Случайность и необходимость - Жак Моно
Функционирование этой системы заключается в следующем:
1. Ген-регулятор управляет синтезом белка-репрессора, протекающим с постоянной и очень низкой скоростью.
2. Репрессор специфично распознает операторный участок и образует с ним стабильный комплекс (соответствующий ∆F около 15 ккал).
3. В этом состоянии синтез мРНК (подразумевающий участие фермента РНК‐полимеразы) блокируется, предположительно посредством простого стерического затруднения, поскольку начало этого синтеза происходит на уровне промотора.
4. Репрессор распознает β-галактозиды, но прочно связывает их только в свободном состоянии: следовательно, в присутствии β-галактозидов комплекс «оператор – репрессор» распадается, что позволяет синтезировать мРНК и белок[26].
Важно отметить, что оба типа взаимодействий, в которые вступает репрессор, являются нековалентными и обратимыми и что индуктор не модифицируется посредством связывания с репрессором. Таким образом, логика всей системы предельно проста: репрессор инактивирует транскрипцию, а индуктор инактивирует репрессор. Это двойное отрицание дает положительный эффект, «аффирмацию». Можно добавить, что логика такого отрицания отрицания по своей природе не диалектическая: она приводит не к новому утверждению, а к повторению первоначального, записанного в структуре ДНК в соответствии с генетическим кодом. Логика биологических регуляторных систем подчиняется не гегелевским законам, а подобно работе компьютера, пропозициональной алгебре Джорджа Буля.
Сегодня нам известно множество других подобных систем (у бактерий). До сих пор ни одна из них не разобрана до конца. Весьма вероятно, что логика некоторых из них более сложна, чем логика лактозной системы, и не сводится преимущественно к отрицательным взаимодействиям. Тем не менее самые общие и наиболее существенные выводы, которые можно сделать на основании анализа лактозной системы, применимы и к ним. Обо всех таких системах можно сказать, что:
1. Репрессор, не обладая собственной активностью, служит трансдуктором – медиатором – химических сигналов.
2. Влияние галактозида на синтез фермента носит косвенный характер и обусловлено исключительно распознавательными свойствами репрессора, а также тем фактом, что ему доступны два взаимоисключающих состояния. Здесь мы снова видим аллостерическое взаимодействие, понимаемое в самом широком смысле, о котором мы говорили выше.
3. Нет никакой химически необходимой взаимосвязи между тем фактом, что β-галактозидаза гидролизует β-галактозиды, и тем фактом, что эти соединения индуцируют ее биосинтез. Несмотря на свою физиологическую полезность, или «рациональность», эта связь химически произвольна.
Понятие произвольности
Фундаментальное понятие произвольности – то есть независимости, с химической точки зрения функции и природы контролирующих ее химических сигналов – применимо и к аллостерическим ферментам. В этом случае одна и та же белковая молекула выполняет двойственную функцию: она одновременно действует и как специфический катализатор, и как трансдуктор химических сигналов. Однако, как мы уже упоминали, аллостерические взаимодействия являются косвенными, проистекая исключительно из различительных свойств стереоспецифичного распознавания, присущих белку в двух (или более) доступных ему состояниях. Между субстратом аллостерического фермента и лигандами, стимулирующими или ингибирующими его активность, не существует никакой химически необходимой взаимосвязи с точки зрения структуры или реакционности. Вкратце, специфичность взаимодействий не имеет ничего общего со структурой лигандов; она целиком и полностью обусловлена структурой белка в различных состояниях, которые он способен принимать, – структурой, в свою очередь, свободно и произвольно диктуемой структурой гена.
Отсюда следует – и здесь мы подходим к самому важному, – что в регуляции посредством аллостерического взаимодействия возможно все. Аллостерический белок следует рассматривать как специализированный продукт молекулярной «инженерии», обеспечивающий взаимодействие, будь то положительное или отрицательное, между химически неродственными соединениями, а потому способный вовлечь в любую реакцию соединения, которые ей химически чужды и индифферентны. Принцип аллостерических взаимодействий тем самым обеспечивает полную свободу в «выборе» системы управления. В отсутствие каких бы то ни было химических ограничений эти системы будут более чувствительны к физиологическим факторам. Соответственно их выбор должен определяться степенью, в которой они сообщают повышенную согласованность и эффективность клетке или организму. Именно произвольность этих систем, предоставив молекулярной эволюции практически безграничное поле для экспериментов, позволила разработать гигантскую сеть кибернетических взаимосвязей, которая превращает каждый организм в автономную функциональную единицу, в своем поведении выходящую за рамки законов химии, если не игнорирующую их полностью[27].
Впрочем, как мы видели, при анализе на микроскопическом – молекулярном – уровне эти процессы отлично поддаются интерпретации с точки зрения специфических химических взаимодействий, избирательно обеспечиваемых, произвольно выбираемых и организуемых регуляторными белками. Именно в строении этих молекул следует видеть главный источник автономии, или, точнее, самоопределения, которое характеризует поведение живых существ.
Системы, рассмотренные нами до сих пор, относятся к числу систем, координирующих активность клетки и превращающих ее в функциональную единицу. В многоклеточных организмах согласованная работа клеток, тканей или органов обеспечивается специализированными системами: не только нервной и эндокринной, но и непосредственными взаимодействиями между клетками. Я не буду подробно останавливаться на функционировании этих систем, о которых мы располагаем крайне скудными микроскопическими сведениями. Пока примем гипотезу, что в таких системах молекулярные взаимодействия, обеспечивающие передачу и интерпретацию химических сигналов, обусловлены белками, которые наделены различительными свойствами стереоспецифического распознавания и к которым применим тот же принцип химической произвольности, что и в случае аллостерических взаимодействий.
* * *
«Холизм» и «редукционизм»
В заключение этой главы, вероятно, следует сказать несколько слов о старом диспуте между «редукционистами» и «холистами». Некоторые школы мысли (сознательно или случайно испытавшие на себе влияние Гегеля) оспаривают ценность аналитического подхода к таким сложным системам, как живые существа. Согласно таким школам, проповедующим холизм и, подобно фениксу, возникающим заново в каждом поколении[28], попытки свести свойства очень сложной организации к «сумме» свойств ее частей заведомо обречены на неудачу. Это самый глупый и бессмысленный спор, свидетельствующий лишь о вопиющей недооценке «холистами» научного метода и той решающей роли, которую в нем играет анализ. Предположим, что некий марсианский инженер пытается понять принцип действия земного компьютера. Как далеко он сможет продвинуться, если принципиально откажется препарировать основные электронные компоненты машины, выполняющие пропозициональные алгебраические операции? Если существует отрасль молекулярной биологии, лучше других иллюстрирующая бесплодность холистических тезисов в противовес неоспоримости аналитического метода, то это, безусловно, изучение микроскопических кибернетических систем, которые мы кратко рассмотрели в этой главе.
Анализ аллостерических взаимодействий прежде всего показывает, что телеономические процессы не являются уникальным свойством сложных многокомпонентных систем, ибо одна молекула белка способна не только избирательно активировать реакцию, но и регулировать ее интенсивность в зависимости от сигналов, поступающих от нескольких химических источников.
Во-вторых, благодаря концепции произвольности мы видим, как и почему этим молекулярным регуляторным взаимодействиям, игнорирующим химические ограничения, удается быть селективно выбранными исключительно на основе их вклада в когерентность системы.
Наконец, изучая эти микроскопические системы, мы приходим к выводу, что по своей сложности, богатству и производительности кибернетическая сеть живых существ намного превосходит все то,
