Закон информационной обусловленности биологических явлений, или закон Уоддингтона

1. Системно-регуляторные факторы, определяю­щие развитие и жизнедеятельность организма, фак­торы, контролирующие процессы обмена веществ и энергии, можно рассматривать    как    совокупность управляющих сигналов, несущих    информацию    о данной живой системе и окружающей среде. В за­висимости от источника  поступления следует раз­личать генетическую   (внутреннюю)   и экологичес­кую (внешнюю) информацию. В совокупности они составляют биологическую информацию организма как открытой системы,    являющейся   результатом эволюции.

2. На основе генетических и биохимических ис­следований были выявлены вещества — основные носители биологической информации, которые мож­но назвать информатидами, или семантидами. К ним относятся высокоспецифические полимерные вещества, в первичной структуре которых заключе­на информация, определяющая признаки и свойст-

ва организма. Информатиды принадлежат к нуклеи­новым кислотам (ДНК, РНК) и белкам.

3. Перенос информации с помощью информатид осуществляется путем их воспроизведения на осно­ве матричного синтеза и передачи от материнских клеток к дочерним или по иным каналам связи. При этом возможен перенос информации с ДНК на ДНК (репликация), с ДНК на РНК (транскрип­ция), с РНК на ДНК (обратная транскрипция), с РНК на белки (трансляция). Обратная трансля­ция, т. е. передача структурной информации с бел­ков на РНК или ДНК, по всей вероятности, невоз­можна, как и синтез белка в организме, вне про­цесса трансляции,

4.  В типичном случае первичные   информатиды (ДНК) выполняют функции передачи генетической информации последующим    поколениям, а    также переноса ее на РНК.   Промежуточные информати­ды  (РНК)  обеспечивают передачу информации ос ядра к рибосомам и специфический биосинтез бел­ков.  Роль последних  как    конечных    информатид проявляется в реализации генетической и экологи­ческой информации в свойствах и признаках орга­низма.

5.  Экологическая информация   оказывает адек­ватное воздействие на белки-информатиды, что на­блюдается в таких фактах, как образование адап­тивных ферментов и антител. У большинства видов животных экологическая информация воспринима­ется также через нервную систему, определяющую их целостность. При этом роль носителей информа­ции, т. е. информатид, играют нейроны    (нервные клетки).

6.  Возникающие в структуре ДНК   спонтанные изменения (мутации) могут   быть   стимулированы внешними воздействиями и, если    не    приводят к летальным   последствиям,   передаются    потомству, составляя элементарный материал эволюции. Био­логические популяции содержат резерв разнообраз­ных мутаций, находящихся в рецессивном, подав­ленном состоянии. При    повышении концентрации этих мутаций в популяции создаются условия для их проявления и включения в процесс естественно­го отбора.

Один из основоположников теоретической биологии, английский ученый Конрад Хэл Уоддингтон (1905— 1975) считал необходимым в определение сущности жизни ввести понятие информации, широко интерпрети­рованное им. Биологическая информация — это отпеча­ток наследственных свойств и условий онтогенетическо­го развития организма в структуре его информатид, за­поминающих устройствах нервной системы и, возможно, иных системно-регуляторных факторов. Исходную про­грамму развития организма составляет генетическая ин­формация, закодированная в структуре ДНК. В ходе развития на эту программу наслаивается экологическая информация, которая программирует ход дальнейшего развития в границах, определяемых наследственностью. Эти границы составляют так называемую норму реак­ции, изменение которой обусловливается мутациями, за­трагивающими структуру ДНК-

Понятие экологической информации наиболее отчет­ливо выявляется на примерах, связанных с воздействи­ем внешней среды на память животных, т. е. на запоми­нающие механизмы их нервной системы. В более широ­ком плане понятие экологической информации можно иллюстрировать на примере восприятия организмом био-геоценотических факторов. Напомним, что в отличие от компонентов биогеоценоза его факторы не привносят ве­щество и энергию, однако существенно влияют на его компоненты. Такие факторы, как температура, чередова­ние дня и ночи, гравитация, рельеф местности и т. п.,—• наглядный пример факторов биогеоценоза, которые воз­действуют на организм в ходе его онтогенеза и пред­ставляют элементарные источники экологической ин­формации. Особую группу источников экологической ин­формации составляют биотические факторы развития ор­ганизма, выявляемые, например, во взаимоотношениях хищника и жертвы, насекомоопыляемых растений и их опылителей и т. п.

В понятие источников экологической информации входит также состав питательных веществ и особенно­сти энергетических ресурсов, используемых организмом в процессах его развития и метаболизма. Об этих ком­понентах среды можно без иносказаний утверждать, что они ассимилируются организмом, представляя входящий поток экологической информации. Наконец, к источни­кам экологической информации следует также отнестивнешние факторы отрицательного значения: источники болезней, различных повреждений и физиологических нарушений, токсические вещества и т. п.

Рациональный смысл истолкования всех вышеука­занных экологических факторов развития и существова­ния организма как элементарных источников информа­ции, т. е. источников информационных сигналов, обус­ловлен тремя обстоятельствами. Во-первых, тем, что все эти факторы являются не только условиями реализации генетической программы, но и элементами онтогенетиче­ского программирования дальнейшего развития и суще­ствования организма. Во-вторых, генетическая информа­ция по своей содержательной сущности в значительной мере может быть соотнесена с экологической информа­цией. Ведь и та и другая в их взаимодействии обуслов­ливают одни и те же группы признаков и свойств цело­стного организма. В-третьих, в ходе исторического раз­вития через механизм естественного отбора экологиче­ская информация отражается в генетической, которая представляет, таким образом, ее отпечаток.

Первичность отражаемого объекта и вторичность его отражения — основополагающий принцип материа­листической диалектики. Этому принципу вполне отве­чает трактовка генетической информации конкретного организма как отражения экологической информации, накопленной в процессе естественного отбора филогене­тического ряда его предков.

Вхождение экологической информации в филогенез, который кодирует себя в генетической информации, про­исходит в процессе естественного отбора мутаций и рекомбинаций, т. е. на популяционном уровне. Совер­шенно иной механизм вхождения экологической инфор­мации в онтогенез. Этот процесс происходит на организ-< менном, клеточном и молекулярном уровнях и носит не эволюционно-генетический, а физиолого-биохимический характер.

В настоящее время еще нет законченной общебиоло­гической теории этого процесса. Однако широко призна­ется, что он не затрагивает первичную структуру ДИК и РНК- Что касается структуры белков, в том числе, возможно, в какой-то мере и их первичной структуры, то под непосредственным воздействием источников эколо­гической информации она может меняться адекватным образом. Об этом свидетельствует такой факт, как обра-зование адаптивных ферментов в результате изменения состава питательной среды в культурах микроорганиз­мов. У высших организмов о молекулярных изменениях I, специфическом синтезе белков под действием экологи­ческой информации ^свидетельствует индуцированное об­разование антител. При этом иногда могут образоваться белки (ферменты и антитела) заведомо новой структу­ры, совсем не характерной для предшествующих поко­лений организма, подвергаемого воздействию принци­пиально новой экологической информации. Такие случаи отмечаются при введении в состав питательной среды микроорганизмов нового искусственно синтезированного пещества, разлагаемого под действием индуцированного им фермента. Сходное явление может наблюдаться при использовании искусственных антигенов, не имеющих аналогов в природе и индуцирующих образование специ­фических к ним антител.

Элементарный механизм вхождения экологической гнформации в онтогенез через запоминающие механиз­мы нервной системы — образование условных рефлек­сов. Безусловные рефлексы — пример вхождения эколо­гической информации в филогенез.

Закреплению в филогенезе подложат лишь те мута­ции, которые обеспечивают изменения нормы реакции, соответствующие изменениям в экологической информа­ции. Поэтому филогенетическая изменчивость идет в на­правлении отбора, и таким образом экологическая ин­формация преобразуется в генетическую.

Закон дискретности и непрерывности биологической информации, или закон Моргана—Эфрусси

1.  Расчлененность    наследственного    основания на гены, соединенные в группы   сцепления — хро­мосомы, а генов — на нуклеотидные триплеты, мо-лекулярно-дискретная организация и качественная определенность белков организма как конечных ин-форматид, обусловленность нервной    деятельности отдельными рефлексами — все это выражает дис­кретность (прерывность) биологической   информа­ции.

2.  Внутреннее единство, целостность биологической информации любого организма, несводимость этой информации к простой сумме ее элементарных единиц выражают свойство ее непрерывности. В конкретной экспрессии (реализации) биологиче­ской информации ее дискретность и непрерывность проявляются одновременно, обусловливая единый процесс информационной детерминации (определе­ния) развития и функционирования организма.

3. Отдельные стороны этого процесса составля­ют генная, геномная и надгеномная (эпигенетиче­ская) детерминации. Любой признак организма при учете его полной причинно-следственной обус­ловленности определяется взаимодействием все/: этих сторон, в чем конкретно и проявляется един­ство дискретности и непрерывности биологической информации.

Раскрытие дискретных свойств наследственного осно* вания стало возможным благодаря созданию хромосом­ной теории наследственности и выяснению природы ДНК. Крупнейшим этапом в этом направлении исследо­ваний были работы Томаса Хаита Моргана (1866—1945) и его школы. С другой стороны, изучение биохимической природы действия гена на признаки организма стало не­обходимой предпосылкой установления связи генетики с биологией развития, без чего невозможно раскрыть не­прерывность биологической информации.

Одним из первых ученых, исследовавших генетичес­кий контроль биохимических процессов, был Борис Эф­русси, работы которого позволили на некоторых конк­ретных примерах показать связь гена с морфологически­ми признаками через контроль синтеза определенных веществ. Закон дискретности и непрерывности биологи­ческой информации, или закон Моргана—Эфрусси, отра­жает оба эти направления исследований. Они привели к формированию современной генетики и биологии инди­видуального развития, раскрывающих дискретность ч непрерывность биологической информации на молеку­лярном, клеточном и организменном уровнях.

Дискретность генетической информации как выраже­ние действия отдельных генов наглядно проявляется при внутривидовой гибридизации в комбинировании альтер­нативных признаков исходных форм у расщепляющегося потомства. Однако в ходе развития генетики выясни­лось, что один ген может определять ряд признаков и, в свою очередь, один признак может определяться многи­ми генами. Это создало предпосылки для дополнения концепции генной детерминации представлением о це­лостной геномной детерминации, раскрывающей свойст­во непрерывности генетической информации.

Если отдельный ген может определять, допустим, ок­раску цветка, то нельзя забывать, что для осуществле­ния этой генной детерминации как минимум необходи­мо, чтобы этот цветок сформировался в процессе онтоге­неза растения. Л это уже проявление действия многих генов, т. е. геномной, а также и надгеномной детермина­ции, зависящей от вхождения в онтогенез экологическиfi информации. Идея геномной детерминации может счи­таться важным принципом современной генетики, про­тивостоящим упрощенному представлению об организме как мозаичной сумме независимых признаков, опреде­ляемых независимыми друг от друга генами.

Надгеномную (эпигенетическую), или фенотипичее-кую, детерминацию по традиции большинство генетиков резко обособляют от геномной и генной. Такое обособ­ление, однако, кажется не вполне правомерным. Ведь ге­нетическая информация реализуется только в единстве с экологической информацией, поступающей в данный организм в процессе его индивидуального развития. Это соображение приводит многих биологов к выводу, что разграничение понятий генотип и фенотип при кон­кретном исследовании реальных фактов детерминации развития целостного организма не должно абсолютизи­роваться.

Помимо других взаимосвязей между законами теоре­тической биологии, следует особо отметить частичную обусловленность закона Моргана — Эфрусси законом Дриша, поскольку в непрерывности биологической ин­формации проявляется целостность онтогенеза. Что же касается дискретности биологической информации, то, кроме законов эволюции, это ее свойство обусловлено биохимическими законами, проявляющимися в особен­ностях строения информатид, расчленяемых на гены и иные структурные элементы закодированной в них ин­формации. Таким образом, закон Моргана — Эфрусси не только эмпирическое обобщение, но в какой-то мере к логическое следствие других законов теоретической биологин.