Введение к работе
Актуальность исследования. Расшифровка генетического кода
впервые открыла возможность для объективного исследования
происхождения жизни. Простая логика редуцировала эту
безграничную по сложности проблему до уровни решения весьма
конкретной проблемы происхождения универсального
генетического кода. А именно, необходимо установить тип отображения двух знаковых множеств ї-ода'. См рсегме;ценик из четырех оснований ДЯК но три (с повторением), с одной стороны, и 20—ти канонических аминокислот и 7-у сичтркстгчс-скгпс функций Slarl и Slop, с другой. Псрвостепеииим проявлением жизни считается возникновение генетической информации, ее экспрессия и передача во времени. Эти функции могут исполняться корректно только в '1-ом случае, если сначала возник и стабильно сохраняется генетический алфавит или, иначе, код. Возникновение кода критически важно для того, чтобы записать информационное сообщение (ген) с помощью символов, а по прошествии определенного времени однозначно ^е^уеПоі^сти его смысл {белковую молекулу). Очевидно, что у-ох/ принципиально противопоказаны эволюционные и;ї:.;^і;и;и..-., :..^..:, д.ечл: улучшсь.чг|,1!е его пнформаииоиные свойство: нововведения могут лишить клетку способности правильно иое;;роик«~одп;ь ранее накопленную информацию и приведут к oi- /ябелп. «'^итпегсч'і, что из -а чрезвычайной консервативное!и :. п :і- >е>;г;7ее в структурной организации кода сохранились без н-^енеитш следы уникальных событий, которые были причастии к его появлению на Земле более чем 3.8 миллиарда лет і-издд- ', е* :,-:; «ч-..--. .-.ни код называется универсальным, потому что он одинаков у .всех организмов Земли; значит закон, которому подчинено отображение двух множеств кода, и выводы, которые могут быть сделаны на его основе, имеют в атом аспекте абсолютный характер.
Цель дабогы. Общепринята гтюшза, что морфпзмами
генетического кода MorG, задавшими отображение, бетли физико-химические законы статистических прямых взаимодействий между молекулярными элементами двух его множеств. Однако, можно предположить, что устройство кода но случайно, а подчинено некоторой общей закономерности формального характера, которая
ускользала до сих нор от внимания. Она могла бы иметь физико-химическую природу, но прошедшие после биохимическоі расшифровки 30 лет упорных поисков убедительных взаимосвязей такого рода между множествами триплетов и аминокислот так и Н( выявили. Ситуация либо служит лучшим подтверждение» статистических моделей происхождения, либо свидетельствует < том, что искомое упорядочение имеет качественно иной характер чем тот, который можно было бы заметить старыми методами.
В настоящей работе предложен не физико-химический, < математический метод исследования детерминированной отображения двух множеств генетического кода. Не исключено, чт( внутренняя организация кода могла быть в значительной степені подчинена формально — математическим требованиям язьїковоі системы, учитывающей физико-химию молекул кода лишь дс необходимого минимума (например, код лишь удовлетворительна защищен по гидрофобности от мутаций).
Работа имеет целью с помощью нового математического подход (І) установить общую детерминированную закономерносп упорядочивающую генетический код, (2) построить на ее основ* математическую модель кода; (3) исследуя модель, объяснит некоторые детали в устройстве кода и (4) получить объективны* заключения о возможной процедуре его происхождения.
Новизна работы. Впервые применен нетрадиционный дл) данной предметной области математический подход, в которое генетический код рассматривается как часть формальной язьїковоі системы (физико-химические свойства кода учитывается, но уже і плане сосуществования с его новой математической организацией).
Новый подход выявил ранее неизвестные закономерности -Арифметическую закономерность нуклонных сумм аминокислот і Закономерность кооперативной симметрии оснований триплетов.
На основе установленного упорядочения впервые предложен* математическая модель генетического кода, представляющая собоі систему линейных диофантовых уравнений и неравеств.
Характер новых закономерностей кода и анализ результатої математического моделирования позволяет сделать заключение с детерминированном, а не статистическом характере процедурь возникновения кода.
Научная и практическая ценность. Изучая генетический код, наука впервые столкнулась с языковой системой и ее алфавитом, происшедшими, как предполагаю!', прежде всего в результате проявлений законов физико— химии. В этой связи, при интерпретации свойств и процедуры происхождения генетического кода объяснительные функции математики и законы физики совмещались. После того, как новый формальный порядок был установлен, такое совмещение стало проблематичным: оказалось, что некоторые, ранее не известные, свойства кода не имеют связи с физикой, а являются чистым проявлением абстрактных языковых структур математики. Таким образом, основанием для построения математической модели объекта (считающегося происшедшим естественно) становится не его математически сформулированное физическое свойство, а в чистом виде абстрактный формализм языковой системы математики.
Новые математические законы и результаты математического моделирования дали формальное объяснение некоторых деталей устройства генетического кода и позволили сделать заключение о детерминистской процедуре его происхождения.
Арифметическая закономерность выделяет формализм аддитивно-позиционной системы счисления. В качестве объясняющей гипотезы можно усмотреть в этом внешний признак того, что генетическая языковая, система достигла такой степени формализации, которая позволяет ей реализовать арифметические оиерации с числами. Если генетический язык действительно открыл и включает в себя такие возможности формального языка математики, то клетка могла получить мощный общий метод для организации, управления и контроля генетической информацией, более эффективный, чем специфические физико-химические взаимодействия, лишенные подобного аспекта.
Сейчас в мире предпринимаются усилия по завершению проекта Геном человека. Это массив, содержащий > 6-Ю9 бит информации. Общие законы организации его пока да,\ско по ясны. Не исключено, что новый порядок, установленный в коде, может стать указателем на формальное упорядочение геномной ДНК.
Закономерная организация структуры генетического кода найдет практическое применение при разработке информационных технологий и вычислительных устройств на основе биомолекул.
Автор выносит на зашиту.
— новый математический подход в исследовании свойств кода;
—неизвестные ранее формальные закономерности генетического
кода: арифметическую закономерность и закономерность кооперативной симметрии,
—математическую модель генетического кода в форме системы линейных диофантовых уравнений и неравенств, описывающую кодовые пары триплет оснований—нуклонное число аминокислоты,
— объяснение некоторых деталей устройства генетического кода,
ранее не находивших истолкования в статистических моделях;
—заключение о детерминистском характере событий, составлявших процедуру происхождения кода.
Аппробаиия работы. Материалы диссертации были представлены на двух международных конференциях JSSOL (Международная ассоциация по изучению происхождения жизни) в июле 1989 г. в Праге, (Чешская Республика) и в июле 1993 г. в Барселоне, (Испания), и на конференции "Моделирование и компьютерные методы в молекулярной биологии и геяептке", 1990 г. в Новосибирске. Сделано сообщение на Юбилейной научной конференции посвященной 50-летию развития математики в Академии наук Казахстана, сентябрь 1995 г., Алматы.
Результаты были доложены и обсуждены на научных семинарах:
—в Казахском государственном национальном университете им. Аль-Фараби, в Лаборатории математического моделирования (1988, 1992, 1995 гг.), на Биологическом факультете (1993, 1995 гг.);
—трижды в лаборатории лауреата Нобелевской премии, профессора М. Эйгена (М. Eigen), Институт биофизической химии Макса Планка, Геттинген, ФРГ (1991, 1993, 1994 гг.);
—на семинаре академика В. М. Амврбаева в Институте теоретической и прикладной математики HAH РК (1991);
—на семинаре академика М. М. Лаврентьева, Институт математики СО РАН (1992 г.);
—в Институте молекулярной биологии и биохимии им. Айтхожина НАН РК (1989, 1992);
—в Институте астрофизики им. Фесеико НАН РК (1992);
— в лаборатории профессора К. Хекмана (К. Heckman), Институт
зоологии, Университет г. Мюнстера, ФРГ (1994 г.);
—в Свободном университете Западного Берлина, ФРГ (1994 г.).
Публикации. По теме исследования опубликовано девять статей, в том числе семь — в международном междисциплинарном журнале Journal of theoretical Biology (Academic Press, London) в период с 1988 по 1994 гг., а две других были депонированы в КазГНТИ в 1987 и 1988 гг.
Объем и структура лиссертапии. Работа на 166 листах состоит из Введения, четырех Глав, Заключения и списка Литературы (63 источника); ее текст содержит 27 нумерованных фигур ті 14 таблиц.