Генетика
Категории / Биология / Генетика / Аргумент: кто придумал генетический код?

Аргумент: кто придумал генетический код?

Автор:

В науке широко используется аргумент по аналогии, введенный еще в XIX веке английским астрономом и физиком Дж. Гершелем. Если мы видим какие-то явления (следствия) с несомненным сходством, при этом известны причины одного из них, то можно с уверенностью утверждать, что причины другого явления (следствия) аналогичны. На данный аргумент опираются современные астрономы, работающие в программах поиска внеземных цивилизаций (Search for Extraterrestrial Intelligence). 

Они пытаются уловить из космоса радиосигналы, которые бы свидетельствовали о внеземном разуме. В высшей степени парадоксально и, заметим, неразумно то, что официальная наука готова признать разум, стоящий за неким искусственным сигналом из космоса, но в упор не замечает разум, стоящий за информационной насыщенностью живой клетки, то есть биологической программой, заложенной в ДНК.

Итак, на основании наблюдений и опыта аргумент по аналогии (а также здравый смысл) позволяет с уверенностью утверждать: если для создания компьютерных программ необходимы разум и знания человека, то для создания неизмеримо более сложно организованной программы, записанной в ДНК, также требуются разум и знания Того, Кто ее создал. 

Можно провести также сравнение, например, с литературными произведениями, тоже своего рода программами, имеющими, как и компьютерные, свой язык символов, идею, смысл (сюжет). Мы видим сходные следствия (программы), значит, и причины должны быть того же свойства (разум и знания). 

Прежде чем прийти к пониманию того, какой гениальный и фантастически сложный проект заложен в кодировании и декодировании биологической информации, выясним, что такое информация вообще, каковы ее уровни, как она передается и измеряется, а также познакомимся со строением ДНК, сущностью генетического кода и его свойствами.

Определений информации много. Чаще они включают такие понятия как «знания» и «сведения» относительно чего-то. Но что представляют собой знания и сведения? Как они образуются?

 Более точную формулировку можно дать таким образом: информация – это, во-первых, нематериальная величина (не имеет массы и не является свойством, частью материи); а во-вторых, она отображает реальность с помощью какой-либо кодовой системы. Причем реальность любую – материальную и нематериальную (любые предметы, явления, процессы, события, идеи и т.д.).

Чтобы передача информации произошла от отправителя к получателю, им необходимо соблюдать договоренность о коде, то есть наборе знаков (символов), которыми они будут пользоваться и которые обоим будут понятны. Коды разных языков (алфавиты) содержат от 20 до 35 знаков (букв). К примеру, в русском алфавите 33 буквы, а китайская письменность содержит более 50 000 рисунков (слов). Двоичный код (два символа) в азбуке Морзе и компьютерной технологии. Набор символов – это низший уровень информации (статистический). 

Понятно, что символы может изобрести разумный человек. Символы не могут изобрести сами себя. Даже самые умные животные не в состоянии разработать какой-либо код.

Второй, более высокий уровень информации – синтаксический. Обратимся к примеру языкового кода. Например, определеннье буквосочетания обозначают общепринятые слова в словарном запасе языка. Остальные сочетания букв бессмысленны. Выбор осмысленных слов – это результат разумной деятельности. Буквы сами не могут выстроиться в слова и привнести в них смысл. 

Достаточно представить, сколько, например, сочетаний из пяти букв можно составить, используя 33 буквы алфавита. Получится около 40 миллионов вариантов. А в словаре С.И. Ожегова «всего» 52 тысячи слов. Кроме того, сами по себе слова могут быть бессмысленны, если не знать, о каком языке речь. 

Например, какое-то слово в одном языке означает одно, в другом – другое, а в третьем его вообще нет и т.д. У самих букв нет внутренних свойств, которые бы давали нам значение слова. Таким образом, соотнесение определенного набора букв с определенным объектом (действием, явлением и т.д.) возможно только с участием разума. И это делают люди, используя языковые конвенции (то есть соглашения о том, какое обозначение, понятие, смысл несет конкретное слово и с каким предметом, действием, явлением оно ассоциируется). 

Но это еще не все. Второй уровень также подразумевает, что отправителю и получателю информации известны грамматические правила построения предложений из слов. Предложение «Кошка охотился мышка» синтаксически неправильное.

Третий уровень информации – семантический. Набор символов, образующий слова и грамматически правильные предложения, еще недостаточен для создания информации. Предложение «Зеленая свобода преследует думающий дом» грамматически правильно, но текст бессмыслен. Самым важным является значение, смысл сообщения, понятный для отправителя и получателя информации. Первые два уровня – это как оболочка из букв и слов, в которую надо привнести смысл. Если нет смысла в сообщении, нет и информации.

 Статистика и синтаксис могут меняться, например, текст может быть на разных языках, мелодию можно сыграть на разных музыкальных инструментах, но значение текста и красота мелодии останутся неизменными.

Вот вероятность построения предложения. Пусть это будет библейское «А я знаю, Искупитель мой жив» (Иов 19:25) из 22 букв. Вероятность угадывания каждой буквы случайным перебором 33 букв русского алфавита составляет 1/33, а случайного появления всей фразы составит 1/33 в 22-й степени. Такая вероятность исчезающе мала. И это только в одном маленьком предложении. Еще раз убеждаемся, что буквы складываются в осмысленные слова и предложения не случайно, не хаотично, а в результате разумной творческой деятельности человека.

Следующие два уровня, иногда объединяемые в один, – это прагматика (означает реакцию, действие или же бездействие со стороны получателя, то есть указывает на результат отправки информации) и апобетика (подразумевает цель, намерение, замысел отправителя информации). Любая информация предполагает существование цели, которую преследует отправитель. Иначе зачем ему создавать и отправлять информацию? 

Информация рождается именно от цели, волевым решением отправителя (подчеркнем еще раз: рождается из разумного источника). Сначала надо осмыслить и понять, что хочешь создать, а потом переходить к планам, алгоритмам, программам и переводить их в запись в кодовой системе (текст, ноты, формулы, чертежи и т.д.). То есть идти от высшего уровня апобетики к низшему уровню статистики. Любое изделие несет в себе план, программу, проект, которые были воплощены в этом изделии его создателем. 

Сам металл не содержит никаких идей, как сделать из него двигатель, как и стройматериалы не имеют в самих себе никаких инструкций, как построить дом.

Науке не известен ни один пример самопроизвольного возникновения информации (в описанном выше смысле) из материи, это не показано ни в одной лаборатории мира. Не являясь частью или свойством материи, информация тем не менее нуждается в материальном носителе, а точнее, в этом нуждается ее низший уровень – уровень символов. Один и тот же текст, к примеру, можно написать на бумаге, на песке, на дискете, озвучить в человеческой речи, через электрическую передачу и т.д. И в любой кодовой системе, к примеру, на разных языках. Семантика (то есть смысл, значение) от этого не изменится. 

Информация (на уровне символов) при хранении, копировании и передаче может утрачиваться, засоряться, портиться, в лучшем случае – не изменяться, но никогда при этом не возникнет новая (на семантическом уровне) информация.

И еще один момент надо иметь в виду. Информация выглядит как неправильная, нерегулярная последовательность символов, что можно определить как сложность. 

Сторонники гипотезы возникновения информации в результате действия естественных причин полагают, что если процессы самоорганизации в природе приводят к упорядоченным структурам (например, образование снежинок или кристаллов соли NaCl), то и информация в конечном итоге может появиться сама по себе. 

Кристаллы – это повторяющиеся регулярные структуры, они упорядочены, но не сложны. Порядок и сложность – понятия противоположные. Текст, состоящий из многократно повторенного слова или предложения, не несет информации, а потому он бесполезен для получателя. Он требует минимального количества инструкций (команд), например написать такую-то букву и повторить ее на таком-то количестве страниц. Для романа или поэмы число команд неизмеримо возрастает: каждой букве задается свое место.

А теперь перейдем к ДНК – средоточию биологической информации. Вкратце рассмотрим ее строение. Молекула ДНК двойная, состоит из двух длинных нитей, закрученных в спираль наподобие винтовой лестницы, и представляет собой полимер. Его звеньями (мономерами) являются нуклеотиды. Каждый нуклеотид включает три компонента: азотистое основание, сахар дезоксирибозу и фосфат (остаток фосфорной кислоты). 

В ДНК присутствует 4 вида азотистых оснований – аденин (обозначается А), тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц). В РНК (рибонуклеиновая кислота) вместо цитозина присутствует другое азотистое основание – урацил. Две нити ДНК удерживаются вместе благодаря водородным связям между нуклеотидами, причем аденин всегда выстраивается напротив тимина, а гуанин идет в паре с цитозином (по так называемому принципу комплементарности). Эти пары образуют в молекуле ДНК как бы ступеньки винтовой лестницы. Последовательность нуклеотидов вдоль нити ДНК несет конкретную генетическую информацию. 

Именно 4 вида азотистых оснований и есть те химические буквы, которые образуют алфавит генетического кода. Это статистический уровень биологической информации.

Синтаксис – это слова из химических букв, тройки (по-другому кодоны или триплеты) определенных нуклеотидов, которые соответствуют определенным аминокислотам, структурным звеньям белковой молекулы. Налицо принцип, полностью аналогичный принципу языковой конвенции, создание которого возможно только в результате разумной деятельности. Наличие подобной конвенции в живой природе в принципе исключает кодирование аминокислот (то есть соотнесение конкретной тройки нуклеотидов с конкретной аминокислотой) в беспорядочных естественных процессах и безусловно указывает на разумный замысел.

В белках (протеинах) живого организма встречаются только 20 видов аминокислот из более 300 известных. Последовательности нуклеотидов по тройкам складываются в предложения, которые называются генами. Каждый ген кодирует один или более видов белка, причем белка полноценного, активного, способного выполнить в клетке свою роль, будь то ферментативную, структурную, транспортную, защитную, регуляторную или какую иную. П

ричем такой белок должен быть правильно свернут в особую трехмерную структуру (иначе он будет неактивным), что определяется правильной последовательностью аминокислот, а значит, и нуклеотидов в гене. Это уровень семантики.

В человеческом организме насчитывается около 50000 различных видов белка, их кодируют предположительно 30000 генов, что составляет примерно 5% всей нуклеотидной последовательности, расположенной в 23 молекулах ДНК (23 хромосомах половых клеток, содержащих половинный набор хромосом, который называется геномом или гаплоидным набором). В неполовых (соматических) клетках – 23 пары хромосом, всего 46 хромосом. 

Хромосомы представляют собой утолщенные структуры в виде двойных Х-образных палочек, которые образуются только при делении клетки; при этом нити ДНК удваиваются, сворачиваются и компактно упаковываются. В геноме – 3,2 млрд. пар азотистых оснований (для сравнения: у бактерии кишечной палочки более 4 000 видов белка, 2 молекулы ДНК и 4,5 млн. пар азотистых оснований). Только 1% нуклеотидной последовательности из 5% воплощается в белке, то есть сам ген содержит некодирующие участки. 

Долгое время считалось, что участки ДНК вне генов относятся к «мусорной» (бесполезной) ее части. Однако постепенно становится ясным, что «мусорная» ДНК вовсе не является таковой, а выполняет регуляторную, защитную, каркасную функции и филигранным образом участвует в управлении работой генов, включая или выключая их, ослабляя или активируя в нужный момент и в нужное время.

Количество аминокислот (двадцати видов) в белках живого организма сильно варьируется – от нескольких десятков до нескольких тысяч. Их теоретически возможные случайные комбинации в одном белке дают астрономическое число, но только ничтожно малая часть этих комбинаций – правильная, со смыслом, дающая активный белок. Та часть, что закодирована в ДНК. 

Нечто похожее мы видели на примере языкового кода: можно составить бесчисленные буквосочетания из 33 букв алфавита, но только некоторые из них будут разрешенными, общепринятыми в результате творческой, мыслительной деятельности людей, в результате их договоренности. А вовсе не под влиянием случая. В эволюционном сценарии, вспомним, случай и природная стихия – движущая сила восходящего развития.

Высшие уровни биологической информации отражают полноценное функционирование самой клетки и всего организма. Непосредственный отправитель информации (ее автор), как мы уже отмечали, – это всегда личность, обладающая разумом и волей, принявшая решение создать информацию. Часто автор неизвестен или невидим. Мы не знаем, кто сделал надписи на клинописных табличках Шумерского царства или написал иероглифический текст в египетских гробницах. Получая всевозможную информацию из Интернета, мы можем не видеть и не знать ее создателя. 

Часто между непосредственным отправителем и получателем информации есть промежуточные звенья, не обязательно разумные, например сеть телевизионного вещания: телецентры, ретрансляторы ТВ сигнала, технические средства передачи ТВ сигнала, телевизоры.

Тот же принцип применим и к генетической информации, которая считывается с материального носителя – ДНК, декодируется и реализуется в синтезе белка. Молекула ДНК и другие элементы этой цепочки являются промежуточными звеньями, восходящими к истокам биологической информации – ее Создателю. Разумное существо человек, понятно, не мог заложить биологическую информацию в ДНК живых существ и создать самого себя. 

Кроме того, кодировка информации в ДНК и ее реализация неизмеримо превосходит все современные технологии. Значит, вывод может быть только один: непосредственный Отправитель генетической информации обладает неограниченным разумом и у Него бесконечный объем знаний.

Стоит отметить также вот что. Наличие генетической программы и всех необходимых компонентов еще не делает организм живым. У мертвого организма все для жизни вроде присутствует, но никогда не сообщалось, что в лабораторных условиях ученым удалось запустить жизнь в мертвом организме или создать даже простейшую живую клетку из химических соединений. 

ДНК кодирует белковые молекулы, но каким образом это связано со сложнейшими процессами в организме, по каким программам происходит, например, метаморфоз бабочки (смена таких непохожих стадий яйца, гусеницы, куколки, взрослой особи) или развитие тех или иных органов у эмбриона человека; что направляет создание структур, содержащих не только белки; или где и каким образом сопрягаются физическое и психическое в природе человека? Мы не знаем. Где источник этой информации? На каких она материальных носителях, а может, она вне их?

Приведенные выше цифры показывают, какой колоссальный объем биологической информации (подчеркнем: со всеми ее уровнями) сосредоточен в живой клетке. Для сторонников эволюционной гипотезы существует непреодолимая проблема: как в первобытном океане (так называемом бульоне) могли возникнуть сами химические буквы – нуклеотиды. 

Хорошо известно, что самопроизвольно азотистые основания, сахар и фосфат в нуклеотид не собираются. Да и самому существованию такого бульона нет ни малейших доказательств. Но даже если представить фантастическую ситуацию, что бульон каким-то чудом наполнился нуклеотидами, то это была бы просто их бессмысленная смесь. Сами химические буквы (нуклеотиды) не несут никакой информации. Их должен сложить кто-то извне и сложить правильно. Сами буквы не знают, как им правильно организоваться, в какую сложиться последовательность, чтобы закодировать правильный белок. Да и нет такой способности у нуклеотидов – самопроизвольно складываться в полинуклеотидную цепочку через фосфатный мостик (как в ДНК). 

Рассуждения сторонников эволюционной гипотезы о некоем добиологическом (на молекулярном уровне) естественном отборе – не более чем философские умозаключения и дань материализму.

А теперь мы подходим к очень важному моменту – почему генетический код именно таков: из четырех букв (азотистые основания А, Т, Г, Ц) складываются слова длиной в три буквы. Почему этот код – оптимальный и был выбран его Создателем как наилучший для жизни? Рассмотрим варианты. Предположим, что код двоичный, то есть в алфавите – всего две буквы, два азотистых основания, допустим, А и Т. Какие могли бы складываться слова? 

Если по двойкам, то всего получается 4 варианта: АА, АТ, ТТ, ТА. Этих вариантов не хватает, чтобы закодировать 20 аминокислот. А если взять по тройкам? Тогда 8 вариантов: ААА, ТТТ, АТА, АТТ, ААТ, ТАА, ТТА, ТАТ. Тоже не хватает для 20 аминокислот. А если по 4 буквы? Вариантов 16. Опять недостаточно. 

Слово из 5 букв при двух видах букв дает 32 варианта. Хватит, чтобы закодировать 20 аминокислот, но: генетический код должен быть экономичным, поскольку накопление информации происходит в чрезвычайно малом объеме – ядре клетки. Чем больше букв на каждую аминокислоту, тем больше затрат вещества и тем больше объем занимаемой информации. Иначе говоря, 5 букв на каждое слово (аминокислоту) – это перерасход вещества, а тем более 6 букв, которые дают 64 варианта при двоичном коде.

Троичный и пятеричный коды (3 и 5 букв в алфавите) исключаются в принципе. Количество букв должно быть обязательно четным, так как в двойной спирали ДНК азотистые основания располагаются попарно (вспомним о ступеньках лестницы: А против Т и Г против Ц). При троичном коде (только три вида азотистых оснований в качестве химических букв) не получилась бы двойная спираль, так как одно из азотистых оснований не имело бы пары, процесс удвоения ДНК (а в конечном счете и деление клетки) был бы невозможен. 

Перейдем к варианту четверичного кода (4 химические буквы). Если бы эти буквы складывались по двойкам, получилось бы 16 вариантов. Не хватает, чтобы закодировать 20 аминокислот. Если по тройкам – 64 варианта. Хватает с избытком. По 4 буквы в каждом слове дает 256 сочетаний (а по 5 букв – 1024 варианта), что означает значительный перерасход вещества при кодировании 20 аминокислот. И, наконец, вариант шестеричного кода (6 химических букв). По двойкам их сочетание дает 36 вариантов, а по тройкам – 216 вариантов. То есть с избытком хватает для кодирования 20 аминокислот.

Однако почему четверичный код при трехбуквенных словах предпочтительнее, хотя, на первый взгляд, он требует больше материала, чем двойки шестеричного кода? 

Вообще, код должен быть избыточным, поскольку при многочисленных копированиях ДНК могут возникать ошибки, то есть вставляться неправильные нуклеотиды, поэтому, чтобы избежать таких ошибок, нуклеотиды должны быть взаимозаменяемы. 64 сочетания для 20 аминокислот – оптимальный выбор. И второе преимущество четверичного кода: при 6-буквенном алфавите декодирующий механизм (перенос информации через посредника и перевод языка нуклеотидов на язык аминокислот в месте синтеза белка) в значительной мере усложняется и требует больше материала.

Генетический код универсален, един для всех живых организмов. Как литературные произведения говорят о писателе, музыкальные – о композиторе, а картины – о художнике, так и в молекулах ДНК мы видим Автора, создавшего богатейшее разнообразие живых существ. Невозможно представить, что восхитительные «Аппассионата» и «Лунная соната» созданы беспорядочным перебором нот, а не каким-то непостижимым образом Бетховен сначала услышал мелодию внутри себя, а потом ее записал.

В генетическом коде нет пробелов, то есть триплеты следуют подряд друг за другом без всяких «знаков препинания». Генетический код неперекрывающийся, то есть один и тот же нуклеотид входит только в один триплет и не может одновременно входить в другой триплет. Информация с ДНК считывается только в одном направлении. И еще: каждый смысловой триплет кодирует только одну аминокислоту. Налицо – разумный замысел, великолепный инженерный проект. 

Генетический код – это действительно истинный код для биологической информации со всеми присущими ей уровнями. Он сходен с языковым кодом. И как мы понимаем, что любое литературное произведение, научная монография, словарь или сборник инструкций для технологического процесса имеют своих авторов, обладающих разумом, опытом и знаниями, так и книга инструкций и чертежей, записанная в ДНК для многообразных сторон жизнедеятельности живого организма, с необходимостью подразумевает своего разумного Создателя.

Мы остановимся еще на двух моментах, которые иллюстрируют, как гениально спроектированы генетический код и его реализация. Первое, на что обратим внимание – это декодирующий механизм. ДНК только содержит генетическую информацию, но не используется непосредственно как матрица в синтезе белка. 

Генетическую информацию надо извлечь из хранилища. Для этого участок ДНК с нужными инструкциями раскручивается и служит шаблоном для ферментативного синтеза переносчика информации – матричной, или информационной, РНК (м-РНК, или и-РНК). Матричная РНК покидает ядро и направляется к месту синтеза белка – особым клеточным органоидам, которые носят название рибосомы. Для синтеза белка необходимы 20 аминокислот и их перевозчики – транспортные РНК (т-РНК).

Посмотрите, как изящно спроектирован этот процесс. У каждой аминокислоты есть своя транспортная РНК, на которой имеется место для посадки аминокислоты (с помощью своего фермента) и участок, называемый антикодон, комплементарный триплету данной аминокислоты. Аминокислота на т-РНК подвозится к рибосоме. Сама аминокислота не способна узнать свой триплет на матричной РНК. Это делают ее транспортные РНК: именно антикодон узнает кодон м-РНК и комплементарно связывается с ним. 

При этом аминокислота оказывается в активном центре рибосомы, где и происходит ее ферментативное присоединение к ранее синтезированной белковой цепочке. Матричная РНК продвигается в рибосоме на один триплет. В активный центр поступает новая аминокислота на своей т-РНК, чей антикодон соответствует следующему кодону в матричной РНК, и процесс повторяется. Последовательность нуклеотидов переводится в последовательность аминокислот.

Мы дали упрощенную картину. На самом деле все гораздо сложнее и изумительнее. Особым образом отметим взаимозависимость всех этапов декодирующего механизма: для синтеза и-РНК нужна ДНК в качестве матрицы, требуются также ферменты и энергия в форме АТФ (аденозинтрифосфат), образование которого также идет с помощью ферментов. 

Сами ферменты закодированы в ДНК. Для синтеза белка на матрице и-РНК также необходимо ферментативное обеспечение и энергия АТФ. 

В свою очередь копирование ДНК идет при участии ферментов, закодированных в ДНК. Мы видим замкнутый цикл, который должен быть изначально завершенным. Иначе говоря, синтез белков не может идти без программы, записанной в ДНК, и без энергии АТФ, а синтез нуклеиновых кислот и АТФ не может осуществляться без белков-ферментов. Эволюционная постепенность здесь никак невозможна. 

Фантастически сложный декодирующий механизм не мог возникнуть без разумного, всеведущего и всемогущего Творца.

И еще одно ярчайшее свидетельство бесконечной мудрости Творца: чудо упаковки ДНК в ядре клетки и наивысшая плотность информации в этой молекуле. Длина всех молекул ДНК человеческой клетки (46 хромосом) в вытянутом виде составляет около 2 метров. Поразительно, каким чудесным образом эти молекулы компактно упакованы в клеточном ядре размером в несколько микрон. 

Вся ДНК клетки включает примерно 6х10⁹ пар нуклеотидов. На 1 нуклеотид приходится 2 бита информации (бит – наименьшая единица количества информации, двоичный символ, принимающий значение «0» или «1»; в битах измеряется количество информации на уровне символов без учета семантики). Значит, вся информация составит 12 х10⁹. 

Для сравнения: количество информации в Библии составляет 3,47х10⁷. Отметим, что в ДНК реализована самая высокая плотность информации. Зная объем спирали ДНК и количество в ней нуклеотидов, можно высчитать плотность информации, которая составляет примерно 1021 бит/ см³, что на много порядков выше, чем в современных микросхемах. 

Интересный подсчет: если на ДНК объемом с булавочную головку записать книжную информацию, то это бы соответствовало 15 миллиардам экземпляров книг (разных), каждая по 160 страниц. Или: если знания библиотек мира (10¹⁸ бит) сохранить в молекулах ДНК, то 1% булавочной головки было бы достаточно; эта же информация на микросхемах потребовала бы их стопку высотой, равной расстоянию от Земли до Луны. 

Нет сомнений в том, Кто Автор этой высочайшей технологии объемного хранения информации, бесконечно превосходящей аналог, созданный человеком.

Вас также может заинтересовать:

Ссылки:

  1. Титова Е., (2020) Аргумент: кто придумал генетический код?, Сотворение, випуск №1, 2020 (скорочено)