В последнее время вклад в понимание развития человека внесли математика и информатика. Они не проясняли конкретные детали (что и когда делает та или иная клетка), но затрагивали фундаментальные вопросы, связанные с развитием, например: как простое может стать сложным? как механизмы развития, неустойчивые по отношению к случайным ошибкам, могут обеспечивать высокую точность воспроизведения конечного результата?
Благодаря адаптивной самоорганизации неживые молекулы могут создать живую клетку, а клетки с ограниченными индивидуальными возможностями – сформировать способный на многое многоклеточный организм.
Пытаясь понять, как эмбрион строит сам себя, очень полезно сравнить – и противопоставить – развитие этой биологической системы с привычными способами строительства объектов.
У всех инженерных проектов есть общие черты. Прежде всего, у любого проекта есть план – чертеж или какая-либо иная схема, – ясно показывающий, что же мы хотим получить в итоге. План не будет частью этого результата, он останется у руководителей. Внешняя информация не присутствуют в строящихся объектах. Поэтому эти объекты не могут сами достраиваться и самовоспроизводиться. И наконец, большинство объектов вводятся в эксплуатацию только после полного завершения работ, и подписания соответствующих бумаг, свидетельствующих о завершении строительства.
В биологическом конструировании нет никаких чертежей и эскизов конечного результата. Создаются структуры, но никто не знает конечного результата.
Безусловно, в оплодотворенной яйцеклетке содержится информация (в генах, в молекулярных структурах, в пространственном распределении концентраций химических веществ), но связь между этой информацией и тем, как в конечном итоге будет выглядеть готовый организм, далеко не однозначна. Эта информация предопределяет в некоторой мере дальнейшую последовательность событий, но не факт, что последовательность окажется именно такой. Например, при мутации гена или изменении концентрации определенного вещества в определенном месте, меняет последовательность событий, и развитие идет по аномальному пути.
Некоторых результатов проще достигать не описанием с помощью чертежа, а с помощью пошаговых инструкций. Так обстоит дело в кулинарии или при вязании. Но опять, воздействие на объект производится агентом из вне на базе его знаний.
Напротив, содержащаяся в эмбрионе информация считывается и обрабатывается самим эмбрионом; ему не на кого переложить ни тяжелую физическую работу, ни размышления об оптимизации процесса. Это означает, что ответственность за биологическое конструирование лежит на всех его участниках, а не на руководителе, как в случае реализации инженерных проектов. Процесс создания тела человека контролируется не какими-то отдельно взятыми частями эмбриона, а системой в целом. Живая система всё время должна оставаться живой, без выключений на реконструкцию. Системы многоклеточного организма имеют определённую автономию, не управляются полностью из единого центра.
Белки – основные строительные материалы в биологии. Из них создана большая часть физических структур, которые придают форму клеткам, они образуют каналы и насосы, регулирующие циркуляцию веществ в клетках. Кроме того, белки – катализаторы. Они запускают и контролируют биохимические реакции и метаболические пути, продуктами которых являются другие составляющие организма, например ДНК, жиры и углеводы.
Белок состоит из длинной цепи отдельных блоков – аминокислот. Для строительства белков используется двадцать типов аминокислот, отличающихся по строению и химическим свойствам. Они взаимодействуют друг с другом, и это означает, что цепочки аминокислот могут закручиваться в замысловатые формы – самопроизвольно или под действием других белков. Этот процесс закручивания настолько сложен, что невозможно, зная одну лишь последовательность аминокислот, предсказать, какой именно белок получится в результате.
Разные белки состоят из разных последовательностей аминокислот. Они одна за другой присоединяются к растущей цепи белка в порядке, который устанавливается молекулой, называемой матричной РНК (сокращенно мРНК).Матричная РНК это копия ДНК, созданная в процессе, который назван транскрипцией. На ДНК расположены гены, часть которых кодирует процесс построения белков данной клеткой. Но считываются гены при помощи белковых структур этой клетки, как показано на рисунке. Считывать или не считывать данный ген определяют эти белковые структуры и информация от сигнальных молекул вокруг клетки. Специализация клеток в том, что клетки,например, печени считывают гены относящиеся к строительству печени.
Ген это неделимая порция генетической информации, заключенная в рамки считывания. В начале гена расположены короткие последовательности оснований, помогающие белковым считывающим комплексам находить начало гена на ДНК. В конце находится стоп кодон, обозначающий конец считывания.
В процессах мейоза (образования половых клеток) происходит разделение каждой клетки на две части, при этом генетическая информация распределяется между новыми клетками случайным образом. Двойной набор хромосом расходится в образующиеся клетки. При этом хромосомы переходят в новые клетки не полностью, а обмениваются частями но так, что гены остаются неразделёнными. Отсюда и возникает понятие «неделимость гена». Генетический состав половых клеток ввиду случайного характера процесса мейоза отличается от генетического набора каждого родителя и неодинаков в каждой клетке. Какая клетка первой доберётся до половой клетки женщины это тоже определяется случайностью. Таким образом геном оплодотворённой клетки состоит из случайной выборки из генетического набора родителей. А у родителей в своё время была такая же ситуация. Значит в геноме ребенка присутствуют гены из генетического набора предков.
В онтогенезе, после транскрипции (переписывания информации с ДНК на матричную мРНК), последняя через ядерную мембрану попадает в область метаболизма клетки. После редактирования мРНК (сплайсинга) начинается указанный на рисунке процесс считывания на рибосоме информации с мРНК и построения (трансляция) в соответствии с ней из 20 аминокислот соответствующего белка. Информация мРНК содержит указания на конкретные аминокислоты и порядок их следования. Эта информация необходима для построения соответствующего белка. Связь между основаниями ДНК (их четыре, но именно порядок их в гене содержит генетическую информацию) и 20 аминокислотами осуществляется при помощи универсального генетического кода, который один для всех живых существ.
Каждый триплет (три подряд основания это одна буква) оснований (Оснований всего 4, а триплетов получается 64) соответствует определённой аминокислоте. Так как для установления взаимно однозначного соответствия между основаниями и аминокислотами требуется 20 триплетов, то некоторые триплеты оказываются дублирующими, и одну аминокислоту могут шифровать несколько разных триплетов. 64 это число возможных комбинаций из 4 элементов по 3, с учетом порядка следования.
Клетки в организме специализированные и они синтезируют только определённые белки которые им нужны. В данной клетке считываются не все гены генома, а только те которые нужны для производства белков именно этой клетки. Это достигается тем, что в комплексах считывания находятся белки данной клетки, которые по основаниям в начале гена опознают свой ген, и считывают с него информацию. Белки определяют гены, которые нужно считывать, а эти гены управляют образованием новых белков.
Клетки разных органов организма отличаются друг от друга и синтезируют разные типы белков. Например, клетки кишечника производят белки, которые позволяют переваривать пищу, клетки яичников синтезируют белки для половых гормонов, а лейкоциты вырабатывают белки для борьбы с микробами. Все эти клетки содержат все гены генома, даже те, которые им никогда не понадобятся. Однако считываются только гены, необходимые конкретным клеткам в определённый момент времени. Когда ситуация изменится, что определяется сигнальными молекулами вне клетки, реагирующими на окружающую среду, то начинают считываться другие гены, удовлетворяющие появившуюся потребность. Процесс считывания генов управляется самой клеткой и окружающей средой. Это и есть адаптивное саморегулирование. Адаптивное потому, что процесс регулирования не задаётся раз и навсегда, а управляется и средой.
Это важно учитывать, если для биологической системы мы создаём некоторые ограничения, правила. Такие ограничения характерны для процессов селекции в биологии или для социальных обществ, где создаются ограничивающие моральные нормы, законы.
Процессы культурной эволюции изменяют социальную обстановку, поэтому установленные нормы и правила, ещё вчера казавшиеся разумными, могут оказаться препятствиями для дальнейшего развития через некоторое время. Это создаст напряжение в обществе, и если оно не будет вовремя обнаружено и скорректировано, возникнет определённый хаос и дальнейшее развитие не будет полностью управляемым. Так создаются точки бифуркации,(создаётся революционная ситуация), теряется управляемость и путь социума определяется случайностью.