О Балансе и Эволюции

О Балансе и Эволюции.

Биосфера в целом и отдельные её элементы - Виды не сразу достигли своей сегодняшней сложности и качества. Каждый отдельный элемент - Вид и Система - в целом эволюционировали. Когда открывали роль ДНК в передаче наследственной информации главным было сформулировать идею о том, что носитель информации именно ДНК, а дальнейшие исследования, конкретно подтвердившие эту роль и выявившие конкретные кодоны (триплеты) для каждой аминокислоты, были трудоёмким, но рутинным делом. Позволю себе высказать ещё одну, на мой взгляд, революционную идею, доказать которую не могу, но на это есть специалисты и государственное финансирование, вот они пусть и занимаются. Исследователи ДНК обнаружили, что подавляюще большая её часть белков не кодирует. Поскольку выявить что именно кодирует эта часть им не удалось они эту большую часть ДНК обозвали - "мусорная ДНК".

В "рационально" устроенных живых организмах мусора нет. Слово "рационально" взято в кавычки в том смысле, что нет никакого внешнего по отношению к организму разума (рацио) который этот организм проектировал. Тем не менее всё в организме - от белков, мембран, органелл клетки, до органов и организма как целого - выглядит ровно так, как будто "есть кто-то разумный", кто этот организм весьма качественно проектировал. И вот, в этом весьма качественно "спроектированном" организме, который старается лишнюю молекулу не использовать и каждый милливольт потенциала мембраны учесть, вдруг есть нечто "мусорное"? А главное где (!) в системе информационного обеспечения!!? Очевидна явная глупость! Если нет понимания для чего "это" - объявлять его "мусором" не достойно исследователя. Если не мусор тогда что? Пока отложим ДНК и вернёмся к кодированию белков. Для синтеза используется и-РНК ("и" значит информационная) и т-РНК ("т" значит транспортная). И-РНК строится как зеркальная копия с одной из ветвей ДНК и непосредственно по ней, по этой "инструкции", в которой триплетами записана последовательность аминокислот, происходит построение белка. К каждой аминокислоте крепится т-РНК, к разным аминокислотам своя. Т-РНК отличаются друг от друга как в той области в которой она соединяется с конкретной аминокислотой, так и в области содержащей триплет "опознанной" аминокислоты. Т-РНК подобна бирке, штрих коду "автоматически" навешиваемому на свою аминокислоту. Затем рибосома прикреплённая к начальному участку и-РНК начинает сборку белка, сопоставляя триплет на и-РНК и триплет на т-РНК. Если триплеты совпали происходит присоединение подошедшей аминокислоты в белковую цепь и сдвиг рибосомы на следующий триплет в цепи и-РНК, если нет, то синтез не происходит и рибосома "ждёт" следующей т-РНК с присоединённой аминокислотой.

 Что действительно существенно и для чего весь это краткий пересказ азов генетики, так это факт: термодинамический, случайный процесс соединения т-РНК с аминокислотами и поступления комплексов т-РНК-аминокислота к рибосоме приводит к предопределённому, детерминированному результату. Это весьма не простой факт. В решении математических задач, в основном на интегрирование, есть такой метод - "метод Монте-Карло". Да, да, он назван так по имени города-казино. Суть метода в том, что берут случайный набор (массив) аргументов (точек), для которых вычисляется значение функции: да / нет - попала данная точка в площадь (объём) тела (многомерника) или она лежит вне тела. При достаточном числе точек можно с заданной точностью определить как соотносятся пространства тела и пространства вне тела - т.е сколько точек попало соотносят с тем сколько точек не попало. На основании этого соотношения определяется искомый "объём" тела. Связь здесь в том, что как и в задаче синтеза белка, случайность порождает детерминированность. Методом случайных проб с нужной точностью решается вполне конкретная задача, точная Математика может использовать случайные методы.

Схема по которой выбирается аминокислота при синтезе белка по сути строго соответствует схеме адресации данных в вычислительных устройствах. Более того, в наличии базовые функции на основе которых строят рекурсивные функции: нуль-функция, функция последования и функция проецирования, есть даже μ-оператор. Сборка белка это вычислительная деятельность. Да, сравнительно примитивная, но этой деятельностью клетка не ограничивается.

В клетке существует ещё две более крупных задачи, нежели описанная первая, простой синтез белка - "сборочный конвейер"; это вторая, определить какие именно белки следует синтезировать дабы поддерживать гомеостаз и деление клетки - "управление производством"; и третья, ещё более сложная, решить какова должна быть конструкция синтезируемых белков, что именно производить - "научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы".

Логично предположить что "мусорная ДНК" отвечает именно за вторую задачу. Именно в этой области ДНК описана производственная программа клетки и организма, а так же  информация о ходе её выполнения. Подобно тому, как для синтеза белка, используется термодинамический механизм "найти и вставить", для работы такой программы должен существовать аналогичный термодинамический механизм - "найти и заменить" блокирующий / деблокирующий уже саму цепь ДНК как таковую и таким образом управляющий синтезом   пропорционально концентрациям белковых молекул - текущим Балансом и рабочим идеальным Балансом выработанным в ходе эволюции. Подобных, наработанных Балансов в клетке должно быть несколько, в зависимости от фазы развития в которой клетка находится. И далеко не факт, что в этом случае информация продолжает кодироваться триплетами.

Подобная конструкция суть реализация нормального алгоритма Маркова, известного как один из вариантов определения понятия алгоритм. Уверен, исследователи такой механизм обнаружат, хотя это будет очень не просто сделать, поскольку нужно будет увидеть очень малые изменения. Уверен, что и в деталях его работы разберутся, ибо не существует никакого иного способа работы этой "шарманки" внутри клетки. Наличие этого механизма вполне адекватно объясняет более высокую биологическую эффективность (продуктивность) культур с диплоидным и полиплоидным набором хромосом (а таковыми является большая часть окультуренных растений) - большее количество вычислительных устройств с одинаковой программой быстрее вычисляет, за счёт параллельности,  "сигнал рассогласования" - синтезирует и-РНК для недостающих клетке белков. И, как следствие, быстрее их производит. Что, в свою очередь, обеспечивает более быстрое поступление / удаление небелковых веществ.

Третья задача - НИиОКР решается похожим (в смысле термодинамики) образом, но по сути она совершенно иная. Задача выживания решаемая клеткой в ходе её эволюции является NP-задачей. Это не "тривиальная" задача на редукцию, упрощение формулы т.е. основная для большинства современных компьютеров созданных Человеком и работающих алгоритмически в традиционном понимании термина "алгоритм". Это задача поисковая, точно по русски: "пойди туда, не знаю куда; принеси то, не знаю что".

Можно предположить следующий механизм написания Программ для вычислительных устройств: в Память записываем число 1, запускаем вычислитель; записываем 2, запускаем вычислитель; ... записываем NNN...NNN, запускаем вычислитель... каждую программу записываем в Память отдельного вычислителя. Теория вычислений утверждает, что Программы можно рекурсивно перечислить, та же теория доказывает, что в этом перечислении большая, подавляюще большая, часть Программ будет не выполнимой, поэтому "зависшие" вычислители отключаем, те что не зависнут будут содержать выполнимую Программу. Полный перебор может показаться не эффективной процедурой, но никакой иной процедуры исследования Природы на самом деле не существует.

 Законы Природы, клетке не известные, оставляют для клетки крайне мало способов решения. Например все клетки одинаково "умеют работать" с глюкозой. Среднесрочное накопление энергии в виде углеводов оказалось наиболее эффективным вариантом. Для краткосрочных запасов широко используется АТФ, что в принципе более энергетически эффективно, но ресурсно не обеспечено - в природе сравнительно мало фосфора. Равно все клетки умеют создавать и весьма разнообразно использовать потенциал клеточной мембраны - ионистор. Но есть и уникальные в своём роде решения. Многие клетки вырабатывают специфические только для них токсины, своего рода химическое оружие для борьбы с конкурентами...

Важнейшим свойством в процессе решения NP-задач является "проблема соответствия Поста". Хорошим аналогом этой проблеме будет игра в домино. Когда костяшки раздаются случайно нет способа заранее, до игры, узнать закончится ли партия чьим либо выигрышем или партия завершится "рыбой", не известно на каком ходу выигрыш произойдёт. Для клетки ситуация много крат сложнее. Следует играть в игру правила которой не известны и делать это приходится "невидимыми костяшками" - результат совершенно не предсказуем. В этой ситуации любая изменчивость, "перестройка" смерти подобна. Клетки более чем часто эту игру проигрывают - процедура вычислений "зависает" - зацикливается, блокируется и, соответственно, клетки гибнут. Возможно в клетках есть механизмы отката, отказа от решения ухудшающего качество гомеостаза, но это маловероятно. Более вероятно, что такого механизма нет, скорее есть механизм "редкости" изменчивости, т.е. клетка "рискует" редко, возможно  только в процессе подготовки к делению или даже ещё реже, только в процессе полового размножения. Думаю существуют статистические методы позволяющие на этот вопрос ответить, в частности можно попытаться Точно сравнить ДНК нескольких клеток долгоживущего организма. Полагаю, что не случайно у большинства животных системы размножения конструктивно увязаны с системами выделения отходов жизнедеятельности, ибо отходы есть следствие дисбаланса в поступлении входящих в организм ресурсов и соответственно в системе выделения концентрируется информация об этих дисбалансах. Очевиден факт обмена и коррекции информации в процессе полового размножения. Не исключены и какие-то иные системы оптимизации подбора Программы, позволяющие "не наступать на одни и те же грабли".

Но в любом случае, каковы бы ни были детали и особенности вычислительного механизма, всякий Прогресс в Эволюции клетки и клеточной системы - организма требует астрономического числа термодинамических экспериментов и сопровождается астрономическими же числами неудачных решений. Чудовищная Огромность Задачи Эволюции требует уяснить ряд важнейших Эволюции свойств:

• Для клетки, организма и тем более экосистемы крайне "болезненны" всякие нарушения Баланса. Поиск нового Баланса требует огромного времени и результат не гарантирован. Не на всякое нарушение может быть найден адекватный ответ. По крайней мере, нет никаких гарантий, что ответ может быть найден за время сопоставимое со временем существования Человека, не говоря уже о времени жизни отдельного поколения людей.
• Всякое уже найденное решение следует со всей тщательностью сберегать. Нет никакого способа определить долгосрочные последствия исчезновения даже одного Вида. На "создание" вида требуется сотни тысяч лет, для рода и тем более класса время сопоставимо с геологическим. Может так случится, что именно этого Вида будет крайне не доставать для установления Баланса.
• Следует поддерживать значительную численность Вида, ибо его численность это основа его способности к эволюции. Чем малочисленнее вид тем медленнее он способен эволюционировать. По вероятностным соображениям: меньше число особей - меньше вычислений и, соответственно, шансов найти решение.