Explore
Also Available in:

ДНК – лучшая система хранения информации

Джонатан Сарфати
Перевод: Алексей Калько (creationist.in.ua)

Illustration ©iStock.com/BlackJack3D10409-DNA

Живые существа не только обладают чрезвычайно сложными механизмами, они также содержат «инструкцию», чтобы создавать эти механизмы, которую можно рассматривать как своего рода «книгу рецептов», запрограммированную в знаменитую молекулу в форме «двойной спирали» – ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). Во многих статьях и книгах мы указывали на две её удивительные особенности:

  1. Огромная информационная ёмкость, затмевающая самое современное компьютерное оборудование.
  2. Неожиданная химическая нестабильность.

Недавние высокотехнологичные эксперименты по хранению информации ещё больше подтвердили наши статьи.

Энциклопедическое хранилище информации

Информация в ДНК записывается с помощью четырёх различных химических «букв»: А, Т, Ц и Г.1 Эти буквы имеют очень важное свойство, которое позволяет передавать информацию: А образует пару только с T, а Ц – только с Г. Благодаря химической структуре нуклеиновых оснований, каждая пара похожа на ступеньку спиральной лестницы – знаменитой формы «двойной спирали». Каждая молекула ДНК имеет две нити, фактически, стороны этой «спиральной лестницы». Пары букв образуют ступени, Т всегда напротив Ц, а А всегда напротив Г. Две нити могут быть разделены и скопированы независимо друг от друга, чтобы сформировать ДВЕ спирали, нити которых представляют собой точные копии исходной информации.

Копирование происходит намного точнее, чем могла бы обеспечить лабораторная химия, потому что существуют механизмы исправления (проверки и корректировки ошибок), также закодированные в ДНК. Эти механизмы обеспечивают частоту ошибок на уровне менее чем одна на 100 миллионов букв.2 Но, поскольку сами исправляющие механизмы нуждаются в надлежащей корректировке и исправлении в процессе своего изготовления, как информация для создания этих механизмов могла бы передаваться точно, прежде чем этот механизм появился и начал работать правильно? Можно сразу отбросить предположение, что точность может быть достигнута поэтапно путём отбора, потому что высокая степень точности необходима для предотвращения «катастрофы ошибок» изначально, из-за накопления «шума» в виде мусорных белков, закодированных повреждённой ДНК.

Сегодня мы знаем, что каждая из наших клеток – а их около ста триллионов в человеческом теле — содержит приблизительно три гигабайта информации.3 Это невероятно высокая плотность записи информации, около 1000 терабайт на кубический миллиметр (ТБ/мм3).4 Даже самое простое живое существо – крошечный микроб микоплазма – содержит около 600 килобайт.5 И даже его геном, похоже, имеет невероятно высокую степень сжатия. Группе биоинженеров во главе с Маркусом Ковертом из Стэнфордского университета удалось смоделировать жизнедеятельность этого «простого» микроба с помощью компьютеров.6 В одной из статей о попытках смоделировать процессы, участвующие в клеточном делении этого микроба, говорится:

«Поражает то, какая мощность необходима, чтобы частично имитировать этот простой организм. Для этого потребовалась работа кластера из 128 компьютеров в течение 9–10 часов, чтобы фактически сгенерировать данные по 25 категориям молекул, участвующих в процессах жизненного цикла клетки»7.

Теоретически, если отбросить ограничения, связанные с функционированием клеток, ДНК может хранить информацию с плотностью в тысячу раз больше, чем в клетке, то есть около миллиона ТБ/мм3. Если бы мы могли сделать компонент запоминающего устройства на 1 гигабайт с помощью ДНК, он был бы в диаметре тоньше человеческого волоса.8

commons.wikimedia.org10409-DNA-DAPI
Молекула DAPI, застрявшая в выемке двойной спирали ДНК

ДНК является нестабильной

ДНК – это очень сложная молекула, и на самом деле очень неустойчивая. Исследователям ДНК часто приходится хранить её в жидком азоте при температуре –196 °C (77 K), и даже такая низкая температура не полностью останавливает распад.

«Существует распространённое мнение, что ДНК является "прочной как камень" – очень стабильной», говорит Брандт Эйхман, адъюнкт-профессор биологических наук в Университете Вандербильта, который руководил проектом. На самом деле ДНК обладает высокой реакционной способностью. В среднем каждый день в клетке человека повреждаются около миллиона оснований ДНК».9

К счастью, в наших клетках имеется много сложных ремонтных механизмов, чтобы исправить эти химические повреждения.10 Но большинство скептиков считают, что жизнь развилась в первобытном бульоне,11 который не имел таких механизмов (не говоря уже об отсутствии каких-либо доказательств, что он вообще существовал).12 Таким образом, даже если бы ДНК каким-то образом удалось спонтанно сформироваться, она бы долго не выжила.13

ДНК в костях динозавров

В течение последних двух десятилетий14 доктор Мэри Швайцер, хотя считает себя (теистическим) эволюционистом, сотрясает эволюционный (униформистский) мир открытиями мягких тканей в костях динозавров.15,16 Эти открытия включают связки, кровь и костные клетки; гибкие кровеносные сосуды;17 белки, например, коллаген,18,19 остеокальцин,20,21 актин и гистоны, а главное – ДНК22,23 Её команда обнаружила ДНК тремя независимыми способами, в том числе с помощью красителя DAPI,24 молекулы которого застревают в небольших выемках двойной спирали ДНК. Это показывает, что ДНК осталась достаточно неповреждённой, так как короткие нити ДНК длиной до 10 «букв» не образуют стабильные двойные цепочки.

Однако недавняя статья о стабильности ДНК даёт оценку, что даже при хранении в костях она полностью разрушится, вплоть до отдельных «букв» через 22 000 лет при 25 °C, через 131 000 лет при 15 °C, 882 000 лет при 5° C; и через 6 830 000 лет при температуре –5 °C.25 Таким образом, исследователи констатируют:

«Тем не менее, даже в лучших условиях сохранения при –5 °С, наша модель предсказывает, что в цепочке ДНК не останется целых связей (средняя длина = 1 п.о. [пара оснований]) после 6,8 млн лет. Это показывает крайнюю невероятность возможности амплифицировать фрагмент ДНК длиной 174 п.о. из кости мелового периода возрастом 80–85 млн лет».26

Отметим также, что динозавры жили в основном в тёплом климате, в условиях которого ДНК распадалась бы ещё быстрее, согласно вышеупомянутым данным.

ДНК как компьютерное хранилище информации

Производители компьютеров всегда пытаются увеличить плотность записи информации в запоминающем устройстве своего аппаратного обеспечения. Неудивительно, что некоторые из них смотрят в сторону ДНК из-за её превосходных качеств.

Ещё одной проблемой, которую им нужно решить, является хранение данных в течение длительного срока. Обычные жёсткие диски не могут прослужить больше нескольких десятилетий и являются уязвимыми к воздействию магнитных полей, высоких температур, влажности и просто механическим повреждениям. Даже новые твердотельные накопители должны быть подключены к источнику питания, иначе их данные будут потеряны в течение нескольких месяцев.

Оказывается, ДНК может быть решением этой проблемы. Конечно, она не в состоянии выдержать предполагаемые эволюционные временные рамки, но она может прослужить дольше, чем вышеупомянутые альтернативы. Роберт Грасс и его команда из престижного университета ETH27 в Цюрихе (Швейцария) разработали перспективную технологию.28

Сперва они закодировали 83 килобайта письменной информации в 4 991 сегментах ДНК длиной в 158 «букв» каждый. Сегменты должны быть такими короткими из-за ограничений современной технологии. Тогда как молекулы ДНК в наших клетках содержат от 50 до 250 млн «букв».

Затем они защитили хрупкую ДНК путём её инкапсуляции в сферы из кварцевого стекла диаметром 150 нанометров29 (размером с вирусы). Для восстановления ДНК сферы растворялись в растворе фторида, что не вредит ДНК.

Фактически, эксперимент состоял в том, чтобы выяснить, в течение какого времени ДНК сможет сохраниться. Очевидно, что эксперименты продолжительностью тысячи лет не реализуемы на практике, но хорошо известно, что скорость реакции строго зависит от температуры.30 Таким образом, время можно заменить на температуру. Команда исследователей хранила ДНК при температуре до 60–70 °С в течение одного месяца, что эквивалентно 10000 лет в холодильнике при 4 °С. Они обнаружили, что 8% последовательностей было потеряно и большинство последовательностей имели по крайней мере одну ошибку. Но они также использовали помехоустойчивые коды, поэтому информация могла быть восстановлена. В случае, если ДНК заморозить до –18 °C, она могла бы сохраниться более 2 миллионов лет.

Вывод

Это передовое исследование подчёркивает впечатляющую технологию, которую наш Создатель заложил во все живые существа. Лучшие компьютерные технологи человечества не могут превзойти эту самую компактную систему хранения информации из известных, поэтому они заимствуют её. Исследование также показывает, что даже при искусственной защите с помощью наноскопических сфер из кварцевого стекла и снижения температуры до значений, гораздо меньших, чем в местах, где обычно находят кости динозавров, ДНК не может просуществовать столько, сколько эволюционисты приписывают окаменелостям динозавров.

Ссылки и примечания

  1. Аденин, цитозин, гуанин и тимин. Они являются частью строительных блоков, называемых нуклеотидами, которые состоят из трёх частей: сахара дезоксирибозы, фосфата и основания (А, Ц, Г или Т). В РНК используется урацил (У) вместо тимина и рибоза вместо дезоксирибозы. Назад к тексту.
  2. Kunkel, T.A., DNA Replication Fidelity, Biological Chemistry 279:16895–16898, 23 апреля 2004 г. Назад к тексту.
  3. Для простоты я рассматриваю каждую «букву» ДНК как «байт» информации, что соответствует верному порядку цифр, и у нас есть 3,17 млрд пар оснований (п.о.). В действительности, поскольку есть четыре варианта букв, одна буква может хранить два бита информации, и у нас есть две копии генома в каждой клетке, поэтому 6,34 млрд п.о. Назад к тексту.
  4. Borthine, D., DNA storage could preserve data for millions of years, gizmag.com, 18 февраля 2015 г. Назад к тексту.
  5. Fraser, C.M., и др., The minimal gene complement of Mycoplasma genitalium, Science 270(5235):397–403, 1995 г.; обзор Goffeau, A., Life with 482 Genes, тот же номер, стр. 445–446. Они сообщили о 582 000 оснований ДНК или «букв». В других отчётах приводят другие цифры, но все в пределах того же порядка. Назад к тексту.
  6. Karr, J.R. и др., A whole-cell computational model predicts phenotype from genotype, Cell 150(2):389–410, 20 июля 2012 г. Назад к тексту.
  7. Madrigal, A.C., To model the simplest microbe in the world, you need 128 computers, theatlantic.com, 23 июля 2012 г. Назад к тексту.
  8. ‘Ryan’, The amazing history of information storage: how small has become beautiful, numbersleuth.org, 30 августа 2012 г. Назад к тексту.
  9. Salisbury, D.F., Newly discovered DNA repair mechanism, Science News, sciencedaily.com, 5 октября 2010 г. Назад к тексту.
  10. Sarfati, J., New DNA repair enzyme discovered, creation.com/DNA-repair-enzyme, 13 января 2010 г. Назад к тексту.
  11. О проблемах с материалистической идеей, что жизнь развилась из неживых химических веществ см. creation.com/origin и Sarfati, J., By Design, гл. 11, 2008 г. Назад к тексту.
  12. Брукс и Шау отметили: «Если когда-либо существовал первобытный бульон, то можно было бы ожидать найти хоть где-то на этой планете либо массивные отложения, содержащие огромное количество различных азотистых органических соединений – кислот, пуринов, пиримидинов, и им подобных; либо в более метаморфизованных отложениях мы должны были бы найти огромное количество азотистых коксов. Фактически такие материалы не были найдены нигде на Земле». Origins and Development of Living Systems, стр. 359, 1973 г. Назад к тексту.
  13. Многие скептики считают, что жизнь началась с подобной молекулы, называемой РНК (рибонуклеиновая кислота). Но она ещё менее стабильнаа, чем ДНК, так же, как и её компоненты, такие как сахар рибоза.Джон Хорган признает в статье «Учёные не имеют понятия, как возникла жизнь»: «Ногипотеза “мира РНК” остаётся проблематичной. РНК и её компоненты трудно синтезировать в самых благоприятных условиях, в лаборатории, не говоря уже о правдоподобных пребиотических условиях. … Гипотеза мира РНК настолько неудовлетворительна, что некоторые разочарованные учёные прибегают к более странной – в буквальном смысле – спекуляции». Для тех, кто интересуется химией, больше химических проблем с идеей «мира РНК» можно найти на creation.com/rna. Назад к тексту.
  14. Хороший обзор в статье Кетчпул, Д., Переполох в палеонтологическом королевстве, Creation 36(1):12–14, 2014; creation.com/dino-disquiet-russian. Назад к тексту.
  15. Schweitzer, M.H. и др., Heme compounds in dinosaur trabecular bone, PNAS 94:6291–6296, июнь 1997 г. Назад к тексту.
  16. Wieland, C., Sensational dinosaur blood report! Сreation 19(4):42–43, 1997; creation.com/dino-blood. Назад к тексту.
  17. Смит, К., Мягкие ткани динозавров: Отчаянно пытаясь сохранить идею о миллионах лет, эволюционисты обратились к железу, creation.com/dinosaur-soft-tissue-russian, 28 января 2014 г. Назад к тексту.
  18. Schweitzer, M.H. и др., Biomolecular characterization and protein sequences of the Campanian hadrosaur B. canadensis, Science 324(5927):626–631, 1 мая 2009 г. Назад к тексту.
  19. Wieland, C., Dinosaur soft tissue and protein—even more confirmation! creation.com/schweit2, 6 мая 2009 г. Назад к тексту.
  20. Другие исследователи обнаружили остеокальцин, «датированный» 120 млн лет: Embery G. и др., Identification of proteinaceous material in the bone of the dinosaur Iguanodon, Connective Tissue Res. 44 Supplement 1:41–6, 2003 г. В реферате сказано: «первая элюированная фракция была иммунореактивна к антителам против остеокальцина». Назад к тексту.
  21. Sarfati, J., Bone building: perfect protein, Creation 18(1):11–12, 2004; creation.com/bone. Назад к тексту.
  22. Schweitzer, M.H. и др., Molecular analyses of dinosaur osteocytes support the presence of endogenous molecules, Bone 52(1):414–423. Январь 2013 г. Назад к тексту.
  23. Сарфати, Д., В костях динозавров найдены ДНК и костные клетки, Creation 27(1):10–12, 2013; creation.com/dino-dna-russian. Назад к тексту.
  24. 4',6-диамидино-2-фенилиндол, флуоресцентный краситель. Назад к тексту.
  25. Allentoft, M.E. и др., The half-life of DNA in bone: measuring decay kinetics in 158 dated fossils, Royal Society B 279(1748):4724–4733,7 декабря 2012 г. Назад к тексту.
  26. Allentoft и др., ссылка 25. Назад к тексту.
  27. Eidgenössische Technische Hochschule (немецкий) = Федеральный технический колледж. ETH Zurich занимает 3-е место в рейтинге лучших университетов мира в области инженерии, науки и техники. Назад к тексту.
  28. Glass, R.N. и др., Robust chemical preservation of digital information on DNA in Silica with error-correcting codes, Angewandte Chemie [Applied Chemistry] 54(8):2552–2555, 16 февраля 2015 | DOI: 10.1002/anie.201411378. Назад к тексту.
  29. 1 нанометр (нм) = 10-9 м. Нить ДНК имеет 2,5 нм в диаметре. Назад к тексту.
  30. Скорость реакции экспоненциально зависит от температуры, согласно знаменитому уравнению, выведенному в 1889 году шведским физическим химиком, лауреатом нобелевской премии Сванте Аррениусом (1859–1927). Оно определяет зависимость константы скорости химической реакции (k) от абсолютной температуры (Т) и энергии активации Еа: k = A exp (–Ea/RT), где R – универсальная газовая постоянная, А – экспериментально определяемая постоянная. Назад к тексту.

Статьи по теме

Дальнейшее чтение

Helpful Resources