Информационный микромир живой клетки (идеи, концепции, гипотезы)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Информационный микромир живой клетки (идеи, концепции, гипотезы)

Калашников Юрий Яковлевич,

Контакт с автором: kalashnikov_mgn@rambler.ru

Оглавление

Аннотация

1. Кодированная информация как атрибут живой материи

2. Особенности молекулярной биологической информации

3. Молекулярный алфавит живой природы

4. Структурное кодирование и программирование биологических макромолекул

5. Химический и стереохимический способы разделения сигналов

6. Матричный (комплементарный) принцип информационных взаимодействий

7. Три основных потока информации в клетке

8. Клетка как сверхминиатюрная система управления

9. Принцип действия и структура управляющей системы живой клетки

9.1 Генетическая память

9.2 Операционная система клетки

9.3 Молекулярные биопроцессорные системы для программной обработки генетической информации

9.4 Информационная основа управляемых процессов

9.5 Операционные блоки ступенчатых процессов

Список литературы

Приложение

Аннотация

Молекулярная форма управления и передачи информации для нас привлекательна именно тем, что позволяет управлять биохимическими процессами живых клеток на недосягаемом для других технологий уровне, - на уровне малых молекул, их атомных групп и отдельных атомов! К своему удивлению мы только сейчас узнаем, что в основе жизни лежит необъятный и практически неисследованный мир молекулярно-биологической информатики. Здесь для записи информации применяются мономеры - химические буквы и символы (биологические элементы), имеющие размер в диаметре всего от 0,5 до 0,7 нм, а для физико-химического воплощения молекулярной информации используются те же природные силы, связи и взаимодействия, которые произвольно существуют и в микроструктурах неорганических форм материи.

1. Кодированная информация как атрибут живой материи

Известно, что живая материя не всегда существовала на нашей планете, она прошла чрезвычайно длительный путь своего зарождения и эволюционного развития. И вполне очевидно, что для того, чтобы "вдохнуть жизнь" в структуры материи должны были быть не только веские причины, но и необходимые природные условия и предпосылки. Сейчас уже не секрет, что первопричиной появления жизни на Земле является универсальная способность материи и энергии к различным типам взаимодействия, видам движения и формам развития. А необходимые природные условия и предпосылки появления жизни, к счастью, оказались именно на нашей планете. Важно, что в процессе эволюции постепенно развивались те микроскопические (физико-химические) силы, связи и взаимодействия, которые определяют характер структурной организации материи. Этот факт явился предпосылкой и функциональной основой возникновения более высоких форм организации материи и видов взаимодействия. К примеру, физико-химическая эволюция привела не только к образованию различных химических элементов, но и к появлению простых органических соединений. Сейчас эти соединения играют роль строительных блоков (химических букв или символов) при построении биологических макромолекул. А химический способ представления информации, с применением таких биологических элементов, стал именно тем гениальным изобретением природы, при помощи которого была подведена черта под химической эволюцией материи, и были открыты необъятные дали и непредсказуемые пути великой эволюции - информационной и биологической. Причем, находчивость живой природы изумляет, - для воплощения молекулярной информации стали использоваться такие же физико-химические силы, связи и взаимодействия, которые существуют и в микроструктуре неорганических форм материи: притяжение и отталкивание субмолекулярных частиц, ковалентные связи между атомами, нековалентные типы связывания, элементарные молекулярные силы и взаимодействия. Можно сказать, что молекулярные сигналы живой природы всегда существуют именно в таком физико-химическом воплощении. В живом веществе, как оказалось, заключены не только ковалентные и нековалентные силы и связи, определяющие характер биохимических и информационных взаимодействий, но также и те элементарные внутренние силы саморазвития, которые делают возможным возникновение большого числа различных вариантов и позволяют дать им оценку в окружающей среде, то есть позволяют осуществить процесс селекции. Важен тот факт, что в процессе эволюции живой материи, естественные субмолекулярные и молекулярные силы и связи постепенно превращались в сигнально-информационный фактор, который стал использоваться в процессах управления и сигнализации живых молекулярных систем [1]. Первоначально эти факторы явились физической предпосылкой к формированию кодовых сигналов, а затем, и информационной основой молекулярных форм самоорганизации и самоуправления. Поэтому основной функцией живой материи стала системная организация и интеграция в её структуре органического вещества, химической энергии и молекулярной биологической информации. Только эта триада составляющих, в виде их структурно-функционального единства ("слияния"), оказалась приспособленной к обеспечению процессов движения и развития биологической формы материи. Многие исследователи уже давно полагают, что без информационной составляющей существование живого немыслимо. Поэтому сейчас в литературе и в Интернете можно найти различные теории и гипотезы существования информации живого: от синергетики - до голографической теории; от лазерной, квантовой, волновой концепций и до обычной двоичной, шифруемой единицами и нулями. И неудивительно, что самой актуальной задачей в молекулярной биологии становится не только поиск сигнального переносчика информации (в физико-химическом воплощении), но и определение средств её хранения, обработки, передачи и реализации. К примеру, если в информационных технических системах для представления информации наиболее широко используются электрические сигналы с переносчиком в виде синусоидального или импульсного тока и напряжения, то очевидно, что живая молекулярная система "способна выделять из суммарного эффекта микроскопических взаимодействий информационный аспект и активно его использовать" [1]в процессах управления и оповещения (сигнализации). Сейчас уже ясно, что в информационных процессах живых систем, при программировании биологических структур и их функций, наряду с использованием ковалентных химических связей (при кодировании линейных молекулярных цепей), широко применяются и нековалентные типы связывания: электростатические эффекты, ионные и водородные связи, Вандерваальсовы силы, гидрофобный эффект и т. д. (при организации трехмерных молекулярных структур, а также при информационном взаимодействии биологических макромолекул друг с другом с помощью их кодовых стереохимических микроматриц). Любопытно, что возникновение кодирования молекулярной информации напрямую связано именно с этими микроскопическими физико-химическими силами, связями и эффектами. Сейчас в живых молекулярных системах они повсеместно используются для воплощения информации. Кодированная информация, как атрибут живой материи, сначала способствовала возникновению живого, являясь причиной самоорганизации, управления и регулирования её биохимических процессов. Первоначально развитие кодированной информации шло бок обок с эволюцией живой материи. Далее кодированная информация, как отдельно существующая субстанция, стала важнейшей сущностью биосферы нашей планеты, а впоследствии, и причиной возникновения сознания и разума (индивидуального, субъективного, общественного, абстрактного), а в дальнейшем, и основой развития техносферы, ноосферы, инфоноосферы. Ясно, что косная материя не обладает столь мощными факторами управления и развития, какими являются кодированная информация и химическая энергия. Следует отметить, что природная кодированная информация, как мера упорядоченности структур и функций, является естественной характеристикой не любой, а только живой материи! По представлениям сегодняшнего дня сам факт возникновения кодирования связан не только с информационными феноменами живой материи, но и с проблемами её эволюции и другими аспектами жизни. Чрезвычайно важная роль кодирования 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). Очевидно, что первая закодированная информация появилась на Земле более 3,5 миллиардов лет тому назад! И это была "буквенно-символьная" информация биологических макромолекул. Причем, она обеспечила не только потенциальную вероятность зарождения живой материи, но и процессы информационного управления обменом энергии и веществ. Заложенная в генах информация является основным фактором, обуславливающим как функционирование, так и развитие любой живой системы. Поэтому в ходе реализации различных биохимических превращений и биологических функций должна идти речь, в первую очередь, об управляемых информацией процессах. К сожалению, изучение прохождения генетической информации в живых системах было приостановлено (во второй половине 20 века) на этапе синтеза белковых молекул. Поэтому наши знания о реализации наследственной молекулярной информации в живых системах до сих пор имеют только фрагментарный характер. А основные потоки и сети информации, существующие в любых живых клетках и организмах, почему-то постоянно "ускальзывают" от внимания биохимиков и биологов. В естествознании они сейчас представляют существенный познавательный пробел, который давно следовало бы ликвидировать. Многочисленные исследования и публикации на эту тему показывают, что в живых системах имеются естественные природные механизмы и технологии передачи наследственной информации, которые обеспечивают в живых клетках не только прямую и обратную информационную связь, но и повышенную достоверность передачи сообщений, высокую помехоустойчивость молекулярных кодов и сообщений и т. д. Между тем, нематериальность (виртуальность) кодированной информации показывает, что нельзя в настоящее время трактовать жизнь, как чисто материальное явление. Объяснение жизни может базироваться только на общности материальных и информационных (нематериальных) процессов, которые присущи всем живым системам. Более того, при изучении явлений жизни должно превалировать не материальное, физико-химическое представление, которое традиционно доминирует в естествознании, а, прежде всего, нематериальное мировоззрение, основанное на информационном подходе к молекулярно-биологическим проблемам. Очевидно, что здесь к нематериальной части живого мы можем отнести не ту мифическую "животворящую силу творца", которая декларативно заявляется приверженцами религии, а ту реально существующую информационную часть живого, которая заключена в программном обеспечении генома, в генетических информационных сообщениях, во всевозможных командах, данных, молекулярных кодовых сигналах и инструкциях макромолекул различного назначения и т. д. Ясно, что в основе организации всех живых систем лежат не только вещественные, но и виртуальные - информационные отношения. Отсюда становится очевидным, что жизнь - это бесценный дар не только материального мира нашей Вселенной, но и виртуального - нематериального мира, а сами мы: люди, животные, растения и даже микробы, являемся детьми этих двух миров. Известно, что, точно также, как наше тело состоит из отдельных типовых клеток, имеющих различную структурную организацию, так и все макромолекулы и клеточные структуры строятся на основе отдельных унифицированных биологических элементов (нуклеотидов, аминокислот, простых сахаров, жирных кислот и других типовых мономеров). Этот универсальный набор представляет собой не что иное, как элементную базу живого, или общий молекулярный биологический алфавит, который служит не только для построения макромолекул и клеточных компонентов, но и для кодирования и программирования их молекулярных структур и биологических функций. Мириады природных биохимических элементов (химических букв и символов) не могли бы программно (целенаправленно) соединяться в отдельные макромолекулы и работать в системе как единое целое, если бы в живой клетке не существовал информационный механизм их управления. В сложных механизмах управления любого организма имеется несколько уровней, но первым и основным из них является молекулярный уровень, который является в живых системах ключевым и фундаментальным. Информатикой называют новую область научно-технической деятельности человека, которая занимается изучением методов автоматизированной переработки информации. К её сфере деятельности может относиться не только применение компьютеров, но также и исследование информационных систем вне техники, например, живой клетки. В этом случае её более справедливо назвать молекулярной информатикой. Информация наряду с материей и энергией в нашем мире является третьей фундаментальной сущностью. С информацией человек встречается на каждом шагу: в информационных технологиях, системах связи, системах управления, в информационных системах живых клеток и т. д. В общем виде можно сказать, что "Информация - это закодированные данные или сведения о любом факте, явлении, объекте или процессе, которые вырабатываются, передаются, и воспринимаются той или иной системой. Здесь информация обозначена как содержательные данные и сведения, которые представлены только в закодированной форме. Как мы видим, любая информация всегда предполагает наличие своей системы, где она способна циркулировать - генерироваться, кодироваться, перерабатываться, передаваться и восприниматься. Причем, источник информации передает её, а приемник - принимает. Такая модель вполне справедлива и для молекулярной биологической информации. Все эти процессы являются фундаментальными для любой живой системы, поэтому информация здесь тоже имеет свой семантический смысл и становится эффективной управляющей силой. Чтобы разобраться с проблемами молекулярной информатики, необходимо вспомнить основные представления, связанные с общим понятием "информация". 1. "Информация" не является физической величиной, несмотря на то, что лежит в основе самой жизни и играет роль одной из ключевых субстанций нашего мира. Она, хотя и пользуется для своего воплощения различными материально-энергетическими средствами, тем не менее, всегда выступает в качестве отдельного спутника и независимого виртуального природного явления. Поэтому кодированная информация является нематериальной сущностью. 2. Несмотря на то, что информация является нематериальной категорией, однако существовать и воспроизводиться она может только на базе системной организации и на основе тех или иных материально-энергетических средств и носителей. Поэтому информация всегда передается по каналам связи в виде материальных или энергетических сигналов, имеющих определенное смысловое значение. 3. Информация всегда предполагает наличие той или иной системы, где она может кодироваться, генерироваться и передаваться. Поэтому информация в системе всегда выступает как отдельное и самостоятельное явление, имеющее виртуальный (умозрительный) характер. 4. Отсюда следует, что кодированная информация, по своей природе, сущность не материальная, а виртуальная. То есть она и не вещество, и не энергия, а что-то другое, данное живой (материи) природе и нам в представление. Причем, важно отметить, что она подчиняется не физическим законам, а только своим специфическим принципам и правилам (закономерностям информатики). Информация, как правило, всегда выступает главной доминантой во всех функциональных процессах той или иной системы. 5. Кроме того, информация - это "многоликий Янус": она может кодироваться на разных языках; записываться различными буквами, цифрами, знаками или химическими биологическими элементами. Информация способна иметь множество разнообразнейших форм, видов и категорий и передаваться различными способами. 6. Загадочной остаётся способность одной и той же информации находиться и существовать в различных её видах и формах, передаваться (кодироваться) при помощи различных языков и записываться с помощью разных алфавитов. То есть одна и та же информация может храниться на различных физических носителях и передаваться от источника к приемнику по каналам, разным по своей природе. Причем, это одно из ключевых и фундаментальных свойств информации. 7. Информация, сохраняемая в любой записи, может считываться и передаваться на расстояние, записываться и вновь воспроизводиться без потерь, то есть формы её существования могут переходить одна в другую многократно. Информация, записанная любым способом, с течением времени может разрушаться под действием коррозии и других физико-химических факторов. Потери информации также могут происходить при её передаче под действием помех и т. д. 8. Хотя понятие "информация" неоднозначно и, как правило, зависит от области её использования и применения, однако для любой живой системы главным фундаментальным свойством является её способность к управлению и оповещению (сигнализации). Способность к структурной упорядоченности и функциональной организации живой материи - один из главных аспектов молекулярной информации. 9. Очень важное свойство информации заключается также в том, что она способна быть управляющей силой только в той системе, которая воспринимает её как истинную смысловую реальность, то есть, где она становится реально значимой сущностью. Поэтому работа живых и сложных технических систем может быть обеспечена потоками и циркуляцией только той информации, которая реально значима и дееспособна в этих системах. Особо пристальное внимание информация заслуживает именно потому, что она определяет функциональное поведение системы - повышает её организацию и понижает энтропию (дезорганизацию). 10. Очевидно, что любая сложная система способна пользоваться лишь той информацией, которая свойственна и присуща её природе! Поэтому в каждой системе, например, в живом организме циркулирует только "своя информация". Поэтому информация биомолекул другого организма является чуждой для данного организма, в связи с чем, она всегда отторгается и отвергается. Вспомним защитную реакцию иммунной системы. Это, на мой взгляд, тоже очень важное качество, которое входит в круг основных свойств и принципов информации. 11. К важным свойствам информации можно отнести и тот факт, что для передачи информации и других информационных процессов требуется относительно небольшое количество энергии. Однако слабые информационные воздействия в системе способны управлять работой любых, даже самых сложных силовых механических или энергетических установок. 12. Здесь мы затронули, по всей вероятности, лишь некоторую часть удивительных свойств "Информации". Однако, пользуясь отмеченными фактами и представлениями, прежде всего, необходимо видеть огромнейшую понятийную разницу между самими материально-энергетические объектами и физическими процессами нашего мира, которые порой бывают чрезвычайно грандиозными по своим масштабам, и той информацией, которая о них передаётся. Любой процесс или объект косной природы обладает лишь своими физическими (или химическими) характеристиками, однако информация о них - это, увы, сущность совершенно другой природы! Одно дело наличие и реальность материального мира и совсем другое - получение о его характеристиках информации, весь процесс которого связан не только с отбором нужных сведений и данных, но и с их переработкой - с процессами кодирования, преобразования и передачей сообщений. Природные материальные и физические процессы подчиняются только своим фундаментальным законам, изучением которых занимаются соответствующие науки. Информация же, исходя из общего понятия, не зависит ни от физических, ни от энергетических свойств своего носителя, она подчиняется только своим принципам и правилам. 13. Поэтому одним из основных характерных свойств информации является функция замещения. То есть информация - это никогда не сами исследуемые объекты, явления или процессы, - они замещаются закодированными сообщениями, состоящими из последовательностей букв, символов или знаков. 14. "Классическая" теория (кодированной) информации позволяет измерять информацию текстов и сообщений, исследовать и разрабатывать приемы её кодирования в передатчике и декодирования в приемнике, измерять пропускную способность канала связи, исследовать уровень помех в канале связи и т.д.

2. Особенности молекулярной биологической информации

Удивительный и таинственный микроскопический мир молекулярной информатики любой живой клетки далек от наших повседневных представлений. Этот феномен, несмотря на усилия многочисленной армии исследователей, до сих пор не поддается изучению и поэтому до настоящего времени относится к самым засекреченным и жгучим тайнам живой природы. Живые молекулярные системы обладают невероятной плотностью записи информации, так как её кодирование в структурах макромолекул осуществляется на субмолекулярном уровне, с помощью боковых атомных групп молекулярных биологических элементов - нуклеотидов, аминокислот, простых сахаров, жирных кислот и других мономеров. Даже мысленно трудно себе представить, какое колоссальное количество информации хранится в генетической памяти и циркулирует в биологических макромолекулах и структурах одной клетки, размеры которой в длину подчас составляют сотые доли миллиметра! К сожалению, необъятный микрокосмос биологических молекул живой клетки для человека до сих пор также недосягаем, как и космос нашей Вселенной. 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 информатики. При этом живая природа оказалась настолько искусным шифровальщиком и применила на молекулярном уровне такие системы кодирования и программирования, которые гарантировали сохранность тайн живой материи буквально до наших дней! К сожалению, среди биологов не нашлось квалифицированных криптографов, которые могли бы расшифровать многочисленные молекулярные коды и различные линейные и пространственные кодовые комбинации молекулярных биологических элементов (мономеров), представляющие собой программные модули, используемые в структурах биологических макромолекул. Между тем, молекулярная информатика лежит не только в основе жизни, но и является фундаментом того необъятного "айсберга" генетических и информационных молекулярно-биологических технологий, которые правят миром живого уже более 3,5 миллиардов лет. Ясно, что микромир молекулярной информации не только существует, но даже "живет" полнокровной жизнью, причем, в каждом из нас и в каждом живом организме, поскольку все мы её "и душа, и тело", и средство её материального воплощения, и орудие её взаимодействия с окружающим миром. Естественно, что молекулярная информация точно также как и другие виды кодированной информации подчиняется общим принципам и правилам. Она образуется сочленением химических букв, символов или знаков молекулярного алфавита, которые формируют необходимые предпосылки для представления информации. Поэтому перед живой клеткой не возникает проблемы, как передать информацию и, главное, какие материальные средства использовать для этого. Информация в живых молекулярных системах записывается с помощью элементарной формы органического вещества - мономеров (химических букв или символов). Следовательно, переносчиком информационных сообщений являются различные макромолекулы, в структурах которых при помощи химических букв или символов записана нужная биологическая информация. Главным же аспектом молекулярной информации является даже не выбранный код, а его смысловое значение (семантика). К примеру, таблица генетического кода указывает, какая аминокислота кодируется тем или иным кодоном (триплетом) в структуре иРНК (а значит, и в ДНК). Именно смысловое значение (семантика) превращает кодовую последовательность химических букв или символов молекулярных цепей макромолекул в информационное сообщение. Важным в цепях макромолекул представляется и порядок кодовых слов и предложений (модулей), то есть грамматический аспект информации. Поэтому семантический и синтаксический уровни записи сообщений в живых системах представляет наиболее важный аспект молекулярной информации. Общие свойства информации не исключают того, чтобы молекулярная информация могла бы обладать своими специфическими особенностями и свойствами. Однако ясно, что зарождение на нашей планете кодированной информации не могло бы произойти без наличия её материально-энергетических носителей, а также без соответствующей системы управления. Поэтому, очевидно, что развитие как информации, так и живой материи шло в совокупности этих двух феноменов и в прямой взаимозависимости их друг от друга. Ясно, что: 1. Историческим первоисточником кодированной информации, со всей очевидностью, следует считать "самые древние" живые молекулярные системы. Одна из главных заслуг живой материи, видимо, и кроется в том, что с её "лёгкой руки", информация, зародившаяся и воспроизводимая в её недрах, вырвалась как джин из сказочной бутылки и заполнила наш мир мощными потоками и всеобъемлющими сетями виртуальной (кодированной) информации! Этим самым для человека был открыт путь для исследования загадочных тайн виртуального, то есть нематериального мира нашей Вселенной. А общие законы и принципы кодирования информации стали не только фундаментальными основами Жизни, но и, впоследствии заново были "открыты" человеком и нашли самое широкое распространение во многих областях человеческой деятельности: в технике, в науке, в управлении, в связи, в экономике, в социальной и общественной сфере и т. д. Поэтому саму Жизнь можно представить не только как одну из форм существования материи, но и как одну из форм существования, циркуляции и воспроизведения кодированной (генетической) информации, на основе системной организации живой материи. Ведь недаром же моментом зарождения Жизни на Земле считается возникновение кодирования, связанное с появлением наследственной информации. 2. Отметим, что, несмотря на виртуальность молекулярной информации, она отличается не только повышенной природной помехоустойчивостью и достоверностью при передаче сообщений, но чрезвычайно высокой своей "засекреченностью". 3. Кодированием, как известно, называется процесс преобразования тех или иных сведений и данных в совокупность букв (символов или знаков), определяемую кодом. А любой код является ключом для перевода информации из одной её формы в другую. По этой причине кодированная информация, по всем своим показателям, стала одним из самых гениальных изобретений живой природы. Ведь недаром же информация, в результате длительной эволюции, постепенно стала, наряду с веществом и энергией, важнейшей сущностью нашего мира. 4. Информация всегда выступает главной доминантой при управлении различными молекулярными объектами или процессами. Можно без преувеличения сказать, что только совокупность всех универсальных свойств информации обеспечила возможность строительства (кодирования и программирования) на основе молекулярных мономеров неограниченного количества различных по своей конструкции, назначению и функциональным свойствам биологических макромолекул. 5. Следует также отметить, что любая макромолекула в клетке создается для выполнения тех или иных биологических функций, поэтому она всегда встраивается в общую систему управления. После выполнения своих функций любая биомолекула выпадает из общей системы управления и поэтому подлежит разрушению (расщеплению). Это факт содействует непрерывности циркуляции информации. В противном случае клетка могла бы погрузиться не только в информационный хаос, но и превратиться в материальный склад своих метаболических отходов. 6. К исключительным свойствам информации, к примеру, генетической относится её способность бесчисленное количество раз передаваться из поколения в поколение, путём простой смены своих материальных носителей! Поразительно, но информация действительно способна чрезвычайно долго существовать за счет бесконечной смены своих носителей. Мы живем, благодаря полученной наследственной информации от своих близких и далеких предков. В нашем организме нескончаемым потоком идут процессы обмена веществ и энергии, с возрастом мы постоянно меняемся, и у нас в теле не остается ни одной биомолекулы, с которыми мы появились на свет при рождении, - неизменным остаётся только наше "Я" и та генетическая информация, благодаря которой мы существуем и развиваемся! 7. В силу этих обстоятельств, на первый план в живой системе выступает уникальная способность генетической информации двигать потоками энергии и вещества, но при этом самой оставаться неизменной или почти неизменной. Наследственная информация является фундаментальной основой любой живой системы! Очевидно, что информация всегда существует в сцеплении только с теми материально-энергетическими средствами, при помощи которых осуществляется её запись, передача, хранение или преобразование. Поэтому при разрушении переносчика сообщений сразу же исчезает и та информация, которая была записана на этом носителе. 8. Важным обстоятельством является и то, что перед живой клеткой не возникает проблемы, как передать информацию от источника к приемнику и, главное, какие материальные средства использовать для строительства своих аппаратных средств. Информация в живых молекулярных системах записывается с помощью элементарной формы органического вещества - мономеров (химических букв и символов). Следовательно, переносчиком информационных сообщений являются биомолекулы, в структурах которых записывается нужная информация. При этом обратим внимание на удивительно важные свойства живой материи, которые проявляются повсеместно. А именно: при построении любых биологических молекул и структур используются те же материальные носители, которые применяются для передачи молекулярной информации. Этот факт говорит об универсальных свойствах молекулярного алфавита, и, пожалуй, может объяснить, почему биомолекулы одновременно подчиняются не только физико-химическим, но и информационным закономерностям. 9. Как мы видим, 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. В связи с этим, все макромолекулы и клеточные компоненты являются программируемыми устройствами, несущими в своих структурах функциональную информацию. 10. Загруженная в макромолекулы структурная и программная информация является основой их информационного и функционального поведения в общей системе управления живой клетки. В связи с этим, все клеточные процессы управляются и взаимно координируются той программной информацией, которая в данное время была экспрессирована и загружена в молекулярную структуру функциональных биологических молекул и компонентов клетки. Без управляющей и сигнальной (осведомляющей) информации любая сложная система управления мертва. Уберите из компьютера программную информацию и получите груду "железа". Уберите ДНК из живой клетки, и через некоторое время она перестанет функционировать. Ясно, что биологические макромолекулы и клеточные компоненты функционируют только потому, что все они в совокупности представляют собой общую систему самоуправления, а в их цепях и трёхмерных конформациях загружена та структурная и программная информация, которая транслирована генами. 11. Несмотря на то, что материя и энергия неизбежно являются фундаментальными основами жизни, сами по себе они не определяют принципиальной разницы между живыми и неживыми системами. Одной из главных характеристик живых систем является циркуляция в них наследственной информации, которая обеспечивает их жизнедеятельность. Информационный уровень развития и функционирования живой материи - это, несомненно, новый, более высокий уровень её движения и организации. Здесь информация и материя выступают в качестве равноправных партнеров: информация использует материю в качестве носителя, а материя использует информацию для более высокого уровня своей организации. 12. При этом 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! Этим задачам, по всей вероятности, подчинены все управляемые обменные процессы живой клетки, то есть, таким образом, наследственная информация в живой системе занимается материальным и энергетическим самообеспечением. 13. Отсюда следует также закономерный вывод о том, что многие универсальные свойства, приписываемые сегодня биологической форме движения материи, на самом деле относятся к информации, заключенной в её структурах, - но никак не к физико-химическим свойствам её биоорганических носителей! К этим свойствам, в первую очередь, относится способность живой материи к самосборке, саморегуляции, самовоспроизведению, а также к селективному отбору. Очевидно, что все эти универсальные 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. 14. В связи с этим, следует важный вывод о том, что фактором наследственности является не генетический материал, как считают некоторые биологи. Фактором наследственности является только информация, записанная генетическим кодом на этом носителе. Этот факт, хотя и является дискуссионным, однако он закономерно открывается при внимательном прочтении "формулировки" понятия информации. Он четко просматривается при рассмотрении и изучении свойств, как самой биологической информации, так и свойств её молекулярного носителя. Очевидно, что взаимоотношения этих двух категорий следует рассматривать виртуально, то есть в таком их виде, который всегда существовал между информацией и её носителем. Ясно одно, что главнейшей функциональной доминантой в структуре живой материи является - информация! 15. Не секрет, что на основе клеточной организации и управленческой деятельности наследственная информация в процессе эволюции формирует и совершенствует все новые и новые биологические объекты, которые вызывают новые циклы захвата и ввода в этот информационный круговорот все новых и новых порций вещества, энергии и информации. Эти процессы являются первопричиной роста, совершенствования, воспроизводства и развития не только отдельных организмов, но и эволюции биосферы в целом. 16. Об источниках и причинах эволюции живой материи до сих пор продолжаются дискуссии. К примеру, доминирующая в науке теория эволюции Дарвина в своей основе предполагает отбраковку неудачно сконструированных образцов живых организмов, что, якобы, и является движущей силой развития. Однако отделы технологического контроля существуют не только в живой природе и, как мы знаем, не они являются разработчиками и конструкторами годных к применению изделий. Что же тогда является источником тех могучих движущих сил, которые порождают необузданную генерацию живой материи и ошеломляющее разнообразие жизни? 17. Ответ на этот вопрос должен быть однозначным, так как только наследственная информация в живых системах является той неуёмной и необузданной силой и субстанцией, которая обладает чрезвычайно высокой способностью (на основе вещества, энергии и системной организации) создавать копии самой себя (реплицироваться), развиваться, совершенствоваться, распространяться и поэтому "вечно" существовать во времени и в пространстве. По крайней мере, до тех пор, пока имеются источники энергии и вещества, подходящие условия для существования живых систем и позволяет их программа развития. 18. Как мы видим, эволюция - это закономерный переход одного уровня системной организации материи (вещества), энергии и информации на другой более высокий уровень. Причем, информация в этой триаде играет ключевую роль, так как только она способна обеспечить целенаправленность, закономерность и упорядоченность процессов. Так как вещество и энергия участвуют в круговороте и никуда не исчезают, то имеются веские основания полагать, что эволюция, по своей сути, является процессом возрастающего воспроизводства и генерации новых видов и форм информации. Как мы видим, этот процесс осуществляется за счет использования и круговорота потоков энергии, информации и вещества. Особенно заметно это проявляется в живой природе и в сфере технических информационных технологий. Таким образом, наш мир закономерно становится всё более и более информационным и это трудно не заметить. 19. А сама Жизнь, благодаря внедрению и использованию наследственной информации, оказалась явлением эволюционного и функционального перехода вещества и энергии на качественно новый - информационный уровень их системной организации. Диктат информационной субстанции подчинил движение потоков вещества и энергии своей воле, а направленность эволюционных процессов оказалась изначально подчинена информации. 20. Заканчивая рассматривать особенности молекулярной информации необходимо подчеркнуть, что естественный ход развития и эволюции жизни на Земле, по всей вероятности, носит характер планетарного информационного явления. Между тем, одна из формулировок философии, определяющая сущность жизни, гласит: "Жизнь есть особая форма движения материи". Однако уже достаточно давно известно, что без информации и без энергии движение биологической формы материи немыслимо. Похоже, философы немного поспешили, когда приписали эти фундаментальные свойства - материи. Очевидно, что основную формулировку необходимо приводить в соответствие с новыми воззрениями. Так как становится фактом, что Жизнь, - это особая системная форма движения, воспроизводства и генерации информации, которая осуществляется на базе использования энергии и вещества. 21. Можно сказать, что Жизнь - это такая материальная форма движения, циркуляции и генерации информации, которая целенаправленно связана с преобразованием и обменом энергии и вещества с целью их функционального и эволюционного перехода в новые виды и формы молекулярной и функционально-биологической информации. Поэтому первый, фундаментальный уровень развития информационных субстанций и их технологий на нашей планете был реализован на молекулярно-биологической основе. С тех пор важнейшей сущностью на Земле стала информационная субстанция, а информация как одна из главных составляющих нашего мира действительно стала основой нашего мироздания. 22. Самоуправление и информационный обмен являются самыми существенными характеристиками функционирования живых систем. Поэтому в любых живых клетках феномены кодирования, хранения, перекодирования, передачи, обработки и использования генетической информации являются ключевыми для всех биологических процессов. Именно с кодированием информации связаны многие замечательные свойства живой материи. С кодированием, перекодированием и декодированием информации связаны не только организация живых систем, но и практически любые области человеческой деятельности. 23. Можно убедиться в том, что в живых организмах, для представления молекулярной информации в различных её видах и формах, существуют свои молекулярные биологические алфавиты, представляющие собой разные системы биологических элементов (химических букв и символов). 24. Информационный подход к молекулярным биологическим системам может учитывать статистический, синтаксический и семантический уровни молекулярной информации. Молекулярная "информация как некая виртуальная сущность всегда передается с помощью набора химических букв или символов (статистический уровень), упорядоченных использованием кода (синтаксический уровень), для передачи значащего сообщения (семантический уровень), которое вызывает ответную реакцию (цель). Самое главное требование для того, чтобы некая информация могла быть передана от передатчика к приемнику - набор букв или символов. Последовательность букв или символов и синтаксические правила формируют лишь необходимые предпосылки для представления информации. Но основной аспект сообщения, однако же, состоит не в выбранном коде, форме символов или методе передачи (письменных, акустических, электрических, тактильных или обонятельных сигналах), но в его значении (семантике). Именно значение превращает кодовую последовательность букв или символов в информационное сообщение" [2]. 25. Очевидно, что молекулярная информация для разных уровней организации живых систем является "ведущей", а все другие информационные уровни организации биосистем являются "ведомыми" (т. е. подчиненными).

кодированная информация молекулярный клетка

3. Молекулярный алфавит живой природы

Известно, что 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 не что иное, как элементную базу, или общий молекулярный биологический алфавит, который, по мнению автора статьи, служит не только для построения биомолекул, но и для кодирования и программирования молекулярных структур и функций живой материи. В состав этого уникального комплекса элементов 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" [3]; 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 живой природы являются натуральными дискретными единицами молекулярной информации. Важно также отметить, что весь этот комплекс элементов обладает функциональной полнотой, так как содержит функционально полный набор биологических элементов. Именно поэтому живая природа, пользуясь биологическими элементами, способна к построению и реализации любых биологических структур и функций. Интересно, что кроме семантики сообщений все биологические элементы обладают еще и универсальной природной способностью к выполнению различных - химических, энергетических, программных и других биологических функций. Информационные сообщения не могут перемещаться во времени и в пространстве нематериальным способом. 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 в виде биологических молекул! Любой информационный код (и не только генетический) в живой клетке записывается химическим способом с помощью элементарной формы органического вещества, поэтому различные посылки и сообщения переносятся в структурах разных макромолекул. Очевидно, что элементная база представляет собой те системы биохимических элементов, используя которые живая клетка способна информационным путём строить различные биологические молекулы и структуры (определяя их морфологическую организацию), записывать в них информацию, а затем, с помощью этих средств осуществлять любые биологические функции и химические превращения (метаболические реакции). И ведь, действительно, - все биохимические элементы (химические буквы и символы), входящие в состав макромолекул, представляют собой ту элементарную форму органического вещества, с помощью которой формируются и передаются биологические коды молекулярной информации. Автор статьи считает, что 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 макромолекул. Следовательно, информация в живых клетках имеет молекулярный базис представления [4]! Невероятно, но 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 макромолекул одновременно выполнять буквально различные по своей биологической роли элементарные функции и операции. 1. Служить в качестве строительных блоков, с помощью которых осуществляется физическое построение различных макромолекул. 2. Исполнять роль натуральных информационных дискретных единиц - химических букв или символов, с помощью которых в биомолекулы записывается молекулярная информация. 3. Служить в качестве элементарных дискретных единиц молекулярного кода, с помощью которых идёт кодирование, преобразование, передача, а впоследствии, - воплощение и реализация генетической информации. 4. Быть структурными элементами программных модулей, с помощью которых строятся алгоритмы структурного преобразования, а затем и программа функционального поведения различных биологических макромолекул. 5. Обуславливать потенциальную и свободную химическую энергию биологических макромолекул и т. д. Следовательно, все функции и операции молекулярной биохимической логики и информатики в живой системе выполняются и реализуются типовыми мономерами, которые несут элементарные химические сигналы и имеют простую "структурную схему"! Поэтому их вполне заслуженно можно назвать молекулярными биологическими элементами. Вследствие этого, любая макромолекула клетки, состоящая из конечного множества таких элементов, является реализатором тех биологических функций и операций, которые информационным путём интегрированы и загружены в её трёхмерную структуру. Всё это указывает на то, что генетическая 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. Вследствие этого, та программная информация, которая загружена в молекулярные структуры, всегда определяет биохимическую логику поведения любой макромолекулы в клеточной системе. Все типовые мономеры были отобраны в процессе эволюции, поэтому, входя в состав биологических молекул и клеточных компонентов, они определяет не только структуру живого вещества. Элементарный состав биомолекул всегда тождественно является и эквивалентом информационного генетического сообщения, и средством программного и энергетического обеспечения. Это замечательное свойство живой материи можно назвать тождественностью органического вещества, химической энергии и молекулярной информации! Поэтому, зная основы биохимии и молекулярной биологии, можно констатировать, что принцип единства вещества, энергии и информации - это и есть тот главный и основной принцип, который определяет и обуславливает само существование биологической формы материи. А универсальные свойства элементной базы живой материи лишь удостоверяют и подтверждают данную гипотезу [5]. Как уже отмечалось ранее, информация в молекулярной системе управления представляется элементарными физико-химическими сигналами биохимических элементов в виде различных их боковых атомных групп и атомов. Вспомним: сообщение в цепи ДНК или РНК кодируется в виде последовательности нуклеотидов, а носителями генетической информации являются азотистые основания - "боковые" атомные группы нуклеотидов. В полипептидной цепи белка это сообщение записывается в виде последовательности аминокислот, где носителями информации являются их боковые R-группы. В связи с этим, макромолекулы и структуры живой системы, состоящие из цепей биологических элементов (цепей химических букв и символов в виде различных кодов или кодовых последовательностей), являются естественными носителями информации и программных средств, поэтому всё время находятся во взаимодействии друг с другом и с системой управления. Все информационные управляющие процессы в живой клетке, как правило, базируются на применении целостных биохимических элементов. В силу этих обстоятельств, молекулярной информацией можно назвать совокупность закодированных в той или иной макромолекуле генетических данных или сведений, определяющих все её структурные, функциональные и информационные характеристики, которые позволяют ей программно функционировать и определяют её роль, назначение и биологическую судьбу в данной системе. Поэтому бытующая в биологии концепция о том, что как происхождение, так и функциональное поведение живой материи можно описать как исключительно физико-химическое явление на молекулярном уровне, не соответствует действительности. Нельзя не учитывать информационную (нематериальную) составляющую живого и трактовать жизнь как чисто материальное явление [6]. Информация в живой системе, в зависимости от её вещественного носителя, может записываться различными буквами и символами (мономерами), и поэтому информационные сообщения могут существовать в различных вещественных воплощениях. А 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. Удивительно, но получается, что все мы живём под диктатом информации, которая не только окружает нас, но и внедрена и сосредоточена в каждом из нас на генетическом и молекулярно-биологическом уровне! А все мы - люди, по своей сути, и представляем собой высшую форму информационной субстанции, потому что в буквальном смысле состоим из одной информации и подчинены ей на всех уровнях своей сущности: на уровне генов, биологических молекул, на уровне каждой клетки. И ничего тут не поделаешь, - просто на Земле живые информационные субстанции существуют в таких видах и формах, которую они формируют на базе своей первичной (генетической и клеточной) информации и имеющейся на Земле материи. Чрезвычайная информационная насыщенность живого, к сожалению, биологами до сих пор еще не замечена, не осмыслена и не исследована. Однако если информация в живой системе не зависит от физических свойств своего носителя, то состав и свойства самого биоорганического вещества полностью зависят от информации. Поэтому можно сказать, что каждое информационное сообщение через элементарный состав и энергию передает своему носителю (биомолекуле) все те биологические качества и свойства, которые определяются генами. К примеру, таким путем происходит трансформация информации и её носителя в определённую структуру белковой макромолекулы со всеми её коммуникативными микроматрицами, исполнительными органами, механизмами, а также программным и энергетическим обеспечением. Это позволяет каждой белковой молекуле функционировать в клетке в качестве молекулярного биологического автомата с программным управлением. Диаметр молекулы типичного глобулярного белка составляет всего 4-6 нм. Таким образом, очевидно, что живая клетка для реализации процессов управления своими биологическими структурами и функциями, создаёт свой многочисленный парк молекулярной "наноробототехники" с программной биохимической логикой управления, который работает на недосягаемом субмолекулярном уровне. В этом, очевидно, и заключается один из секретов молекулярных информационных биотехнологий. Только эти технологии позволяют работать ферментам и белкам (представляющим собой молекулярные автоматы или манипуляторы с программной биохимической логикой управления), с необыкновенно "высокой производительностью труда" и на недосягаемом субмолекулярном уровне. К примеру, одна молекула фермента уреазы способна расщепить за одну секунду при комнатной температуре до 30 000 молекул мочевины! Не будь "катализатора", на это потребовалось бы около 3 000 000 лет!" [7]. Следовательно, только при управлении этой реакцией с помощью молекулярного автомата (уреазой) её скорость может превосходить "естественную" её скорость расщепления во много триллионов раз. Есть ферменты, работающие быстрее, чем уреаза, и есть такие, которые работают медленнее. Очевидно, что только информационные молекулярные биологические автоматы (но не химические катализаторы) способны на такую сверхвысокую избирательность и производительность в работе.