моделирование протонаблюдателя

Чтобы сохранить структурную целостность, чтобы выжить первичным формам жизни (живым молекулам) пришлось обзавестись «информацией» о свойствах окружающей среды. Кажется логичным предположить, что эти важнейшие свойства подразделялись на то, что мы определяем как «горячее» и «холодное» и что в то время, вероятнее всего, соответствовало «светлому» и «темному».

Однако для того, чтобы живые молекулы научились различать свойства окружающей среды, это «знание» должно было в какой-то момент впервые извлечено посредством дифференциации этих категорий, а затем зашифровано/внедрено в эти молекулы как неотъемлемая часть их структуры, своего рода «память». Эти самые ранние живые молекулы, протонаблюдатели, которые обрели в результате цепочки событий способность чувствовать/распознавать «горячее» и «холодное» и сохранять это «знание/распознавание», имели куда больший шанс выжить. Таким образом, самые базовые, самые простые свойства нашей среды, которым сегодня мы можем дать определения «горячее/холодное», «темное/светлое», «порядок/беспорядок», скорее всего, были впервые обнаружены самыми ранними живыми молекулами (прото-РНК?), зашифрованы, сохранены в памяти их молекулярной структуры и, в конце концов, переданы всей живой материи, включая нас самих.

Эти «первые изображения» на самом деле представляют собой наиболее рудиментарные «картины мира», отпечатавшиеся на ранних формах жизни (записанные ими), и их невозможно ощутить. Однако способность отличать «горячее» («яркое») от «холодного» («темного») характерна для всех форм жизни, существующих в природе сегодня, и она, эта способность, до сих пор важна для их выживания. Таким образом, скорее всего самая ранняя «картина мира» была бинарной: «горячее»–«холодное» («белое»–«черное»).

Далее, в какой-то момент к этой бинарной системе добавилась третья опция, находящаяся где-то посередине: «теплое» («серое»). Вероятно, гораздо позднее, как следующий шаг, прибавились еще два оттенка (светлый и темный), еще больше усложнив получаемые таким образом изображения. Поэтому можно представить себе цепь ДНК/РНК не как кинопленку, а как набор пикселей, каждый из которых окрашен в один из четырех оттенков серого, содержащий зашифрованные и внедренные в них изображения, которые необходимо каким-то образом расшифровать. Одним из способов мог бы стать алгоритм, расшифровывающий основания как различные оттеки серого и превращающий эти линейные цепи в матрицы 3×4, которые в свою очередь превращались бы в двухмерные изображения. [илл. 4]

Эти изображения – не только следствие алгоритма, визуализирующего ДНК/РНК. Они и сами по себе могут считаться отголоском первичных, рудиментарных картин мира. Их даже можно сымитировать при помощи какой-нибудь примитивной «камеры» (со светочувствительным датчиком), которая бы улавливала только интенсивность освещения вокруг себя, распознавала как оттенки серого, записывала и располагала в линейной виде. После 12 таких записей эта линейная последовательность должна была бы трансформироваться в матрицу 3×4, создающую двухмерное изображение, о чем подробнее можно прочитать в примечании ниже. [ 1 ] 1. Вот некоторые соображения относительно устройства примитивной «камеры», а точнее, датчика, который был бы способен фиксировать и хранить свет определенной интенсивности/определенного значения. При передвижении датчика между яркими, хорошо освещенными (солнечными) и затемненными участками, интенсивность записанного света будет меняться от светлого к темному. Еще необходим таймер, скажем, отмеряющий промежутки в 1 секунду (или 5-10 секунд), в которые заканчивается одна запись и начинается другая. В нашем случае он должен записывать одномоментно один из пяти дискретных значений шкалы серого: белый (0% черного), светло-серый (25% черного), серый (50% черного), темно-серый (75% черного) и черный (100%). Однако поскольку интенсивность света вокруг нас не исчерпывается лишь этими пятью дискретными значениями интенсивности, но скорее является континуумом показателей интенсивности, нужно решить, какие величины будут отведены этим пяти значениям. Первый способ – определить какой-либо интервал как единичное значение. Например, если серый определяется как 50% черного (и располагается между светло-серым и темно-серым), то, добавив 12.5% с обеих сторон к этому показателю, мы получим интервал с 37.5% до 62.5%, который датчик будет распознавать и классифицировать как «серый». Схожим образом, величина света между 12.5% и 37% будет записываться как «светло-серый», а интервал с 62.5% по 87.5% – как «темно-серый». Интервал с 12.5% до любого большего значения интенсивности света будет записан как «белый», в то время как 87.5% до любого определяемого более темного значения будет записан как «черный». Это «утилитарные» определения вышеупомянутых пяти значений шкалы от белого до черного. Поскольку и ДНК, и РНК состоят из четырех оснований/значений, нам необходимо решить, как определить пограничные значения в каждом из этих случаев. В молекуле ДНК более темный конец – темно-серый, и вопрос заключается в том, оставим ли мы это значение, или продлим его до «черного». В случае с молекулой РНК, «светло-серый» находится на более светлой части шкалы, и встает тот же вопрос: оставить ли это значение или включить в него и «белый» тоже. Все это усложняется тем, что, во-первых, ДНК состоит из двух нитей, или цепочек, особым образом отражающих друг друга. Если «положительная» последовательность выглядит как TGAC (белый, светло-серый, серый, темно-серый), то «отрицательная» – ACTG (серый, темно-серый, белый, светло-серый). Это называется «репликация». Когда «посланник РНК» прибывает для того, чтобы сделать копию последовательности ДНК, открывается двойная спираль и РНК снимает копию с «отрицательной» стороны цепи ACTG, которая станет UGAC. Теперь, если мы сравним эту последовательность РНК c «положительной» стороной ДНК, то легко заметить, что они идентичны за исключением одной детали: вместо T (белый) в ДНК, мы получаем U (черный) в РНК. Таким образом, в подобном двухэтапном копировании «положительной» цепочки ДНК «посланником РНК» все остается по-прежнему за исключением того, что «белый» превращается в свою противоположность, «черный», что само по себе любопытно. Нам представляется, что все это стоит принять во внимание при определении пограничных значений в записях из четырех величин, которыми являются темно-серый в серии, соответствующий ДНК, и светло-серый в случае РНК, – оставить ли прежние значения или расширить их, включив «черный» (или «белый»). Если мы оставим прежние определения, то в случае ДНК мы исключим записи, которые кажутся «черными», а в случае с РНК – потеряем «белый». Возможно, у датчика должен быть только один рабочий режим, скажем, исходящий из «положительной» цепочки ДНК, и он должен хранить записанные «пиксели» (маленькие квадраты) в линейном виде. Тогда на втором шаге, превращаем это в двухмерное изображение (3x4 «пикселя»). Из этой записи можно получить «отрицательную» цепочку ДНК при помощи алгоритма репликации, а затем и РНК. Начав с одного набора из четырех значений, другой будет определяться через репликацию ДНК–ДНК и транскрипцию ДНК–РНК. G (светло-серый) и С (темно-серый) – единственная пара оснований нуклеиновых кислот с 50% разницей значений, да и визуально они соотносятся друг с другом как пара противоположностей: «положительное–отрицательное». Т и U тоже соотносятся друг с другом как пара «положительное–отрицательное», но в этом случае речь о 100% разнице значений, которая не составляет комплементарную пару оснований (разница значений во всех комплементарных парах составляет 50%). В случае двух других пар оснований T–A и A–U не соотносятся друг с другом как «положительное–отрицательное».

Этот процесс можно симулировать в упрощенном виде, используя камеру телефона, покрытую полупрозрачной бумагой, как показано на картинках 5a и 5b, снятых другой камерой, тогда как 4с и 4d сняты самой телефонной камерой, сначала через фильтр полупрозрачной бумаги, а затем без [илл. 5с и 5d], то есть так, как будет показано в дальнейших записях, представленных ниже. Тогда как в «селфи» 5с можно выявить камеру, в 5d мы видим просто оттенок серого, который может быть практически чем угодно, в том числе, одним из оттенков, представляющих основания ДНК/РНК, в этом случае С.

Этот подход был впервые применен в серии фотографий облачного неба и темного угла шкафа, сделанных с применением фильтра [илл. 6] и без него, в таком порядке, что будучи представлена в виде последовательности из 12 «пикселей», расположенных на матрице 3×4, она образует чрезвычайно упорядоченное состояние, которое в интерпретации РНК состоит из 6G и 6U. [илл. 7]

Следующий пример – снова набор бинарных оппозиций из 12 элементов из умеренно светлого изображения (серого) и очень темного (черного) [илл. 8], выраженных в 6A и 6U и образующих матрицу 3×4 с максимальной степенью энтропии. [илл. 9]. На изображении под номером 10 мы видим более длинную последовательность, связывающую эти два состояния через постепенный переход от самой низкой к самой высокой степени энтропии.

Следующим шагом было применить этот подход каким-то конкретным цепям вроде недавней визуализации определенных последовательностей SARS-CoV-2, представленных их РНК. Здесь четыре простых последовательности, первые три из которых начинаются с низших степеней энтропии, а последняя заканчивается самой высокой. В основе первой растяжки (p.22822) лежат изображения серого и темного (черного) углов внутреннего пространства, полученные с помощью и без фильтра и выраженные в A и U. [илл. 11, 12 и 13]

Очередной пример – бинарная последовательность из 16 элементов, начиная с самой низкой степени энтропии (p.10016), состоящая из 8С (темного), 7A (серого) и одного U (черного) основания. Изображения, соответствующие этим основаниям, были сделаны на улице, одно в хорошо освещенном месте, а два других – в темных локациях, и снова через фильтр на объективе, как показано на иллюстрациях 14, 15 и 16.

Изображения в третьем случае (p.29812), начинающемся с низкой степени энтропии, были сделаны в лесу при такой интенсивности света, которая соответствует значениями, выраженным в G (светлый), A (серый) и U (черный), как показано ниже на иллюстрациях 17, 18 и 19.

Наконец, последний пример – единственная выбранная последовательность (p.19901), начинающаяся с высокой степени энтропии (ни один элемент не соседствует с элементом, имеющим такое же значение), и представленная фотографиями, сделанными на лугу после заката солнца и состоящими из трех значений, которые знаменуют три основания: А, С и U. [илл. 20, 21 и 22]

Следующая последовательность, выбранная для иллюстрации этой идеи, кажется, является самой старой из известных нам генетических последовательностей, которую сегодня можно обнаружить во всех живых организмах. Некоторые визуальные свойства этой последовательности, состоящей из 63 оснований в ее ДНК-воплощении, подробно анализируются в другой статье. Здесь же мы представляем ее РНК-версию [илл. 23 и 24], допуская возможность того, что самые ранние живые молекулы могли быть ранними версиями РНК (прото-РНК). Эти изображения не только представляют собой попытку «увидеть»/реконструировать «виды» мира (карандашные рисунки) так, как они были записаны/отпечатались на этой последовательности в то время, когда была сформирована эта молекула, но и использовать ее в качестве инструмента, позволяющего «увидеть» современный мир через тот же «объектив» (фотографии, сделанные камерой) – совсем как сегодня запечатлеть происходящее на улице при помощи нескольких фотоаппаратов (т.н. хронофотография Эдварда Мейбриджа). [илл. 25] «Пиксели», символизирующие основания на этих изображениях, получаются тремя способами: это могут быть карандашные рисунки, а также фотографии, сделанные камерой с фильтром и без. [илл. 26–48]

GUGCCAGCAGCCGCGGUAAUUCCAGCUCCAAUAGCGUAUAUUAAAGUUGCUGCAGUUAAAAAG

Как сказано в названии, все это – лишь грубое приближение, «моделирование» возможности сегодня представить что-то, что будет отголоском начала взаимодействия первых живых молекул с их непосредственной средой (водой). Кроме того, это взаимодействие записано и передано всей живой материи не только через нашу способность отличать «горячее» от «холодного» и «светлое» от «темного»: эти самые ранние «изображения», кажется, записаны и сохранены и в наших генах тоже.

Во всех этих случаях порядок, в котором были сделаны снимки, был задан и определен изначально и повторял порядок оснований последовательностей РНК. Однако, когда такого рода «изображения» или «пиксели» окружающей нас среды записаны со светочувствительным датчиком в произвольном порядке, при обратном процессе мы можем вернуться к цепям РНК/ДНК и попытаться идентифицировать последовательности, которые точно им соответствуют.

Перевод: Ксения Кример