9. Фрактальная геометрия природы: нить

[albercul]

Линейный порядок в природе и в жизни человека

Несмотря на множество научных определений, дефиниций и формулировок раз­ного рода мы не знаем до сих пор, что такое жизнь в сущностном плане. Как и не знаем, где, когда и при каких обстоятельствах (на Земле или еще где-то) она впервые возникла. Но у нас есть достаточные основания считать, что первым шагом, сделанным Природой (по завершении химической эволюции Вселенной) в направлении биосинтеза (или, как говорят еще, биопоэза), явилась линейная организа­ция некоторых идентичных микрообразований на молеку­лярном уровне (в отличие от господствующей всюду трехмерной кристалли­ческой решетки).

Почему так, а не иначе? И потом - какая властная сила всегда влекла человека к линейному построению?

   


Живая очередь

1. Счастливая находка цивилизации

В многовековой человеческой практике (в разные времена, по разному поводу, осознанно и бессознательно, а подчас и независимо друг от друга) воз­никали различные техничес­кие решения, которые настой­чиво повторяли в той или иной форме линейный принцип записи, хранения и вос­произведения всякого рода кодированной информации. Сначала для памяти люди на­носили по дереву или камню выстроенные в ряд зарубки, завязывали на нити различные узелки, нанизывали на нее те или иные предметы, имевшие условно-смысловое значение. Позднее появились литерное письмо, числовые ряды, нот­ная строка, грампластинка, телеграфный текст, кинолен­та, магнитная дорожка, кардио-, энцефало-, аудио- и то­му подобные технограммы, компьютерные диски...

Очевидно, только на линии достигается последовательное выстраивание, перестановка и комбинирование элементов множества. Только так осуществляется их полная иерархизация (упорядочение): каждое звено в цепи занимает един­ственное, строго определен­ное и только ему принадлежащее место - после чего-то, перед чем-то. Линейная выстроенность смыслонесущей конструкции ориентирует на восприятие ее содержания как единого целого, отсекая все­возможные ответвления, которые в него бы не вписыва­лись. Вся внутренняя органи­зация линейной строки текста направлена на то, чтобы пред­полагаемый читатель одно­значно и как можно скорее воспринял структуру и логическую схему передаваемого содержания. Наконец, и это крайне важно, линейный по­рядок наиболее доступен не только для считывания, но и для воспроизведения кодиро­ванной информации.

В нашем языке изо­билуют устойчивые словосо­четания «живая очередь», «поставить на очередь», «про­пустить очередь», «вне очере­ди»... Глубокий смысл несут, оказывается, эти простые и знакомые слова. Почему в армейских под­разделениях принято линей­ное (по очереди, друг за дру­гом) построение пехотинцев? Да потому, что так все они вместе и каждый в отдельнос­ти всегда на виду. Их легко наб­людать, ими удобно управлять (например, выстраивать в ше­ренгу, а при необходимости - немедленно перестраивать в колонну), используя для это­го в командно-информацион­ной системе минимум звуко­вых кодовых сигналов (типа «первый-второй»). Неупоря­доченной толпой управлять намного труднее и нельзя ви­деть всех: в толпе можно и за­теряться.

Подобных примеров, сви­детельствующих, что линейно организованные системы сы­грали огромную (скажем даже, определяющую) роль в антропогенезе и последующем на­учно-техническом прогрессе цивилизации, можно привес­ти немало. Отдельного упоми­нания заслуживает в этой свя­зи собственно нить как мате­риальное образование, длина которого многократно (на по­рядки) превышает попереч­ные размеры. Конструкции из нитей, именуемые текстилем, повседневно удовлетворяют наши разнообразные жизнен­ные потребности. Исключительное значение (но уже в ином качестве) получили энергопроводящие нити (ска­жем, силовые линии Фарадея и современные линии элект­ропередач). Они позволили не только познать физику электричества, но и решить мно­жество технических задач (от энергетики до электрони­ки, информатики и лазерной техники).

       
                   


2. Линейная доминанта в понимании феномена жизни

Не станем, однако, излишне восхищаться тем, как умны люди, что умеют открывать физические законы и эффективно использовать их многообразные практические возможности. Скажем лучше, как мудра создавшая их Природа. Вот что любопытно! Именно таким образом, то есть анало­гично строке текста, записан­ного отдельными литерами, осуществлено на молекуляр­ном уровне полное и точное описание самого человека во всех мельчайших подроб­ностях, включая потенциаль­ные возможности, специфические особенности и наклон­ности каждого индивидуума. Ведь, как это ни парадоксаль­но, всякий биологический вид есть по существу литературное (от лат. littera - буква) произ­ведение Природы, созданное ею по определенным «грамма­тическим правилам» и выпу­щенное в свет задолго до того, как у людей появилась письменность, а тем более была сдана в типографический на­бор первая рукопись. Судьба каждого из нас по самому большому счету изначально держится на тонкой, очень длинной в масштабах микро­мира, но в то же время доста­точно жесткой материальной нити, которую при определенных условиях можно потро­гать, измерить, разделить на части, смотать в клубок, сфо­тографировать и т. д





Современная технология создания генетически модифицированных организмов основана на тончайших микроманипуляциях, и потому, конечно, крайне сложна в де­талях. В общих же чертах суть ее довольно проста: с по­мощью специальных биоло­гических ножниц (в их роли выступают особые белки-ферменты) генетические ни­ти, принадлежащие разным организмам, нередко очень далеким друг от друга, режут на части, которые затем сое­диняют (сшивают) концами в заданном порядке (подобно тому, как поступают с кино­лентой при монтаже фильма). В результате организм, которому включили в его генети­ческую программу фрагмент нового текста, приобретает и новые качества. И, стало быть, открываются небывалые в человеческой практике возможности рукотвор­ного и преднамеренного конструирования организмов с заданными свойствами.

Дости­жения генной инженерии, уже позволившие решить ряд практических задач, представляют в то же время огромный познавательный интерес. Они вплотную и, что очень важно, на бесспорной экспериментально-фактической основе подводят нас к понима­нию сущности жизни, обна­жают сокровенные (святая святых!) механизмы ее творе­ния. Они не оставляют со­мнения в том, что: 1) именно одномерно организованная строка литерного текста была положена в начало жизни и 2) дальнейшая работа Приро­ды над ней, связанная с обо­гащением ее семантикой, «редактированием» и «корректированием», привела к возникновению на Земле первых живых организмов и созданию в дальнейшем всего наблюдаемого ныне биоразнообразия.

Разумеется, для реализации этой грандиозной акции При­роде потребовалось подклю­чение совершенно необходи­мых и весьма непростых для научного понимания условий и материально-энергетических ресурсов. Анализ этой стороны дела не входит в нашу задачу. Нам важно здесь сохранить в поле зрения лишь следующее.

Полинуклеотидная нить, как бы мы ее ни представляли в молекулярно- биологическом и биохимическом отношении, есть строка литерного текста, ко­торый набран предельно мел­ким «шрифтом» (т. е. элемен­тами молекулярной структу­ры) из малого числа букв. В ДНК их всего четыре аденин, гуанин, тимин, цитозин, - поэтому такой текст предрасположен к легкому и быстрому прочитыванию и воспроизведению при минимальных энергетических за­тратах, хотя сама строка до­стигает колоссальной дли­ны - до 3,5 млрд. нуклеотидных пар. В этой строке при необходимости может быть закодирован такой объ­ем информации (путем обра­зования из литер определен­ных «слов», «фраз» и других смыслонесущих конструк­ций), что для простейшего изображения последней с по­мощью четырех букв русского алфавита (а, г, т, ц), соответствующих указанным нуклеотидам и плотно выстроенных в одну линию, потребовался бы миллион страниц типографского текста. А это не од­на тысяча увесистых томов. Вот для наглядности ничтож­но малый фрагмент генети­ческого текста, описывающе­го человека:

«…ааацгтгаацтцгтцгцатттццаагцццатагцгцттгцааттгтаатт…».

Полная строка содержит три миллиарда знаков. Как просто, в принципе, как гениально просто!

Проблема лишь в том, как расположить текстообразующие элементы, в каком поряд­ке, в соответствии с какими «грамматическими правила­ми», а главное, кому все это под силу, каков должен быть Литератор? Ведь сами по себе буквы не несут никакого смыслового значения до тех пор, пока не будут соединены в те или иные слова. Но из одинаковых наборов слов, как мы знаем, можно составить галиматью, но можно и сочинить вели­кую поэму (каковой в сущности, если продолжить наши аналогии, и стал каждый биологический вид, обитающий ныне на Земле).

Общность пространствен­ной организации (сродство линейному порядку) полинуклеотидов и полипептидов сыграла не последнюю роль в том, что в процессе созида­ния жизни открылась воз­можность для своеобразной транслитерации - передачи текста, написанного с по­мощью одного алфавита, средствами другого, т. е воз­можность перекодирования линейной последовательнос­ти нуклеотидов в линейную же последовательность аминокислот, в которой закоди­рована трехмерная структура белков. «Симбиотически» до­полнив друг друга и утратив уже способность существовать и функционировать от­дельно, эти две принципиаль­но необходимые для жизни линейно организованные системы поделили между собой потоки информации (полинуклеотиды), вещества и энергии (полипептиды), ко­торые в своем неразрывном единстве и составили фундаментальную основу белково-нуклеиновой жизни.

3. Биологический смысл оптической асимметрии

                   


Л. Пастер

Как видим, жизнь на молеку­лярном уровне очень лю­бит «строевую дисциплину». Многообразные процессы, которые осуществляются в живой клетке (прежде всего репликация, транскрипция и трансляция - процессы функциональной реа­лизации генетической инфор­мации) и неизбежно сводятся к строительно-монтажным ра­ботам на линии (очень точ­ным, выверенным, строка в строку), естественно, требу­ют определенной, строго фик­сированной пространственно-геометрической стандартиза­ции исходных строительных конструкций. Понятно, что столь сложные динамические микропроцессы, где первосте­пенное значение имеет фак­тор узнавания, затрудняются или же вовсе становятся невозможными, если, например, одна часть молекулы какой-либо белковой аминокислоты «левша», а другая - «правша». Кто сможет без напряжения и раздражения читать большое литературное произведение, напечатанное перевернутыми вверх ногами буквами вперемешку с нормально ориенти­рованными буквами? Кто возьмется оценить его художественные достоинства?! Тем более, для прочтения и точного воспроизведе­ния молекулярно-генетичес­кого текста, безусловно, куда более содержательного и сложного, требуется строгая геометрическая упорядоченность его элементарных со­ставляющих.

Не отсюда ли проистекает загадочная, до сих пор вызы­вающая всеобщее недоуме­ние, оптическая асимметрия биологических молекул? Как известно, жизнь при­знает, принимает и воспроиз­водит на линии в своем непрерывном метаболизме толь­ко правые изомеры сахаров и только левые - аминокислот. Хотя, казалось бы, все пре­пятствует этому в нашем ми­ре, где господствует тенден­ция к равноправному, сим­метричному существованию левых и правых изомеров какого-либо конкретного органического соединения. Ни один из фундаментальных законов физики не запрещает симметрию оптических изомеров. Но нет жизни без оптической асимметрии, как и нет в природе, без жизни, асимметричного состояния ор­ганического вещества в гло­бальных масштабах. Природа свято соблюдает это правило. И на то должна быть веская, продиктованная крайней био­логической необходимостью, причина. Иначе говоря, наря­ду с вопросом «почему?» (на котором традиционно со времен Л. Пастера сосредо­точено внимание научной мысли) мы вправе поставить вопрос «для чего?».
Итак, первичное значение для происхождения живого на фоне неодушевленной приро­ды имела линеаризация мате­рии, в результате которой не­которые атомы и молеку­лы (мономеры) выстроились в ряд и, соединившись, заняли определенное, строго фикси­рованное положение. По существу реализовался все тот же, хорошо знакомый нам из практики принцип: «встаньте в черед, не толпитесь!». Имен­но это обстоятельство явилось пусковым механизмом сози­дания жизни, тем первоисточ­ником, откуда пошла-побежа­ла в будущее ее нескончаемая нить. Ибо, что бы там ни фантазировали, а жизнь (если иметь в виду ее единственное, досто­верно известное нам состоя­ние) - это природная кибернетическая система, в основу которой положена линейная строка генетического текста, или, попросту говоря, генети­ческая нить. И, поскольку в нашей необъятной, но в то же время изотропной и одно­родной Вселенной действует одна и та же физика, трудно допустить, чтобы внеземная вещественная жизнь (если только она существует) была органи­зована где-то в ее пределах на принципиально иной геометрической основе.