Целенаправленное поведение – один из отличительных признаков жизни, но оно возможно, только если живые системы действуют как единое целое. Одним из первых людей, осознавших в начале XIX в. эту отличительную черту живых существ, был философ Иммануил Кант. В своей книге «Критика способности суждения» Кант утверждал, что части живого тела существуют ради целого, а целое – ради своих частей. Он предположил, что живые организмы представляют собой упорядоченные, целостные и саморегулирующиеся сущности, управляющие своей судьбой.
Рассмотрим этот тезис на уровне клетки. Каждая клетка вмещает в себя огромное количество различных химических реакций и форм физической деятельности. Все быстро развалится, если все эти процессы будут вестись хаотично или в непосредственной борьбе друг с другом. Только посредством управления информацией клетка может наводить порядок в чрезвычайно сложной системе происходящих в ней процессов и тем самым достигать своей конечной цели – сохранять жизнь и размножаться.
Чтобы понять, как это работает, вспомним, что клетка – физическая и химическая машина, ведущая себя как единое целое. Можно многое понять о клетке, изучая ее отдельные компоненты, но для правильного функционирования различные химические реакции, происходящие в живой клетке, должны иметь связь друг с другом и действовать согласованно. Таким образом, при изменении окружения или внутреннего состояния – например, в клетке заканчивается сахар или ей попадается ядовитое вещество – она может ощущать это изменение и регулировать свои действия, тем самым поддерживая, насколько возможно, функционирование всей системы. Подобно тому как бабочка собирает информацию о мире и использует это знание для изменения собственного поведения, клетки ведут постоянный анализ химических и физических обстоятельств, как внутри, так и снаружи, и используют эту информацию для регулирования своего состояния.
Для того чтобы четче понимать, что означает для клеток использование информации для саморегулирования, стоит сначала посмотреть на то, как это достигается в менее замысловатых машинах, сконструированных человеком. Возьмем центробежный регулятор скорости, разработанный для жерновых мельниц голландским энциклопедистом Христианом Гюйгенсом и затем успешно доработанный шотландским инженером и ученым Джеймсом Уаттом в 1788 г.
Это устройство можно было устанавливать на паровую машину, чтобы та сохраняла постоянную скорость, не ускорялась и не ломалась. Оно состоит из двух металлических шаров, вращающихся вокруг центральной оси, приводимой в действие самой машиной. Если двигатель работает быстрее, центробежные силы толкают шары наружу и вверх. В результате открывается клапан, пар выходит из поршня, и машина замедляется. Если же двигатель работает медленнее, под силой тяжести металлические шары регулятора опускаются, клапан закрывается, и двигатель опять может развивать скорость до требуемой величины.
Лучше рассматривать регулятор Уатта в терминах информации. Положение шаров действует как считывание информации о скорости двигателя. Если скорость превышает заданный уровень, включается переключатель – паровой клапан, – который снижает скорость. Этим создается процессор информации, который может использоваться машиной для саморегулировки, не требующей присутствия человека. Уатт построил простое механическое устройство, действующее целенаправленным образом. Цель заключалась в поддержании постоянной скорости работы паровой машины, что и достигалось замечательным образом.
Системы, функционирующие концептуально сходным образом, хотя часто посредством гораздо более сложных и регулируемых механизмов, широко применяются в живых клетках. Такие механизмы обеспечивают эффективное достижение гомеостаза, то есть активного процесса поддержания условий, способствующих выживанию. Благодаря гомеостазу ваше тело поддерживает, к примеру, постоянную температуру, объем жидкости и уровень сахара в крови.
Процесс обработки информации пронизывает все стороны жизни. Для иллюстрации возьмем два примера сложных клеточных компонентов и процессов, в которых лучше всего разобраться в контексте информации.
Первый – ДНК и то, как ее молекулярная структура объясняет наследственность. Самым существенным фактом в отношении ДНК можно назвать то, что каждый ген представляет линейную последовательность информации, записанной четырехбуквенным алфавитом ДНК. Линейные последовательности – знакомая и высокоэффективная стратегия хранения и передачи информации; именно так записываются слова и предложения, которые вы сейчас читаете, и именно эту стратегию используют программисты, пишущие код для компьютера на вашем столе и для телефона у вас в кармане.
Эти разные коды хранят информацию в цифровом виде. «Цифровой» здесь означает, что информация хранится в разных комбинациях небольшого числа цифр или – в данном контексте – символов. В английском языке 26 базовых символов, букв алфавита; в компьютерах и смартфонах используется комбинация единиц и нулей; а символами ДНК становятся четыре нуклеотида. Великое достоинство цифровых кодов в том, что они без труда переводятся с одной кодирующей системы на другую. Это и выполняют клетки, когда «переводят» код ДНК в РНК и далее – в белок. Осуществляя это, они преобразуют генетическую информацию в физическое действие таким безупречным и гибким путем, который пока неподвластен системе, разработанной человеком. В то время как компьютерные системы должны «записать» для хранения информацию на другую физическую среду, молекула ДНК и есть та самая информация, поэтому хранение данных очень компактно. Технологи это понимают и разрабатывают способы кодирования информации на молекулах ДНК, чтобы архивировать ее максимально стабильным и экономичным образом.
Другая критически важная функция ДНК – способность очень точного самокопирования, что также представляет собой прямое следствие ее молекулярной структуры. В информационном контексте молекулярное сцепление пар оснований (A-T и G-C) предоставляет собой способ получения очень точных копий информации, хранящейся молекулой ДНК. Такая врожденная реплицируемость (способность создавать копии) в конечном счете и объясняет стабильность информации в ДНК. Некоторые последовательности генов сохранились в ненарушенных чередованиях делений клеток в течение немыслимо долгого времени. Бóльшие части генетического кода, необходимые для построения различных клеточных компонентов, таких как, например, рибосомы, явно одинаковы во всех организмах, будь то бактерии, археи, грибы, растения или животные. Отсюда следует, что наиболее существенная информация в данных генах сохраняется уже, возможно, три миллиарда лет.
В этом причина важного значения структуры двойной спирали. Открыв ее, Крик и Уотсон нашли ту нить, которая увязала концептуальное понимание генетиками по принципу «сверху вниз» того, как необходимая для жизни информация передается через поколения, с механистическим пониманием по принципу «снизу вверх» того, как построена и управляется клетка на уровне молекул. Этим особо подчеркивается тот факт, что химия жизни становится понятной только при рассмотрении ее в терминах информации.
Вторым примером сферы, где информация играет ключевую роль в понимании жизни, служит регуляция работы генов – набор химических реакций, используемых клеткой для «включения» и «выключения» генов. Исходя из нее, клетки используют лишь определенные части общего массива генетической информации, в которых они фактически нуждаются в какой-либо определенный момент времени. Огромное значение этой способности иллюстрируется развитием бесформенного эмбриона в полностью сформированное человеческое существо. Клетки в ваших почках, коже и мозге содержат примерно один и тот же набор из 22 000 генов, но управление генами означает, что гены для создания почки «включаются» в эмбриональных почечных клетках, а гены, чья функция заключается в создании кожи или мозга, «отключаются» и vice versa. В конечном счете клетки в каждом вашем органе различаются тем, что они используют очень отличающиеся друг от друга комбинации генов. На деле представляется, что только около 4000, или одна пятая, вашего набора генов включается и используется всеми различными видами клеток в вашем теле, поддерживая основные операции по их выживанию. Остальные используются лишь спорадически, потому что или они выполняют специальные функции, требуемые определенным видом клетки, или они нужны только в определенные периоды времени.
Регуляция работы генов означает также, что идентичный набор генов может применяться для создания резко отличных друг от друга объектов на разных этапах их жизни. Каждая бабочка-лимонница, обладающая искусным и сложным строением, начинает свой путь с весьма непрезентабельной зеленой гусеницы; разительная метаморфоза одной формы в другую осуществляется путем использования разных частей все того же общего массива информации, хранящегося в том же геноме и по-разному применяемого. Регуляция работы генов не только важна в процессе роста и развития организмов, она – один из основных путей настройки всеми клетками своих механизмов и структур ради выживания и адаптации при изменении окружающих условий. Например, если бактерия встречает новый источник сахара, регуляция быстро введет в действие гены, нужные для усваивания этого сахара. Говоря иначе, в бактерии имеется саморегулирующаяся система, автоматически выбирающая конкретную генетическую информацию, которая необходима, чтобы повысить шансы на выживание и воспроизводство.
Биохимики идентифицировали много базовых механизмов, используемых в решении разных задач регуляции работы генов. Это белки, действующие как так называемые «репрессоры», которые отключают гены, и «активаторы», которые гены включают. Они это выполняют, находя и прикрепляясь к определенным последовательностям ДНК рядом с регулируемым геном, что более-менее напоминает информационную РНК, которая производится и направляется к рибосоме для синтеза белка.
Нам нужно знать, как все это действует на молекулярном уровне, но, помимо вопроса о том,