Информационные основы естественных нанотехнологий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Информационные основы естественных нанотехнологий

Калашников Юрий Яковлевич,

Контакт с автором: kalashnikov_mgn@rambler.ru

Аннотация

Живой космос биологических молекул - это ли не полигон для исследования механизмов и принципов действия молекулярной робототехники, принципов и механизмов передачи генетической информации для управления живыми системами? Пользуясь достижениями живой материи, можно значительно расширить диапазон применения искусственных нанотехнологий, намного быстрее решать поставленные задачи. Ясно, что живая природа - это бездонный кладезь новых идей, принципов и механизмов. Она обладает надежно сконструированными и эффективно действующими молекулярными аппаратными устройствами, автоматами, манипуляторами, биопроцессорными системами и т. д. Поэтому апробированная миллионолетиями молекулярная нанотехнология химических, энергетических и информационных процессов должна стать достоянием науки сегодняшнего дня.

1. Общие сведения

Нанотехноломгия - область науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретических обоснований, практических методов исследования, производства и применения микроскопических продуктов и объектов с заданной атомарной структурой и функцией путём контролируемого манипулирования атомами и молекулами. Нанотехнологии качественно отличаются от традиционных дисциплин, поскольку на таких масштабах привычные технологии обработки материи часто неприемлемы. А те микроскопические явления, которые слабо проявляются при привычных технологиях, в нанотехнологиях приобретают новые свойства и становятся намного значительнее. При работе с такими малыми размерами проявляются квантовые эффекты и эффекты межмолекулярных взаимодействий, такие как водородные связи, Ван-Дер-Ваальсовы силы, ионные связи и т. д. В настоящее время считается, что нанотехнологии еще не обладают комплексом той робототехники, которая могла бы быть способной манипулировать на уровне атомов, атомных групп и отдельных молекул. Поэтому разработка и создание таких автоматов и манипуляторов является задачей сегодняшнего дня. Говорят, что нанотехнологии - это ворота, открывающиеся в новый мир. Однако автор данной статьи должен заметить, что в действительности этот мир для живой природы далеко не нов, так как он успешно существует и развивается вот уже более 3,5 миллиардов лет! Это молекулярный мир естественных нанотехнологий живой материи. Нанотехнология и, в особенности, молекулярная технология живых систем - это те родственные области, которые, к сожалению, до сих пор еще недостаточно исследованы и изучены. Одним из важнейших вопросов, стоящих перед нанотехнологией - как заставить молекулы группироваться определенным способом, самоорганизовываться, чтобы в итоге получить новые материалы, объекты или устройства с нужными параметрами и свойствами. Поразительно то, что в процессе эволюции живая природа с подобными задачами уже давно и успешно справилась. К примеру, этими проблемами, при исследовании живых молекулярных систем, занимаются биологическая химия и молекулярная биология. Они изучают не только отдельные молекулы, но и взаимодействия между молекулами, которые, организовываясь определенным способом, могут дать различные вещества с новыми свойствами. Обнадеживает, что в живой природе действительно существуют естественные нанотехнологии с информационным программным управлением и широко применяется молекулярная робототехника различного уровня и назначения! Можно надеяться, что существование параллельных миров естественных и искусственных нанотехнологий и их будущая взаимосвязь и взаимопроникновение друг в друга, в первую очередь, создаёт почву и возможности для исследования информационных основ живых нанотехнологий. Наука и техника всегда перенимали и копировали опыт великих достижений живой природы. Поэтому в настоящее время более детально и пристально изучаются и исследуются "творческие" пути, причины и механизмы живого состояния материи. Достаточно сказать, что ведутся разработки по микроминиатюризации различного рода технических средств по переработке информации. Изучаются принципы и методы обработки и использования генетической информации живыми системами. Делаются попытки построения вычислительных систем и интеллектуальных автоматов на принципах, которые присущи живым организмам. Очевидно, что в данном случае науке особое внимание следует уделить универсальной во всех отношениях молекулярной элементной базе, применяемой в живых системах. Как известно, эта база состоит более чем из 30 типовых молекулярных мономеров (химических букв и символов) - нуклеотидов, аминокислот, жирных кислот, простых сахаров и других типовых "биологических" элементов. Эту элементную базу уже не нужно разрабатывать, её можно получать в любых количествах, а по своим непревзойденным свойствам и качествам она не имеет себе аналогов и успешно используется живой природой в течение миллиардов лет! Ясно, что живая природа - это бездонный кладезь новых идей, принципов и механизмов. Она обладает надежно сконструированными и эффективно действующими молекулярными аппаратными устройствами, автоматами, манипуляторами, биопроцессорными системами и т. д. Поэтому апробированная миллионолетиями молекулярная нанотехнология химических, энергетических и информационных процессов должна стать достоянием науки сегодняшнего дня. Живая природа биологических молекул - это ли не полигон для исследования механизмов и принципов действия молекулярной робототехники, принципов и механизмов передачи генетической информации для самоуправления живыми системами. Пользуясь достижениями живой природы, можно намного расширить диапазон применения искусственных нанотехнологий и значительно быстрее решать поставленные задачи. Сейчас в соответствии с Федеральным законом "О Российской корпорации нанотехнологий" № 139-ФЗ от 19 июля 2007 в России создана Государственная Российская корпорация нанотехнологий (сокращённо ГК "Роснанотех") Корпорация должна содействовать реализации государственной политики в сфере нанотехнологий, развитию инновационной инфраструктуры в сфере нанотехнологий, реализации проектов создания перспективных нанотехнологий и наноиндустрии. Федеральная целевая программа "Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008-2010 годы" утверждена Постановлением Правительства РФ от 2 августа 2007 № 498. Цель программы: создание в Российской Федерации современной инфраструктуры национальной нанотехнологической сети для развития и реализации потенциала отечественной наноиндустрии. Объём финансирования в рамках программы - 27,7 млрд. руб.

Удивительно, но при всем разнообразии публикаций, посвященных информационным аспектам живого, у биологов пока еще не сложилось устойчивого представления об информационных процессах самоуправления живой материи. Здесь еще много неясностей и "белых пятен". Приходится с разных сторон и уровней осторожно подходить к этой проблеме. Автор данной статьи посвятил этой увлекательной теме уже достаточное количество публикаций, размещенных как в Интернете, так и в ВИНИТИ РАН. Надо сказать, что по мере проникновения информационного подхода к молекулярным биологическим проблемам, исследователям удается не только получать новые результаты, но и по-новому взглянуть на давно известные физико-химические факты и закономерности. Однако большие успехи биохимиков и биофизиков, достигнутые в изучении живой материи, придали им уверенности в том, что все явления жизни можно объяснить с позиций физических и химических закономерностей. В связи с этим в биологии возникла длительная эпоха культа физико-химического направления. Но чем глубже ученые внедряются в детализацию физико-химических процессов, тем больше у них возникает сомнений в познаваемости живого. Молекулярная биология и биохимия не могут объяснить того, как интегрируются в одно функциональное целое физические и химические реакции внутри одной клетки. Поэтому, учитывая сложно-зависимые физические, химические и иные процессы, протекающие в живой системе, многие исследователи и сегодня пессимистически относятся к реальности познания феномена жизни. И всем становится ясно, что молекулярные биологические науки зашли в мировоззренческий тупик. Между тем, уже давно известно, что наряду с вещественной и энергетической составляющими живой материи имеется ещё одна, не менее важная составляющая, - информационная, и только она в молекулярно-биологических процессах играет ведущую и организующую роль. Наука показывает, что жизнь на нашей Земле существует и развивается благодаря наследственной информации. Поэтому живые организмы по своей сути не могут ни функционировать, ни существовать, ни развиваться только лишь на физико-химической основе. В связи с этим, особые надежды ученые связывали с открытием сделанным Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком в 1953 г., - построением модели ДНК (двойной спирали). Стало ясно, что ДНК, - это и есть та, самая главная биомолекула, которая хранит все секреты жизни. Исключительным сюрпризом для исследователей оказалось и то, что генетическая информация закодирована, а продуктом её расшифровки через посредство информационной РНК является белок. Чрезвычайно важной стала концепция генетического кода, так как именно из неё вытекает представление о целостной системе передачи информации в живых клетках и организмах. Поэтому все последующие годы исследователей занимал вопрос использования генетической информации в живых системах. К сожалению, история открытия наследственной информации и генетического кода не получила надлежащего продолжения. Таким образом, молекулярная биологическая информатика, еще не родившись как новое направление в биологии, была "законсервирована" на долгие годы. Обратим внимание на тот факт, что если информатика - это дитя двадцатого века, то биоинформатика живых систем, которая лежит в основе автоматизированной переработки молекулярной информации, биоорганического вещества и химической энергии насчитывает в истории своего развития миллиарды лет! Однако к своему удивлению, мы только сейчас узнаем, что в основе жизни лежит необъятный и практически неисследованный мир молекулярно-биологической информатики, который собственно и руководит всем миром естественных нанотехнологий. В связи с этим естественные нанотехнологии достигли чрезвычайно высокой степени своего развития. Между тем, несмотря на то, что на земные просторы пришел золотой век технической информатики, биологические науки так и не сумели увидеть необъятный айсберг информационных молекулярно-биологических технологий, лежащий в основе живой материи и самой жизни. И это несмотря на великие начинания и гениальные открытия, сделанные исследователями в этой области еще в середине 20 века. Начало 21 века ознаменовано тем, что в разных странах широко и повсеместно входят в моду различные нанотехнологии. Это новое направление в науке и технике, позволяющее изготавливать различного рода микроскопические изделия - автоматы, манипуляторы, вычислительные устройства и т. д. на атомном и молекулярном уровне. Однако если обратить внимание на живую материю, где миллиарды лет живая природа пользуется своими, до совершенства отточенными естественными нанотехнологиями, то можно увидеть неиссякаемые россыпи различных биологических элементов (мономеров), молекулярных устройств постоянной и оперативной памяти, молекулярных биопроцессорных систем управления, шифраторов и дешифраторов, белков и ферментов (которые выполняют роль молекулярных автоматов или манипуляторов) и т. д. и т. п. Безусловно, все они имеют высокую природную технологичность не только в изготовлении, но и в применении. Исследователям остаётся лишь понять их принципы автоматизированного изготовления и применения. Естественным нанотехнологиям не надо доказывать своего преимущества, которое оттачивалось в течении миллиардов лет эволюции. Это, конечно же, не примитивная нанотехнология сегодняшнего дня. Поэтому вряд ли следует большие надежды связывать с исследовательскими работами в сфере нанотехнологий, в то время, когда естественные науки не смогли даже исследовать и понять молекулярный мир живого. Не лучше ли сначала исследовать необъятный мир естественных нанатехнологий, лежащий в основе живой материи и самой жизни, понять молекулярные и информационные принципы её организации с тем, чтобы осмыслить всю серьезность задач, поставленных перед нанотехнологиями. Ведь в настоящее время только информационная технология живых молекулярных систем способна целенаправленно работать на недосягаемом для других технологий уровне - на уровне отдельных атомов, атомных групп и молекул. Вряд ли в ближайшее время этот уровень будет достигнут человеком, несмотря на его техническую оснащенность. Поэтому сегодняшние нанотехнологии вполне должны и имеют право воспользоваться достижениями естественных нанотехнологий. К сожалению, в этой области естественные науки до сих пор не могут достичь единомыслия. Сейчас некоторыми биологами признается "не только бесперспективность молекулярного анализа общих клеточных процессов, но и неадекватность наших биохимических представлений. Причина - в особенностях биологических законов. Хотя эти законы не противоречат физическим, но они из них и не следуют. Первое, что, по мысли известного биолога из Чикаго (США) Альбрехта-Бюлера, следует понять клеточным биологам - это отличие мира клетки от окружающего нас макроскопического мира. В какой-то степени его также невозможно вообразить, как мир элементарных частиц. Начнем с того, что внутриклеточная среда не похожа на водные растворы реакционноспособных соединений, про которые и написаны все учебники биохимии. Иерархия сил в клетках совсем иная, чем в нашем мире. Для клетки большое значение имеет вязкое трение, броуновское движение, электростатические силы. При столь значительных различиях между массой и поверхностном натяжением капля воды приобрела бы форму идеального шара. У большинства же клеток, напротив, поверхность сильно деформирована, имеются выросты, ворсинки и т.п. Дело в том, что цитоплазма клетки не просто гелеобразна, но высоко структурирована. Она вся пронизана нитями цитоскелета, разделена мембранами. Взаимодействующие молекулы в клетке не плавают свободно, как в пробирке с водным раствором, а в основном иммобилизованы на полимерных структурах цитоскелета или мембранах. Из-за этого химия клетки весьма далека от излагаемой в университетских курсах. Почему же тогда элементарными единицами для объяснения биохимических процессов выбраны именно молекулы? Видимо потому, что описание биологических процессов, например, через элементарные частицы было бы слишком громоздким. При переходе к элементарным частицам мы упустим разницу между биологической (живой) и небиологической (неживой) системами. В своей работе Албрехт-Бюлер много внимания уделяет структурированности цитоплазмы. Упор в основном делается на линейные структуры: хромосомы, микротрубочки, микрофиламенты. Автор полагает, что вдоль таких структур могут передаваться сигналы за счет локальной ассоциации и диссоциации молекул вдоль структуры" [1]. Биохимия и молекулярная биология не могут объяснить, как "10 в тринадцатой степени" молекул объединяются в живую клетку и что их удерживает вместе. Альбрехт-Бюлер вслед за другими авторами считает, что это "что-то" - информация в клетке и вокруг неё. Такая информация может быть записана в виде структуры мембран, расположения элементов цитоскелета, распределения ионов. Клеточная биология должна анализировать всю записанную в виде текстов информацию. Но для каждого текста есть предел дробления на элементы, за которыми анализ теряет смысл. Разбив текст на буквы, мы теряем его смысл.

2. Информационные основы естественных нанотехнологий

Перспективы развития современных нанотехнологий напрямую связаны с поиском и разработкой той элементной базы, на основе которой может быть сформирована та или иная нанотехнология. Чрезвычайно важным обстоятельством зарождения естественных молекулярных нанотехнологий, определяющих жизнь на Земле, явилась классическая форма представления информации с помощью определенного набора букв и символов, упорядоченных применением кода. Поэтому тайны живых информационных технологий во многом связан с применением молекулярной элементной базой, представляющей собой общий молекулярный алфавит живой материи. Удивительно, но факт - всё живое на Земле, от ничтожной бактерии до человека, состоит из одинаковых "строительных блоков" - стандартного набора более чем трёх десятков типовых функциональных биологических (биохимических) элементов. Этот типовой набор представляет собой ничто иное, как элементную базу, или общий молекулярный биологический алфавит, который служит, как для кодирования информации, так и для построения и программирования молекулярных структур живой материи. В состав этого универсального набора входят различные системы биологических элементов (отдельные молекулярные алфавиты): 1) восемь нуклеотидов, - "четыре из них играют роль кодирующих единиц ДНК, а другие четыре используются для записи информации в структуре РНК" 2) двадцать различных стандартных аминокислот, которые кодируются в ДНК и служат для матричного построения белковых молекул; 3) несколько жирных кислот, - сравнительно небольшое число стандартных органических молекул, служащих для построения липидов; 4) родоначальниками большинства полисахаридов является несколько простых сахаров (моносахаридов) и т. д. Все эти химические буквы и символы были отобраны в процессе эволюции. Поэтому, кроме семантики сообщений они обладают еще и уникальной природной способностью к выполнению различных - химических, энергетических, программных и других биологических функций. Эти мономеры, как правило, имеют диаметр от 0,5 до 0,7 нм. Поскольку диаметр молекулы типичного глобулярного белка, состоящего из 150 аминокислот, составляет всего 4 нм, совершенно очевидно, что аминокислотные остатки должны быть упакованы очень компактно, то есть полимерная молекула должна быть свернута. Как мы видим, живые системы имеют не только свою письменность, но и пользуются различными молекулярными языками и алфавитами. А основой каждой системы элементов являются свои индивидуальные молекулярные биологические (биохимические) элементы (химические буквы и символы). На базе различных систем биологических элементов - молекулярных алфавитов, могут быть "сконструированы" разнообразные макромолекулы клетки - ДНК, РНК, белки, полисахариды, липиды и т. д. Поэтому элементная база представляет собой те системы биохимических элементов, используя которые живая клетка способна информационным путём строить различные биологические молекулы и структуры, записывать в них информацию, а затем с помощью этих средств осуществлять любые биологические функции и химические превращения. И ведь, действительно, - все биохимические элементы, входящие в состав различных биологических молекул, представляют собой ту элементарную форму органического вещества, с помощью которой формируются и передаются биологические коды молекулярной информации. Следовательно, информация в живой молекулярной системе передаётся с помощью различных дискретных кодовых сигналов, которые сначала формируются в "линейных" молекулярных цепях, а затем и в трёхмерных структурах различных биологических молекул. Поэтому она имеет молекулярный базис представления. Этот факт подтверждается тем, что различные информационные коды в молекулярной системе записываются химическим способом и поэтому переносятся непосредственно в структурах биологических макромолекул. Более того, необходимо отметить, что все биохимические буквы и символы элементной базы (мономеры) живой материи оказалась наделёнными такими химическими и физическими природными качествами и свойствами, сочетание которых позволяет им в составе биологических молекул одновременно выполнять буквально различные по своей биологической роли функции и операции: 1) служить в качестве строительных блоков, с помощью которых осуществляется физическое построение различных макромолекул; 2) выполнять роль натуральных информационных единиц - химических букв или символов, с помощью которых в биомолекулы записывается молекулярная информация; 3) служить в качестве элементарных единиц молекулярного кода, с помощью которых идёт кодирование, преобразование, передача, а впоследствии, - воплощение и реализация генетической информации; 4) быть программными элементами, с помощью которых строятся алгоритмы структурного преобразования, а затем и программа функционального поведения различных биологических макромолекул; 5) обуславливать потенциальную и свободную химическую энергию биомолекул [2]. Всё это указывает на то, что информация, загруженная в макромолекулы (с помощью аппаратных средств и молекулярного алфавита), определяет не только их молекулярное содержание, но и их структуру, форму, класс биоорганического соединения, потенциальную и свободную энергию химических связей. Кроме того, та программная информация, которая загружена в молекулярные структуры, всегда определяет информационное и функциональное поведение биологических макромолекул. Все без исключения биологические свойства и качества макромолекул оказались напрямую связанными с многофункциональными особенностями составляющих их биологических элементов. Поэтому, при рассмотрении живой материи, всегда необходимо учитывать не только структурный состав различных биомолекул, но и функциональную взаимозависимость и взаимодополняемость различных характеристик составляющих их элементов. Такое "слияние" различных характеристик биологических элементов в одно функциональное целое и их информационное содержание, делает возможным проявление тех биологических черт и признаков макромолекул, которые наблюдают биологи. Заметим, что каждый типовой биологический элемент (химическая буква или символ) характеризуется наличием своих функциональных атомных групп, которые определяют его химические свойства и служат входными и выходными цепями, с помощью которых элементы могут ковалентно соединяться друг с другом в длинные молекулярные цепи. И главное, - важно отметить, что каждый элемент (мономер) имеет еще и свою индивидуальную боковую атомную группу (или группы), которая в живой системе, как правило, используется в качестве элементарного информационного химического сигнала! Наглядный пример: сообщение в цепи ДНК или РНК кодируется в виде последовательности нуклеотидов, а носителями генетической информации являются азотистые основания - "боковые" атомные группы нуклеотидов. Соответственно, и в полипептидной цепи белка это сообщение записывается в виде последовательности аминокислот, где носителями информации являются их боковые R-группы. Большое разнообразие информационных сил и связей в живой системе определяется различными природными свойствами биохимических элементов. Здесь, конечно, отсутствуют четко тестируемые сигналы, такие как, 1 и 0 в цифровых системах. Химические информационные сигналы определяются соответствующими элементами, выступающими в качестве единиц биологической информации. Например, каждая из 20 типовых аминокислот - кодирующих единиц белковых молекул, характеризуется своим индивидуальным набором структурных и природных свойств. Известно, что аминокислоты отличаются друг от друга только вариабельными боковыми цепями (R-группами), поэтому они и подразделяются в зависимости от структурной конфигурации боковых атомных групп, их химических свойств и особенностей. По характеру заряженности боковых групп и их полярности, аминокислоты классифицируются: " на полярные или гидрофобные; полярные, но незаряженные; полярные с отрицательным зарядом; полярные с положительным зарядом. Внутри каждого класса имеется определённая градация по полярности, размерам и форме R-групп " [2]. Необходимо подчеркнуть, что широкий диапазон природных свойств и особенностей различных элементов является базовой основой для сигнальной формы представления молекулярной информации. Поэтому типовые аминокислоты белка (впрочем, как и любые другие элементы живой материи), как кодирующие единицы, обладают своими специфическими свойствами, служащими для физико-химического воплощения биологической информации. Каждая аминокислота несёт свой элементарный химический и структурно-рельефный (стерический) сигнал, переносчиком которого является боковая R-группа. Кроме того, каждый элемент может иметь также различное смысловое значение, которое зависит от его позиционной фиксации в молекулярной цепи. То есть для кодирования биологической информации в клетке используется позиционная система представления с фиксированными дискретными данными. Нам остается лишь определить каким путем информация загружается в биомолекулы и при помощи каких механизмов она воплощается в целенаправленное действие. Природные свойства отдельных биологических элементов достаточно хорошо рассмотрены в учебниках по биохимии. Наша задача больше уделить внимания информационным аспектам их применения. Значимая роль кодирования наследственной информации связана не только с зарождением жизни на Земле, но и с её эволюционным развитием, неуемной жаждой активности, размножения и распространения. При передаче информации сам код столь же важен, как и используемые в нем символы. Наличие кода в любой системе всегда свидетельствует об определенном смысловом значении сообщения (семантике). Как мы видим, - первая закодированная информация появилась на Земле более 3,5 миллиардов лет тому назад! И это была "буквенно-символьная" информация биологических макромолекул. Можно без преувеличения сказать, что химический способ представления информации стал именно тем гениальным изобретением природы, с помощью которого была подведена черта под химической эволюцией материи, и были открыты необъятные дали и непредсказуемые пути великой эволюции - биологической [3]. Химические буквы и символы (мономеры), как известно, построены на базе отдельных атомов и атомных групп. В связи с этим, в живых системах была достигнута невероятная плотность записи информации, так как её кодирование в структурах макромолекул осуществляется на субмолекулярном уровне с помощью боковых атомных групп молекулярных биологических элементов. Можно себе представить, какое колоссальное количество информации хранится в генетической памяти и циркулирует в биологических молекулах и структурах одной клетки, размеры которой в длину подчас составляют сотые доли миллиметра. При этом живая природа оказалась настолько искусным шифровальщиком и применила на молекулярном уровне такие системы кодирования и программирования, которые гарантировали сохранность тайн живой формы материи буквально до наших дней. К сожалению, среди биологов не оказалось квалифицированных криптографов, которые могли бы расшифровать многочисленные молекулярные коды и различные линейные и пространственные кодовые комбинации молекулярных биологических элементов (мономеров), используемые в структурах биологических макромолекул. Понятно, что для представления молекулярной информации в живых системах не применяются функции алгебры логики и операции двоичной арифметики. Здесь действуют строго свои, специфические закономерности молекулярной биохимической логики и биологической информатики [3]. Информацией в её классическом виде можно назвать совокупность закодированных сведений или данных о любом факте, явлении или объекте, которые вырабатываются, передаются и воспринимаются той или иной системой. Здесь информация обозначена как содержательные данные или сведения тех или иных сообщений, которые представлены только в закодированной форме. Очевидно, что информация всегда существует и передается только в закодированной форме. Таким образом, сама информация как некая сущность является виртуальной категорией. Другого вида природной информации не существует. Информация, как известно, определяет поведение системы, повышает её организацию и понижает энтропию (дезорганизацию). Для того чтобы понять информацию, необходимо знать код, - то есть способ её представления. В молекулярной биологии в настоящее время утвердилось представление о применении такого кода только в случае генетического кода. Однако для кодирования различных видов и форм молекулярной информации клетка использует разные системы элементов общего алфавита, поэтому запись информации может осуществляться различными буквами и символами. Это ведёт к новому представлению о том, что в любой живой молекулярной системе для кодирования и декодирования информации широко применяются и другие биологические коды, которые служат для перевода и преобразования информации из одного её молекулярного вида в другой, из одной её молекулярной формы в другую. При этом разные алфавиты букв и символов, при помощи которых записывается информация в различные классы биологических молекул, являются натуральными дискретными единицами биологической информации. Поэтому информация в живой системе, - это содержательные сведения, заключенные в том или ином послании или сообщении генома, которые хранятся, передаются и используются только в закодированной молекулярной форме. А информационный код в любой живой клетке записывается химическим способом с помощью элементарной формы органического вещества и поэтому переносится в структурах биологических молекул.

3. О чем умалчивает наука

Информация, как самостоятельная категория, по мнению автора статьи, возникла также давно, как и сама живая материя. Можно сказать, что информация, в первую очередь, стала главной сущностью живой природы, а появилась она на свет вместе со способностью биологических молекул кодировать и передавать информационные сообщения. Очевидно, что только замечательная триада - молекулярная информация, химическая энергия и органическое вещество могла обеспечить появление, существование и развитие живой материи [4]. А молекулярный носитель информации положил начало молекулярно-биологической технологии переработки информации, а значит, и соответствующим преобразованиям тех молекулярных компонентов биоорганического вещества, в структурах которых осуществлена запись информации. Важно здесь подчеркнуть, что мономеры (химические буквы и символы молекулярного алфавита), составляющие вещество, - это и есть та материальная часть, которая по своему статусу является носителем нематериальной части - информации. Поэтому отношения между ними в макромолекуле складываются такими же, как между информацией и её материальным носителем. А именно: каждый из них "живёт" по своим собственным законам. Биоорганическое вещество подчиняется своим физико-химическим законам, а информация подчиняется только своим специфическим закономерностям. Однако при этом следует отметить важное отличие, которое существует в любой живой системе: информация не зависит от свойств своего носителя (вещества), а вот судьба вещества полностью зависит от той информации, которая записана в его структуре. Более того, все свойства и состав макромолекул полностью зависят от той информации, которая загружается в их структуру во время биосинтеза. Следовательно, информация не только руководит структурной организацией вещества, но и использует его физико-химические свойства для своего молекулярно-биологического воплощения! Удивительно, но приходится констатировать, что наши материальные тела, по своей сути, созданы из тех же вещественных носителей информации, которые были использованы для переноса наследственной информации. Информация в любой биомолекуле указывает её путь, функциональное поведение в клеточной среде, а значит, и всю её биологическую судьбу. После выполнения своих информационных функций любая биомолекула заменяется на другую, способную выполнить те функции, которые необходимы живой клетке в данное время и в данном месте. Все эти процессы обеспечиваются энергией и информацией, а само вещество (т. е. сами носители информации) преобразуется в молекулярные механизмы для выполнения тех или иных биологических функций. По такому поразительному сценарию живая клетка не только передает информацию, но и одновременно снабжает себя материально-энергетическими компонентами и механизмами. Как ни странно, биологи наблюдают только материальную часть этого процесса, не замечая главного - передачи программной наследственной информации. Очевидно, что природа биоорганического вещества живой системы характеризуется двумя сторонами - материальной, которая достаточно хорошо изучена естественными науками и информационной, которая по своей сути представляет собой виртуальную часть живого. К сожалению, эта вторая и "таинственная" сторона живого вещества, по значению не уступающая первой - материальной, естественными науками оказалась незамеченной и поэтому практически неизученной. Удивительно, но информация, - это именно тот виртуальный посредник, который с самого начала зарождения жизни, связывает материальную часть нашего мира с нематериальной его частью. Особенно заметно это проявляется при рассмотрении живой материи. И, действительно, обратим внимание на то, что живая природа здесь пошла по пути функционального использования, как самой информации, так и средств её молекулярных носителей. То есть она пошла по пути связывания друг с другом материальных, энергетических и виртуальных компонентов (программ, данных, команд). Причем, долевое участие каждого из этих составляющих в системную организацию живого велико и практически немыслимо без каждого из них. Следовательно, назначение клеточного вещества не исчерпывается уже изученными физико-химическими процессами, потому что, оно подчинено еще и законам молекулярной биохимической логики и информатики. Поэтому молекулярная информация существенно отличается от общепринятого нами понятия информации, во-первых, необыкновенным "сращиванием (слиянием)" её со своим молекулярным носителем и, во-вторых, она отличается своим чисто биологическим назначением и применением. Ясно, что используется она только в мире живых систем. Обратим внимание, что сегодня понятие "Информация" рассматривается в контексте с возможностью её хранения, передачи и вероятностью её автоматизированной обработки. Под обработкой информации в информатике понимают любое преобразование информации из одного вида в другой, производимое по определенным правилам. Естественно, что все молекулярные преобразования информации в живой системе обычно производятся с целью достижения определенного биологического эффекта. Сосуществование и взаимодействие материальных и виртуальных компонентов, с самого начала зарождения живой материи стало не только главной реальностью и смысловым содержанием жизни, но и причиной её бурного развития и широкого распространения. Информация стала определяющей мерой многих вещей и явлений, потому, что она выступила в роли универсального критерия направленности многих природных процессов и, в первую очередь, функциональных биохимических процессов живых систем, а затем, и процессов их эволюционного развития. Мы убеждаемся в том, что живая природа пошла по пути использования, как самой информации, так и средств её молекулярных носителей. Посредством оперативной памяти иРНК, молекулярного алфавита и соответствующих аппаратно-программных средств (трансляции) информация загружается в структуру белковых молекул, где она диктует биомолекулам не только структурное содержание, но и правила их поведения. Таким образом, циркуляция информации в клетке определяет не только структурную, но и программную часть всех компонентов клетки. Кроме того, заметим, что движение информационных сообщений в живой клетке никогда не может осуществляться без движения их молекулярных носителей. Этот факт, по-видимому, и является первопричиной, побуждающей клетку строить свои вещественные отношения таким образом, чтобы движения информации всегда были бы обеспечены вещественными носителями! Это ведет к новому представлению и означает, что атомы, молекулы и целые соединения молекул находятся в живой системе в процессе постоянного информационного движения - процесса, который и называется жизнью. Потому что все управляющие и сигнальные (информационные) компоненты живого представлены только в виде вещественно-энергетических носителей (переносчиков информации). Получается, что все биологические системы возникают в результате процессов обмена информации, биоорганических веществ и химической энергии, и без этих процессов они не могут существовать. А все процессы обмена веществ и энергии в живых существах всегда привязаны к специфическим условиям преобразования наследственной информации и даже "закрепощены" ими. Очевидно, что видом и только видом информационной организации материи отличаются различные формы жизни друг от друга. Очевидно, что в живой природе только молекулярный носитель информации мог положить начало молекулярно-биологической технологии переработки информации, а, стало быть, и соответствующим преобразованиям тех молекулярных компонентов биоорганического вещества, в структурах которых осуществлена запись информации. При этом заметим, если вещество и энергия живой материи являются её материальными наполнителями, то информация в структуре живого вещества, по своей сути, является руководством к действию, а значит, и критерием управления всех химических, молекулярных, энергетических и других биологических процессов. Как мы видим, - наше мироздание построено на различных видах и формах материи, энергии и информации и великом разнообразии информационных технологий. Вещество, энергия и информация стали важнейшими сущностями нашего мира, главнейшими его составляющими. Однако пальму первенства из этой триады, в любых созидательных процессах, мы должны отдать только информации. В связи с этим, можно надеяться, что естественные науки сегодняшнего дня стоят на пороге открытия одной из важнейших основ нашего существования и бытия - необъятного мира пока неизвестных нам информационных молекулярно-биологических субстанций и технологий. Напрашиваются и другие мысли, и обобщения. Например, следует закономерный вывод о том, что все универсальные свойства, приписываемые сегодня биологической форме движения материи, на самом деле относятся к информации, заключенной в её структурах. К этим свойствам, в первую очередь, относится способность живых систем к самосборке, саморегуляции и самовоспроизведению. Ясно, что эти уникальные способности живого обеспечиваются только системной организацией и информацией, существующей на основе биоорганического вещества, но никак не самим веществом, какими бы уникальными физическими или химическими свойствами оно не обладало. Физико-химические свойства биоорганического вещества просто оказались незаменимыми при построении функциональных биологических средств и устройств, используемых управляющей системой клетки для реализации биохимических процессов. При этом, вся организационная часть по созданию и применению этих средств, как известно, возложена на генетическую информацию. А генетические сообщения обеспечивают и закладывают в макромолекулы не только структурные, но и программные компоненты биоорганического вещества. Все эти процессы практически обеспечивают феномен единства вещества, энергии и информации. Очевидно, что рассматриваемая триада компонентов выступает в роли универсального фактора, обеспечивающего все жизненные процессы и биологические свойства вещества. Нет сомнений в том, что информация, это тот виртуальный посредник, который с самого начала жизни, связывает материальную часть нашего мира с виртуальной, нематериальной его частью. Информация в живой системе, в зависимости от её назначения, может записываться различными буквами и символами (мономерами), и поэтому, естественно, что информационные сообщения могут существовать в различных вещественных воплощениях. Удивительно, что информация, находящаяся в структурах биологических молекул стала не только направляющей и организующей силой всех биохимических процессов, именно от её содержания зависят все показатели живой материи: её химический и структурный состав, все её качественные и количественные показатели. Очевидно, что только от информации зависит и содержание, то есть состав самого вещества. Следовательно, вещество в любой живой системе занимает, увы, не главную, как декларирует биологическая наука, а подчинённую роль! Это звучит неожиданно, однако вспомним, что информация, заключенная в генах, до мельчайших подробностей определяет аминокислотный состав и, соответственно, функциональное поведение белковых молекул. Структурный состав веществ целостного организма также всецело зависит от наследственной информации.

4. Формы представления молекулярной информации

Расположение аминокислот в полипептидной цепи белка, также как и образующаяся на его основе пространственная структура, закреплены генетически и приспособлены к выполнению определенной биологической функции. Результаты расшифровки первичной структуры, полученные в настоящее время для большого числа белков, позволяют сделать некоторые обобщения. Несмотря на большое разнообразие свойств отдельных белков и различия в первичной структуре, для преобладающего числа белков характерно присутствие всех 20 видов аминокислот. Именно для них существует генетический код в виде триплетов, а последовательность триплетов в иРНК (а значит, и в ДНК) определяет последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи белка. Заметим, что "последовательность букв и символов и синтаксические правила формируют лишь необходимые предпосылки для представления информации. А основной аспект сообщения состоит не в выбранном коде, форме символов или методе передачи (письменных, оптических, акустических, электрических и т. д.), но в его значении (семантике) " [5]. Именно значение кода превращает последовательность букв или символов в информационное сообщение. Оно не связано ни с материей (веществом), ни с энергией, потому что имеет смысловой виртуальный характер. Главный вывод, к которому можно прийти, заключается в том, что информация, циркулирующая в живой клетке, всегда находится в молекулярных структурах биоорганического вещества. Она имеет функциональный характер, химическую или стереохимическую форму записи, а также различные молекулярные виды и формы представления. К примеру, молекулярная биологическая информация может быть представлена в виде цепей нуклеиновых кислот, - при записи её нуклеотидами; в виде полипептидных цепей, - при записи её аминокислотами; в виде линейных или разветвлённых цепей полисахаридов, - при записи её моносахаридами и т. д. Причем линейная форма записи информации, как правило, является основой для преобразования её в форму пространственную - стереохимическую. Следовательно, для решения различных биологических задач, живая клетка широко пользуется различными молекулярными алфавитами, языками, а также формами и видами представления информации. Как мы видим, информация в живых клетках может существовать в двух молекулярных формах - одномерной химической (линейной) и пространственной, стереохимической. Значит, живая клетка пользуется двумя информационными уровнями организации биологических молекул - линейным и пространственным. На первом уровне, с помощью управляющих средств обеспечивается последовательное ковалентное соединение различных химических букв или символов в длинные молекулярные цепи. Таким путём производится запись информационных сообщений в первичную, одномерную ("линейную") биологическую структуру. Однако, пространственная организация макромолекул и клеточных структур, также как и реализация их функций, обычно осуществляются при помощи химических связей, значительно более слабых, чем ковалентные. Это происходит потому, что боковые группы тех биологических элементов, которые в цепи связаны ковалентно, способны к информационным взаимодействиям с другими боковыми группами, как в пределах одной макромолекулы, так и с боковыми группами близлежащих молекул. К таким взаимодействиям (их называют слабыми связями) относятся: водородные и ионные связи, ван-дер-ваальсовы силы, гидрофобные взаимодействия, которые в совокупности, благодаря их многочисленности и разнообразию, оказываются весьма сильными. Поэтому они определяют не только степень прочности сложных макромолекул, - белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов и т. д., но и обуславливают их функциональные возможности. Следовательно, второй уровень организации макромолекул осуществляется в основном при помощи слабых нековалентных сил, связей и взаимодействий между боковыми атомными группами и атомами химических букв или символов. Через посредство этих сил и связей идёт воплощение линейной молекулярной информации в стереохимическую структуру и форму. В результате таких преобразований "одномерная" молекулярная информация цепей "сворачивается, пакуется и сжимается" в трёхмерную информацию биомолекул, которая в таком виде становится пригодной для транспортировки, передачи по различным каналам, а затем, и непосредственного использования в различных биологических процессах. Трансформация линейных генетических сообщений в трёхмерную структуру и форму различных биомолекул - это важный этап перехода биологической информации из одной её молекулярной формы в другую. Линейный и пространственный элементарный состав макромолекул определяется генами, а каждый биологический элемент в составе биологической молекулы тождественно может выполнять различные роли - как структурной, так и информационной единицы, как функционального, так и программного элемента. Поэтому все аппаратные средства живой клетки - белки, ферменты и другие клеточные компоненты обладают строго своей специфической структурной организацией, имеют своё информационное и функциональное назначение, а также своё индивидуальное энергетическое и программное обеспечение. Только благодаря удивительным многофункциональным свойствам биологических элементов, макромолекулы клетки становятся обладателями настолько многоликих и разносторонних качеств и свойств, что их можно изучать и рассматривать буквально с разных сторон и различных точек зрения, - с физико-химической, со структурной, с энергетической, с функциональной, с информационной, или с чисто биологической. Столь разноплановые признаки и свойства биологической формы материи привели к тому, что в настоящее время её изучением заняты многочисленные естественные науки - биофизика, биохимия, генетика, молекулярная биология, биоэнергетика, цитология и многие другие дисциплины. Однако такой дифференцированный подход больше ведёт к разобщению, чем к интеграции знаний. Автор статьи уже давно убежден, что только альтернативный - информационный подход может позволить по-иному взглянуть на давно известные физические и химические закономерности и открыть новые страницы в изучении живой материи. Кроме того, такой интегративный подход мог бы послужить ещё и стимулом к объединению усилий различных биологических наук и дисциплин, изучающих сущность живого. В связи с этим, естественным наукам следовало бы больше уделять внимания информационным аспектам живой формы материи. Очевидно, что полипептидные цепи белков не могут иметь произвольный аминокислотный состав. В молекулярной биологии имеются убедительные данные, говорящие о том, что даже ошибочное замещение всего одной аминокислоты в цепи на другую может привести к печальным последствиям. Живые системы обычно имеют свои специфические белковые молекулы. А это означает, что различные типовые белковые молекулы имеют в своих цепях только свою, четко определённую и генетически закреплённую комбинационную последовательность аминокислотных звеньев. Однако отметим, что хотя одна и та же информация может быть записана разными кодами, например, генетическим кодом или линейным аминокислотным, однако реализация этой информации в биологических процессах может осуществляться только при записи её в форме стереохимических кодов. Аминокислотный код служит для преобразования линейной формы информации полипептидов в стереохимическую структуру и информацию белковых молекул. Белки и ферменты, как носители молекулярной биологической информации, способны к её реализации только в такой трёхмерной форме. Поэтому информация белков носит чисто биологический характер. Подробное изучение строения глобулярных и фибриллярных белков показало, что для каждого индивидуального белка характерна своя пространственная трёхмерная организация, которая зависит от его первичной структуры - то есть от информации, записанной "линейным" аминокислотным кодом. Однако различные аминокислоты полипептидной цепи, по всей вероятности, организованны в виде отдельных комбинационных кодовых сигналов, определяющих (в клеточной среде) различные по своей биохимической характеристике зоны, участки и фрагменты цепи, которые обуславливают соответствующие пути, порядок и последовательность информационной сборки белка. В полипептидных цепях белковых молекул кодируется разнообразнейшая информация. Поэтому важно знать, что любая полипептидная цепь всегда является тождественным эквивалентом соответствующего кодового послания генома, указывающего будущие характеристики белковой молекулы. Очевидно, что каждое сообщение, при передаче информации в полипептидной цепи белка, по всей видимости, передаётся своим кодом (кодовыми комбинациями аминокислот). Поэтому информация в цепи может содержать свою адресную, "операционную", структурную и текстовую (информационную) части. Значит, различные информационные сообщения в полипептидных цепях могут быть представлены различными молекулярными кодами и кодовыми комбинациями аминокислотных остатков. Следовательно, в кодовых посылках структуры полипептидной цепи могут быть заключены: 1) адресные кодовые комбинации аминокислотных остатков, которые являются основой формирования адресных стереохимических кодов активного центра фермента (для коммуникативного взаимодействия с молекулами субстрата); 2) "операционная" кодовая комбинация аминокислот - служит основой формирования кода операции активного центра, указывающего характер химической реакции; 3) структурная часть кодовой комбинации аминокислотных остатков, которая кодирует построение и осуществляет программное обеспечение исполнительных органов и механизмов белковых молекул; 4) текстовая часть - кодирует и программирует средства информационной коммуникации белка с другими биомолекулами клетки (локальные или поверхностные рельефные микроматрицы). Эффективность применения в живых системах молекулярных кодов обеспечивается многократным циклическим их повторением в структурах типовых белковых молекул. Бесконечная череда длинных дискретных сообщений (в виде иРНК, полипептидных цепей и белковых молекул), по своей сути, представляет собой, ничто иное, как те управляющие информационные потоки и сети, которые осуществляют циклическую передачу информации с целью управления и регулирования химических превращений и реализации различных молекулярных и биологических функций. Комплементарные обратные связи, при взаимодействии биологических молекул друг с другом, применяются для повышения достоверности информационных передач. Всё это означает, что в любой живой системе применяются помехозащищенные коды. Таким образом, коды и кодовые комбинации аминокислотных остатков в "линейной" полипептидной цепи наглядно разделяются по их характеристикам и функциональному назначению. А различное информационное содержание полипептидных цепей является основой построения множества различных по функциональному назначению белковых молекул. Наличие в структурах белковых макромолекул как внутримолекулярных, так и внешних информационных сил и связей взаимодействия (обусловленных R-группами составляющих их элементов), которые сами по себе слабы, но мощны своей многочисленностью и разнообразием, позволяет говорить о том, что внутри и вокруг макромолекулы образуется специфическое силовое "информационное поле". Это поле способно влиять как на структуру самого белка, так и на его микроокружение. Поэтому белковая макромолекула как бы стабилизируется самосогласованным сжимающим информационным полем, обусловленным кооперативными силами притяжения между боковыми атомными R-группами аминокислотных остатков. А лабильность самой полипептидной цепи в пространственной решетке, с её многочисленными боковыми R-группами элементов, позволяет осуществлять не только точную комплементарную "подгонку" внутримолекулярных структур, но и "подгонку" локальных или поверхностных структур, взаимодействующих друг с другом биомолекул. Трансформация линейных генетических сообщений в трёхмерную структуру и форму различных белковых молекул, это важный этап перехода биологической информации из одной её молекулярной формы (линейной) в другую (стереохимическую). Линейный и пространственный элементарный состав белков определяется генами, а каждый биологический элемент (аминокислота) в составе белковой молекулы тождественно может выполнять различные роли - как структурной, так и информационной единицы, как функционального, так и программного элемента. Поэтому все аппаратные средства живой клетки - белки, ферменты и другие клеточные компоненты обладают строго своей специфической структурной организацией, имеют своё информационное и функциональное назначение, а также своё индивидуальное энергетическое и программное обеспечение. И главное, в результате стереохимических преобразований в структуре белковой молекулы формируются соответствующие молекулярные органы и исполнительные механизмы, а на локальных и поверхностных участках возникает такая пространственно-упорядоченная организация боковых атомных R-групп элементов, которая в живой системе играет роль стереохимических кодовых информационных сигналов [5]. К таким сигналам могут относиться: стереохимические команды управления активного центра фермента (адресный код и код химической операции); различные сигнальные и регуляторные кодовые компоненты; коммуникативные локальные и поверхностные кодовые стереохимические матрицы (микроматрицы), служащие для информационного взаимодействия белковых молекул с их молекулярными партнёрами и т. д. При этом, сама программа функционирования белковой молекулы (благодаря программирующим свойствам элементов) коммутируется лабильными физико-химическими силами, связями и взаимодействиями между боковыми R-группами элементов (аминокислот) в составе её трёхмерной структуры. Поэтому природа взаимодействий боковых атомных групп, определяющих конформационные особенности и внутреннюю динамику белковой макромолекулы, имеет химическую основу и носит информационный характер. Нативная белковая макромолекула как бы стабилизируется самосогласованным сжимающим информационным полем, обусловленным силами притяжения между аминокислотами (программными элементами). А в результате преобразований каждый белок клетки получает своё индивидуальное структурное, информационное, энергетическое, функциональное и программное обеспечение. Поэтому, стереохимический принцип кодирования молекулярной биологической информации применяется живой природой для размещения в одной макромолекуле различных по своему назначению сигналов, сообщений, инструкций, команд управления, а также органов и механизмов их реализации [6]. Такая организация белковых молекул не обладает сильной структурной жесткостью, она всегда достаточно лабильна в тех пределах, которые необходимы для выполнения ими биологических функций. А функциональное поведение макромолекулы, при взаимодействии её с молекулярными партнёрами, определяется свободной энергией и результатом информационного взаимодействия как внутренних, так и внешних составляющих её элементов. Поэтому этот информационный уровень характеризуется уже взаимодействием биологических молекул друг с другом с помощью их локальных, рельефных или поверхностных микроматриц, в результате которых и возбуждаются их биологические функции.