Władysław J. H. Kunicki-Goldfinger
Rola informacji w układach
biologicznych
Studia Philosophiae Christianae 31/1, 49-57
Studia Philosophiae C hristianae A TK
31 (1995) 1
W ŁA D Y SŁA W J. H. K U N IC K I-G O L D F IN G E R
ROLA INFORMACJI W UKŁADACH BIOLOGICZNYCH* 1. Inform acja genetyczna. 2. Inne rodzaje inform acji organizm u żywego. 2.1. In fo r m acja topologiczna. 2.2. Inform acja biochemiczna. 2.3. Inform acja im m unologicz na. 2.4. Inform acja instynktu i behaw ioralna. 2.5. Inform acja intelektualna.
Inform acja jest term inem, wielopojęciowym, nawet w nauce. Dla m atem atyków inform acja jest wielkością m ierzalną, ale m iara doty czy ilościowego przekazu inform acji oraz potencjalnej pojemności informacyjnej danego układu. Tę sam ą liczbę liter możemy zamieścić w przypadkow ym ich zbiorze, w biblii wyrażonej w dowolnym języku lub w książce telefonicznej nawet w rzeczywistości nie istniejącego m iasta. Pojemność inform acyjna w każdym z tych przypadków będzie tak a sama, różny będzie sens informacji i jej przydatność.
Inform acja m a też jakieś znaczenie dla układów żywych. Przyjm ij my, iż układy żywe są zdolnymi do sam oodtw arzania, z określonym błędem, systemami cybernetycznymi, wykorzystującym i przepływa jące przez nie strumienie m aterii, energii i inform acji, oraz w yposażo nych, w stanowiące ich część, program odtw arzania, działania i samoregulacji. Jest to więc układ, którem u odpow iada modelowy system von N eum ana (1966) zdolny do sam oodtw orzenia z pom ocą specjalnego program u.
INFORMACJA GENETYCZNA
Program taki dla układów żywych to przede wszystkim program zapisany w tzw. informacji genetycznej organizmu. O znaczeniu tego program u, jego ewolucji pisałem od 1974 (K unicki-G oldfinger 1974, 1989, 1993) wiele razy. Postaram się w tym tekście zmieścić jak najmniej powtórzeń. Czytelnik oceni, czy mi się to udało.
Czego dotyczy inform acja genetyczna? Po pierwsze, co zresztą zostało dotychczas poznane najlepiej, inform acja ta określa, jakie
* Tekst referatu wygłoszonego na Sympozjum Informacja w nauce i filo zo fii w A TK dnia 26.10.1994 r. A utor przesłał ten artykuł jak o wyraz uznania dla O soby i osiągnięć naukow ych Ks. Prof. D r Mieczysława Lubańskiego z okazji Jego 70-tych urodzin.
białka organizm może produkow ać, a także kiedy, w jakiej części organizm u, w jakiej ilości będzie je produkow ał. Inform acja ta jest zapisana w strukturze kwasu dezoksyrybonukleinowego (DNA ), jedynie u części wirusów zapis ten mieści się w kwasie rybonuk leinowym (RNA ). Sposób zapisu informacji o budowie białek został już dokładnie poznany. Znam y kod genetyczny, który określa kolejność ułożenia am inokwasów w m ającym być budowanym łańcuchu białkowym; wiemy w jaki sposób ta inform acja, zaw arta w D N A jest przekazana na R N A oraz jaki jest m echanizm od czytywania jej przy syntezie białka. O tym, które białko, w jakim miejscu, w jakim czasie i z jak ą częstotliwością m a być syntetyzowane decyduje odrębna inform acja zapisana w D N A , zaw iadująca regula cją tymi procesami.
Regulacja przekazu i odczytywania informacji genetycznej jest procesem złożonym. Stosunkow o najlepiej poznano jej mechanizmy u wirusów oraz Prok aryo ta (bakterii), natom iast proces ten u tk a n kowców, regulujący też rozwój organizm u oraz jego reagowanie, jest o wiele bardziej skom plikow any i zaledwie częściowo poznany. Do zagadnienia tego powrócim y jeszcze w dalszej części referatu, a obecnie zastanowim y się nad zróżnicowaniem zasobu informacji u różnych organizmów.
Zasób informacji, zaw arty w D N A m ożna mierzyć długością helisy D N A , jej m asą cząsteczkową lub liczbą p ar zasad w helisie. U wirusów, nie będących organizm am i żywymi, a zdolnymi do włączania się do stru ktu r i funkcji organizm ów żywych, liczba par zasad może być tak m ała ja k kilka tysięcy, ale już u najprostszych żywych organizm ów - u bakterii, liczba p a r zasad jest rzędu 106, u bardziej złożonych P rotista (np. pierw otniaki, glony, grzyby) - 107, u najprostszych tkankow ców , u gąbek - 108, a u wyższych organiz mów - 109 i 1010.
W zasadzie więc w m iarę w zrostu złożoności organizmów zasób inform acji genetycznej wyraźnie rośnie. W zrost ten nie jest jednak rów nom ierny i często napotykam y różne odchylenia. N a przykład płazy bezogoniaste m ają ilość D N A rzędu 1011 p a r zasad, a liczne rośliny poliploidalne tyle lub nawet nieco więcej. Nie oznacza to, iż tak wielka ilość D N A jest jednocześnie zwiększeniem zasobu infor macji genetycznej. N adm iar D N A w tych przypadkach m a raczej charakter balastowy, choć w sposobie funkcjonow ania informacji genetycznej przypuszczalnie odgrywa jakąś rolę.
Jak zobaczymy potem tylko część zasobu informacji genetycznej pełni bezpośrednią rolę w kodow aniu białek.
W związku ze znaczeniem zasobu informacji genetycznej w arto podkreślić, że zasób taki może być zwiększany i ilościowo i
funk-cjonalnie przez zjawiska symbiozy. Przykładem m ogą być chloro plasty (ciałka zielone) roślin, dzięki którym rośliny są zdolne do fotosyntezy, wiązania C 0 2 i w ytwarzania tlenu, a będące uwstecz- nionymi sym biontam i sprzed m iliardów lat, wywodzącymi się z sinic (cyanobakterii).
Prowadzi nas to do zagadnienia roli, ja k ą gra zasób informacji genetycznej. Inaczej mówiąc, czy zasób informacji jest u wszystkich organizmów i zawsze tak samo wykorzystywany? Odpowiedź, oparta o liczne bakterie, jest: nie.
U bakterii zasób informacji jest wykorzystywany niemal w 100%, przy czym olbrzym ia jego większość jest zużywana na informacje 0 budowie białek. Tylko m ała frakcja służy m echanizm om regulacji. U wyższych organizmów jak aś część D N A wydaje się niewykorzy stana. N a kodow anie białek trzeba zaledwie kilku procent całego D N A , natom iast więcej D N A spełnia różne funkcje regulacyjne. U D N A wyższych organizm ów duża jego część m a charakter pow tarzalnych odcinków (sekwencji), czasem liczących wiele tysięcy. Pewna frakcja zdaje się nie spełniać jakiejś istotnej dla organizm u roli. Czasem określa się ją term inem „sam olubnego genu” , tj. takiego elementu D N A , który m a zdolność do samoreplikacji ale nie znana jest jego funkcja. Element taki nie może być w pełni „sam olubny” , gdyż istnienie jego w arunkow ane jest istnieniem genomu organizm u 1 przeżywaniem całego organizmu. M usi być zatem raczej neutralny lub prawie neutralny.
W ykorzystanie zasobu informacji genetycznej może też być zwię kszone. Przykłady tego zjawiska znajdujem y głównie u bakterii. W yjątkowo jeden odcinek D N A może kodow ać więcej niż jedno białko, z tym, iż kodujące odcinki tych białek rozpoczynają się w innych miejscach. Zwiększeniu możliwości w ykorzystania zasobu informacji genetycznej służy też tzw. rearanżacja genów. N a przykład pałeczka p aradurow a (Salmonella) może tworzyć dwa typy rzęsek, co zwiększa jej szanse przeżycia w zakażonym zwierzęciu. Przez od wrócenie małego odcinka D N A bakteria ta zyskuje możliwość syntezy białka jednego lub drugiego typu rzęski.
P odobne zjawisko do rearanżacji genów leży u podstaw zdolności tworzenia przy pom ocy nie tak wielu genów setek tysięcy przeciwciał przez np. ssaki. Opis tych złożonych procesów jest tu nie możliwy. Czytelnik który zainteresowałby się tymi zagadnieniam i może zna leźć prosty, popularny ale rzetelny ich opis w Życiu bakterii (Kunicki-Goldfm ger 1994).
Inform acja genetyczna jest powielana w procesie replikacji D N A i w zasadzie jest przekazyw ana pionow o - od pokolenia rodziciels kiego do pokolenia dzieci.
O statnio opisano najpierw u bakterii, a potem także u wyższych organizm ów, m echanizm y umożliwiające przekazywanie informacji genetycznej poziom o - między osobnikam i tego samego pokolenia, a naw et między organizm am i z sobą nie spokrewnionym i.
W każdym genomie istnieją odcinki D N A np. zwane sekwencjami insercyjnymi lub transpozonam i, które są zdolne do przemieszczania się wzdłuż helisy D N A , a naw et pom iędzy różnym i chrom osom am i. Odcinki te często zawierają w sobie gen lub kilka genów. Przemiesz czanie ich jest więc także przemieszczaniem genów. Przy udziale wielu wirusów lub pozachrom osalnych m ałych tworów D N A , nazy wanych plazm idam i, ruchom e odcinki wraz z zawartym i w nich genami m ogą wędrować pom iędzy organizm am i - poziom o. Nie osłabia to ogólnej zasady, iż inform acja genetyczna jest przekazyw a n a przede wszystkim pionowo. Należy jednak pam iętać, iż w m niej szym zakresie możliwe jest przekazywanie informacji genetycznej poziom o.
Czy człowiek korzystając ze swego intelektu, może jakoś wpływać na zasób informacji genetycznej i na jej przenoszenie? W ograniczo nym stopniu tak.
Przede wszystkim człowiek może wpływać na częstość w ystępowa nia niektórych genów przez działanie selekcji, zmieniając środowisko życia organizmu.
Przykładem , znanym zresztą chyba wszystkim, jest selekcja upraw nych i hodow anych roślin i zwierząt. Selekcja ta, prow adzona praw dpodobnie od rewolucji neolitycznej sprzed około dziesięciu tysięcy lat, doprow adziła do „stw orzenia” przez człowieka tysięcy ras i odm ian, wykazujących jakieś cechy wykorzystywane przez człowie ka. Takie nowe rasy i odm iany zwykle przeżywają tylko dzięki interwencji hodowcy, często będąc niezdolne do samodzielnego przeżycia w naturze. Innym przykładem , o wiele słabiej znanym, jest selekcja genów w społeczeństwie ludzkim. Selekcja tak a z reguły zachodzi wskutek stworzenia określonych w arunków środow isko wych i z reguły jest niezamierzona. U ludności zasiedlającej tereny, gdzie panuje m alaria, zwiększa się częstość genów w arunkujących zwiększoną oporność na m alarię. D obrze poznanym tego przy kładem jest anem ia sierpow ata (nazw ana tak, gdyż czerwone ciałka krwi m ają w niej kształt sierpa). Anem ia jest schorzeniem, ale w obecności m alarii nadaje człowiekowi oporność na zarazek zimnicy. To też na niektórych terenach m alarycznych frakcja ludno ści, mającej anemię sierpow atą jest duża. Wreszcie jeszcze innym przykładem jest unikanie teraz ujemnej selekcji wielu wad dziedzicz nych (np. krótkow zroczność, dziedziczna cukrzyca, fenyloketonu- ria).
W ostatnich dwudziestu latach człowiek zyskał możliwość m odyfi kow ania informacji genetycznej organizmów przez technikę in żynierii genetycznej. Praktycznie, działania takie podlegające zresztą dość rozbudow anym przepisom kontrolnym ograniczają się głównie do bakterii, dość rzadko do zwierząt i roślin hodowlanych.
R ozporządzam y zatem ograniczonym i możliwościami m odyfika cji informacji genetycznej żywych organizmów, ale z reguły i w zasa dzie pozostaje ona raczej poza kontrolą człowieka.
IN N E R O D Z A JE IN F O R M A C JI O R G A N IZ M U ŻY W EG O
Poza inform acją genetyczną organizmy żywe rozporządzają do d a tkow o innymi typam i informacji, pośrednio lub bezpośrednio zależ nych od genomu i niekiedy w pewnym stopniu przezeń k o n t rolowanych. Wymienić tu należy: a) informację topologiczną, b) informację biochemiczną, c) informację imm unologiczną, d) in formację instynktu i behawioru, e) informację intelektualną.
a) IN F O R M A C JA TO PO L O G IC ZN A
Jest to inform acja określająca form ę i strukturę organizm u, a także mechanizmy tworzenia tych struktur. Jej rola jest szczególnie duża i widoczna u wyższych organizmów, gdzie w procesie rozw oju od jaja do dojrzałego organizm u zachodzą uporządkow ane, przestrzennie i czasowo regulowane procesy.
Rozwój organizm u jest określany przez wybrane funkcje genomu. U tkankow ców funkcję tę spełnia w dużej mierze zespół genów, których rozmieszczenie przestrzenne i aktyw acja funkcji są ściśle określone. Nazywam y je zespołem hom eoboksu. Efekt takiego przestrzennie i czasowo ustrukturow ionego składnika genomu jest dobrze widoczny w eksperym entach nad klonowaniem organizmu.
Z zapłodnionych kom órek jajowych np. płaza umiemy usunąć ich ją d ra kom órkow e, a na ich miejsce wstawić jąd ra podobne np. z kom órek nabłonka jelitowego tego samego płaza. Również wszyst kie jąd ra kom órkow e kom órek nabłonka jelita danego organizm u są identyczne, przeto wszystkie enukleowane uprzednio kom órki jajowe otrzym ują identyczne jądra. W wyniku - z jaj takich pow staną pod względem genetycznym zupełnie identyczne osobniki, tworzące tzw. klon.
Zwróćmy uwagę, że ją d ra kom órkow e w różnych kom órkach spełniają tylko wybrane funkcje, a m nożąc się prow adzą do p o w stania w zasadzie takich samych kom órek. Te same jąd ra w prow a dzone do enukleowanych kom órek jajowych zaczynają spełniać inną rolę - taką rolę jak ą spełniałoby zapłodnione jąd ro jaja. Zaczynają
one kierować uporządkow anym procesem rozwoju od jaja do dojrzałego organizmu. Inform acja genetyczna tych jąder jest taka sam a ja k jąder funkcjonujących w kom órkach nabłonkow ych, ałe w ykorzystanie tej informacji jest zupełnie inne. O tym nowym sposobie wykorzystania zasobu informacji genetycznej decyduje przestrzenna struktura cytoplazm y kom órki jajowej, bezpośrednio przez tę strukturę aktyw owana. Jest to zatem inform acja przestrzen na - topologiczna.
b) IN F O R M A C JA B IO C H E M IC Z N A
anform acja biochemiczna, przejawiająca się jak o aktyw ność en zymów, jest ściśle zależna od informacji genetycznej. Obejmuje ona zestaw enzymów, jakim i organizm rozporządza, ich aktywność oraz czynniki je inaktywujące i stymulujące. Trwałość enzymów prze kracza często okres międzypodziałowy kom órek bakterii, a mieści się na ogól w funkcji czasu życia innych organizmów. Enzymy bywają aktywne poza kom órkam i je tworzącymi. Inform acja biochemiczna obejmuje też istnienie m atrycy R N A (m R N A ), na których zachodzi synteza swoistych białek. U bakterii m R N A jest bardzo nietrwałe i w zasadzie istnieje tylko w procesie syntezy danego białka. U wyższych organizmów m R N A może być bardzo trwałe. N a przykład erytrocyty ssaków, nie zawierające już jąd ra kom órkow ego, m ają w cytoplaźmie trwały m R N A kodujący białko hemoglobiny.
c) IN F O R M A C JA IM M U N O L O G IC Z N A
Jest to rodzaj informacji spotykany tylko u kręgowców, a w pełni ukształtow any u stałocieplnych kręgowców. Jest on bezpośrednio zależny od informacji genetycznej, a jest realizowany przez rearanża- cję genów, kodujących elementy składowe przeciwciał. Organizm jest zdolny do wytworzenia setek tysięcy różnych przeciwciał, które uczestniczą w inaktywacji zarazków i jadów , jakie m ogą się dostać do organizmu. R ola tej inform acji w ochronie zdrowia organizmów jest olbrzym ia. W 100 lat człowiek nauczył się aktywnie wykorzystywać ten typ informacji przeprow adzając szczepienia ochronne i leczenie.
d) IN F O R M A C JA IN S T Y N K T U I B EH A W IO R A LN A
Działanie i reakcje organizm ów żywych w dużej mierze zależą od zasobu informacji instynktowej. Inform acja ta, pośrednio pochodna i zależna od informacji genetycznej, tw orzona jest w rozwoju ewolucyjnym organizmów i przekazyw ana z pokolenia na pokolenia. Inform acja instynktu kształtuje reakcje i zachowanie organizmu, człowieka też, choć u człowieka reakcje intynktow ne są nieraz ham ow ane lub m odyfikowane przez czynniki kulturowe.
U wyższych zwierząt uzupełniającą rolę odgrywa inform acja behaw ioralna. Jest to zespół zachow ań zależny od informacji genety cznej i często przekazywany poprzez przyuczanie. Zachow anie się organizm u w społeczności, stosunek do innych organizmów nieraz form owane jest przez tak ą informację behaw ioralną, u człowieka często m odyfikow aną przez czynniki kulturowe.
M echanizm y i rola informacji instynktu są lepiej poznane u zwie rząt niż u człowieka, po prostu dlatego, że badane są przede wszystkim u zwierząt.
e) IN F O R M A C JA IN T E L E K T U A L N A
Inform acja intelektualna jest właściwa tylko jednem u gatunkowi zwierząt - człowiekowi. U zwierząt opisuje się zespół zachowań, nazywany p rotokulturą. N a pewno zwierzęta wyższe tw orzą i w yko rzystują symbole ikoniczne (obrazowe). Czy nawet „najwyższe” zwierzęta, np. m ałpy człekoształtne, tw orzą symbole abstrakcyjije dotychczas nie wiemy, nie rozporządzając m etodą ich badania. Zwierzęta nie mówią, choć nieraz m ają cały system sygnałów dźwiękowych. Sygnały te nie przekazują jednak symboli i reakcji pom iędzy nimi, a jedynie informacje w wykrywalnych zm ianach otoczenia. Zwierzęta, np. małpy, uczą się nowych zachowań, m odyfi kują stare zachow ania, robią czasem nowe wynalazki (nowych zachowań), ale przekaz informacji międzyosobniczy jest bardzo ograniczony a zasób informacji protokulturow ej nie podlega kum u lacji.
Intelekt człowieka i wywodząca się z niego k ultura budow ane są na zdolności do tworzenia symboli abstrakcyjnych oraz relacji między nimi oraz od zdolności do mówienia, a także od uczenia się. W mowie nie przekazujem y wyłącznie sygnałów o obserwowanych zdarze niach, ale dzięki w ielokrotnem u składaniu sylab możemy tworzyć tysiące słów, oznaczających symbole ikoniczne i abstrakcyjne oraz relacje między nimi. Dzięki składni zdolni jesteśmy do w ypow iadania opisu obrazów, modeli, planów, przewidywań.
Pojęcia abstrakcyjne oraz m owa w oczywisty sposób w arun kowane są rozwojem mózgu. Nie wiemy kiedy H om inidy zaczęły mówić, ale na pewno mówi Homo sapiens oraz mówił Homo
neanderthalensis. Nie wykluczone, że m ow a i tworzenie bogactwa
symboli abstrakcyjnych poprzedzi! um iarkow any rozwój mózgu u naszego pierwszego „m ałpoludzkiego” p rzo d k a, Austrolopithecus, kilka m ilionów lat temu. A ustrolopitek chodził już na dwóch nogach, choć mógł być gorszym biegaczem niż człowiek. Zdolny był też łazić po drzewach, miał zatem szeroki zakres różnych ruchów. M iał też dłoń podobniejszą do dłoni człowieka niż do małpiej, o stosunkow o
dużej precyzji m anipulow ania oraz rzucania do celu. Był też p a d linożercą, m usiał więc być zdolny do szybkiego wykrywania padliny i docierania do niej. Przypuszczalnie korzystał z bardzo prym ityw nych narzędzi kamiennych, służących do ćw iartow ania padliny oraz korzystania z jej m ózgu i szpiku. Praw dopodobnie korzystał też z prymitywnych narzędzi drewnianych i roślinnych, głównie do transpo rtu żywności. Stymulowany przez te czynniki powolny rozwój m ózgu w pewnym momencie osiągnął poziom umożliwiający mówienie. Sprzyjał temu, ja k się wydaje, rozwój stosunków społecz nych (np. zaham ow anie agresji wewnątrz hordy, rozbudow a k o operacji, udoskonalenie sposobów porozum iew ania się, ograniczona m onogam ia i włączenie samca w proces żywienia młodych).
Wiele wskazuje na to, że rację m a Chom sky (1968) postulując istnienie w m ózgu stru ktur funkcjonalnych, warunkujących zdolność do mówienia. W ydaje się też, że inne struktury funkcjonalne mózgu w arunkują sposób pam iętania i rozum ow ania (patrz np. Popper
1972).
Dzięki mowie udoskonalił się sposób przekazywania informacji. Jest ona przekazyw ana pionowo, między pokoleniam i oraz poziom o między różnym i osobnikam i. Zwróćmy uwagę, iż inform acja intelek tualna m a charakter cech nabytych w życiu osobniczym, a więc jej przekaz wykazuje właściwości procesu opisanego przez Lam arcka. Jest to dziedziczenie cech nabytych. Proces przekazywania takich cech i ich „dziedziczenie” jest bardzo szybki, a w porów naniu z dość powolnym procesem ewolucji darwinowskiej niemal natychm ias towy. Opis tego procesu znajdziemy w książce Cavalii-Sforzy i Feld m ana (1981). Przekaz ten m a wyraźne cechy kum ulatywności. Już kiedy przekaz opierał się tylko na słowie mówionym kum ulacja informacji była dobrze widoczna. Dotyczyła nie tylko mitów, legend i wierzeń religijnych, ale opisów zdarzeń historycznych (np. Iliada) oraz opisów i technik działania i planow ania. Proces kumulacji doskonalił się po wynalezieniu pisma. Przekaz odbierany jest zatem także od pokoleń, które dawno wymarły.
T a spraw ność systemu przekazu oraz rosnące coraz możliwości kumulacji informacji legły u podstaw zachow ań europejskiej nauki i opierającej się na niej technologii.
Sprawy ludzkie i międzyludzkie są jednak niesłychanie złożone i wieloelementowe. M etody opracow ane w nauce i technice z reguły tu zawodzą.
Poza zasobem informacji, wiedzą, potrzebna jest m ądrość, okreś lająca cele, zakres i sposób wykorzystania informacji. M ądrości nie umiemy mierzyć, choć chyba jakoś ją rozpoznajemy. M ądrość działa jednak poprzez system wartości, tak jak norm y m oralne, tw orzone są
poza wiedzą i nauką. O m oralności jednak więcej wiedzą tu nasi słuchacze niż ja sam - jak o biolog.
PIŚ M IE N N IC T W O
Cvalli-Sforza L. L., Feldm an W.: Cultural transmission and evolution. A quantitative
approach, Princeton University Press, Princeton, N . 1, 1981.
Chom sky N.: Language and mind, H areurt, Bruce, W orld, 1963.
K unicki-G oldfm ger W. J. H.: Dziedzictwo i przyszłość. Rozważania nad biologią
molekularną, ewolucją i człowiekiem, PW N , W arszawa, 1974.
KuniCki-Goldfinger W. J. H.: Szukanie możliwości. Ewolucja ja ko gra przypadków
i ograniczeń, PW N , W arszawa, 1989.
K unicki-G oldfm ger W. J. H.: Z n iką d donikąd, PIW , W arszaw a, 1993.
K unicki-G oldfm ger W. J. H.: Życie bakterii, W ydanie VI. W ydaw nictwo N aukow e PW N , W arszawa, 1994.
N eum ann von J.: Theory o f self-reproducing automataed, Barks E. J.: U niversity o f Illinois Press, U rbana 1966.
P opper K. R.: Objective knowledge: an evolutionary approach, O xford U niversity Press, O xford, 1972.
