Парадоксы эволюции. Как наличие ресурсов и отсутствие внешних угроз приводит к самоуничтожению вида и что мы можем с этим сделать - Алексей Аркадьевич Макарушин

на этом множестве особо активных структур, способных разрушать соседние (хотя бы как источник собственных нуклеотидов в условиях их дефицита) и/или самовырезающихся (автосплайсирующихся) и самовстраивающихся структур, по сути первых мобильных генетических элементов, выглядит просто как вопрос времени (см., например, модель информационной динамической системы Д. С. Чернавского). Такие биохимические активные (каталитические) структуры должны были бы относиться скорее к РНК-фракции первичного нуклеинового бульона в силу достаточно известной ферментативной (рибозимной) способности РНК, составляющей фундамент представления о первичном РНК-мире живого.

Если в силу рибозимных процессов удалось бы накопить критическое количество структурно оптимальных нуклеиновых кислот (близких по размерам и физико-химическим свойствам), это смогло бы повысить стабильность и тем самым энергетическую и метаболическую эффективность первичных мембранных структур и обеспечить постоянный приток нуклеотидов, синтезированных de novo. В условиях избытка нуклеотидов рибозимная машина разрушения могла в силу стехиохимических закономерностей развернуться в обратную сторону и стать катализатором синтеза (полимеризации) нуклеиновых кислот.

Очевидно, что такой спекулятивный сценарий оставляет много противоречий, но он условно на порядок снижает тот фундаментально необходимый уровень функциональной сложности, необходимый для запуска спирали биологического саморазвития и самосовершенствования, а остающиеся противоречия по сути критически необходимы для возникновения фрустрированного состояния или пред-эволюционной ситуации. Остается неразрешенным, как далее, например, могла бы быть удовлетворена неизбежная потребность в белках, которым в своем самом минимальном начальном количестве нужно было бы откуда-то взяться – при отсутствии механизма их накопления и первоначального отбора, разве что также в качестве альтернативных элементов структурной поддержки мембран. Необходимое для рибозимной, как и любой другой ферментативной активности распознавание определенных последовательностей, физико-химически безусловно стереометрическое (то есть по материальной форме, например, электронных облаков), в силу своеговозрастающего сродства, то есть специфичности, оказывается уже по сути цифровым. Как аналоговая запись на бумаге последовательностей нолей и единиц или чередование на жестком диске компьютера сравнительно более или менее намагниченных областей в информационном смысле становится цифровой.

Возникновение такого распознавания и запоминания знаменует, возможно, первый фундаментальный эволюционный переход от условно аналоговой записи биологической информации в виде форм/конфигураций макрокомплексов нуклеиновых кислот, пассивно поддерживающих целостность полупроницаемых неорганических мембран, к цифровой записи в виде определенной последовательности нуклеотидов (упомянутое выше бинарное («да-нет») распознавание входящих сигналов биологических рецепторов тоже по сути цифровое, но оно не несет элемента устойчивого запоминания информации в такой форме).

Это можно было бы признать моментом возникновения устойчиво сохраняемой биологической информации, фактически макроинформации, и, по сути, нового уровня функциональной сложностии той вычислительной сложности, при которой включается минимальная предиктивная способность, возникает устойчивое «осознание» себя и тем самым пересекается водораздел живого и неживого. Это обретение не может быть обретением отдельной биополимерной молекулы или сложного их агрегата, или даже отдельной протоклетки. Это могло быть только целиковым обретением как минимум сложного комплекса протоклеток.

Технически это можно сравнить с переходом от эмоциональных вскриков гоминидов к первым смысловым последовательностям звуков, более-менее однозначно понимаемым, у первых сапиенс (хотя эмоциональная наполненность речи никуда не делась до сих пор), и от рисунков-пиктограмм пещерной живописи к иероглифам и буквам, где эмоциональность написания тоже сохранялась долгие века, и, более того, в последние годы снова обрела сильнейший обратный тренд на увеличение своего информационного значения – на примере эмодзи в коммуникациях социальных сетей (рис. 19). При всей возможной гениальности отдельного изобретателя речи, наскальных рисунков или эмодзи эти инновации никак не могли возникнуть от одной отдельной особи: только в подготовленной коллективной среде, обладающей необходимым тезаурусом и находящейся в состоянии самоорганизованной критичности или высокоорганизованной толерантности, кому как понравится. Важным следствием из этого предположения является то, что информационно нагруженные молекулы (базовые элементы системы) в такой среде ведут себя по-иному, нежели в отрыве от нее: только в ней они обретают цель и семантическое макроинформационное «осознание» себя, своей отграниченности от окружающей среды, самореферентность в граничных условиях (БОН: глава XI). Можно сказать, что именно здесь возникает докинзовский эгоизм гена. Парадоксальным образом предиктивная способность системы, ведущая к осознанию себя и индивидуализации, и закладывающая возможность дальнейшей эволюции, может основываться на умении системы обобщать и забывать информацию (Kouvaris Ket al., 2017).

Рис. 19. От пиктограмм к иероглифам, буквам, словам и обратно к эмодзи

В определенном смысле «аналогово» оптимизированные (по форме, размеру и т. п.) структурные нуклеиновые кислоты в момент своего «цифрового» перехода могли бы иметь наименьшую информационную энтропию в своем «аналоговом» смысле – представляли собой одни большие одинаковые пиктограммы, более-менее похоже «нарисованные» (несмотря на довольно большое допустимое разнообразие нуклеотидных последовательностей), и как обратная сторона медали, в силу однообразия форм и размеров, и термодинамическую. Все это предположение делает еще более возможной упомянутую выше предполагаемую минимальную энтропию первичных геномов, хотя их энтропия в «цифровом» исчислении должна бы быть гораздо больше современной – хотя бы в силу очевидно большего количества букв первичного нуклеотидного алфавита: помимо известных современных пяти нуклеотидов, обнаруживаемых в ДНК и РНК, он, несомненно, включал и другие, химически допустимые, биологически вероятные, но исторически сравнительно скоро утраченные. В то же время, как указывалось, приняв эквивалентность сложности и случайности, первые «бессмысленные» последовательности нуклеиновых кислот, несомненно, максимально случайные, были и максимально сложными. В каком-то смысле в них была заложена уже вся информация дальнейшей эволюции. Это тот первичный «детский набор» склеенных осей и шестеренок, отламывая которые в разных комбинациях, эволюция – «слепой часовщик» Докинза – создаст все существующее и существовавшее биологическое разнообразие. Очевидно, математическим способом можно показать, что основной метод сборки «слепого часовщика» – подгонка работающего блока под новые, как правило, более специализированные задачи, то есть экзаптация в широком смысле.

Мир РНК, вирусный мир и ранние интроны

Три вывода из данного предположения об «аналогово-цифровом» переходе нуклеиновых кислот совпадают с более обоснованными заключениями других, несомненно, более авторитетных, чем автор, исследователей.

1. Предположение о первичном структурном «бассейне» нуклеиновых кислот, капля за каплей накапливавшемся миллионы лет в неорганических ячейках щелочных гидротермальных источников и ставшем впоследствии субстратом динамической информационной системы, совершившей «аналогово-цифровой» переход, перекликается с гипотезой РНК-мира. Сама гипотеза в таком наименовании впервые была сформулирована нобелевским лауреатом Уолтером Гилбертом (Gilbert W., 1986), но как идея изначально предложена Александром Рич (Alexander Rich) еще в 1962 году и Карлом Везе (Karl Woese), Френсисом Криком (Francis Crick) и Лесли Оргелом (Lesli Orgel) в 1967–1968 годах. Эта гипотеза позволяет разрешить противоречие так называемого цикла Дарвина – Эйгена.

В его основе лежит модель химических гиперциклов Манфреда Эйгена (Эйген М., 1973) – гипотетических промежуточных структур между живыми и неживыми организмами. Она описывает двойственные комплексы условно «белков» и условно «полинуклеотидов», в которых «белок»