Публикация 2 — НАУЧНО-ИНЖИНИРИНГОВАЯ КОМПАНИЯ "МАТРИОН"

Резюме: В статье рассматриваются общебиологическая проблематика определения значения терминов «ген» и «признак», а так же следствия «размывания» их значений. Высказываются соображения о пределах применимости статистических методов в биологии и медицине применительно к изменчивой живой материи в контексте непрерывно растущего числа получаемых данных. Делаются обобщения и предлагаются уточнения определений базовых понятий биологии, что создает возможность раскрытия механизмов наследования в новых и существенных взаимосвязях.

Ключевые слова: ген, признак, динамическая система, система управления, механизмы наследования.

Преобладающим направлением генетических исследований за всю историю их развития являлась идентификация процессов синтеза белковых молекул, связанных с заданными локусами молекулы ДНК и их метаболические цепочки. В связи с успехами секвенирования и завершением проекта «Геном человека» естественное развитие приобрели новые научные направления, такие как геномика, протеомика, метаболомика и другие,формой деятельности которых стала обработка накопившихся больших объемов данных, потребовавших развития нового уровня обобщений,отразившихся в формировании биоинформатики и системной биологии [1, 5].

Каждое живое существо с необходимостью наделено, кроме прочих, диалектической парой свойств – наследственностью и изменчивостью. Наследственность, материальным носителем которой является молекула ДНК, обеспечивает помехоустойчивое сохранение удачных с точки зрения элементарных эволюционных факторов свойств и, тем самым, экономит популяции резервы для развития. Очевидны, в таком случае, пределы развития популяции идентичных особей – ареалы будут заполнены и исчерпают ресурсы обеспечения, что ограничит как количество особей, так и качество их адаптаций. Таким образом в эволюции живой материи сохранились и закрепились такие свойства информационной системы наследования, которые обеспечивали разнообразие фенотипических портретов генетического кода: диалектическое противоречие, заключающееся в необходимости сохранять достигнутые свойства и приобретать новые черты, было решено посредством увеличения числа «степеней свободы» в развертывании фенотипа во внешней среде.

Один и тот же ген по-разному формирует фенотипический признак, взаимодействуя со средой и другими генами, а также признаки формируются посредством взаимодействия сообществ генов, что существенно увеличивает фенотипическое разнообразие адаптаций и делает их гибким инструментом взаимодействия со средой.Многочисленные аллельные и неаллельные взаимодействия, сцепление в группах и с полом только среди двадцати тысяч генов, кодирующих белки дает астрономическое число их фенотипов. Например, системы эритроцитарных антигенов групп крови с десятками известных антигенов или система главного комплекса гистосовместимости HLA по количеству возможных фенотипических комбинаций превышают число со ста пятьюдесятью нулями.

Актуальные в настоящее время методы внедрения мутантных форм белков в ферментные системы с целью анализа изменения их поведения так же предполагают неопределенно большие затраты времени и средств ввиду только количественной сложности и многообразия белковых компонентов метаболических цепей. Таким образом к настоящему времени пределы разумного применения статистических и феноменологических методов в биологии заметным образом начинают ограничиваться.

Живая материя, предназначенная для реализации свойства изменчивости, потребует неограниченных затрат времени на раскрытие многообразия зависимостей и связей, заложенных в генетическом коде в ходе эволюции. В периодической печати в течение многих лет продолжается дискуссия относительно числа генов, имеющихся в составе генетического аппарата человека, породившая необходимость нового определения термина «ген», поскольку известное устройство генетического аппарата свидетельствует о многообразии кодирующих и некодирующих последовательностей,псевдогенов, антисмысловых последовательностей, локализованных как в ДНК, так и в РНК [6, 7]. Прямым следствием этой дискуссии стало и определение термина «биологический признак», связь с которым является предметом изучения генетики и биоинформатики.

В энциклопедических изданиях определение биологического признака, как одного из базовых понятий биологии, в наиболее общем виде удается найти в словаре ботанических терминов киевского издательства «Наукова думка»,выпущенном в 1984 г. под ред. д.б.н. И.А. Дудки [4] и в учебниках биологии,например, в учебнике для медицинских ВУЗов под ред. акад. В.Н. Ярыгина [3], где определения так же даются в общем виде в зависимости от контекста – наследуемый признак в онтогенезе, как менделевский наследственный задаток; или признак, как отличие особей одного вида в популяции; или признак, возникший в эволюции видов и групп, отличающий таксономические категории; как мера биохимической, физиологической или наследственной дискретности организма и так далее.

Вывод: Достижения современной науки, таким образом, позволяют очертить рубеж, преодоление которого в настоящее время необходимо, и, по-видимому, должно быть связано с пересмотром и расширением арсенала методов, применяемых до настоящего момента в биологии, генетике и биоинформатике. Статистический подход демонстрирует тенденцию неопределенного расширения ареалов научного поиска, связанную, в том числе, с «размыванием» значения базовых определений гена и признака, введенных в науку многие десятилетия назад. Актуальность развития новых аналитических методов изучения биологии, генетики и информатики, таким образом связывается с необходимостью внедрения когнитивной формы представления данных о системе генетического кодирования [2], что рассматривается, как способ классификации, накопления и обработки биоинформационных данных в новых и существенных взаимосвязях генов ,признаков и среды во времени и пространстве.

Научным направлением, раскрывающим существо сложных, в том числе информационных систем в условиях неопределенности, является структурная и параметрическая идентификация их моделей – прикладная задача, введенная в биологию академиком К.В. Фроловым в 60-х годах ХХ века. Эта задача решается согласованием пространственных, временных, алгоритмических и логических параметров живой материи, значения которых отличаются иногда на десятки порядков, в рамках единой теоретико-математической модели. Мы раскрываем своим студентам существо генетического кодирования в живом организме, как пример многоуровневой иерархии процессов управления веществом, энергией и информацией - такой подход позволяет, по меньшей мере, рассмотреть эту систему управления признаками, как познаваемую, используя давно известные из техники и кибернетики смысловые конструкции: биологический признак рассматривается, как динамическая система, геном – как система управления признаками, а ген – как формальная запись параметров динамической системы.

Литература:

1. Васильев Г.В. Геномика / Г. В. Васильев // Вавиловский журнал генетики и селекции – 2014. – Т. 18 – № 1 – 158–165 с.2.
2. Петухов С.В. Матричная генетика, алгебры генетического кода,помехоустойчивость / С. В. Петухов – М.- Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2008.– 316 c. - С. 15.
3. Ярыгин В.Н. Биология. В 2 кн. Кн. 1: Учеб. для медиц. спец. ВУЗов. Под ред. В.Н. Ярыгина. — 5-е изд., испр. и доп. / В. Н. Ярыгин, В. И. Васильева,И. Н. Волков, В. В. Синельщикова – М.: Высшая школа, 2003.– 432 c.
4. Биологические признаки [Электронный ресурс]. URL:https://botanical_dictionary.academic.ru/2165/БИОЛОГИЧЕСКИЕ_ПРИЗНАКИ.
5. Condon A. Will biologists become computer scientists? / A. Condon, H.Kirchner, D. Larivière, W. Marshall, V. Noireaux, T. Tlusty, E. Fourmentin //EMBO Rep. – 2018. – Vol. 19 – № 9 – e46628.
6. Lander E.S. Initial sequencing and analysis of the human genome / E. S. Lander,L. M. Linton, B. Birren, M. J. Morgan // Nature – 2001. – Vol. 409 – № 6822 –860–921 р.
7. Salzberg S.L. Open questions: How many genes do we have? // BMC Biol. –2018. – Vol. 16. – № 1. – 94 р.

Три кита современной биологии

Любое использование наших материалов допускается только при соблюдении правил перепечатки и при наличии ссылки на оригинал статьи