VicRus
Administrator
.
Гаряев П.П. Тертышный Г.Г. Леонова Е.А. Мологин А.В.
Волновые биокомпьютерные функции ДНК
Москва
Аннотация
Обсуждается проблема создания ДНК-волнового биокомпьютера, в котором будут использоваться ячейки памяти на генетических молекулах. В основу предлагаемой идеи положены экспериментальные и теоретические работы авторов, в которых
a)доказана способность ДНК быть лазером,
b)способность ДНК генерировать солитонные волны с памятью,
c)обнаружено явление перехода локализованных фотонов в радиоволны,
d)обнаружено явление спектрального запоминания ДНК локализованными фотонами,
e)обнаружено явление переноса генетической информации в поляризационных модуляциях электромагнитного поля при переходе фотоны-радиоволны.
На основе этих данных построена теория волновых генов, в которой предложено дуалистическое толкование генетической информации как единство вещественных и волновых кодирующих функций хромосом. Предложена гипотеза квантовой нелокальности генома высших организмов. Совокупность полученных результатов позволяет авторам предположить, что искусственный ДНК-компьютинг не может быть осуществлен в полной мере без учета перечисленных свойств генетического аппарата. Ключевой структурой ДНК-волнового компьютера будет являться феномен памяти ДНК на солитонах и на локализованных фотонах с элементами квантовой нелокальности такой памяти.
P.P. Gariaev (Ph.D., Dr.Sci.) Institute Control of Sciences Russian Academy of Sciences
G.G.Tertishniy (Ph.D.) Institute Control of Sciences Russian Academy of Sciences
E.A. Leonova Institute Control of Sciences Russian Academy of Sciences
A.V. Mologin Institute Control of Sciences Russian Academy of Sciences
Moscow
DNA Wave biocomputer functions
Summary
The problem of creation of the DNA-WAVE biocomputer is considered, in which one the storage locations on genetic molecules will be used. In the basis of tendered idea are trusted to experimental and theoretical activities of the writers, in which one a) to be demonstrated capacity of DNA to the laser, b) capacity of DNA to generate solitonic waves with memory, c) the phenomenon of transition of the localized photons in radio waves is revealed, d) the phenomenon of spectral storage of DNA by the localized photons is revealed, e) the transport phenomena of the genetic information in polarization modulations of an electromagnetic field is revealed at transition of a photon - radio wave. On the basis of these data the theory of wave genes is built, in which one the dualistic explanation of the genetic information as unity of material and wave encoding functions of the chromosomes is offered. The hypothesis quantum nonlocality of genome of higher organisms is offered. The set of the obtained outcomes allows the writers to suspect, that artificial DNA computing cannot be carried out to the full without the registration of listed properties of the genetic apparatus. Key pattern of the DNA-WAVE computer will be the phenomenon of DNA memory on solitons and on the localized photons with participation of quantum nonlocality of such memory.
Генетическая информация с позиции теории волновых генов
В 1985г. одним из авторов были зафиксированы необычные колебательные режимы ДНК, рибосом и коллагена “in vitro” c использованием метода динамического лазерного светорассеяния. Недавно это было подтверждено нами и, в дополнение, обнаружен феномен трансформации лазерного света в радиоволны [27, 28]. Такая трансформация связана, вероятно, с эффектом квантовой нелокальности и регистрируется разработанным нами методом. Есть некоторые основания полагать, что генетический аппарат высших биосистем обладает способностью быть квантово нелокальным. Это дает возможность клеткам, тканям и организму находиться в суперкогерентном состоянии. Перечисленные результаты еще раз, но на более высоком уровне, подтверждают нашу теорию волновых генов [29, 30, 46]. Ключевым положением ее является то, что хромосомный аппарат биосистем функционирует одновременно как источник и приемник гено-знаковых лазерных, солитонных и голографических полей. Кроме того, хромосомный континуум многоклеточных организмов является неким подобием статико-динамичной мультиплексной пространственно-временной голографической решетки, в которой свернуто пространство-время организма. Но и этим не исчерпываются кодирующие возможности генетических структур. Последовательности нуклеотидов ДНК, образующие голографические и/или квази-голографические решетки, формируют еще и текстовые рече-подобные структуры, что существенно меняет наши представления о генетическом коде. Эволюция биосистем создала генетические "тексты" и геном-биокомпьютер как квази-разумный "субъект", на своем уровне "читающий и понимающий" эти тексты. Чрезвычайно важно для обоснования этой элементарной "разумности" генома, что естественные (не существенно на каком языке) человеческие тексты и генетические "тексты" имеют сходные математико-лингвистические и энтропийно-статистические характеристики. Это относится, в частности, к такому понятию как фрактальность распределения плотности частот встречаемости букв в естественных и генетических текстах (для генетических "текстов" буквы – это нуклеотиды) [1]. Ниже будут приведены полученные нами результаты о сходстве таких фракталов для генетических и естественных текстов.
Еще одно подтверждение лингвистической трактовки кодовых функций генома получено американскими исследователями [31]. Работая с “кодирующими” и “не кодирующими” последовательностями ДНК эукариот (в рамках старых представлений о генах), авторы пришли к выводу, противоречащему догме о том, что знаковые функции сосредоточены только в белок-шифрующих участках ДНК. Они применили метод статистического анализа естественных и музыкальных текстов, известный как закон Ципфа-Мандельброта, и принцип избыточности текстовой информации Шеннона, рассчитываемый как энтропия текстов. В результате оказалось, что не кодирующие районы ДНК более схожи с естественными языками, чем кодирующие, и что, возможно, не кодирующие последовательности генетических молекул являются основой для одного (или более) биологических языков. Авторы разработали также статистический алгоритм поиска кодирующих последовательностей ДНК, который выявил, что белок-кодирующие участки обладают существенно меньшими дальнодействующими корреляциями по сравнению с зонами, разделяющими эти участки. Распределение ДНК-последовательностей оказалось настолько сложным, что использованные методы переставали удовлетворительно работать уже на длинах, превышающих 103 пар оснований. Распределение Ципфа-Мандельброта для частот встречаемости “слов” с числом нуклеотидов от 3 до 8 показало большее соответствие естественному языку не кодирующих последовательностей по сравнению с кодирующими. Еще раз подчеркнем, что кодирование авторы понимают как запись информации об аминокислотной последовательности, и только. И в этом парадокс, заставивший их заявить, что не кодирующие регионы ДНК - это не просто “junk” (“мусор”), а структуры, предназначенные для каких-то целей с неясным пока назначением. Дальнодействующие корреляции в этих структурах авторам также непонятны, хотя и обнаружена нарастающая сложность не кодирующих последовательностей в эволюции биосистем. Эти данные полностью соответствует нашим идеям о том, что не кодирующие последовательности ДНК (а это 95%-99% генома) являются стратегическим информационным содержанием хромосом. Оно имеет, как нам представляется, материально-волновую природу, оно многомерно и выступает, в сущности, как ассоциативно-образная и лингвистико-волновая программа эмбриогенеза, смыслового продолжения и логического конца любой биосистемы. Интуитивно поняв это, авторы с ностальгической грустью прощаются со старой и хорошо послужившей моделью генетического кода, не предлагая, правда, ничего взамен.
Генетический код как волновая знаковая структура
Наши представления о генетическом коде должны существенно измениться, иначе мы никогда не сможем создать ДНК-компьютер. С этой целью мы постулировали механизм контекстно-волновых ориентаций рибосом для решения проблемы точного выбора аминокислоты [32]. Эта проблема возникла сразу при создании модели генетического кода как фактор неопределенности в выборе третьего нуклеотида в кодирующем аминокислоту триплете (wobble-гипотеза Ф.Крика). Для того чтобы понять, каким образом белок-синтезирующий аппарат клетки решает эту типично лингвистическую проблему снятия омонимической неопределенности необходимо ввести понятия фонового принципа, ассоциативно-голографической памяти генома и его квантовой нелокальности [28, 33, 38, 46]. Это означает, что геном может рассматриваться одновременно на уровне вещества и как идеальная (ментальная) структура, то есть как квантовый объект.
Универсальным информационным посредником в свертке-развертке знаковых регуляторных структур генома-биокомпьютера выступают эндогенные физические поля очень малой мощности. Эти поля продуцирует хромосомный аппарат, и они являются, быстрым волновым генетическим информационным каналом, соединяющим хромосомы отдельных клеток организма в целостный континуум, работающий как биокомпьютер. Кратко основные положения теории волновых генов (с учетом квантовой нелокальности генома) можно сформулировать следующим образом:
1. Солитонные и лазерные поля ДНК и хромосом являются оптико-акустоэлектрическим нелинейно-волновым процессом, осуществляющим запасание, считывание и перенос генетической и другой регуляторной полевой информации в пространстве-времени организма,
2. ДНК, хромосомы и белки биосистем работают в режиме “антенны”, принимающей внешние акустические и электромагнитные поля, при этом свойства таких антенн меняются, осуществляя управляющее влияние на организм,
3. Жидкокристаллический хромосомный континуум является нелинейно-оптической средой и способен в определенных условиях функционировать как лазер с перестраиваемыми длинами волн, а также как лазер на солитонах (на так называемых “Фрелиховских модах” [21]),
4. Хромосомная ДНК, являясь источником и приемником лазерного излучения, знаково поляризует его и одновременно переводит его в радиодиапазон. При этом образующиеся по механизму квантовой нелокальности (телепортации) радиоволны изоморфно (знаково) поляризуются в соответствии с поляризациями фотонов. Такие радиоволны могут служить носителями генетико-метаболической информации как в пределах биосистемы, так и вне неё.
Хромосомная биоконверсия фотонов в радиоволны. Локализованные фотоны.
Эти положения необходимо учитывать в обсуждаемой здесь гипотетической модели биокомпьютера, работающего на генетических молекулах. Рассмотрим, как формируются “in vitro” конвертированные из фотонов радиоизлучения геноструктур (препараты жидких кристаллов ДНК). В наших экспериментах [28] мы получали так называемые локализованные или спутанные (entangle) когерентные фотоны с последующим пермиссивно-телепортационным превращением их в радиоволны. Этот процесс осуществлялся специально изготовленным одночастотным He-Ne лазером с мощностью излучения 2 мВт, длиной волны 632,8нм со стабильным резонатором, управляемым посредством электронного термостатирующего элемента [34]. При взаимодействии лазерного пучка с жидкими кристаллами ДНК (или с любыми другими объектами), лазер генерировал радиосигналы, различающиеся по характеру (спектру Фурье) в зависимости от типа исследуемых образцов и способов их приготовления. Одним из необходимых условий для генерации ДНК-знаковых биоактивных радиоволн является "трех зеркальная схема". В соответствии с ней зондируемый объект (ДНК) отражает лазерный пучок в обратно в резонатор лазера. Характерно, что специфические модуляции радиосигнала при этом полностью соответствуют изменению во времени двумерных спекл-картин рассеянного препаратами ДНК света.
В этих экспериментах мы получили первичную информацию о возможности долговременной записи биологически активной динамичной поляризационно-лазерно-радиоволновой генетической информации с препаратов ДНК на лазерных зеркалах, как самого лазера, так и на внешних лазерных зеркалах, не являющихся частями лазера (см. ниже). Мы предполагаем, что этот феномен связан с явлением локализации (сжатия) фотонных полей в системе коррелированных рассеивателей лазерных зеркал. В условиях плохого собственного поглощения излучения материалом таких рассеивателей внешнее световое поле способно удерживаться в системе в течение длительного времени без диссипации в другие формы энергии. Причина локализации связана с интерференцией многократно рассеянных волн. Внешний электромагнитный сигнал (в нашем случае это лазерный луч, промодулированный по поляризации препаратом ДНК, локализуется (“записывается”) в системе металл-содержащих неоднородностей лазерных зеркал. Этот сигнал в дальнейшем может быть “считан” без существенной потери информации уже в форме изоморфно (по отношению к фотонам) поляризованных радиоволн. В пользу этих соображений свидетельствуют теоретические исследования по сжатым состояниям локализованных фотонов [35-37].
Если такая "запись" на зеркалах реальна, тогда содержащие атомы металлов жидкокристаллические слои ДНК хромосомного аппарата (аналоги зеркал) также можно рассматривать как фрактальную среду накопления локализованных фотонов, создающую когерентный континуум с квантово-нелокально распределенной поляризационно-радиоволновой гено-информацией. Это в определенной мере соответствует ранее высказанной нами идее квантовой нелокальности генома, точнее одной из ее форм [32, 33, 38]. Возможно, существует и другой механизм перехода квантов света как солитонов в радиоволны. В работе Тужински и соавторов [39] показана связь, взаимодополняемость двух, казалось бы, независимых теорий, в которых рассматриваются две физические модели, объясняющие необычное поведение биологических систем. Эти модели предложены Гербертом Фрелихом и Александром Давыдовым. Так называемые Давыдовские солитоны, описывающие возбуждение, делокализацию и движение электронов вдоль пептидных цепей белковых молекул в форме уединенных волн (солитонов) [40] дополняет известную модель Фрелиха [41-44], развитую в нашей работе [45], о возможности высоко поляризованного (когерентного, лазероподобного) состояния колеблющихся диполей информационных биомакромолекул, диполей, возникающих при Бозе-конденсации фононов электромагнитных волн белков ( ), ДНК ( ), мембран ( ). В работе Тужински и соавторов Давыдовский гамильтониан трансформирован в нормальные координаты, Фрелиховский гамильтониан канонически трансформирован в эквивалентную форму в рамках аппроксимации Хартри-Фока. Авторы полагают, что модель Гамильтониана способна связать обе теории, которые математически эквивалентны. Кроме того, обе модели дополняют друг друга физически. Бозе-конденсация вибрационных мод биополимеров соответствует распространению солитона волны поляризации. И наоборот: солитонный транспорт граничной энергии вдоль пептидной цепи сопровождается Бозе-конденсацией решеточных вибраций биоструктур.
Отсюда следует, что солитон порождает электромагнитное поле, а это, возможно, один из механизмов эффекта, который мы наблюдаем в экспериментах, когда осциллирующий оптический солитон-бризер, отображающий солитонные возбуждения ДНК, генерирует оптико-резонансно усиленные радиоволны. Еще одна мысль, привлекающая внимание: конверсия эндогенных когерентных фотонов, генерируемых хромосомами, в радиоволны в биосистеме может происходить по "трехзеркальной" или “многозеркальной” схеме на многочисленных отражающих поверхностях мембран, аналогично нашим модельным опытам. В этом случае клеточное ядро (хромосомы) выступают как лазерный источник света, а мембрана клеточного ядра и цитоплазматические мембраны как полупрозрачные зеркала. Доменные стенки жидкокристаллических структур клетки также могут служить “зеркалами” и одновременно являться при этом зондируемыми объектами. В таком случае реальна возможность “in vitro - in vivo” манипулировать световыми лазерными потоками, которые транспортируются сложнейшей сетью световодов живой клетки и которые, вероятно, преобразуются на клеточных структурах в радиоволны, несущие информацию о структурно-метаболических перестройках. Локализация и “запись” такого рода фотонно-радиоволновой информации может использоваться как основа для создания искусственно биокомпьютерной памяти. В связи с этим, в порядке научной полемики, можно предложить создать ячейки памяти на жидких кристаллах ДНК. Считывание информации с таких ячеек осуществляется лазерным пучком в режимах, разработанных нами. Как упоминалось выше, первичные экспериментальные результаты в этом направлении нами получены.
Нелокальность генетической информации "in vito-in vivo"
Генетическая волновая информация с препаратов ДНК, записанная в поляризациях спутанных (entangled) фотонов, будучи квантово-нелокальной, переходит (разворачивается) в широкополосный радиоволновой спектр, изоморфный поляризациям фотонов. Именно модуляции поляризации фотонов-радиоволн оптически активными молекулами ДНК являются переносчиками квантово нелокальной морфогенетической и, шире, метаболической волновой информации. Поскольку фурье-образ радиоспектров существенно зависит от типа зондируемого вещества, мы предположили, что это явление может лечь в основу нового вида спектроскопии – поляризационно-лазерно-радиоволновой (ПЛР-спектроскопия) [28]. Фундаментальным фактом оказалось наблюдение, что фотонно-радиоволновые характеристики различных объектов (ПЛР-Фурье-спектры кристаллов, воды, металлов, ДНК и др.) запоминаются лазерными зеркалами и "живут" определенное время. Существенно, что эти "зеркальные спектры" (ПЛР-память) динамичны во времени, как и эквивалентные им спектры самого непосредственно зондируемого объекта. Эта весьма сложная и во многом непонятная нелинейная динамика c “памятью” имеет повторяющиеся во времени спектральные фигуры. Возможно, и здесь реализуется явление возврата Ферми-Паста-Улама солитонного типа, которое мы уже наблюдали в случае нелинейной динамики ДНК при светорассеянии на ее гелях [29]. Характерные повторы спектральных образов индуцированных радиоволновых излучений препарата ДНК приведены на Рис.4. Это первый пример того, что относительно статичная, многослойная среда записи (лазерные зеркала) хранит в себе динамичную спектральную информацию об объектах записи. Обнаруженные феномены могут дать реальные основания для разработки принципиально нового типа видеозаписи, а также создания нового кинематографа.
При дальнейших исследованиях обнаружилась высокая биологическая (генетическая) активность радиоволн, генерируемых в таких условиях препаратами ДНК. С помощью таких ДНК-излучений нам удалось вызвать сверхбыстрое развитие клубней картофеля вне почвы (удлинение ростков до 1 см в сутки) и резкие изменения его морфогенеза с образованием небольших клубней не на корневищах, а на стеблях. Эти же излучения оказались способными вызвать статистически достоверное "оживление" старых и мертвых семян Arabidopsis thaliana, взятых из зоны Чернобыля в 1987 году. Контрольные облучения поляризованными радиоволнами, не содержащими информации о ДНК биологически не активны [33]. В этой серии экспериментов мы получили еще одно доказательство возможности существования генетической информации в форме поляризационно-лазерно-радиоволнового физического поля. О такой возможности вот уже около 70 лет говорят и спорят биологи.
Мы предполагаем, что главный информационный канал в этих экспериментах с ДНК – биознаковые связанные (“спутанные”) модуляции поляризаций фотонов и радиоволн при переходах "фотоны радиоволны" с сохранением информационной связи между ними в рамках одного из вариантов квантовой нелокальности (см. ниже). По этой причине совершенно в ином ракурсе видится хорошо известный факт, что информационные биомакромолекулы – ДНК, РНК и Белки – обладают ярко выраженной способностью к дисперсии оптического вращения и круговому дихроизму. Это обнаруживается в характеристическом (зависимом от длины волны и от свойств образца) вращении электромагнитных векторов фотонов и разном поглощении фотонов образцами в зависимости от типа образца и от того, вправо или влево закручиваются электрический и магнитный вектора поля фотонов. Низкомолекулярные компоненты биосистем, такие как сахара, нуклеотиды, аминокислоты, порфирины и другие вещества обладают той же способностью.
До сих пор в этом не видели биологического смысла. Теперь же феномен оптической активности может быть понят как база для получения организмом неисчерпаемой информации о собственном метаболизме. Информация считывается эндогенными лазерными излучениями хромосом, переходящими в регуляторное ("смысловое") радиоизлучение генома-биокомпьютера. Снимается и противоречие между длинами радиоволн таких превращенных излучений и размерами организмов, клеток и субклеточных структур. В этой ситуации смысловые резонансы в пространстве-времени биосистем происходят не на уровне длин волн, а на уровне частот и углов поворотов поляризационных мод. Вместе с тем, это и база для искусственного лазерно-радиоволнового "in vitro - in vivo" сканирования организма и его компонентов, как нового вида спектроскопии [28].
Представляется, что обсуждаемый случай квантовой нелокальности хромосом, как проявление нелокальности генетической информации, является частным случаем. Нелокальность генетической информации в высшей степени характерна для многоклеточных организмов и распределена по уровням.
1-й уровень – организменный. Нелокальность здесь выражается в способности к регенерации, например у червей планарий. После разрезания таких червей любая часть их тела дает при регенерации целый организм. Иными словами, в этом случае отсутствует привязка общего пула генетической информации к какой-то части биосистемы. То же относится к вегетативному размножению растений.
2-й уровень – клеточный. Из каждой клетки, а не только из зиготы, можно вырастить целый организм. Для животных биосистем это затруднено, но возможно. Каждая клетка – потенциальный континуум организма.
3-й уровень – клеточно-ядерный. Энуклеация ядер из соматических и половых клеток с последующим введением в них других ядер не препятствует развитию нормального организма. Клонирование такого рода уже осуществляют на высших биосистемах, например, на овцах. Каждое клеточное ядро – также потенциальный континуум биосистемы. Локализации генетических потенций на каких-то отдельных клетках нет.
4-й уровень – молекулярный: рибосома "читает" информационную РНК не только по отдельным кодонам, но и всю ее целиком с учетом контекста, то есть нелокально, континуально.
5-й уровень – хромосомно-голографический. Геном обладает голографической памятью [23], а это типично распределенная (нелокальная) ассоциативная память. На этом и последующих уровнях нелокальность приобретает новое качество, дуалистический вещественно-волновой характер, поскольку голограммы как вещество "прочитываются" электромагнитными и/или акустическими полями, выносящими гено-волновую информацию за пределы вещества хромосом. На сцену выходит физическое поле или поля, как калибровочные, размечающие будущее пространство-время организма. Сюда же относится, видимо, голографическая память коры головного мозга, задающая ментальные, смысловые и образные пространства, калибрующие (векторизующие) потенциальные действия высших биосистем. А это уже высший, социогенетический ареал работы генома.
6-й уровень – квантовая нелокальность хромосомного континуума. До 6-го уровня нелокальность генетической информации реализуется в пространстве и времени организма. При этом время и пространство константны и не имеют градиентов (искривлений). 6-й уровень имеет особый характер и новое качество. Оно проявляется в рамках одной из форм квантовой нелокальности, а именно пермиссивной, постулируемой в нашей работе [28]. В этом случае нелокальность реализуется как по пространству биосистемы, так и по ее собственным, “сжимаемым” до нуля, пространстве-времени. Мгновенно распространяемые такими способами гено-волновые программы, изоморфные вещественным, работают в организме "здесь и там одновременно", поэтому утрачивает смысл семантическая конструкция "сначала и потом". И это стратегический фактор, необычайно важное для многоклеточных биосистем эволюционное достижение.
Миллиарды клеток организма должны "знать" друг о друге если не все, то очень многое (стратегическое), причем мгновенно. Без явления “волновой информационной мгновенности” гигантский многоклеточный континуум высших биосистем не способен целостно координировать метаболизм, свои физиологические и другие функции.
Межклеточная диффузия сигнальных веществ и нервные процессы слишком инертны для этого. Даже если допустить, что в межклеточной передаче участвуют знаковые электромагнитные поля со световыми скоростями, что достаточно вероятно, то и этого недостаточно. Необходим механизм именно квантово-радиоволновой нелокальности, и он применим к генетическому аппарату, который может выступать как мгновенно распределенный развернутый квантовый (волновой) объект, изоморфный свернутой вещественной информации хромосомного континуума. Используя такую нелокальность, генетический аппарат высших биосистем создает удивительное явление, когда в определенных знаковых ситуациях в “схлопнутом” пространстве-времени биосистемы "здесь и там", "сначала и потом" работают как неразрывность, обеспечивающая организмам суперкогерентность, информационную сверхизбыточность, сверхинформированность, связность и, как итог, целостность (выживаемость). Проявлением этого, например, служит способность к регенерации органов и тканей у низших организмов (гидры, черви, амфибии, ящерицы, ракообразные), способность, которая в значительной степени утрачена человеком. Но ее можно активировать, учитывая развиваемые нами принципы волновой самоорганизации биосистем. Иллюстрацией этого служит первое в мире успешное приживление имплантированных слепому человеку донорских тканей с восстановлением зрения, осуществленное Э.Р.Мулдашевым [47]. В основу идеологии такой хирургической операции и регенеративных процессов были положены наши исследования [29, 30, 46], в том числе совместные с Э.Р.Мулдашевым [28, 48]. Вместе с тем, теоретико-экспериментальные исследования в этой области знания все еще носят начальный характер и нуждаются в дальнейшем физико-математическом осмыслении и развитии.
В применении к биокомпьютерам аналоги таких нелокальных процессов и ПЛР-память, возможно, станут основой в развитии вычислительной техники вообще. Это будет полная смена элементной базы и, в некотором смысле, повторение пройденного на пути развития вычислительной техники на совершенно ином, качественно более высоком, уровне в ряду: аналоговый>цифровой>“образный”. Последний и будет являться смысловым нелокальным волновым компьютером на ДНК.
...
Гаряев П.П. Тертышный Г.Г. Леонова Е.А. Мологин А.В.
Волновые биокомпьютерные функции ДНК
Москва
Аннотация
Обсуждается проблема создания ДНК-волнового биокомпьютера, в котором будут использоваться ячейки памяти на генетических молекулах. В основу предлагаемой идеи положены экспериментальные и теоретические работы авторов, в которых
a)доказана способность ДНК быть лазером,
b)способность ДНК генерировать солитонные волны с памятью,
c)обнаружено явление перехода локализованных фотонов в радиоволны,
d)обнаружено явление спектрального запоминания ДНК локализованными фотонами,
e)обнаружено явление переноса генетической информации в поляризационных модуляциях электромагнитного поля при переходе фотоны-радиоволны.
На основе этих данных построена теория волновых генов, в которой предложено дуалистическое толкование генетической информации как единство вещественных и волновых кодирующих функций хромосом. Предложена гипотеза квантовой нелокальности генома высших организмов. Совокупность полученных результатов позволяет авторам предположить, что искусственный ДНК-компьютинг не может быть осуществлен в полной мере без учета перечисленных свойств генетического аппарата. Ключевой структурой ДНК-волнового компьютера будет являться феномен памяти ДНК на солитонах и на локализованных фотонах с элементами квантовой нелокальности такой памяти.
P.P. Gariaev (Ph.D., Dr.Sci.) Institute Control of Sciences Russian Academy of Sciences
G.G.Tertishniy (Ph.D.) Institute Control of Sciences Russian Academy of Sciences
E.A. Leonova Institute Control of Sciences Russian Academy of Sciences
A.V. Mologin Institute Control of Sciences Russian Academy of Sciences
Moscow
DNA Wave biocomputer functions
Summary
The problem of creation of the DNA-WAVE biocomputer is considered, in which one the storage locations on genetic molecules will be used. In the basis of tendered idea are trusted to experimental and theoretical activities of the writers, in which one a) to be demonstrated capacity of DNA to the laser, b) capacity of DNA to generate solitonic waves with memory, c) the phenomenon of transition of the localized photons in radio waves is revealed, d) the phenomenon of spectral storage of DNA by the localized photons is revealed, e) the transport phenomena of the genetic information in polarization modulations of an electromagnetic field is revealed at transition of a photon - radio wave. On the basis of these data the theory of wave genes is built, in which one the dualistic explanation of the genetic information as unity of material and wave encoding functions of the chromosomes is offered. The hypothesis quantum nonlocality of genome of higher organisms is offered. The set of the obtained outcomes allows the writers to suspect, that artificial DNA computing cannot be carried out to the full without the registration of listed properties of the genetic apparatus. Key pattern of the DNA-WAVE computer will be the phenomenon of DNA memory on solitons and on the localized photons with participation of quantum nonlocality of such memory.
Генетическая информация с позиции теории волновых генов
В 1985г. одним из авторов были зафиксированы необычные колебательные режимы ДНК, рибосом и коллагена “in vitro” c использованием метода динамического лазерного светорассеяния. Недавно это было подтверждено нами и, в дополнение, обнаружен феномен трансформации лазерного света в радиоволны [27, 28]. Такая трансформация связана, вероятно, с эффектом квантовой нелокальности и регистрируется разработанным нами методом. Есть некоторые основания полагать, что генетический аппарат высших биосистем обладает способностью быть квантово нелокальным. Это дает возможность клеткам, тканям и организму находиться в суперкогерентном состоянии. Перечисленные результаты еще раз, но на более высоком уровне, подтверждают нашу теорию волновых генов [29, 30, 46]. Ключевым положением ее является то, что хромосомный аппарат биосистем функционирует одновременно как источник и приемник гено-знаковых лазерных, солитонных и голографических полей. Кроме того, хромосомный континуум многоклеточных организмов является неким подобием статико-динамичной мультиплексной пространственно-временной голографической решетки, в которой свернуто пространство-время организма. Но и этим не исчерпываются кодирующие возможности генетических структур. Последовательности нуклеотидов ДНК, образующие голографические и/или квази-голографические решетки, формируют еще и текстовые рече-подобные структуры, что существенно меняет наши представления о генетическом коде. Эволюция биосистем создала генетические "тексты" и геном-биокомпьютер как квази-разумный "субъект", на своем уровне "читающий и понимающий" эти тексты. Чрезвычайно важно для обоснования этой элементарной "разумности" генома, что естественные (не существенно на каком языке) человеческие тексты и генетические "тексты" имеют сходные математико-лингвистические и энтропийно-статистические характеристики. Это относится, в частности, к такому понятию как фрактальность распределения плотности частот встречаемости букв в естественных и генетических текстах (для генетических "текстов" буквы – это нуклеотиды) [1]. Ниже будут приведены полученные нами результаты о сходстве таких фракталов для генетических и естественных текстов.
Еще одно подтверждение лингвистической трактовки кодовых функций генома получено американскими исследователями [31]. Работая с “кодирующими” и “не кодирующими” последовательностями ДНК эукариот (в рамках старых представлений о генах), авторы пришли к выводу, противоречащему догме о том, что знаковые функции сосредоточены только в белок-шифрующих участках ДНК. Они применили метод статистического анализа естественных и музыкальных текстов, известный как закон Ципфа-Мандельброта, и принцип избыточности текстовой информации Шеннона, рассчитываемый как энтропия текстов. В результате оказалось, что не кодирующие районы ДНК более схожи с естественными языками, чем кодирующие, и что, возможно, не кодирующие последовательности генетических молекул являются основой для одного (или более) биологических языков. Авторы разработали также статистический алгоритм поиска кодирующих последовательностей ДНК, который выявил, что белок-кодирующие участки обладают существенно меньшими дальнодействующими корреляциями по сравнению с зонами, разделяющими эти участки. Распределение ДНК-последовательностей оказалось настолько сложным, что использованные методы переставали удовлетворительно работать уже на длинах, превышающих 103 пар оснований. Распределение Ципфа-Мандельброта для частот встречаемости “слов” с числом нуклеотидов от 3 до 8 показало большее соответствие естественному языку не кодирующих последовательностей по сравнению с кодирующими. Еще раз подчеркнем, что кодирование авторы понимают как запись информации об аминокислотной последовательности, и только. И в этом парадокс, заставивший их заявить, что не кодирующие регионы ДНК - это не просто “junk” (“мусор”), а структуры, предназначенные для каких-то целей с неясным пока назначением. Дальнодействующие корреляции в этих структурах авторам также непонятны, хотя и обнаружена нарастающая сложность не кодирующих последовательностей в эволюции биосистем. Эти данные полностью соответствует нашим идеям о том, что не кодирующие последовательности ДНК (а это 95%-99% генома) являются стратегическим информационным содержанием хромосом. Оно имеет, как нам представляется, материально-волновую природу, оно многомерно и выступает, в сущности, как ассоциативно-образная и лингвистико-волновая программа эмбриогенеза, смыслового продолжения и логического конца любой биосистемы. Интуитивно поняв это, авторы с ностальгической грустью прощаются со старой и хорошо послужившей моделью генетического кода, не предлагая, правда, ничего взамен.
Генетический код как волновая знаковая структура
Наши представления о генетическом коде должны существенно измениться, иначе мы никогда не сможем создать ДНК-компьютер. С этой целью мы постулировали механизм контекстно-волновых ориентаций рибосом для решения проблемы точного выбора аминокислоты [32]. Эта проблема возникла сразу при создании модели генетического кода как фактор неопределенности в выборе третьего нуклеотида в кодирующем аминокислоту триплете (wobble-гипотеза Ф.Крика). Для того чтобы понять, каким образом белок-синтезирующий аппарат клетки решает эту типично лингвистическую проблему снятия омонимической неопределенности необходимо ввести понятия фонового принципа, ассоциативно-голографической памяти генома и его квантовой нелокальности [28, 33, 38, 46]. Это означает, что геном может рассматриваться одновременно на уровне вещества и как идеальная (ментальная) структура, то есть как квантовый объект.
Универсальным информационным посредником в свертке-развертке знаковых регуляторных структур генома-биокомпьютера выступают эндогенные физические поля очень малой мощности. Эти поля продуцирует хромосомный аппарат, и они являются, быстрым волновым генетическим информационным каналом, соединяющим хромосомы отдельных клеток организма в целостный континуум, работающий как биокомпьютер. Кратко основные положения теории волновых генов (с учетом квантовой нелокальности генома) можно сформулировать следующим образом:
1. Солитонные и лазерные поля ДНК и хромосом являются оптико-акустоэлектрическим нелинейно-волновым процессом, осуществляющим запасание, считывание и перенос генетической и другой регуляторной полевой информации в пространстве-времени организма,
2. ДНК, хромосомы и белки биосистем работают в режиме “антенны”, принимающей внешние акустические и электромагнитные поля, при этом свойства таких антенн меняются, осуществляя управляющее влияние на организм,
3. Жидкокристаллический хромосомный континуум является нелинейно-оптической средой и способен в определенных условиях функционировать как лазер с перестраиваемыми длинами волн, а также как лазер на солитонах (на так называемых “Фрелиховских модах” [21]),
4. Хромосомная ДНК, являясь источником и приемником лазерного излучения, знаково поляризует его и одновременно переводит его в радиодиапазон. При этом образующиеся по механизму квантовой нелокальности (телепортации) радиоволны изоморфно (знаково) поляризуются в соответствии с поляризациями фотонов. Такие радиоволны могут служить носителями генетико-метаболической информации как в пределах биосистемы, так и вне неё.
Хромосомная биоконверсия фотонов в радиоволны. Локализованные фотоны.
Эти положения необходимо учитывать в обсуждаемой здесь гипотетической модели биокомпьютера, работающего на генетических молекулах. Рассмотрим, как формируются “in vitro” конвертированные из фотонов радиоизлучения геноструктур (препараты жидких кристаллов ДНК). В наших экспериментах [28] мы получали так называемые локализованные или спутанные (entangle) когерентные фотоны с последующим пермиссивно-телепортационным превращением их в радиоволны. Этот процесс осуществлялся специально изготовленным одночастотным He-Ne лазером с мощностью излучения 2 мВт, длиной волны 632,8нм со стабильным резонатором, управляемым посредством электронного термостатирующего элемента [34]. При взаимодействии лазерного пучка с жидкими кристаллами ДНК (или с любыми другими объектами), лазер генерировал радиосигналы, различающиеся по характеру (спектру Фурье) в зависимости от типа исследуемых образцов и способов их приготовления. Одним из необходимых условий для генерации ДНК-знаковых биоактивных радиоволн является "трех зеркальная схема". В соответствии с ней зондируемый объект (ДНК) отражает лазерный пучок в обратно в резонатор лазера. Характерно, что специфические модуляции радиосигнала при этом полностью соответствуют изменению во времени двумерных спекл-картин рассеянного препаратами ДНК света.
В этих экспериментах мы получили первичную информацию о возможности долговременной записи биологически активной динамичной поляризационно-лазерно-радиоволновой генетической информации с препаратов ДНК на лазерных зеркалах, как самого лазера, так и на внешних лазерных зеркалах, не являющихся частями лазера (см. ниже). Мы предполагаем, что этот феномен связан с явлением локализации (сжатия) фотонных полей в системе коррелированных рассеивателей лазерных зеркал. В условиях плохого собственного поглощения излучения материалом таких рассеивателей внешнее световое поле способно удерживаться в системе в течение длительного времени без диссипации в другие формы энергии. Причина локализации связана с интерференцией многократно рассеянных волн. Внешний электромагнитный сигнал (в нашем случае это лазерный луч, промодулированный по поляризации препаратом ДНК, локализуется (“записывается”) в системе металл-содержащих неоднородностей лазерных зеркал. Этот сигнал в дальнейшем может быть “считан” без существенной потери информации уже в форме изоморфно (по отношению к фотонам) поляризованных радиоволн. В пользу этих соображений свидетельствуют теоретические исследования по сжатым состояниям локализованных фотонов [35-37].
Если такая "запись" на зеркалах реальна, тогда содержащие атомы металлов жидкокристаллические слои ДНК хромосомного аппарата (аналоги зеркал) также можно рассматривать как фрактальную среду накопления локализованных фотонов, создающую когерентный континуум с квантово-нелокально распределенной поляризационно-радиоволновой гено-информацией. Это в определенной мере соответствует ранее высказанной нами идее квантовой нелокальности генома, точнее одной из ее форм [32, 33, 38]. Возможно, существует и другой механизм перехода квантов света как солитонов в радиоволны. В работе Тужински и соавторов [39] показана связь, взаимодополняемость двух, казалось бы, независимых теорий, в которых рассматриваются две физические модели, объясняющие необычное поведение биологических систем. Эти модели предложены Гербертом Фрелихом и Александром Давыдовым. Так называемые Давыдовские солитоны, описывающие возбуждение, делокализацию и движение электронов вдоль пептидных цепей белковых молекул в форме уединенных волн (солитонов) [40] дополняет известную модель Фрелиха [41-44], развитую в нашей работе [45], о возможности высоко поляризованного (когерентного, лазероподобного) состояния колеблющихся диполей информационных биомакромолекул, диполей, возникающих при Бозе-конденсации фононов электромагнитных волн белков ( ), ДНК ( ), мембран ( ). В работе Тужински и соавторов Давыдовский гамильтониан трансформирован в нормальные координаты, Фрелиховский гамильтониан канонически трансформирован в эквивалентную форму в рамках аппроксимации Хартри-Фока. Авторы полагают, что модель Гамильтониана способна связать обе теории, которые математически эквивалентны. Кроме того, обе модели дополняют друг друга физически. Бозе-конденсация вибрационных мод биополимеров соответствует распространению солитона волны поляризации. И наоборот: солитонный транспорт граничной энергии вдоль пептидной цепи сопровождается Бозе-конденсацией решеточных вибраций биоструктур.
Отсюда следует, что солитон порождает электромагнитное поле, а это, возможно, один из механизмов эффекта, который мы наблюдаем в экспериментах, когда осциллирующий оптический солитон-бризер, отображающий солитонные возбуждения ДНК, генерирует оптико-резонансно усиленные радиоволны. Еще одна мысль, привлекающая внимание: конверсия эндогенных когерентных фотонов, генерируемых хромосомами, в радиоволны в биосистеме может происходить по "трехзеркальной" или “многозеркальной” схеме на многочисленных отражающих поверхностях мембран, аналогично нашим модельным опытам. В этом случае клеточное ядро (хромосомы) выступают как лазерный источник света, а мембрана клеточного ядра и цитоплазматические мембраны как полупрозрачные зеркала. Доменные стенки жидкокристаллических структур клетки также могут служить “зеркалами” и одновременно являться при этом зондируемыми объектами. В таком случае реальна возможность “in vitro - in vivo” манипулировать световыми лазерными потоками, которые транспортируются сложнейшей сетью световодов живой клетки и которые, вероятно, преобразуются на клеточных структурах в радиоволны, несущие информацию о структурно-метаболических перестройках. Локализация и “запись” такого рода фотонно-радиоволновой информации может использоваться как основа для создания искусственно биокомпьютерной памяти. В связи с этим, в порядке научной полемики, можно предложить создать ячейки памяти на жидких кристаллах ДНК. Считывание информации с таких ячеек осуществляется лазерным пучком в режимах, разработанных нами. Как упоминалось выше, первичные экспериментальные результаты в этом направлении нами получены.
Нелокальность генетической информации "in vito-in vivo"
Генетическая волновая информация с препаратов ДНК, записанная в поляризациях спутанных (entangled) фотонов, будучи квантово-нелокальной, переходит (разворачивается) в широкополосный радиоволновой спектр, изоморфный поляризациям фотонов. Именно модуляции поляризации фотонов-радиоволн оптически активными молекулами ДНК являются переносчиками квантово нелокальной морфогенетической и, шире, метаболической волновой информации. Поскольку фурье-образ радиоспектров существенно зависит от типа зондируемого вещества, мы предположили, что это явление может лечь в основу нового вида спектроскопии – поляризационно-лазерно-радиоволновой (ПЛР-спектроскопия) [28]. Фундаментальным фактом оказалось наблюдение, что фотонно-радиоволновые характеристики различных объектов (ПЛР-Фурье-спектры кристаллов, воды, металлов, ДНК и др.) запоминаются лазерными зеркалами и "живут" определенное время. Существенно, что эти "зеркальные спектры" (ПЛР-память) динамичны во времени, как и эквивалентные им спектры самого непосредственно зондируемого объекта. Эта весьма сложная и во многом непонятная нелинейная динамика c “памятью” имеет повторяющиеся во времени спектральные фигуры. Возможно, и здесь реализуется явление возврата Ферми-Паста-Улама солитонного типа, которое мы уже наблюдали в случае нелинейной динамики ДНК при светорассеянии на ее гелях [29]. Характерные повторы спектральных образов индуцированных радиоволновых излучений препарата ДНК приведены на Рис.4. Это первый пример того, что относительно статичная, многослойная среда записи (лазерные зеркала) хранит в себе динамичную спектральную информацию об объектах записи. Обнаруженные феномены могут дать реальные основания для разработки принципиально нового типа видеозаписи, а также создания нового кинематографа.
При дальнейших исследованиях обнаружилась высокая биологическая (генетическая) активность радиоволн, генерируемых в таких условиях препаратами ДНК. С помощью таких ДНК-излучений нам удалось вызвать сверхбыстрое развитие клубней картофеля вне почвы (удлинение ростков до 1 см в сутки) и резкие изменения его морфогенеза с образованием небольших клубней не на корневищах, а на стеблях. Эти же излучения оказались способными вызвать статистически достоверное "оживление" старых и мертвых семян Arabidopsis thaliana, взятых из зоны Чернобыля в 1987 году. Контрольные облучения поляризованными радиоволнами, не содержащими информации о ДНК биологически не активны [33]. В этой серии экспериментов мы получили еще одно доказательство возможности существования генетической информации в форме поляризационно-лазерно-радиоволнового физического поля. О такой возможности вот уже около 70 лет говорят и спорят биологи.
Мы предполагаем, что главный информационный канал в этих экспериментах с ДНК – биознаковые связанные (“спутанные”) модуляции поляризаций фотонов и радиоволн при переходах "фотоны радиоволны" с сохранением информационной связи между ними в рамках одного из вариантов квантовой нелокальности (см. ниже). По этой причине совершенно в ином ракурсе видится хорошо известный факт, что информационные биомакромолекулы – ДНК, РНК и Белки – обладают ярко выраженной способностью к дисперсии оптического вращения и круговому дихроизму. Это обнаруживается в характеристическом (зависимом от длины волны и от свойств образца) вращении электромагнитных векторов фотонов и разном поглощении фотонов образцами в зависимости от типа образца и от того, вправо или влево закручиваются электрический и магнитный вектора поля фотонов. Низкомолекулярные компоненты биосистем, такие как сахара, нуклеотиды, аминокислоты, порфирины и другие вещества обладают той же способностью.
До сих пор в этом не видели биологического смысла. Теперь же феномен оптической активности может быть понят как база для получения организмом неисчерпаемой информации о собственном метаболизме. Информация считывается эндогенными лазерными излучениями хромосом, переходящими в регуляторное ("смысловое") радиоизлучение генома-биокомпьютера. Снимается и противоречие между длинами радиоволн таких превращенных излучений и размерами организмов, клеток и субклеточных структур. В этой ситуации смысловые резонансы в пространстве-времени биосистем происходят не на уровне длин волн, а на уровне частот и углов поворотов поляризационных мод. Вместе с тем, это и база для искусственного лазерно-радиоволнового "in vitro - in vivo" сканирования организма и его компонентов, как нового вида спектроскопии [28].
Представляется, что обсуждаемый случай квантовой нелокальности хромосом, как проявление нелокальности генетической информации, является частным случаем. Нелокальность генетической информации в высшей степени характерна для многоклеточных организмов и распределена по уровням.
1-й уровень – организменный. Нелокальность здесь выражается в способности к регенерации, например у червей планарий. После разрезания таких червей любая часть их тела дает при регенерации целый организм. Иными словами, в этом случае отсутствует привязка общего пула генетической информации к какой-то части биосистемы. То же относится к вегетативному размножению растений.
2-й уровень – клеточный. Из каждой клетки, а не только из зиготы, можно вырастить целый организм. Для животных биосистем это затруднено, но возможно. Каждая клетка – потенциальный континуум организма.
3-й уровень – клеточно-ядерный. Энуклеация ядер из соматических и половых клеток с последующим введением в них других ядер не препятствует развитию нормального организма. Клонирование такого рода уже осуществляют на высших биосистемах, например, на овцах. Каждое клеточное ядро – также потенциальный континуум биосистемы. Локализации генетических потенций на каких-то отдельных клетках нет.
4-й уровень – молекулярный: рибосома "читает" информационную РНК не только по отдельным кодонам, но и всю ее целиком с учетом контекста, то есть нелокально, континуально.
5-й уровень – хромосомно-голографический. Геном обладает голографической памятью [23], а это типично распределенная (нелокальная) ассоциативная память. На этом и последующих уровнях нелокальность приобретает новое качество, дуалистический вещественно-волновой характер, поскольку голограммы как вещество "прочитываются" электромагнитными и/или акустическими полями, выносящими гено-волновую информацию за пределы вещества хромосом. На сцену выходит физическое поле или поля, как калибровочные, размечающие будущее пространство-время организма. Сюда же относится, видимо, голографическая память коры головного мозга, задающая ментальные, смысловые и образные пространства, калибрующие (векторизующие) потенциальные действия высших биосистем. А это уже высший, социогенетический ареал работы генома.
6-й уровень – квантовая нелокальность хромосомного континуума. До 6-го уровня нелокальность генетической информации реализуется в пространстве и времени организма. При этом время и пространство константны и не имеют градиентов (искривлений). 6-й уровень имеет особый характер и новое качество. Оно проявляется в рамках одной из форм квантовой нелокальности, а именно пермиссивной, постулируемой в нашей работе [28]. В этом случае нелокальность реализуется как по пространству биосистемы, так и по ее собственным, “сжимаемым” до нуля, пространстве-времени. Мгновенно распространяемые такими способами гено-волновые программы, изоморфные вещественным, работают в организме "здесь и там одновременно", поэтому утрачивает смысл семантическая конструкция "сначала и потом". И это стратегический фактор, необычайно важное для многоклеточных биосистем эволюционное достижение.
Миллиарды клеток организма должны "знать" друг о друге если не все, то очень многое (стратегическое), причем мгновенно. Без явления “волновой информационной мгновенности” гигантский многоклеточный континуум высших биосистем не способен целостно координировать метаболизм, свои физиологические и другие функции.
Межклеточная диффузия сигнальных веществ и нервные процессы слишком инертны для этого. Даже если допустить, что в межклеточной передаче участвуют знаковые электромагнитные поля со световыми скоростями, что достаточно вероятно, то и этого недостаточно. Необходим механизм именно квантово-радиоволновой нелокальности, и он применим к генетическому аппарату, который может выступать как мгновенно распределенный развернутый квантовый (волновой) объект, изоморфный свернутой вещественной информации хромосомного континуума. Используя такую нелокальность, генетический аппарат высших биосистем создает удивительное явление, когда в определенных знаковых ситуациях в “схлопнутом” пространстве-времени биосистемы "здесь и там", "сначала и потом" работают как неразрывность, обеспечивающая организмам суперкогерентность, информационную сверхизбыточность, сверхинформированность, связность и, как итог, целостность (выживаемость). Проявлением этого, например, служит способность к регенерации органов и тканей у низших организмов (гидры, черви, амфибии, ящерицы, ракообразные), способность, которая в значительной степени утрачена человеком. Но ее можно активировать, учитывая развиваемые нами принципы волновой самоорганизации биосистем. Иллюстрацией этого служит первое в мире успешное приживление имплантированных слепому человеку донорских тканей с восстановлением зрения, осуществленное Э.Р.Мулдашевым [47]. В основу идеологии такой хирургической операции и регенеративных процессов были положены наши исследования [29, 30, 46], в том числе совместные с Э.Р.Мулдашевым [28, 48]. Вместе с тем, теоретико-экспериментальные исследования в этой области знания все еще носят начальный характер и нуждаются в дальнейшем физико-математическом осмыслении и развитии.
В применении к биокомпьютерам аналоги таких нелокальных процессов и ПЛР-память, возможно, станут основой в развитии вычислительной техники вообще. Это будет полная смена элементной базы и, в некотором смысле, повторение пройденного на пути развития вычислительной техники на совершенно ином, качественно более высоком, уровне в ряду: аналоговый>цифровой>“образный”. Последний и будет являться смысловым нелокальным волновым компьютером на ДНК.
...