Алгоритмическая загадка молекулярной эволюции
На следующем этапе нашей алгоритмической игры смоделируем процесс копирования исходного информационного кода. Но в качестве матрицы будем использовать не первичную линейную последовательность символов, а ее вторичную "пространственную" структуру, размещенную на клеточном поле. В природе копирование информационных биополимеров осуществляется специализированным ферментом. Особым образом организованная белковая молекула прикрепляется к молекулярным цепочкам ДНК или РНК в точке, отмеченной специальным кодом инициации, и символ за символом синтезирует ее копию. При этом если, например, на исходной матричной молекуле какой-то ее участок свернут в петлю, то существует шанс, что копирующий фермент проскочит это место или, напротив, "зациклится" и повторит его несколько раз. То есть, в принципе, вторичная пространственная структура молекул ДНК или РНК может активно влиять на содержание их дочерних копий. Так, например, "комплементарные палиндромы, способные к образованию вторичной структуры ДНК, пригодны быть горячими точками множественных и одиночных мутаций, делеций и вставок . Наиболее существенно, что комплементарные палиндромы и инвертированные повторы способны обеспечивать блочные перестройки в ходе эволюции генов"1. Иными словами, чем сложнее и причудливей будет закручена исходная молекула, тем больше вероятность различных "курьезов" в процессе ее воспроизведения. К чему все это в совокупности может привести, попытаемся разобраться, продолжив нашу алгоритмическую аллегорию.
Копирования информационной матрицы будем моделировать следующим образом. Пусть вначале, по аналогии с природным процессом репликации, воображаемый фермент или считывающая головка "садится" на помеченную ячейку клеточного поля, в которой всегда располагается первый символ. После этого в первую позицию дочерней воспроизводимой последовательности поместим символ, находящийся в этой исходной помеченной клетке. Дальнейшие правила считывания примем следующими. Головка может переместиться в одну из четырех (левую, верхнюю, правую, нижнюю), соседних с данной, но не пустых ячеек. Выбор одного из возможных вариантов будем считать равновероятным. Для усиления сходства с реальной матричной редубликацией можно запретить воображаемой считывающей головке сразу возвращаться в предыдущую позицию. Это как бы придаст процессу считывания определенную однонаправленность, но смысл результатов от этого меняется незначительно. При описанных правилах поведения считывающей головки строго упорядоченные последовательности будут копироваться однозначно, а хаотичные, сложно скрученные, напротив, будут допускать поливариантное или конвариантное воспроизведение. На рисунке б представлен один из возможных путей прочтения последовательности, изображенной на рисунке а. На примере видно, что дочерняя копия уже более упорядочена, по сравнению с исходной, так как содержит повтор.
Компьютерное моделирование описанной алгоритмической игры убеждает в том, что в подавляющем большинстве (за исключением вырожденных случаев) исходные случайные последовательности символов после нескольких циклов конвариантного воспроизведения превращаются из хаотичных в строго упорядоченные. На врезке приведено три примера компьютерного "прогона" модели.
3442144441422141312314141
344441214114141
3444412141214121412114141
34444121214121414121412121412141214114141
3444412144443
344441244124443
344441444144443
344441444144443
344441444144443
111432121324213142331414442
11121434141
111414341434141
11141434341
11141434143414111
1114143414341434111
111414341434311
111414341411
1114143414143414111
111414341434143414111
11141434143414111
1114143414143414111
111414341434143414111
1114143434341434111
1114143434143434343414343414343434143414111
1114143414111
111414341434143414111
1114143414111
11141414111
11141414111
11141414111
1213424223224133414443333333344441143112343321433
4224433333333444413334433234433144334432333144443
433333333444433
433333333444433
433333333444433
По ним можно судить о том, как из абсолютно случайных наборов символов постепенно сами собой возникают полностью симметричные палиндромы или строго периодические последовательности, очень напоминающие те, которые встречаются в реальных генетических текстах. Таким образом, если предположить, что основная причина мутационной изменчивости на молекулярном уровне организации жизни находится не вне, а внутри самих генов, то загадка молекулярной эволюции представляется логически разрешимой. Разумеется, речь идет лишь о весьма отдаленной алгоритмической аналогии, поэтому я не буду настаивать на том, что открыл механизм возникновения упорядоченности на молекулярно-генетическом уровне организации живой материи (впрочем, и сильно протестовать тоже не буду :).
Немного больше о технологиях >>>
Изобретать по правилам
Задавали ли Вы себе когда-нибудь вопрос:
"Бывают ли нетворческие профессии?" Какие? Фрезеровщик на заводе
приделал несколько линз и зеркал к обычному станку. Теперь он, даже не
поворачивая головы, видит все шкалы, не надо "нырять" к нониусам,
терять время, с ...
Может ли энергия быть отрицательной
подробно не рассматривался. Считалось, что
он слишком сложен для учеников средней школы. В то же время «по умолчанию»
ученики (да нередко и учителя) полагают, что энергия может быть только
положительной величиной. Это приводит к недоразумениям при анализе
преобразования энергии ...
