§ 5. Эффективность биологической информации

Информация, записанная в ДНК, может иметь положительную, отрицательную или нулевую ценность. Если цель ясна, то можно отличить информацию, имеющую ценность, от «лишней» информации Отношение количества ценной информации к полному

можно назвать коэффициентом эффективности :

Этот коэффициент может быть полезным для понимания характера и смысла событий, происходивших в эволюции. Он помогает также выяснить иерархию и структуру информационных систем в современных живых объектах. Первые попытки в этом направлении содержатся в работах Волькенштейна (см. На этом пути имеются, однако, трудности, связанные с особенностью биологических систем и, в первую очередь, с формулировкой цели. В самой общей форме эта цель — жизнь. Однако сформулировать четко, какова цель жизни, трудно. В разных конкретных ситуациях преследуются разные цели и информация, ценная для одной из них, не является таковой для других. Кроме того, передача генетической информации от ДНК к белку и реализация ее в эволюции — процесс многоступенчатый. На каждом этапе часть информации теряется и эффективность, а также ценность оставшейся изменяются

Рассмотрим эти вопросы на примере синтеза одного из белков базового метаболизма, содержащего аминокислот Информация, заключенная в участке ДНК, содержащем нуклеотидов, равна

Информация в первичной последовательности белка составляет бит; эта информация меньше на величину потеря информации связана с вырождением кода. Поскольку при функционировании информация, связанная с вырождением, никак не проявляется, величина является наверняка избыточной и «ценности» не представляет.

Примем, что «целью» процесса является выполнение функции, обеспечивающей жизнеспособность клетки и организма (назовем ее целью № 1). Это означает, что функция должна выполняться в Некотором (довольно широком) диапазоне условий. Информация, необходимая для достижения этой цели, составляет бит, что заметно меньше величины Уменьшение обусловлено тем, что многие аминокислоты первичной последовательности белка могут быть заменены без потери функции.

В рамках этой цели ценность информации, содержащейся в ДНК, равна Такова же ценность информации, содержащейся в белке. Эффективность зависит от уровня реализации информации: на уровне ДНК она составляет 16, а на уровне белка она больше:

Рассмотрим теперь ДНК, кодирующую несколько белков с одинаковой функцией. В нее входит информация об изозимах и

повторяющихся генах. Известно, что многие изозимы работают на ранних стадиях развития организма, но выключаются (блокируются) на поздних [18]. Повторная информация часто оказывается молчащей, т. е. не проявляется на протяжении жизни особи, но сохраняется в геноме.

Пусть рассматриваемый участок содержит изозимных генов и -молчащих. Содержащаяся в нем информация равна бит. Ценность ее остается прежней; эффективность же значительно меньше: Уменьшение связано с увеличением лишней, избыточной в рамках поставленной цели, информации.

Расширим теперь «цель» и потребуем, чтобы рассматриваемый белок (или их группа) помимо выполнения базовой функции обеспечивал также нормальное развитие организма (обозначим его цель № 2). Необходимая для этого информация сильно возрастает. Во-первых, становится ценной (не избыточной) информация об изозимах. Во-вторых, сильно сужается диапазон допустимых значений параметров. Напомним, что параметры базового метаболизма (согласно гипотезе, обсуждавшейся выше) существенно влияют на морфогенез, т. е. управляют им. В связи с этим информация должна быть больше, чем бит. Наибольшее значение соответствует случаю, когда для достижения «цели № 2» все аминокислоты первичной последовательности должны быть фиксированы. При этом В рамках «цели № 2» необходимое количество информации (оно же и ценность ее) равно. что существенно больше

Эффективность при этом равна т. е. тоже больше избыточной здесь является информация, связанная с вырождением кода и молчащими повторами.

Рассмотрим теперь «цель № 3», включающую две предыдущих и дополнительное требование — способность к ароморфозу (т.е. выживанию в условиях большого скачка). Как упоминалось, для этого накопленная впрок информация о молчащих повторах оказывается необходимой и ценной. Правда, требования к первичной последовательности повторов при этом не высоки и содержащаяся в них

«ценная» информация не выше бит. Тогда:

Таким образом, при усложнении целей видим, что в случае, когда каждая последующая включает предыдущую, возрастает как ценность информации, так и эффективность. Можно думать, что в эволюции биосферы эти величины должны возрастать, поскольку возрастание ценности соответствует усложнению организмов, возрастание эффективности — экономному использованию информационного материала. При этом, однако, нужно иметь в виду, что

значимость целей существенно различна на разных этапах эволюции. Так, на конвергентных стадиях цель № 3 не является главной. Если от нее отказаться, то увеличение эффективности может быть достигнуто за счет уменьшения количества исходной информации. При этом сохраняется «ценность» в рамках цели № 2, но уменьшается «ценность» в рамках цели № 3, т. е. в данном случае — потенциальная ценность. Это дает эволюционные преимущества при адаптации к стабильным условиям обитания.

На дивергентных этапах эволюции, особенно в условиях «большого скачка» цель № 3 становится главной, для ее достижения необходимо наличие «молчащих повторов». Отсюда видно, что рассмотренные цели находятся в дуальном отношении, стремление к одной уменьшает вероятность достижения другой. Поэтому стремление к максимальной эффективности нельзя считать движущей силой на всех ее этапах. Следует полагать, что в среднем в эволюции сохраняется некоторое оптимальное (не близкое к максимальному) значение эффективности.