Биосистемы распознавания

Для живых организмов проблемы распознавания образов традиционно исследуются на уровне нервной системы. Американские учёные М. Иден и П. Колере пишут:

«Распознавание образов (выполнение определённых действий на основе результатов распознавания) – это главное, чем занимаются все живые организмы: лягушка, ловящая языком муху, человек, читающий газету, или учёный, изучающий лягушку или человека. Фактические серьёзные сведения о распознавании образов можно получить при исследовании живых систем. Живые системы, в частности организм человека, – это наиболее гибкие, эффективные и универсальные из известных нам распознающих устройств».

Это относится только к животным с нервной системой. А растения, вирусы? А главные элементы иммунной (защитной) системы организма – «антитела», распознающие чужеродные «антигены»?

Биохимические реакции, протекающие непрерывно в живой клетке, поражают эффективностью и точностью распознавания в химически активной среде специфических молекул или их агрегатов.

В отличие от растущего кристалла, где производится механическая сборка избыточных типовых деталей простых конфигураций, биомолекулы сложны, количество их невелико. Удивительна высочайшая надежность подобных систем распознавания, осуществляющих жизнедеятельность.

Например, вещества переносятся через биологические мембраны разными способами. Простейший – процеживание молекул. Но есть способ с переносчиками. Так называют мембранные белки или комплексы липопротеидов, у которых особые участки – рецепторы – захватывают (предварительно опознав) «нужные» молекулы на одной стороне мембраны, переносят их на другую сторону и здесь освобождают.

В простых случаях носитель облегчает перенос молекул в направлении градиента концентраций, так сказать, «под горку». Имеется и активный транспорт, когда молекулы переносятся «в гору»: в места с более высокой концентрацией. Это требует затрат энергии.

Обычно используются молекулы АТФ (аденозинтрифосфата). Они образуются в митохондриях и переносятся оттуда также особыми молекулами. Эта система переноса обладает, как выражаются биохимики, высоким сродством к одним нуклеотидам, не проявляя сродства к другим. Она надежна и тонко отрегулирована.

Жизнедеятельность клетки определяется большим количеством подобных многоступенчатых процессов, требующих разнообразных молекулярных распознающих систем.

Существует сходство и взаимосвязь между биохимическим распознаванием на молекулярном уровне и распознаванием образов в центральной нервной системе. На это указывает единство некоторых терминов (распознавание, рецепторы, перенос информации).

Психотропные средства (наркотики) воздействуют на биохимические реакции так, что искажается восприятие окружающего мира, деформируется система распознавания образов. Антипсихотропные препараты (хлорпромазин и др.) помогают в лечении шизофрении. Значит, есть связь распознающих систем, действующих на молекулярном уровне и в нейронных сетях головного мозга.

Любой организм – гармоничный ансамбль распознающих систем разных типов. На молекулярном уровне наиболее характерно в этом отношении действие ферментов.

Многие процессы жизнедеятельности осуществляются по программе, записанной в молекулах ДНК. Реализация её не может осуществляться механически, как, скажем, последовательность процессов на заводе-автомате. Ведь каждая биомолекула функционирует в меняющейся химически активной среде. У каждой из них своя судьба, свой жизненный цикл.

Для координации процессов в клетке служат ферменты. Они опознают определённые типы молекул и переносят в нужное место, где в работу включаются другие ферменты. Так происходят питание, передача и накопление энергии, выделение ненужных веществ, расшифровка и передача генетической информации. Действие ферментов, в свою очередь, тоже регулируется на молекулярном уровне.

Эти сложнейшие процессы постоянно идут в каждой клетке организма в сложнейших условиях, порой при нестандартных ситуациях. От таких систем распознавания требуется оперативность, точность, надежность. Неполадки должны в кратчайшие сроки выявляться и исправляться. Точная диагностика тоже требует нетривиальных операций распознавания.

Живая клетка не может действовать как механизм. У неё регуляция происходит на всех иерархических уровнях по принципу «каждый знает своё дело, и лучше ему не мешать».

Например, в синапс на контакте нервных клеток поступает ацетилхолин, который вырабатывается в окончании нерва. Эти молекулы переносятся в пузырьках, которые распознаются клеточной мембраной, выпускающей их в зону контакта.

Расположенная внизу мембрана другой клетки с помощью специальных рецепторов распознаёт ацетилхолин и передаёт импульсы-сигналы в более глубокие области клетки (всего рецепторов около 13 тысяч на один квадратный микрон). Избыток ацетилхолина после переработки поступает вновь в клетку в виде холина и ацетата, снова начиная цикл превращений.

Иммунное распознавание проводится не просто по химическому составу молекул, а по их индивидуальным особенностям. Даже типовые органические молекулы индивидуальны! Несмотря на подобие в общих чертах, они имеют некоторые особенности, которые также распознаются. Подчас приходится подавлять такое тонкое распознавание с помощью иммунодепрессоров, противодействуя реакциям отторжения пересаженных тканей, органов.

Иммунная система на молекулярном уровне осуществляет способность живого существа отличать себя от окружающей среды. Организм сохраняет свою индивидуальность благодаря способности распознавать чужеродность.

Процессы молекулярного распознавания сказываются на поведении животных, экологических особенностях организмов, их образе жизни. Так, оплодотворяются яйцеклетки у многих животных, живущих в воде, вне организма. Сперматозоиды должны выделить яйцеклетку из огромного количества других объектов. При опылении растений пестик также опознает пыльцу данного вида.

В Биосфере идут постоянные «биологические игры», суть которых – выбор оптимального поведения для сохранения и распространения жизни. А там, где необходим выбор, в той или иной форме осуществляется распознавание образов и проявляется разум.

Животное с нервной системой отличается разумным поведением (хотя бы в зачаточных формах) и его необходимым компонентом: умением распознавать разнообразные образы на уровне целого организма. Как мы уже говорили, на первых этапах развития нервной системы у эмбрионов высших животных нейроны образуются со скоростью лавины. Растущие клетки чутко взаимодействуют, образуя ткань организма, где всё выверено до ничтожных долей миллиметра.

Могла ли сформироваться на разных уровнях, начиная с атомно-молекулярного, такая динамичная система жизнедеятельности на основе случайных мутаций и генной комбинаторики? Невероятно! Тем более что каждый организм существует не сам по себе, а в контактах с другими организмами и вообще с окружающей средой, где он выполняет определённые функции.

Экологические связи животных и растений, многие биохимические круговороты неплохо изучены в виде отдельных схем. Система реальных связей в природных условиях озера или лесного массива настолько сложна во времени и пространстве, что воспроизвести её вряд ли возможно. Сбор фактов может и дальше идти успешно, но их осмысление уже теперь заходит в глухие тупики.

Кроме распознавания образов для живого существа нужна способность хранить и использовать полученную информацию. Английский учёный Стивен Роуз в книге «Устройство памяти. От молекул к сознанию» (1995) отметил: «Человеческая память… закодирована в десяти миллиардах нервных клеток, образующих наш мозг, и в десяти триллионах связей между этими клетками».

(Надо лишь иметь в виду, что памятью обладают любые клетки, а хранят информацию и неживые объекты.)

Он задал вопрос: «Каким образом мельчайшие подробности повседневного существования, пережитые в детстве радости и унижения, прозаические детали вчерашнего ужина или случайный набор цифр номера промелькнувшего автомобиля остаются запечатлёнными в смеси молекул, ионов, белков и лепидов, из которых состоит десять миллиардов клеток нашего мозга?.. Если посчитать связи между этими нейронами со скоростью одна связь в минуту, то потребуется… до тридцати миллионов лет, чтобы завершить подсчёт».

Эта невообразимо сложная система великолепно организована и прекрасно работает. То, что не всегда мы способны восстановить сознательно, хранится в подсознании, в гигантских кладовых памяти. Эти образы могут возникнуть внезапно во сне или наяву, при сеансе гипноза.

С. Роуз подчеркнул: загадка памяти осложняется тем, что в организме происходит обмен веществ, на смену одним молекулам приходят другие. Несмотря на это, память сохраняется. До сих пор объяснить это не удаётся.

Надеюсь, ответить на этот вопрос поможет гипотеза, о которой мне некогда довелось писать статью в журнале «Знание – сила» с автором идеи биохимиком В.К. Быховским. Она на молекулярном уровне описывает ту же модель, которая в глобальных масштабах соответствует памяти Земли.

Внешние воздействия на нашу планету (солнечные и космические излучения, изменения гравитационного поля, космическая пыль и пр.) влияют сначала на радиационные пояса Земли и атмосферу. Такова кратковременная планетная память.

Изменения атмосферы сказываются на природных водах и живом веществе. Это – среднесрочная память, ибо она сохраняется на более значительное время. Геологические результаты действия воды и организмов приводят к образованию осадков (система долговременной памяти Биосферы).

Скоротечные изменения, скажем, солнечной радиации, фиксируются атмосферой, на более долгий срок запечатля-ются живым веществом и в гидросфере, а на миллионы лет сохраняются в земной коре.

Нечто подобное такому механизму предполагал В.К. Быховский в молекулах живых существ. Он назвал бионом молекулу, состоящую из трех основных элементов: снаружи электронная оболочка, внутри два структурных каркаса, подобные решетке обычных кристаллов. Один – подвижный, податливый – представлен ядрами водорода. Другой – прочный, устойчивый – из иона металла и органической молекулы.

Электронная оболочка осуществляет нечто подобное функциям радиационных поясов и атмосферы, мягкий каркас – живого вещества и гидросферы, а жесткий – литосферы.

При хаотических воздействиях бион практически не меняется. Но при направленных, упорядоченных сигналах (поступлении информации) извне включаются механизмы его памяти.

Первой отзывается электронная оболочка. Её изменения (быстро исчезающие при снятии внешней силы) передаются мягкому каркасу, деформируя его. А он в свою очередь оставляет на жёстком каркасе след, который может храниться годами.

Важную роль играют ионы металлов, которые присутствуют в живых организмах. Их аномальное содержание приводит к изменениям генетического кода, мутациям. Возможно, так в природе при длительных направленных воздействиях среды формируются виды животных, растений.

Биохимики изучают вещества, вызывающие мутации. Интересно выяснить, в каких регионах и как изменялось количество их в Биосфере за геологическую историю? Какое влияние это оказывало на эволюцию? Насколько мне известно, с таких позиций эволюционный процесс не изучался.

Возможно, постоянное воздействие на организм повышенного количества микроэлементов или их отсутствие в окружающей среде вызывают направленные его изменения и влияют на наследственность. Но усложнение, цефализация и в таком случае остаются загадкой.

Аналогия структуры биона и Биосферы вряд ли случайна. Она может отражать единство живого на разных уровнях бытия.

Есть искушение выстроить эволюционный ряд от первых мельчайших проявлений жизни и разума до наивысшего. На мой взгляд, для этого нет оснований. На каждом уровне происходят более или менее одновременно эволюционные процессы.

Способность на молекулярном уровне иметь память и распознавать образы (признаки разумного поведения) наводит на мысль об интеллекте организмов, не имеющих нервной системы. Идея биона может пролить некоторый свет на тайну хранения в нашей памяти бесчисленных сведений и образов. Хотя нетрудно предвидеть усмешку специалиста: один глупец забросит в море камень, сто мудрецов тот камень не найдут.