Идеи, концепции и гипотезы молекулярной биохимической логики и информатики

27. «Генетическая память»

Хранилищем наследственной информации в каждой живой клетке является ДНК хромосом. Генетическая память как постоянное запоминающее устройство служит для хранения данных и программ. Однако, естественно, что генетическая память - это понятие несравненно более грандиозное, чем, к примеру, - память компьютерная. К этой многосложной молекулярной структуре, отождествляющей «спираль жизни», нельзя относиться без достаточной доли уважения и благоговения. В живой клетке, точно так же, как и в любой другой информационной системе, действует принцип хранимой в памяти программы. Все программы и данные хранятся в закодированной форме, в виде комбинационной последовательности четырёх нуклеотидов в длинных цепях ДНК.

В генетической памяти храниться множество программ, обеспечивающих те или иные биологические функции и процессы. Поэтому, автоматическое управление процессами решения различных биологических задач в живой системе осуществляется на основе принципа программного управления. Хромосомы клетки являются не только хранилищем информации, они же являются той многофункциональной системой, которая ответственна за передачу различных генетических программ в оперативную память живой клетки - иРНК. Поскольку программы хранятся в памяти, то одни и те же команды могут извлекаться и выполняться нужное число раз. Более того, так как реализация команд в живой клетке осуществляется в форме трёхмерных биомолекул, то над командами, как над информационными данными, могут производиться различные операции.

Обработка генетических данных и организация потоков управляющей информации в каждой живой клетке осуществляется при помощи унифицированных молекулярных биопроцессорных систем управления (транскрипции и трансляции).

28. «Операционная система живой клетки»

Живая клетка, как и любая другая система для «автоматизированной» переработки информации, имеет свою «операционную систему» - набор программ, который организует и приводит в действие многие аппаратные и программные ресурсы. В первую очередь, эта система обеспечивает построение и функционирование основных компонентов молекулярных биопроцессорных систем - транскрипционного и трансляционного аппаратов. То есть тех средств, которые предоставляют услуги для выполнения различных клеточных программ. Операционная система - это совокупность важнейших программ, предназначенных для управления процессами считывания генетической информации и перевода текста программ с языка нуклеиновых кислот на аминокислотный язык белковых молекул, то есть, в конечном итоге, на стереохимический язык трёхмерных биомолекул. Значит, операционная система клетки содержит встроенные функции перекодировки из одной системы кодирования в другую.

А для перевода закодированных сообщений используются свои программы-переводчики. Поэтому операционная система состоит из набора отдельных транскрибирующих и транслирующих программ, обеспечивающих как построение, так и функциональное поведение биопроцессорных систем живой клетки. Определённые группы генов кодируют и программируют синтез рибосомных и транспортных РНК, другие группы генов контролируют биосинтез белков и ферментов, обеспечивающих работу транскрипционного и трансляционного аппаратов. Таким образом, операционная система создаёт и предоставляет аппаратные средства и функциональные услуги для выполнения всех генетических программ клетки. Она контролирует проявление всех генов клетки и соответственно является одним из основных факторов клеточной интеграции.

29. «Молекулярные биопроцессорные системы»

Состав и характеристики репликационного, транскрипционного и трансляционного аппаратов достаточно наглядно отражены в соответствующей биологической литературе. Поэтому можно легко убедиться в том, что эти аппараты, как системы с микропрограммным управлением, имеют все необходимые узлы, компоненты и характеристики, позволяющие их отнести к категории молекулярных биопроцессорных систем управления.

Молекулярная биопроцессорная система отличается от управляющего микропроцессора не только вещественно-информационным субстратом или методом обработки информации в управляющие сигналы, но и широким параллелизмом действия её биопроцессорных единиц. Поэтому типовые биопроцессорные единицы, несмотря на то, что они практически состоят из одних и тех же компонентов, можно легко подразделять как по назначению, так и по характеру выполняемых ими функций. Генетическая память, молекулярные биопроцессорные системы и их выходное управляющее звено - белки и ферменты являются центральными устройствами, на базе которых построена управляющая система клетки. Гены служат только для хранения информации, поэтому её необходимо сначала считывать, затем определённым образом перерабатывать с тем, чтобы получить форму, приспособленную для непосредственного применения в различных биологических процессах. Аппаратные средства транскрипции и трансляции представляют собой ничто иное, как молекулярные системы для микропрограммной переработки генетической информации. Фактически каждая живая клетка для программной обработки генетической информации применяет такие аппаратные устройства, которые с кибернетической точки зрения вполне эквивалентны молекулярным биологическим процессорам.

30. «Программное обеспечение живой клетки»

В генетической памяти клетки хранится множество пакетов программ, обеспечивающих те или иные биологические функции. Поэтому «автоматизированное» управление процессами решения различных биологических задач в живой системе осуществляется на основе принципа программного управления.

Главной задачей программных средств, используемых в клетках, является обеспечение оперативного взаимодействия управляющей системы с молекулярными объектами управления (субстратами). Программы, загруженные в структуру белковых молекул, гарантируют точность матричного спаривания биологических молекул и проверку их на комплементарное соответствие друг другу. В последовательности оснований внутри двойной спирали ДНК закодирована вся необходимая информация для осуществления функционирования, развития и самовоспроизведения живой системы.

Генетическая память имеет: операционную систему; полный набор программных средств для обслуживания ступенчатых процессов катаболизма и энергетического обеспечения; программные средства для обслуживания процессов биосинтеза молекул, систем репарации ДНК, аппаратных устройств ввода молекулярной информации питательных веществ и вывода конечных продуктов обмена веществ и т. д. Она имеет пакет программ, кодирующих и программирующих молекулярные средства и механизмы самовоспроизведения, которые начинают синтезироваться и действовать строго в соответствии с общей программой развития. Программирование самой генетической памяти осуществляется особым репликативным аппаратом живой клетки в S-период её развития, и дочерние клетки получают полный дубликат генетического материала. Программное обеспечение клетки - это важнейший проблемный вопрос молекулярной биологической информатики.

31. «Феномен живого состояния нельзя объяснить с помощью физических и химических законов»

Теперь уже предельно ясно, что объяснить феномен живого состояния с точки зрения законов физики и химии также невозможно, как, например, невозможно объяснить работу компьютера, ссылаясь на изменения электрических токов или потенциалов в отдельных точках его схемы, согласно законам физики полупроводников или законам электротехники. Здесь нужен совершенно другой подход. Поэтому, как нельзя понять живое без рассмотрения его клеточного уровня, так и нельзя познать живую материю без изучения её информационной сущности. Ясно, что только информационная составляющая живой материи дает ей возможность самоуправления, саморегуляции и самовоспроизведения. Очевидно, что ни материя (вещество), ни энергия, сами по себе, не обладают такой способностью. В этих явлениях приходится признать примат только одной информации, которая использует материально-энергетические составляющие в качестве своего носителя.

Нетрудно заметить, что многие универсальные свойства, приписываемые сегодня живой материи, на самом деле относятся к информации, заключенной в её структурах. Биологическая жизнь, своим зарождением и эволюционным развитием, в первую очередь, обязана замечательным способностям информации кодироваться с помощью химических букв и символов и передаваться при помощи различных молекулярных средств и носителей. Автор предлагаемых идей и концепций убежден, что только альтернативный - информационный подход к молекулярным биологическим проблемам может позволить по-иному взглянуть на давно известные физико-химические закономерности и открыть новые страницы в изучении биологической формы движения материи. Ю. Я. Калашников. Подборка статей и публикаций, посвященных «Молекулярной биологической информатике».