Определение специфики явления самосборки

В наш постиндустриальный век одной из важнейших задач является организация управления и координирования различных процессов. Каждый человек обладает какими-то идентификационными данными (паспортом, например), платит налоги, ежедневно взаимодействует с массой служб: коммунальная, дорожная и так далее. Работа каждой такой организации взаимосвязана с другими организациями, предприятиями, людьми… Очевидно, что такая сложная система не может обслуживаться вручную. Современные технологии позволяют создавать машины с довольно-таки замысловатым логическим устройством; алгоритмы, по которым они работают, достаточно непрозрачны.

В таких условиях на первый план выходит задача саморегуляции системы. Нет особой разницы, о чём конкретно идёт речь: работа городских служб, сеть Интернета, живые и неживые организмы или абстрактные функции. Все эти системы можно — путём, пусть иногда и нетривиальных, аналогий — свести к какой-то общей модели. Задачей, в данном случае, является построение такой модели, которая могла бы функционировать и после разрушения самой системы или каких-то связей внутри неё.

Примером описанного явления может быть маршрутизация в компьютерной сети. Действительно, при выходе из строя нескольких маршрутизаторов, остальные устройства исключат их из своих маршрутных таблиц и будут строить путь в обход сломанных маршрутизаторов. Кроме того, для передачи данных не обязательно знать о существовании всех возможных путей или даже части устройств; для передачи пакетов по сети не обязательно существование единого координирующего прибора. Конечно, существуют роутеры, которые «знают» все адреса в своем сегменте и рассчитывают все маршруты в ней, но данные могут передаваться и между различными сегментами. Такой принцип организации существенно облегчает передачу данных. И, хотя нельзя утверждать, что система может обходиться полностью без человека (технические неисправности) или некоторых локальных координирующих устройств, всю систему в совокупности можно считать автономной.

Следующий пример — параллельное программирование. Разумеется, необходима некоторая работа программиста, разбивающая код на не зависимые друг от друга куски, которые могут выполняться параллельно. Если требуется, можно продумать принцип обмена данных (передача их между процессами). Всё это служит для уменьшения времени вычислений. Тут нельзя рассуждать о полной самостоятельности вычислений и о понятии «самосборка», строго говоря, однако работы в данном направлении служат достижению и этой цели.

Итак, самосборка. Что же это такое?

Если разбирать слово «самосборка» по составу, в соответствии с правилами русского языка, можно выделить два корня: «сам» и «сбор». Логично будет предположить, что речь идёт о системе (организме, набор данных…), который порождается самостоятельно, без влияния извне, пользуясь лишь начальными данными и каким-то общим правилом (или набором правил). Тут будет уместно вспомнить о процессе формирования эмбриона. Всё начинается с зиготы.

Зигота — одна клетка с двойным набором хромосом — является тотипотентной клеткой. Тотипотентность — свойство клеток реализовывать генетическую информацию ядра, обеспечивает их дифференциацию и развитие из одной клетки целого организма (состоящего из многих типов клеток). Таким образом, одна зигота начинает делиться простым дроблением на множество дочерних клеток — бластомеры. Как только прекращается дробление зиготы, начинается морула, стадия раннего эмбрионального развития. Клетки зародыша формируют структуру, являющуюся шаровидной. Далее следует бластула — многоклеточный организм, имеющий один слой клеток.

Эти процессы представлены на рисунке:

Затем наступает гаструла — период, когда часть стенки бластулы впячивается внутрь; теперь зародыш состоит из двух частей: эктодермы (наружный слой клеток) и энтодермы (внутренний). Из внутреннего слоя клеток в дальнейшем формируются внутренние органы (легкие, кишечник и др.), а из эктодермы — нервная система, зубная эмаль и кожный эпителий.

Весь этот, известный ещё из школьного курса биологии, процесс не является регулируемым извне. Он происходит сам; клетки сами делятся, сами формируют шарообразную структуру, сами образуют полость, сами упорядоченно и организованно (хотя никакой организации-то в привычном смысле слова и нет!) формируют два слоя, два типа клеток — эктодерму и энтодерму.

Всё это напоминает муравейник. Насекомые не обладают строгим набором правил (инструкций), кто из них что должен делать. Есть деление на классы среди муравьев, но на этом организационный момент заканчивается. Польский мирмеколог Я. Добжанская проводила эксперимент: брались самка, личинки и только одна функциональная группа муравьев. (Разведчики, охотники, сборщики, строители, «няньки» — вот основные типы «профессий» у муравьев.) Эта функциональная группа распадалась: муравьи «перераспределяли» профессии по мере надобности, хотя никаких наблюдаемых инструкций они не получали. Вообще, муравейник — децентрализованная система.

Важнейшим примером в данной теме является самосборка вирусов. Необходимо более подробное описание процесса.

Что представляет из себя вирус? Это неклеточная форма жизни, которая, хоть и обладает собственным геномом (ДНК или РНК), может воспроизвести себя лишь в клетках другого организма.

На химическом уровне молекулы белка состоят из некоторых радикалов, аминогруппы NH₂ и карбоксильной группы COOH. Эти группы образуют пептидные связи; белковая субъединица — полипептид — содержит великое множество таких пептидов (от 50 аминокислотных остатков).

На приведённом ниже рисунке показана общая схема строения вируса:

Цифрами обозначены: 1 — геном (ДНК или РНК), 2 — нуклеокапсид (дополнительная белковая оболочка, окружающая геном; наличие не обязательно), 3 — капсид (построен или из идентичных субъединиц, или из объединений нескольких белков), 4 — липидная оболочка (задействована из ядерной или клеточной мембраны клетки-хозяйки; тоже встречается не всегда), 5 — фибриллы (для распознавания) и сокращающийся хвост (для доставки и интеграции вируса в клетку).

Цикл самосборки выглядит следующим образом. Вирусная частица (вирион) прикрепляется к клетке. Геном вируса (иногда со вспомогательными белками вируса) проникает в хозяйскую клетку. Затем клетка начинает синтезировать вместо своих собственных белков — вирусные белки и нуклеиновые кислоты. Из синтезированных компонентов начинается самосборка вируса.

самосборка аттрактор дискретный симметрия На рисунке представлена схема самосборки вируса табачной мозайки. Вокруг РНК вируса, которая имеет спиралеобразную форму, нанизаны белковые частицы. Всего белковых субъединиц 2130, размеры вируса: длина примерно 300 нм, ширина — 17 нм.

Интересно то, что отдельные части вируса собираются независимо друг от друга, но в итоге получается одно целое; и, опять же, нет (или не установлено наличие) некоего внешнего фактора, который направлял бы движение молекул определённым образом.