираем нос, во всем сомневаемся и всех пытаемся учить. Моя робкая попытка объяснить, что данные могут быть неопровержимыми, но их интерпретация иногда весьма далека от действительности, ни к чему не привела. Не помогла даже ссылка на физику, где интерпретации самых фундаментальных проблем до сих пор вызывают основательные споры. В общем, кончилось тем, что дочь поклялась никогда больше со мной не разговаривать, потому что физики и т.д. (пусть вас не удивляет страстность нашего спора; учтите, что я и моя семья  относимся к южной подветви вида Homo отряда Greek, а потому нерушимые клятвы, слезы, восторженные вопли, типа Эврика!!!, заложены в нас генетически :-). К счастью, через минуту действие клятвы только на одну секунду было приостановлено, чтобы иметь возможность сообщить мне одну потрясающую новость :-). В общем, обычные противоречия отцов и детей!

Но этот маленький спор возвратил меня к давно интересующим меня вопросам, которые я и хочу здесь обсудить.

Генетику, разумеется, я знаю только как любитель и не претендую учить уважаемых специалистов в этой области знания. Но лет 35 назад, когда я усердно занимался анализом устройства и работы мозга, я посвятил ее изучению довольно много времени. Меня интересовала связь способа записи информации посредством ДНК с возможными способами записи информации в мозге. В то время даже существовали предположения, что генетический способ в какой-то мере используется и в мозге для записи речевой и зрительной информации.

Я, как физик, отбросил такую возможность сразу, поскольку мобильность переработки информации в мозге может обеспечиваться только электронными механизмами. Но меня тогда заинтересовал вопрос о способах кодировки информации. В частности, вопрос о том, какой максимальной плотности записи информации можно добиться путем той или другой кодировки.

Не забывайте, что ДНК представляет собой особым образом закодированную огромную массу информации о строении человека и частично о функционировании его органов. Насколько оптимальна эта кодировка по плотности и по легкости декодирования, по мобильности и прочим параметрам в сравнении с тем, что мы имеем в современной технике? В совершенство природы не приходится верить, поскольку она работает методом проб и ошибок, а отбор хороших вариантов производится очень медленно. В связи с этим возникает другой ряд вопросов. Нельзя ли было удачнее устроить живую природу? Почему у всего живого один и тот же код (что у растений, что у животных, причем, начиная с самых простейших до самых сложных животных)? К этому примыкает вопрос: какие способы кодировки можно ожидать в условиях других планет? И мн. др.

Можно ничего не знать обо всех бесчисленных циклах  изготовления молекул, белков, протеинов и пр., которые работают под руководством генов в процессе воспроизводства и бытия организма. Но можно быть уверенным, что основные закономерности записи, кодировки, декодировки, передачи информации, ее использования в построении достаточно сложных объектов всегда одинаковы. Вот почему я, не мало сумняшеся, считаю правомерным, если физик или любой другой логически мыслящий специалист лезет в генетику и пытаться делать какие-то выводы.

К сожалению, обычно учебники редко сообщают студентам (хотя это чрезвычайно желательно и полезно), какие вопросы в данной отрасли знания остаются на повестке дня нерешенными. Так, если заглянуть в статьи, освещающие вопросы генетики, нетрудно убедиться, что вопрос о назначении генетического мусора не решен до сих пор и поиск ответа на него представляет собой одно из важных направлений исследования (см. например, популярные статьи в журнале природа по адресу http://vivovoco.rsl.ru/VV/JOURNAL/PR_NEW_W.HTM , в частности статью в 10 номере за 2004 г. А.П. Акифьева Избыточная ДНК - генетическая квадратура круга? )

Я не претендую на то, что могу ответить на этот или многие другие вопросы. Но мне интересно, нельзя ли найти какой-нибудь новый подход к этой теме, который бы облегчил поиск ответов. Например, не стоит ли их поискать на пути сравнения общих принципов накопления и переработки информации в самых разных областях деятельности человека.

 

Гены самолета

Что общего между самолетом и амебой, а тем более, самолетом и человеком? Почти ничего, но, тем не менее, много. Общее заключается в том, что в обоих случаях для построения этих объектов необходимы информация, энергия, исходные материалы, станки для производства деталей, сборка деталей в более крупные блоки, сборка этих блоков в устройства и т.д., до того, как из законченных устройств будет собран сам объект. И это еще далеко не все. Чтобы конструкторская информация могла быть использована, необходима дополнительная информация, описывающая, как, пользуясь этой информацией, энергией и материалами или уже готовыми блоками начать и продолжать строительство объекта (это - то, что называется технологией производства). Необходима также информация для контроля качества и исправления ошибок конструирования, а также технологическая информация для использования этой информации на деле. Все это, без исключения, должно быть в распоряжении того, кто строит любой объект, будь то самолет или человек.

Конечно, в данном примере довольно много отличий. Основные из них в том, что в постройке самолета принимает участие человеческий мозг, в то время, как постройка человека (ребенка) производится автоматически (генетически), без участия рассудка. Но зато, благодаря этому, эволюция самолетов совершается в тысячу раз быстрее, чем эволюция человека (сравните сроки эволюции человека и сроки развития самолетостроения от времен Лилиенталя и братьев Райт до сегодняшнего дня).

Участие разума проявляется и во многих других случаях. Так контроль за правильностью построения осуществляется в обоих случаях. Но, благодаря разуму, ошибки (т.е. болезни) в построении самолета бывают намного реже, чем при построении человеческого организма. Другой пример: скорость построения самолета намного выше скорости изготовления человека: самолет можно построить за несколько месяцев, а для построения полноценного взрослого человека, который мог бы самостоятельно летать, требуется 14-15 лет. Существенное различие заключается также в том, что в отличие о генома животного информация о построении самолета не содержит случайных кусков: все не нужное сразу удаляется. Геном человека складывается путем проб и ошибок, так что в нем действительно может быть куча всякого не нужного хлама.

Но действительно ли существенно в этих и других примерах участие человека, как разумного существа?

Нетрудно заметить, что все эти отличия не столько качественные, сколько количественные. Здесь человека можно рассматривать как фактор искусственного отбора (он как бы выполняет здесь роль природы). На этапе изготовления самолета человеческий разум, фактически, уже не нужен. Хорошее производство работает в автоматическом режиме. Таким образом, большая часть того, что мы можем сказать об изготовлении самолета, должна иметь место и при построении человека. Нетрудно показать, что я нисколько не утрирую: с точки зрения  теории информации и её использования здесь нет и не может быть никакой разницы.

Можно сказать, что у самолета есть своя ДНК молекула, несущая кодированную информацию для постройки самолета. Ведь что такое полная конструкторская документация самолета, как не ДНК самолета: зашифрованная информация построения самолета.

Мы можем ее легко (как и в случае ДНК человека) реплицировать (т.е. изготовить новые ДНК самолета), пользуясь копировальными устройствами, тогда как природа придумала, хотя очень хитроумный способ, но все же намного менее мобильный (развертывание участка ДНК спирали и построение на каждом участке комплементарной цепи со всеми тонкостями этого процесса).

ДНК самолета тоже разбита на части - гены самолета, каждый из которых ответственен за создание отдельного устройства и содержит сведения для построения отдельных деталей (белков) этого устройства и информацию для их сборки в устройство (органелу). Это разбиение совершенно необходимо, как и в случае органической ДНК, поскольку невозможно изготовить самолет сразу целиком. И т.д.

Если говорить об участии человека в производстве самолета, то, нетрудно видеть, что они выполняют роль некоторых РНК-молекул, органел и т.п. объектов, которые переносят информацию, читают ее и производят в соответствии с ней определенные действия, и много еще другого. Поскольку все это делается механически, эти люди могут рассматриваться на данном этапе, как механизмы (автоматы), обученные производить определенные действия по заданной информации.

Мне кажется, что, если скрупулезно проанализировать всю информацию, необходимую для постройки самолета, мы с необходимость будем знать, что нужно для построения человека и что мы можем еще найти в организме, чтобы это осуществлялось. Доказательство этого утверждения базируется на обратном утверждении: если что-то убрать из этой информации, то построение самолета  (или человека) невозможно (или мы изготовим больной самолет).

Разумеется, в конструкции человека предусмотрены многие механизмы, которые не могут существовать у не биологических объектов. Так в производстве самолета используется энергия электричества, а в качестве материалов - неорганические вещества (алюминий и т.д.), а человек для постройки человека и то, и другое получает из пищи. То же самое с удалением отходов: их необходимо удалять в обоих случаях, но сами отходы и способы их удаления могут быть разными. И т.д. Но очевидно, с точки зрения организации производства эти различия не играют серьезной роли.

 

Геном телевизора

Чтобы избавиться от необходимости учитывать разум человека, можно рассмотреть пример производства без участия человека (которых уже немало). Например, изготовление многих электронных приборов сегодня является почти автоматическим (во всяком случае, таким оно может быть рассмотрено в первом приближении).

Возьмем для примера изготовление телевизоров, которое осуществляется автоматами. Здесь информация представлена специальным софтом, в котором закодированы действия различных автоматов. Софт хранится в некотором компьютере, который расшифровывает информацию и рассылает ее в определенном порядке. Эти команды можно уподобить безусловным рефлексам (они осуществляются так называемыми в программировании безусловными переходами). Но существуют также многочисленные датчики выполнения операций или датчики слежения за состоянием участков конвейера и т.п. Сигналы обратной связи корректируют решения, которые принимает компьютер. Такое его поведение соответствует условным рефлексам животных (и может задаваться в программах условными переходами). Поскольку все производство совершается без всякого вмешательства разума человека, оно в этом смысле ближе к работе генома человека, чем в случае с самолетом.

 

Машинная генетика

Разумеется, не обязательно производить немалую работу по анализу производства самолета, чтобы убедиться, что все здесь параллельно производству человека. Вполне достаточно обратить внимание на те стороны, которые еще не рассмотрены в биологии.

Здесь можно поставить вопрос, связанный с генетическим мусором: существует ли в работе генома человека что-нибудь такое, что отличает его от производства телевизора (кроме, конечно, способа материализации)?  Если существует, то надо искать дополнительные гены, ответственные за такие действия.

Скажем, у человека, кроме многочисленных регуляционных механизмов самого организма (подержания температуры тела, количества воды и т.п.), которые легко построить известным способом включение-выключение по сигналам датчиков, существует еще множество инстинктов, связанных в основном с внешними воздействиями. Но нетрудно видеть, что все эти инстинкты (например, страха, агрессии, полового поведения и мн. др.) тоже проявляются как раздражение и реакция на него, т.е. так же,  как любой регуляторный механизм. Но вот какими генами и как формируются эти механизмы, до сих пор неизвестно. Мы также не знаем, с какими нарушениями и каких регуляционных процессов связаны многие заболевания человека психического и гормонального порядка. Может быть, мусор каким-то способом кодирует такие вещи.

Еще один положительный результат машинного подхода к генетике, как мне кажется, заключается в том, что мы перестаем рассматривать человека как некоторый исключительный, чуть ли не божественного происхождения объект (а это очень характерно для биологов), а научаемся ставить по отношению к нему четкие и конкретные физические вопросы. Возможно и обратное влияние: я не исключаю, что изучение работы генетического механизма живых организмов способно помочь в организации машинного производства. Природа настолько едина во всех случаях ее организации, что эти параллели выглядят довольно логично.