Czy informację biologiczną można podsłuchiwać?

20 lat temu używanie do opisu ,,życia'' wielkości abstrakcyjnych było uznawane za herezje wygłaszane przez nawiedzonych ,,psychotroników'' i autorów powieści fantastyczno-naukowych. W chwili obecnej nikt nie podważa faktu, że w organizmie – zbudowanym z komórek /podstawowej jednostki strukturalnej i funkcjonalnej/, a na poziomie molekularnym z ogromnej ilości ,,molekuł'', których „zachowanie” jest nieprzewidywalne /nieprzewidywalny wybór stopnie swobody / – zachodzi bezustanna wymiana informacji służąca zarówno skoordynowaniu działania komórek, jak i regulacji tego działania. Nikt nie podważa tego, że między organizmem a środowiskiem zewnętrznym zachodzi bezustanna wymiana informacji i nie ma przesłanek do stwierdzenia, że istnieją „typy informacji” i „obiekty” nie podlegające tej regule. „Informacja to wielkość abstrakcyjna, która może być przechowywana w pewnych obiektach, przesyłana między pewnymi obiektami, przetwarzana w pewnych obiektach i stosowana do sterowania pewnymi obiektami, przy czym przez obiekty rozumie się: organizmy, urządzenia techniczne oraz systemy takich obiektów „. [1] Nośnikiem informacji może być każdy rodzaj materii i energii /informacja może być przenoszona na wielu nośnikach równocześnie/. Im więcej jest możliwości wyboru /im większe nieuporządkowanie i ilość stopni swobody / tym więcej informacji /”odpowiedzi na pytania”/ trzeba, by wybór ograniczyć. Przyjmuje się, że do przenoszenia informacji służą kanały informacyjne-uniwersalne układy łączności działające wg schematu: źródło informacji – nadajnik zakodowanych sygnałów – kanał informacyjny – odbiornik sygnałów – odbiornik odczytujący zakodowane sygnały w postaci, jaką nadało mu źródło. Jeżeli dwa „obiekty” połączone są , jednokierunkowo, kanałem informacyjnym i jeden z nich przekazuje informacje drugiemu, to taką sytuację nazywa się sterowaniem, a owe „obiekty”, odpowiednio, sterującym i sterowanym. „Obiekt” sterujący musi być zaprogramowany w celu uzyskania określonego stanu lub działania „obiektu” sterowanego /poprzez wybór, a więc określenie stopnia swobody/. Pobór informacji ze źródła informacji zaburza poziom informacji w tym źródle, co również jest informacją. Jeżeli w odpowiedzi na sygnał / następstwo w czasie i przestrzeni/ „obiekt” sterowany działa zwrotnie na „obiekt” sterujący modelując jego stan lub działanie, to jest to układ regulacyjny działający na zasadzie sprzężeń zwrotnych. Układ regulacyjny cechuje stały przepływ informacji między „obiektem regulującym” a „obiektem regulowanym” /zawsze jednokierunkowo/. „Obiekt regulujący”, po porównaniu wielkości sygnału regulowanego z wielkością zaprogramowaną /komparator/, pobudza „obiekt regulowany” odpowiednim sygnałem. W odpowiedzi „obiekt regulowany”, zmieniając swój stan lub działanie, wysyła do „obiektu regulującego” sygnał zawierający informację o zmianie, która w zależności od swojej „wielkości” słabiej lub mocniej hamuje działanie regulatora. W wyniku porównywania /odejmowania/ sygnału regulowanego z sygnałem zaprogramowanym powstaje sygnał błędu, który wpływa na stabilizację działania regulatora. Dziś wiadomo, że definicja informacji /przytoczona na wstępie/, zawężająca pojęcie „obiektów” do organizmów żywych i wytworów ich działania jest definicją niepełną. Jeżeli nośnikiem informacji może być każdy rodzaj materii i energii, to każdy rodzaj materii i energii może być źródłem informacji /tak na poziomie cząsteczki, atomu czy np. cząstek elementarnych jak i na poziomie całych „systemów” takich „obiektów”/. Uznaje się, że w organiźmie człowieka, kanałami informacyjnymi łączącymi poszczególne części jego ciała są układy: nerwowy i krwionośny. Działanie układu nerwowego jest nadrzędne, ponieważ integruje, reguluje i koordynuje wszystkie funkcje organizmu. Schemat sieci, tworzonej przez układ nerwowy, uznawany jest za przykład uniwersalnego układu łączności odnoszącego się zarówno do układów biologicznych, przyrody nieożywionej jak i urządzeń technicznych. Sygnałami przenoszącymi informacje jednokierunkowo, wzdłuż komórek nerwowych i ich wypustek /aksonów/ są impulsy nerwowe. Ocenia się, że przez skórę, oczy i uszy dociera do organizmu człowieka ze środowiska zewnętrznego 109 bitów informacji w czasie 1s. /1 impuls nerwowy to 1 bit/, z czego do świadomości „statystycznego człowieka” dociera z nich 10-7 [2]. Oceny te opierane są na znanych „wejściach” do kanału informacyjnego /receptory/ i „wyjściach” sygnałów czyli efekcie działania przekazanego sygnału /znanym efekcie/. Nikt, nawet w przybliżeniu, nie ośmiela się stosować powyższej „metody badawczej” do oceny ilości informacji docierającej do układu nerwowego z wnętrza organizmu człowieka. Dla przeciętnego człowieka układ nerwowy to sieć splątanych przewodów, którymi płynie prąd elektryczny. Pod pojęciem „przewodu” kryje się „coś” co przypomina klasyczny kabel elektryczny. W rzeczywistości układ nerwowy to skomplikowana sieć komórek nerwowych /neuronów/ - jednostek strukturalnych i funkcjonalnych tego układu, wyspecjalizowanych do odbierania, przetwarzania, przenoszenia, przekazywania i przechowywania informacji. Każda taka jednostka to żywa komórka o określonym kształcie, otoczona spolaryzowaną i wrażliwą na bodźce błoną komórkową /strukturą dynamiczną, zbudowaną z cząsteczek związków chemicznych biorących udział w skomplikowanych procesach przenoszenia z i do komórki informacji na wszelkich możliwych nośnikach, przetwarzającej te informacje, magazynującej informacje i stanowiącej równocześnie źródło informacji jak i jej odbiornik/; z jądrem komórkowym zawierającym DNA czyli materiał genetyczny, w którym zakodowana jest informacja genetyczna; ze strukturami wewnątrzkomórkowymi w których odbywa się skomplikowana realizacja programu genetycznego i jego tworzenie; ze strukturami autonomicznymi /mitochondria/ zawierającymi własny, autonomiczny materiał genetyczny i realizującymi program uzyskiwania i przetwarzania energii; ze skomplikowanymi i, mimo 300 lat działania redukcjonistów, niepoznanymi szlakami metabolicznymi; ze skomplikowaną siecią dynamicznych białek szkieletowych komórki; z niewyobrażalną ilością białek w roli cząsteczek sygnalizacyjnych, enzymów, regulatorów, kanałów informacyjnych; z cytoplazmą mającą cechy płynu elektroreologicznego itd. W komórce nerwowej trwa nieprzerwany proces przekazywania informacji. Komórka jest jednocześnie źródłem informacji, przetwornikiem informacji, nieprzewidywalnie wielokanałowym / nieograniczonym czasem i przestrzenią/ kanałem informacyjnym i efektorem reagującym zmianą nieuporządkowania na sygnał. /Nie ma podstaw do przyjęcia, że teorie fizyki kwantowej nie stosują się do struktur biologicznych. Możemy więc przyjąć, że w komórce, na poziomie submolekularnym, informacja może być przesyłana w „postaci” quibitów a nie bitów./. Na poziomie układu nerwowego, przyjmuje się, że informacja w postaci impulsów nerwowych /prądu czynnościowego/ przekazywana jest jednokierunkowo wzdłuż komórki nerwowej do synapsy, to jest połączenia „końca” jednej komórki z „początkiem” następnej. Informacja o wielkości sygnału przewodzonego w danym włóknie nerwowym jest zakodowana w częstotliwości identycznych impulsów. Jest to kodowanie cyfrowe. Przebiegające przez długą wypustkę komórki nerwowej /akson/ impulsy nerwowe nie zmieniają ani swojej wielkości /amplitudy/ ani kształtu. Podczas przewodzenia nie zanikają, czyli są przenoszone bez ubytku. Poszczególne komórki nerwowe przekazują informacje poprzez synapsy – miejsce zmiany nośnika informacji i jej przekodowania. Impulsy nerwowe w synapsie są zamieniane na porcje neurotransmitera wydzielanego z zakończenia komórki nerwowej / z błony presynaptycznej/. Każdy impuls nerwowy powoduje uwolnienie określonej porcji neurotransmitera pobudzającego lub hamującego następną komórkę nerwową w kanale informacyjnym. Porcje neurotransmitera przenikając przez szczelinę synaptyczną /wypełnioną płynem pozakomórkowym/ łączą się z receptorami /specyficzne białka błonowe/ błony „początku” następnej komórki nerwowej /błony postsynaptycznej/ wywołując depolaryzację jej błony. Specyficzne dopasowanie cząsteczki neurotransmitera do „kształtu” białka błonowego wywołuje więc kaskadę informacji przekazywanej zarówno wzdłuż błony komórki nerwowej jak i do jej wnętrza. W neuronie postsynaptycznym depolaryzacja błony rozszerza się z ubytkiem, to jest zanika obejmując tylko fragment błony komórkowej. Im większa jest częstotliwość impulsów docierających do zakończenia aksonu i im więcej neurotransmitera wydzieli jego błona synaptyczna, tym większe będzie rozprzestrzenianie się lokalnej depolaryzacji błony postsynaptycznej. Powstanie postsynaptyczny sygnał pobudzający, a jego rozszerzenie się na cały neuron spowoduje jego wyładowanie, czyli wysłanie serii impulsów w kierunku następnej komórki. Neuromediatory hamujące, wydzielane przez zakończenie jednego neuronu, powodują hiperpolaryzację /pogłębienie różnicy potencjałów między wewnętrzną stroną błony komórkowej a płynem pozakomórkowym/ w neuronie postsynaptycznym. Neuron ten stanie się mniej aktywny a rozszerzanie się potencjału hamującego na jego całą błonę może spowodować zahamowanie jej aktywności. Wielkość depolaryzacji neuronu postsynaptycznego zależy więc: od pobudliwości tego neuronu, od liczby synaps na drodze przepływu informacji i uwalnianych w synapsach rodzajów i ilości neurotransmiterów. Wpływy sygnałów docierających do neuronu postsynaptycznego sumują się. Jego reakcja jest stopnionana w zależności od stopnia depolaryzacji jego błony, czyli kodowana analogowo. Wydaje się, że teoria /oparta na mierzalnych parametrach i ocenie „wejść” i „wyjść” sygnałów/przenoszenia informacji w komórkach nerwowych jest do „mierzalności” i znanych „wejść” i „wyjść” sygnałów naginana. Nieznane próbuje się tłumaczyć nieznanym. Jest oczywiste, że informacja przenoszona wzdłuż błony komórkowej w postaci prądu czynnościowego /w co zaangażowane są tzw. błonowe kanały potencjałozależne odpowiadające za przenoszenie jonów i nieznane procesy molekularne temu towarzyszące/ jest równocześnie przenoszona w poprzek błony komórkowej, w tym do wnętrza komórki, a więc uruchamiane są wewnątrzkomórkowe kanały przepływu informacji działające równocześnie z „kanałem błonowym”. Do niedawna, przepływ informacji w układzie nerwowym był uznawany za jednokierunkowy, co oznacza, że w żadnym z neuronów informacja nie mogła być przekazywana wstecz. Od kilkunastu lat prowadzone są badania nad neurotransmiterem produkowanym w mózgu człowieka, należącym do grupy związków kanabinoidowych /zawierających aktywny składnik marihuany/. Badania nad działaniem tego neurotransmitera doprowadziły do odkrycia tzw. sygnalizacji wstęcznej – nieznanej formy komunikowania się neuronów w mózgu człowieka. „Endogenne kanabinoidy zamiast przekazywać informacje /sygnał/ z neuronu presynaptycznego przez synapsę do neuronu postsynaptycznego, działają wstecz przekazując informacje z neuronu postsynaptycznego do presynaptycznego, powodując zahamowanie wydzielania innego neuromediatora /w założeniu mającego pobudzać komórkę postsynaptyczną, a w związku z tym blokując przekazywanie sygnałów wzdłuż włókna nerwowego”. [3] Świadczy to o wykryciu nieznanego do tej pory systemu przekazywania informacji i jego sterowania w O.U.N. człowieka, uznawanego dotychczas za system działający jednokierunkowo /od neuronu presynaptycznego do neuronu postsynaptycznego/. Endogenne kanabinoidy wytwarzane są w neuronach znajdujących się w: podwzgórzu, centrum integracji nerwowo-hormonalnej oraz nerwowo-emocjonalnej, korze nowej, odpowiadającej m.in. za funkcje poznawcze i scalanie informacji czuciowych, zwojów podstawy mózgu biorących m.in. udział w kontroli i planowaniu ruchów, hipokampie odpowiedzialnym m.in. za pamięć i uczenie się, pniu mózgu i rdzeniu kręgowym, odpowiadających za podstawowe czynności życiowe, m.in. za odczuwanie bólu, móżdżku, centrum kontroli motorycznej i koordynacji ruchowej [3]. Powszechność występowania i działania kanabinoidów w O.U.N. świadczy o powszechności sygnalizacji wstecznej między komórkami budującymi układ komunikacyjny . Z dużym prawdopodobieństwem można założyć, że istnieją /nieznane dotychczas/ inne neuromediatory przekazujące informacje wstęcznie. Czy można uznać, że sygnały przekazane wstecznie komórce presynaptycznej nie spowodują zmiany jej metabolizmu czyli realizacji programu genetycznego? Czy można uznać, że sygnały wsteczne nie uruchomią kaskady sygnałów przekazywanych wewnątrz komórki? Czy można uznać, że komórka presynaptyczna, która jest zarazem postsynaptyczną dla komórki ją poprzedzającej w sieci, nie przekaże sygnału dalej „wstecz”? Czy wsteczna sygnalizacja kończy się przed receptorem, czy też sygnał dociera do niego wywołując w nim zmiany? Czy taki receptor „wyemituje wstecznie” informację? Tkankę nerwową cz łowieka, oprócz neuronów, budują komórki glejowe: astrocyty i oligodendrocyty. Wypełniają one przestrzeń wokół neuronów i ich wypustek. Ocenia się, że w układzie nerwowym człowieka jest ich 10 razy więcej niż neuronów [2]. Do niedawna sądzono, że spełniają one wobec neuronów funkcje pomocnicze. Mimo podejrzeń biologów, że mogą one brać udział w przenoszeniu i przetwarzaniu informacji, z braku dostatecznie czułych metod analitycznych nie można było tego udowodnić. „W chwili obecnej, dzięki rozwojowi aparatury obrazującej i rejestrującej sygnały, udało się stwierdzić, że komórki neurogleju, nie tylko „podsłuchują” aktywność neuronów, ale przekazują aktywność między sobą. Neuroglej, komunikując się z neuronami, może zmieniać wagę sygnału przekazywanego między neuronami przez szczelinę synaptyczną, a nawet wpływać na wytwarzanie nowych synaps [4]. Komórki neurogleju mają więc możliwość „odczuwania” poziomu aktywności sąsiadujących z nimi neuronów, dokując informacje i przenosząc je na nośnikach chemicznych. Neuroglej „podsłuchuje” przekazy neuronów, reaguje na to co „usłyszy” oraz przekazuje sygnały do innych miejsc. „Neurony można porównać do telefonów stacjonarnych komunikujących się za pomocą stałych łączy, którymi są synapsy. Astrocyty są niczym telefony komórkowe, wysyłają bowiem sygnały chemiczne, co prawda o szerokim zasięgu, ale odbierane tylko przez astrocyty mające odpowiednie receptory nastawione tylko na ich odbiór. Jeżeli sygnały mogą rozprzestrzeniać się przez kolejne obwody astrocytów, wówczas neuroglej jednej okolicy mógłby pobudzać neuroglej w odległych miejscach, koordynując w ten sposób potencjały czynnościowe sieci nerwowych w całej tkance”. [4] Czy astrocyty „komunikują” się tylko z neuronami, nie wymieniając równocześnie informacji z komórkami tworzącymi inne tkanki? Czy można stwierdzić, że „skojarzenie” informacji przekazywanej wieloma kanałami równocześnie tworzy „informację wyższego rzędu”? Pole informacyjne? W roku 2001, wydawało się, że redukcjonizm odniósł ostateczne zwycięstwo. Odczytano genom człowieka tzn. poznano sekwencję genów w DNA – materiale genetycznym człowieka. Wszystko wydawało się proste – dogmat obowiązujący od 50 lat w biologii uległ empirycznemu potwierdzeniu. W odcinku DNA /genie/ zakodowana jest informacja genetyczna o sekwencji aminokwasów w cząsteczce białka. Informacja ta jest przenoszona na inny nośnik w procesie transkrypcji RNA, a następnie realizowana w procesie translacji /syntezie białek/. Powstające białka pełnią w komórce funkcje strukturalne, enzymatyczne i regulujące wyrażanie genów. Odcinki DNA nie zawierające informacji /niekodujące/ dotyczących syntezy białek uznawano za materiał „śmieciowy”. Dziś wiadomo, że dogmat runął. Teoria dotycząca informacji zawartej w DNA oraz regulacji jej przepływu okazała się mylna. „Genetyczny system operacyjny oraz sieci sygnałowe są daleko bardziej wyrafinowane niż sądzono dotychczas. Bezsensowne fragmenty DNA /śmieciowe/ zawierają informacje kodujące cząsteczki RNA, które równolegle z białkami kodowanymi przez geny są w stanie tworzyć liczne, równoległe układy komunikacyjne. Taka komunikacja przypomina zaawansowane systemy przetwarzania danych w sieciach kontrolujących działanie mózgu czy komputera. Ponieważ cząsteczki RNA zbudowane są ze specyficznych ciągów jednostek kodujących, mogą więc przenosić informacje do sekwencji docelowych znajdujących się w innych cząsteczkach RNA lub DNA. W rezultacie powstają struktury przestrzenne przywołujące białka zdolne do przekształcania sygnału w działanie. Sposób kodowania w RNA informacji o „adresacie” nadaje temu systemowi niebywałą precyzją kojarzącą się z precyzją zapisu binarnego [5]. Uważa się, że wiele z cząsteczek RNA jest przetwarzanych w małe cząsteczki sygnałowe, zdolne docierać do różnych punktów docelowych w sieci, tworząc tym samym kanał informacyjny z nośników informacji będących źródłem informacji. Czy można sobie wyobrazić transformacje którym, w funkcji celu, informacja genetyczna ulega? W jaki sposób ograniczane są stopnie swobody i dokonywany wybór? Wykorzystując metody badań biologii molekularnej stosowane do badań informacji zawartej w DNA oraz jej transformacji w komórce /polimeraza DNA/, w oparciu o teorie matematyczne, stworzone i opisane przez Alana M. Turinga w 1936 r., dotyczące precyzyjnego badania obliczalności, Leonard M. Adleman wykorzystał DNA do rozwiązywania problemów matematycznych. Pisze on: „Gram DNA, który w suchej postaci zajmuje około 1 cm3 , może przechować tyle informacji, ile da się zapisać na bilionie CD-ROM-ów. Komputery molekularne zapewniają niezwykle duży stopień równoległości przetwarzania. Nawet w moim niewielkim eksperymencie, przeprowadzonym w roztworze o objętości jednej pięćdziesiątej łyżeczki do herbaty w ciągu mniej więcej 1s, zostało zsyntetyzowanych około 1014 kodujących różne drogi cząsteczek DNA. Nie jest pewne, czy najszybszy super komputer potrafiłby wykonać to zadanie równie szybko”. [6] Zanim w lutym 2001 r. wstępna wersja sekwencji genomu człowieka była gotowa, do działań przystąpili zwolennicy komputerowego modelowania życia, nie wiedząc oczywiście co chcą modelować. Uznano, że to komputer będzie głównym narzędzi za pomocą którego wszystkie procesy biochemiczne, zachodzące w komórce, zostaną ujęte w ramach jednej całościowej teorii [7]. Nie wiadomo jak modelować układ informacyjny o tak dużym stopniu nieuporządkowania i nieoznaczonej ilości stopni swobody, nie wiadomo jakiego komputera chciano użyć do badania systemu „operacyjnego” o tak dużej pojemności, jak modelować procesy biochemiczne „skoro mimo lat badań nadal nie wiadomo co z czym, jak, gdzie i kiedy reaguje”. Wszystkie reakcje chemiczne zachodzące w komórce biorą udział w przetwarzaniu materii i energii. W komórce trwa nieprzerwane emitowanie i zużywanie kwantów energii – w każdej komórce, niezależnie od tego czy znajduje się w głębi naszego ciała czy na jego powierzchni. Statystycznego człowieka nie dziwi stwierdzenie, że na jego receptor działa foton czyli kwant energii świetlnej i w rezultacie tego działania on widzi, bo w jego mózgu powstał obraz. Nie ma podstaw, by twierdzić, że do procesów zachodzących w żywym organizmie nie mają zastosowania teorie fizyki kwantowej. „Wiąże się z tym kompletna zmiana naszego sposobu widzenia świata. Jej konsekwencje dotyczące istoty rzeczywistości i związków między obserwatorem a obserwowanymi zjawiskami są zarazem subtelne i głębokie. Opis świata, w którym jakiś obiekt może się znajdować równocześnie w dwóch różnych miejscach, w którym cząstka może przenikać przez barierę nie naruszając jej, w którym coś może być równocześnie i cząstką i falą oraz w którym cząstki znacznie od siebie oddalone mogą oddziaływać ze sobą niemal telepatycznie, musi zadziwiać i skłaniać do refleksji” – napisał Gerard Milburn w przedmowie do „Inżynierii kwantowej”. Czy można „podsłuchiwać” informację biologiczną? Istnieją przesłanki, że tak. Nie istnieją dowody, że nie. 1.A. Mazurkiewicz, cyt. Za W. M. Turski: Problematyka informatyki PWN, W-wa 1981. 2.Podręcznik cz. II t II Biologia – kszt. w zakresie rozszerzonym WSiP 2003 r. 3.Świat Nauki, str. 24 Marihuana w naszych mózgach Nr 1 /161/ Styczeń 2005 Roger A. Nicoll i Bradley E. Alger 4.Świat Nauki str. 26 Niedoceniane komórki mózgu Maj 2004 R. Douglas Fields 5.Świat Nauki str. 58 Ukryty program genetyczny Listopad 2004 John S. Mattick 6.Świat Nauki str 32 DNA komputerem Październik 1998 Leonard M. Adleman 7.Świat Nauki str. 45 Cybernetyczne komórki Październik 2001W.WAYT GIBBS 8.Gerard Milburn „Inżynieria kwantowa” Prószyński i S-ka 1999 9.Renee Weber „Poszukiwanie jedności” W-wa 1990 4/ Pola morfogenetyczne: nawyki przyrody – Rupert Sheldrake.
 

 

Ryszard Tomaszewski