Аналогия

Согласно теории Шеннона любой механизм повышения помехоустойчивости информационного канала неизбежно приводит к повышению избыточности текста. Стоит ли удивляться, что избыточность наших генетических программ столь велика? И имеем ли мы право называть избыточную ДНК эгоистичной и паразитической?

Иное дело — выяснить, каковы механизмы, с помощью которых избыточность генетического текста превращается в его помехоустойчивость. Несомненно, их несколько. Далеко не все мы успели установить. Наконец, вряд ли мы найдем здесь полную аналогию с каналами передачи мемофондов: слишком уж различается материальная основа обеих каналов. Но на некоторых следует остановиться особо, потому что анализ их приводит к любопытным и важным выводам. Прежде, однако, рассмотрим структуру самих генетических текстов.

Как устроены наши программы. С чего начинает исследователь, если ему в руки попадает закодированный на неизвестном языке текст? Сначала он определяет, сколько в нем знаков (символов, букв), и какова частота встречаемости каждого знака по отдельности и в сочетаниях с другими. Большой удачей считается на этой стадии выявить символ, обозначающий пробел между словами. Но его может и не быть. Древние римляне и греки, средневековые новгородцы писали без пробелов. Вообще открытие пробела было своего рода революцией, чуть ли не вдвое повысившей скорость считывания информации.

Далее наш дешифровщик будет стараться найти устойчивые группы, устойчивые сочетания знаков (слова), которым он будет приписывать какой-либо смысл. На этой же стадии выявляется тип языка — имеет ли он флексии, каковы закономерности изменения начал и окончаний слов, и так далее. Теперь, в эпоху компьютеров, подобные работы проводятся относительно быстро — при условии, что исследуемый текст достаточно велик. Этрусский язык, например, до сих пор не расшифрован, потому что в распоряжении исследователей имеются лишь короткие, неинформативные надгробные надписи.

Казалось бы, этот метод вполне подходит для дешифровки текстов на языке ДНК. К сожалению, перед молекулярными биологами встали трудности, неведомые этрускологам.

Еще двадцать лет назад мы практически не умели читать ДНК-тексты. Было известно лишь, что они «написаны» 4-буквенным алфавитом (А, Т, Г, Ц) и что аминокислоты в белках и пробелы между белковыми «словами» кодируются сочетаниями из этих четырех букв по три. Даже сейчас, когда прочитаны уже миллионы этих букв, в распоряжении расшифровщиков нет ни одного достаточно представительного куска сообщения (ведь в геноме человека 3,2 миллиарда букв). И, тем не менее, о структуре наших программ мы знаем уже немало. Молекулярным биологам помогло то, что ДНК — двойная спираль комплементарных друг другу последовательностей. Между собой нуклеотиды в последовательности связаны довольно устойчивыми фосфодиэфирными связями. А сами цепи ДНК в двойной спирали скрепляются так называемыми водородными связями, неустойчивыми уже при высокой (100°) температуре или рН ~ 11. Используя один из этих факторов, ДНК можно разделить на две комплементарные половинки (денатурировать). Если понизить температуру или рН, начинается обратный процесс — ренатурация. Комплементарные половинки находят друг друга и восстанавливают двойные спирали. Денатурируя и отжигая ДНК, предварительно «поломанную» ультразвуком на куски разной длины, исследователи пришли к важнейшим выводам о структуре генетического текста — не прочитав пока ни единой буквы!

Прежде всего, чем более разнородны последовательности в геноме, тем медленнее идет реассоциация, отжиг. Это вполне понятно. Хотя тепловое движение молекул осуществляет миллионы сталкиваний половинок ДНК в секунду, в большой совокупности генов далеко не каждая одноцепочечная ДНК сталкивается с комплементарной половинкой. Грубо говоря, чем больше обуви в прихожей, тем труднее найти башмак под пару.

И сразу ДНК высших организмов, имеющих оформленное ядро, преподнесла сюрприз. Часть ее (до 10%) ренатурировала крайне быстро, как простая, содержащая мало генов ДНК вирусов. Другая (20-30%) — отжигалась медленнее, в зависимости от концентрации многими часами. И, наконец, для отжига, восстановления двойной спирали 60-70% ДНК требовалось несколько суток.

Объяснить этот факт можно было так: в ДНК эукариотных организмов имеются три переходящие друг в друга фракции: