Поиск публикаций  |  Научные конференции и семинары  |  Новости науки  |  Научная сеть
Новости науки - Комментарии ученых и экспертов, мнения, научные блоги
Реклама на проекте

Биосемиотика: молекулярные коды как основа жизни

Среда, 22 Февраль, 06:02, galicarnax.livejournal.com


Иногда полезно на известные вещи посмотреть под новым углом. Например, Докинз не выдумал новых теорий, не выдвинул тестируемых гипотез, а просто повернул угол зрения на живые организмы (где-то на 180 градусов). Таким же альтернативным углом зрения является биосемиотика. Существует она уже десятки лет, но большинство биологов из тех, кто о ней слышал, поглядывают на нее искоса. Действительно, там есть спорные и даже необоснованные утверждения. Но против базовых положений, в общем-то, не попрёшь - они основаны на фактах. А именно, на фактах существования молекулярных (органических) кодов, наиболее известным представителем которых является генетический код. Однако помимо него клетки используют немало других кодов, например, гистоновый код, коды сортировки белков, коды трансдукции сигналов, коды сплайсинга и т.п. Отличие лишь в том, что эти коды не универсальны и не имеют выраженный цифровой характер. И вообще кодами обычно в биологии не называются. А если и называются, то как бы метафорично. Поворот угла зрения, предлагаемый биосемиотикой, и состоит в том, чтобы показать реальность этих кодов и их значение для эволюции. Важными следствиями такого поворота являются следующие вещи:

1) Органические коды становятся наиболее специфической характеристикой жизни (не говорю об определении жизни - я разделяю мнение, что это задача для метафизики, а не науки) - даже более специфической, чем репликация и/или метаболизм.
2) Примечательно, что все крупные макроэволюционные инновации так или иначе связаны с появлением новых молекулярных кодов.
3) Количество используемых в живой системе кодов коррелирует (в отличие, например, от размера генома) с интуитивным представлением о сложности этой системы. Это дает возможность ввести адекватную количественную меру биологической сложности.

Профессор эмбриологии Марчелло Барбиери из университета Феррары - один из основных представителей биосемиотики. Ниже предлагаю краткий пересказ наиболее существенного из его обзорной статьи (у него есть и книга по этой теме).

Об определениях

Биосемиотика - это идея, что жизнь основана на семиозисе, то есть на знаках и кодах. Семиотика обычно трактуется как изучение знаков. Знак всегда связан со значением, поэтому семиотика - не просто изучение знаков, а знаков и их значений. Семиотическая система - это система, состоящая из двух связанных наборов - набора знаков и набора значений.

Важным моментом является различие между двумя типами знаков - символами и признаками, или знаками условными и знаками натуральными. Условные знаки - это такие знаки, которые не имеют детерминистической, физически причинной связи со своим значением, эта связь установлена условно. Типичный пример - слова человеческого языка. Сам факт существования множества языков, где одни и те же предметы обозначаются разными фонетическими элементами, говорит о том, что нет детерминистической связи между словом и обозначаемым объектом [ забавно, но в лингвистеке, afaik, была модель, как раз пытавшаяся объяснить происхождение языка причинной связью между свойствами обозначаемых вещей и характеристиками звуков соответствующего слова - прямая аналогия со стереохимической моделью генетического кода ]. Или, скажем, нет детерминистической связи между флагом и обозначаемой им страной. Слова и флаги - это символы. Набор условных соответствий, связывающих символы и их значения - это и есть код.

Напротив, в случае натуральных знаков всегда присутствует физическая причинность между знаком и его значением. Примеры: симпотмы как признаки болезни, дым как признак огня, следы как признак животного. Здесь имеет место не кодирование, а интерпретация - процесс, в основе которого лежат обучение и память.

Так вот, семиотическая система относится только к знакам первого типа. Хотя иногда зачем-то приплетают и знаки второго типа. [ Существует даже медицинская семиотика, но это не более, чем симптоматика. ] Так можно дойти и до того, что любую функцию y=f(x) считать актом семиозиса: функция f интерпретирует x как y. В этом случае все физические законы можно назвать процессами интерпретации и в конечном итоге мы придем к пансемиотике, а не биосемиотике. Ниже речь пойдет только о семиотических системах в первом смысле - т.е. системах, состоящих из двух наборов, связанных условными правилами кода.

Еще небольшой пример, чтобы окончательно утрясти определение. Живую клетку часто сравнивают с компьютером. Например, и там, и там используются коды. Но компьютер не является семиотической системой, потому что его коды привнесены извне кодировщиком. Мозг кодировщика, а не компьютер, решал, что будет означать тот или иной набор битов. Генетический и другие органические коды рождались внутри самой клетки, поэтому клетка - семиотическая система.

Органические коды

Коды и условности являются основой человеческой культуры и с незапамятных времен отделяют мир культуры от мира природы. Правила грамматики, государственные законы, религиозные предписания, ценность валюты, кулинарные рецепты, сказки и правила игры в шахматы - всё это человеческие коды и условности, так непохожие на законы физики и химии; считается поэтому, что между природой и культурой существует непроходимая пропасть. Природа оперирует объективными неизменяемыми законами, тогда как культура построена на "изменябельных" условностях человеческого разума.

В рамках этой парадигмы открытие генетического кода в 1960-х годах стало громом среди ясного неба, но, что парадоксально, оно не сломило барьер между природой и культурой. Напротив, тут же были сооружены "защитные приспособления", которые лишили открытие генетического кода всего революционного потенциала. Первым таким приспособлением стал аргумент, что в своей основе генетический код - всего лишь удобная метафора для обозначения детерминистских физикохимических процессов. [ Здесь автор, по всей видимости, имеет ввиду стереохимическую модель генетического кода, согласно которой соответствие между аминокислотами и кодонами либо антикодонами было продиктовано их физическим взаимодействием. В этом случае понятие "кода" было бы действительно метафорой - ведь никто не называет кодированием, например, процесс взаимодействия фермента и его субстрата. Но эта модель уже практически заброшена за неимением твердых эмпирических данных. Во всяком случае, в современном коде любой кодон может соответствовать, в приницпе, любой аминокислоте, и именно это позволяет изменять код искусственно и даже вводить в него новые аминокислоты. Большинство нынешних исследователей называют код кодом все-таки не метафорически. ] Вторым защитным приспособлением стала идея, что появление генетического кода было исключительно уникальным событием на заре возникновения жизни, аналогов которому после этого в природе не было.

Но действительно ли генетический код является единственным органическим кодом? На этот вопрос ответить нетрудно, ведь если другие органические коды существуют, то мы можем обнаружить их эмпирически точно так же, как мы обнаружили генетический код.

В первую очередь необходимо подчеркнуть различие между копированием и кодированием. Для примера рассмотрим процессы транскрипции и трансляции. При транскрипции последовательность РНК собирается по шаблону ДНК, и для этого процесса достаточно обычного катализатора (РНК-полимераза), так как каждый шаг транскрипции состоит из единичного акта распознавания. При трансляции каждый шаг требует двух независимых актов распознавания, а трансляционная система нуждается в специальных адаптерных молекулах (тРНК), чтобы связать кодоны с аминокислотами согласно правилам генетического кода.

Эту схему легко обобщить. Обычно все биохимические процессы рассматриваются как катализируемые реакции, но на самом деле важно различать катализируемые и кодируемые реакции. Катализируемые реакции - это реакции, производящие единственный процесс распознавания на каждом шаге, тогда как кодируемые реакции производят на каждом шаге два независимых процесса распознавания соответственно правилам кода. Другими словами, для катализируемых реакций требуются только катализаторы, а для кодируемых - катализаторы и адаптеры.

Любой органический код - это набор соответствий между двумя различными множествами, и это с необходимостью требует наличие молекулярных структур с функцией адаптера. Одной частью адаптер взаимодействует с одним множеством, другой частью - с другим, причем эти части можно по-разному комбинировать в одной молекуле. Таким образом, адаптеры - ключевые молекулы органических кодов. Они являются характерным признаком органического кода [ собственно, они и есть физическая реализация кода ], и их присутствие в биологическом процессе является свидетельством того, что этот процесс основан на коде. Это дает нам объективный критерий для поиска органических кодов.

Коды сплайсинга

Известно, что первичные транскрипты генов у эукариот перед выходом из ядра часто проходят процесс сплайсинга, в течение которого из РНК удаляются некоторые участки (интроны), а оставшиеся (экзоны) сшиваются вместе. Является ли этот процесс катализируемым или кодируемым? Ответ найти несложно - сплайсинг является кодируемым процессом, так как он производится структурами, похожими на те, что производят синтез белков. А именно, сплайсинг производится сплайсосомой - огромной молекулярной машиной (аналог рибосомы) - с помощью маленьких молекул snRNA (малые ядерные РНК, мяРНК - аналог тРНК). Аналогия идет еще глубже, так как мяРНК обладают свойствами адаптера. Они производят два независимых процесса распознавания - один для начала, второй для конца каждого интрона, связывая таким образом набор первичных транскриптов и набор зрелых мРНК. Два процесса распознавания являются независимыми не только потому, что они отделены физически в пространстве, но прежде всего потому, что распознавание с одной стороны может быть связано с различными распознаваниями с другой стороны, о чем свидетельствует альтернативный сплайсинг.

Коды трансдукции сигналов

Живые клетки реагируют на множество физических и химических стимулов, а ответной реакцией в общем случае является экспрессия определенных генов. Известно, что внешние сигналы (т.н. первичные посредники) никогда сами не доходят до генов. Они трансформируются во внутренние сигналы (вторичные посредники), и только те или их производные достигают генов. В большинстве случаев, молекулы первичных посредников даже не попадают внутрь клетки, а улавливаются специальными рецепторами на мембране. Но и те, что проходят внутрь (некоторые гормоны) должны взаимодействовать с внутриклеточными рецепторами, чтобы повлиять на гены.

Таким образом, перенос информации от внешней среды к генам происходит в два этапа: преобразование первичного посредника во вторичный (трансдукция сигнала), и взаимодействие вторичного посредника с генами (интеграция сигнала). Примечательным фактом в трансдукции является то, что существуют сотни первичных посредников (гормоны, факторы роста, нейротрансмиттеры и т.п.), тогда как основных вторичных посредников всего четыре - цАМФ/цГМФ, ионы кальция, инозитолтрифосфат и диацилглицерин. Первичные и вторичные посредники принадлежат двум независимым наборам. Было показано, что один и тот же первичный посредник может активировать различные типы вторичных посредников, и наоборот - разные первичные посредники могут активировать один и тот же вторичный посредник, что уже подразумевает наличие условного кода. Наконец, система трансдукции сигнала, состоящая из белков-рецепторов, белков-преобразователей и белков-усилителей, обладает характеристикой адаптера. Она производит два физически независимых акта распознавания - один для первичного посредника, второй - для вторичного. Таким образом, трансдукция сигналов - процесс кодируемый.

Коды цитоскелета

Цитоскелет обеспечивает трехмерную организацию эукариотической клетки и играет ключевую роль в таких процессах, как фагоцитоз, митоз, мейоз, сборка органелл и амёбоидное перемещение клетки. Цитоскелет представляет собой систему из элементов трех типов - микрофиламенты, микротрубочки и промежуточные филаменты. Сборка цитоскелета основана на необычном механизме динамической нестабильности. Элементы цитоскелета - особенно микротрубочки и микрофиламенты - находятся в состоянии непрерывной сборки/разборки: мономерные звенья добавляются с одного конца и удаляются с другого. В зависимости от того, какой конец при этом быстрее продвигается, трубка/филамент будет удлиняться либо сокращаться. Но что особенно удивительно - всё это требует больших энергетических затрат; это значит, что клетка тратит огромное количество энергии не на то, чтобы строить структуры, а на то, чтобы делать их нестабильными!

Филаменты/трубочки нестабильны только когда их концы не присоединены к специальным молекулам, которые их "заякоривают". Например, каждая микротрубочка стартует из специального центра (центросомы), и ее конец, закрепленный в центросоме, стабилен. Другой конец удлиняется и укорачивается, пока не встретит заякоривающую молекулу в цитоплазме. Если таковая не найдена, вся трубочка быстро разбирается и собирается заново в другом направлении. Таким образом цитоскелет ощупывает всё цитоплазматическое пространство за короткое время.

Такая стратегия позволяет строить неограниченное количество различных клеточных форм. В конечном счёте трехмерную структуру и перемещение клетки определяют те самые заякоривающие молекулы (которые биологи называют, как ни странно, вспомогательными белками). Широкий выбор форм возможен лишь потому, что не существует фиксированной связи между элементами цитоскелета и клеточными структурами, к которым цитоскелет присоединяется с помощью заякоривающих белков. Эти белки и обладат свойствами адаптера, так как они производят два независмых распознавания - микротрубочку с одной стороны и различные клеточные структуры с другой. Результирующее соответствие основано на условностях, которые можно назвать кодом цитоскелета.

Коды сортировки белков

Эукариотические клетки производят огромное количество разных молекул и доставляют их в нужные места с удивительной избирательностью. Как клетки справляются с таким запутанным трафиком? Первым шагом на пути к разгадке стало открытие того, что в выборе пункта назначения синтезированных белков играет роль аппарат Гольджи. Замечательно то, что этот выбор осуществляется с помощью очень простого механизма. А именно, аппарат Гольджи транспортирует бесчисленное множество разных молекул, используя всего три типа везикул. Один тип имеет метки для доставки содержимого в межклеточную среду, другой тип имеет метки для доставки во внутриклеточные компартменты, а везикулы третьего типа не несут никаких меток и по умолчанию запрограммированы для снабжения клеточной мембраны. Это очень эффективное решение: с помощью одного механизма и двух типов меток клетка транспортирует огромное количество белков в нужные места и непрерывно обновляет свою мембрану.

Однако аппарат Гольджи является транзитом не для всех белков. Синтез белков начинается в цитозоле. Та часть аминокислотной последовательности, которая появляется из рибосомы первой, может содержать последовательность, которую специальные молекулярные структуры распознают как сигнал для импорта в эндоплазматический ретикулум (и далее - в аппарат Гольджи). Если такой сигнал присутствует, рибосома прикрепляется к мембране ретикулума, а синтезируемый полипептид прокачивается через эту мембрану во внутреннее пространство ретикулума. Если сигнала нет, синтез продолжается на свободных рибосомах, и белки сбрасываются в цитозоль. Однако и из этих белков только часть остается в цитозоле, так как полипептидная цепь может нести внутри себя другие сигнальные последовательнсоти, обозначающие такие пункты назначения, как ядро, митохондрия и другие компартменты. Словом, белки могут нести на себе метки, определяющие их пункт назначения, и даже отсутствие такой метки обладает значением, так как оно означает, что белок нужно оставить в цитозоле. Метки удаляются с белков специальными пептидазами по прибытию на место назначения.

Ключевым моментом является то, что не существует детерминистической связи между метками белков и их пунктами назначения. Например, метка "доставить в ядро" [ обычно это последовательность аминокислот -PPKKKRKV- ] с таким же успехом могла бы использоваться для доставки в другие компартменты. Эти метки условны точно так же, как названия улиц и городов. Другими словами, существование компартментов эукариотической клетки основано на "клеточных условностях", и мы с полным правом можем назвать набор соответсвтий "метка - пункт назначения" кодом сортировки белков.

Кроме перечисленных кодов, в научной литературе имеются свидетельства о существовании множества других органических кодов (список совсем не полный):

- гистоновый код
- адгезивный код
- сахарный код
- коды ацетилирования
- регуляторные коды органогенеза млекопитающих
- коды пост-трансляционных модификаций
- коды факторов транскрипции
- комбинаторный код ядерных рецепторов

Существование органических кодов ставит вопрос о механизмах эволюции. [ Тут есть здравые зерна, но есть и ошибочные, на мой взгляд, выводы. Прокомментирую после. ]

Механизмы эволюции

Механизмы эволюции являлись самым жарким вопросом в биологии, кульминировавшим в 1930-1940 гг. в появлении синтетической теории эволюции, где естественный отбор рассматривается как фактически единственный движитель.

Естественный отбор существует постольку, поскольку происходят случайные изменения в передаче наследственного материала. Если, однажды начавшись, процесс копирования повторяется неограниченно, то появляется новый феномен. В копировании неизбежны ошибки, но в мире ограниченных ресурсов не все изменения могут быть реализованы - начинает действовать отбор. Короче говоря, молекулярное копирование рождает наследственность, а неограниченное повторение молекулярного копирования в мире ограниченных ресурсов приводит на сцену естественный отбор. Это означает, что естественный отбор был бы единственным механизмом эволюции, если бы молекулярное копирование было единственным механизмом в основе жизни.

Такой сценарий мог бы иметь место. Если бы живые системы состояли полностью из РНК, то необходимо было бы только молекулярное копирование, и отбор был бы действительно единственным механизмом эволюции. Но этого не случилось. Задолго до появления первых клеток примитивные системы начали ипользовать белки, а белки, как известно, не могут быть произведены копированием.

Открытие генетического кода и других органических кодов показало, что в основе жизни лежат два механизма - копирование и кодирование. Эти механизмы различны по природе и это подразумевает, что они приводят к двум различным механизмам эволюции, т.к. эволюционный механизм - это не что иное, как проявление молекулярных механизмов на больших масштабах времени. А именно, копирование порождает естественный отбор (natural selection), а кодирование - естественные условности (natural conventions). Чтобы обосновать это утверждение, мы должны показать, что указанные механизмы действительно различны, то есть, что кодирование не может быть сведено к копированию.

Копирование и кодирование

И копирование, и кодирование производят новшества, но делают это по-разному. По своей природе, механизм копирования производит либо точные, либо почти точные копии молекул. Это значит, что естественный отбор создает новые объекты, изменяя уже имеющиеся, то есть он создает лишь относительные новшества, а не абсолютные.

В случае кодирования ситуация совершенно иная. Правила кода не продиктованы физической необходимостью, а это значит, что новый код может породить соответствия, которые никогда не существовали до этого. Объекты, собранные по правилам нового кода, могут не иметь никакого отношения к предшествующим объектам. Естественные условности, словом, создают абсолютные новшества.
[ Далее автор отмечает другие отличия между копированием и кодированием, которые я не буду здесь приводить. ]

Коды и макроэволюция

Роль органических кодов в истории жизни нельзя недооценить, так как их появление тесно связано с крупными событиями в макроэволюции. Каждый раз, как на сцену приходил новый молекулярный код, в биосфере появлялось что-то совершенно новое.

Например, происхождение генетического кода обусловило радикальный переход от РНК-мира к белковой форме жизни. Коды трансдукции сигналов позволили примитивным доклеточным системам отделиться от внешней среды, что стало предпосылкой для появления индивидуальных клеток. Следующая крупная инновация связана с кодами сплайсинга. Для сплайсинга требуется разделение во времени между транскрипцией и трансляцией, что стало предпосылкой для разделения этих процессов в пространстве, то есть для появления ядра.

Многие другие эукариотические инновации стали возможными благодаря другим органическим кодам. Коды цитоскелета, например, позволили клеткам возводить индивидуальные каркасы, изменять форму и производить движения. Появление эмбриогенеза также было связано с органическими кодами, т.к. типичные процессы эмбриогенеза - детерминация, агрегация, миграция и программируемая смерть клеток - имеют характерные признаки кодируемых процессов.

Далее автор разбирает характеристики кодов. Здесь отмечу только то, что коды стабильны - раз появившись, они либо не меняются вообще, либо меняются незначительно. В живых системах изменялось всё, кроме основных органических кодов. Это говорит о том, что органические коды - фундамент жизни. Появление новых кодов никогда не отменяло старых, т.е. новые коды не появляются в результате преобразования старых. А добавление нового кода к живой системе может рассматриваться как увеличение ее сложности. Как известно, структурная сложность некоторых организмов уменьшалась со временем, но "кодовая сложность" никогда не понижалась. Даже те органимзы, которые потеряли многие функции и ведут паразитический образ жизни, сохранили все свои первоначальные коды. Таким образом, количество органических кодов отражает биологическую сложность и является, возможно, наиболее фундаментальным среди всех параметров, предложенных для измерения этой сложности.

------------------------------

Комментарии.

Очевидное заблуждение в том, что естественный отбор порождается только механизмом копирования. Если бы это было так, Дарвин с Уоллесом не смогли бы прийти к идее отбора, так как они понятия не имели ни о каких молекулярных механизмах. Отбор действует на фенотип, не важно какими механизмами он порожден. Неясен также предложенный механизм естественных условностей. Собственно, народ уже полвека гадает, почему генетический код именно такой, какой он есть, а не другой.

Но, по-моему, имеется здравое зерно в сравнении потенциалов копирования и кодирования в плане новшеств. Ведь действительно, основные эволюционные скачки идут рука об руку с новыми кодами. Последний скачок - появление человека - связан с появлением языка. Хотя язык сам по себе - не молекулярный код, в его основне, очевидно, лежат органические коды, ведь должны же как-то в мозге отображаться звуковые паттерны в представленческие. С началом исторического периода связано появление письменности, а это отображение визуальных паттернов в представленческие. Человек, как минимум, на два кода сложнее обезъяны ;)

Последнее. Чаще всего в попытках дать определение жизни упоминаются такие характеристики, как репликация, метаболизм, преобразование энергии. Но существует ли фундаментальное отличие этих процессов от реакий в неживой природе? Ну да, репликация в простых химических системах вроде не встречается. Но в своей основе репликация - всё же типичная катализируемая химическая реакция. И репликация, и метаболизм на порядки сложнее простых химических реакций, но в конечном итоге они так же детерминированны законами физики и химии. А вот встречаются ли в неживой природе процессы на уровне индивидуальных молекул, которые происходят так, а не иначе, в силу установившегося каким-либо образом условного порядка? По-моему, нет. А в живой клетке такие условности повсюду - с этим трудно не согласиться, даже ничего не зная о семиотике и определениях кода.

Вот такой альтернативный угол зрения представляет биосемиотика. Единственная беда здесь в том, что если под старым углом существовала одна фундаментальная проблема в эволюционной биологии - происхождение генетического кода, - то под новым углом появляется много таких проблем - происхождение множества молекулярных условностей. Но беда ли это? Если новая точка зрения порождает больше вопросов, чем ответов - это хорошая точка зрения. Ведь тот же Докинз, сосредоточившись на репликаторах-генах-мемах, совершенно забыл о проблеме кодирования (кажется, в его книгах почти нет упоминаний даже генетического кода). Впрочем, если не считать убедительными аргументы о фундаментальном отличии копирования от кодирования, то не такая уж это и проблема...

Читать полную новость с источника 

Комментарии (0)