Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) как молекула была обнаружена еще в XIX веке, хотя полностью расшифровать ее структуру удалось лишь во второй половине XX века. Это открытие было удостоено Нобелевской премии, и с тех пор каждый школьный учебник биологии рассказывал детям о том, как устроена эта важнейшая молекула. Со временем знания стираются, и мало кто (из тех, кто не связал свою жизнь с биологией) имеет представление о том, как вообще информацию можно передать в виде сложного химического вещества. Сегодня поговорим о том, как природа уже миллиарды лет материализует информацию, и как мы позаимствовали у нее этот метод для создания современных компьютерных программ.
Единицы и нули, основания и триплеты
ДНК представляет собой биополимер. Это означает, что она состоит из одних и тех же повторяющихся частиц - более маленьких молекул, связанных между собой. В данном случае такими субмолекулами являются нуклеотиды, которые всегда состоят из сахара, фосфорной кислоты и основания. И именно последние являются той самой материей, которые передают информацию, благодаря которой жизнь научилась переносить накопленный опыт через сотни миллионов лет. В структуре ДНК присутствует 4 вида оснований - аденин (А), гуанин (G), тимин (Т) и цитозин (C). Эти основания можно представить в виде цепочки повторяющихся букв, и именно последовательность этих самых букв представляет информацию, которая определяет функционирование нашего организма. Как это возможно? По такому же принципу работают и современные компьютеры, ведь в них информация передается через двоичную систему, которая представляет из себя последовательность единиц и нулей. Для лучшего понимания можно представить себе азбуку Морзе, только вместо записи точек и тире вы раскладываете на столе пуговицы и спички. Таким образом, вы сможете создавать буквы, слова, предложения и целые тексты. Так и в каждой клетке нашего организма есть свой набор пуговиц и спичек в виде вышеописанных оснований (А, G, T, C). Благодаря различным комбинациям этих субмолекул и образуется единая информационная система в виде большой молекулы ДНК.
Если представить себе длинную цепь из букв (оснований) без каких-либо условных знаков препинания, то получится информационная каша, как если бы вы писали весь текст, не отделяя буквы друг от друга. Эволюционно сложилось так, что биологическая информация распознается в качестве триплетов - по три буквы, после чего ставится условный пробел и далее информация вновь считывается триплетом. Каждая такая троица оснований кодирует какую-либо аминокислоту - проявление нашего генетического материала. Следует сказать, что в целом реализация информации в клетках происходит через синтез белка, но об этом подробнее поговорим в одной из следующих статей. Описанную систему триплетов можно сравнить с самой простой азбукой. Представьте, что все буквы в этом алфавите состоят из трех черточек(основания), благодаря комбинациям этих черточек вы можете нарисовать конкретную букву (триплет - который кодирует аминокислоту). А если у вас в распоряжении есть алфавит, то не составит дальнейшего труда составить более сложные грамматические и лексические структуры. Таким простым образом, с помощью простого повторения и комбинации нескольких молекул, наш организм создает удивительную систему записи.
А что же гены
Мы уже говорили о том, что структурной единицей ДНК являются нуклеотиды, но функционирует этот биополимер через другую систему. Ген - это участок ДНК, который кодирует конкретную молекулу полипептида (белка) или другой нуклеиновой кислоты. То есть это какой-то определенный промежуток, в состав которого входит множество вышеописанных триплетов. Но для того, чтобы построить отрезок, необходимо две точки - начало и конец. Так и ген имеет в своей структуре особые триплеты, так называемые старт- и стоп-кодоны. Эти участки позволяют понять, где начать и где заканчивать считывать генетический код. Можно представить, что они являются некими пробелами между словами, которые позволяют различить отдельные лексические структуры. То есть ген - это конкретное слово в той самой информационной системе, которую мы обозначили.
Работу нашего организма можно представить как очень сложный алгоритм с множеством переменных и компонентов. Для того, чтобы написать этот алгоритм, требуется своя система записи, которую организмы всех живых существ организовали в виде ДНК. Конечно, есть еще РНК-содержащие вирусы, находящиеся на грани живого и неживого, но это уже совсем другой разговор.