Молекулярная информатика – новый уровень познания живой материи

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Понятие информации в контексте молекулярной биологии.

Информационный подход проникает во все сферы деятельности человека. Не исключением является и наука о живой материи. Поэтому в ближайшее время самым перспективным направлением в изучении биологической формы движения материи может стать молекулярная биологическая информатика. И, действительно, в настоящее время в некоторых ВУЗах уже открываются новые кафедры со специализацией по информационной биологии, биологической информатике, геномике и т. д. Однако основной упор здесь делается на технические информационные технологии, применяемые для анализа исследовательских данных, моделирования биологических систем и процессов с помощью компьютерной техники.

Думается, что основой молекулярной биологической информатики, всё-таки, должен стать не перевод биологической информации на двоичный цифровой язык, а изучение методов хранения, передачи, кодирования, преобразования и использования самой генетической информации при организации биологических молекул, структур и процессов. Именно здесь, несмотря на наличие фрагментарных знаний, имеются обширные пробелы, например, в изучении информационных процессов в живых молекулярных системах. Сначала отметим, что, несмотря на наличие специальной науки - «Информатики», все предложенные расшифровки понятия «информация» до сих пор остаются дискуссионными.

Между тем, имеющиеся противоречия, по мнению автора статьи, можно преодолеть достаточно простым способом. Для этого следует всего лишь придерживаться определенных принципов и правил. Попытаюсь кратко изложить свою версию понимания информации. В первую очередь, по этому поводу необходимо вспомнить обобщение Норберта Винера, который в свое время недвусмысленно отметил, что: «Информация - есть информация, а не материя и не энергия. Тот материализм, который не признает этого, не может быть жизнеспособным в настоящее время». Заметим что, несмотря на очевидную простоту этой фразы, здесь скрыта особая глубина мысли и понимания информации как природного явления. К сожалению, подтекст этой формулировки еще полностью не расшифрован и многое, что вытекает из него, практически осталось нераскрытым или незамеченным. В связи с этим, я считаю, что имеется немало веских причин и убедительных доводов, чтобы дать этой замечательной формулировке своё собственное имя. Предлагаю назвать её - «центральной догмой» информации. Как мы увидим далее, есть множество аргументов и фактов, подтверждающих необходимость такого шага.

В первую очередь, обратим внимание на то, что в рассматриваемой формулировке Норберта Винера отражен ключевой момент в понимании информации как обще-планетарного явления, который может привести к частным и достаточно ясным обобщениям. Следует лишь руководствоваться этой формулировкой, то есть постоянно следовать её указаниям и установкам. Кроме того, заметим, что аргументы «центральной догмы» дают массу поводов для теоретических выводов и размышлений и, в частности, для однозначного обозначения понятия «информация». Попробуем кратко рассмотреть эту тему. Во-первых, из «центральной догмы» вытекает тот факт, который нас больше всего интригует и изумляет: «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 природного явления.

Во-вторых, 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. Информация всегда предполагает наличие той или иной системы, где она может кодироваться, генерироваться и передаваться. Поэтому в соответствии с «центральной догмой», информация в системе всегда выступает как отдельное и самостоятельное явление, имеющее виртуальный характер. Отсюда следует, что кодируемая 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.

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. 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. Причем, это одно из ключевых и фундаментальных свойств информации. Кроме того, 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 далеких и близких 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! 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. Очень важное свойство информации заключается также в том, что она способна быть действующей 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).

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. 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. 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 «центральной догмы», не зависит ни от физических, ни от энергетических свойств своего носителя, она подчиняется только своим принципам и правилам. Все эти ключевые обобщения позволяют нам относиться к информации, как к отдельно существующей субстанции и идентифицировать её не только как природное явление, но и как виртуальную сущность нашего мира [1].

Поэтому, учитывая указанные выше аргументы и факты, в общем виде можно сказать, что: «Информация» - это закодированные сведения или данные о любом факте, явлении, объекте или процессе, которые вырабатываются, передаются и воспринимаются той или иной системой. Здесь информация обозначена как содержательные данные и сведения тех или иных сообщений, 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. Информационные процессы всегда непосредственно связаны с отбором нужных сведений и данных, поэтому информация всегда «черпается» из тех источников, которые жизненно необходимы для данной системы.

Никто не будет отрицать, что живая клетка относится к одной из самых древних информационных систем естественного происхождения. Об этом говорит наличие в генах и других клеточных структурах закодированной информации. Об этом говорит наличие в любой живой клетке генетической памяти (ДНК), оперативной памяти (РНК), использование программируемых аппаратных устройств - ферментов, белков и других функциональных макромолекул, наличие молекулярных биопроцессорных систем репликации, транскрипции и трансляции и т. д. Молекулярная информация уже давно стала чрезвычайно распространенной разновидностью информации. Очевидно, что по своему природному статусу, она является праматерью любых других видов информации. Во всем остальном она, как и другие виды кодируемой информации, характеризуется стандартными характеристиками и уровнями существования.

Кодирование сообщений оказалось настолько эффективным способом записи и передачи информации, что первоначально эти принципы были «разработаны» и развиты в молекулярных системах живой природы, а в дальнейшем применены для сложных биологических систем. Закодированная информация в цепочках химических букв и символов биомолекул - это та умозрительная сущность, существование которой мы можем мысленно себе представить, то есть для нас это виртуальная реальность. Однако для самих биомолекул, это структурная и программная реальность, данная биомолекулам для построения и функционирования.

Поэтому виртуальная реальность сейчас определяется как актуальная, событийная реальность, которая реально значима в настоящий момент времени. Ясно, что кодируемая информация, по всем своим показателям, является гениальным изобретением живой природы. Ведь недаром же она, в результате длительной эволюции, постепенно стала, наряду с веществом и энергией, - основной сущностью нашего мира.

Причем, важно отметить, что, несмотря на виртуальность информации, она обладает способностью к селективному отбору, эволюционному разнообразию и подчиняется не физическим законам, а только специфическим закономерностям. Несомненно, информация всегда выступает главной доминантой при управлении различными объектами или процессами. Можно без преувеличения сказать, что только совокупность всех универсальных свойств информации обеспечила возможность строительства (кодирования и программирования) на основе молекулярных мономеров (химических букв и символов) неограниченного множества различных, по своей конструкции, назначению и функциональным свойствам биологических макромолекул.

А главное, она обеспечила не только потенциальную вероятность зарождения живой материи, но и процессы информационного управления обменом энергии и веществ. 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 так же к селективному отбору. Ясно, что все 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.

В связи с этим, следует важный вывод о том, что субстанцией наследственности являются не материальные компоненты живого, о чем декларирует молекулярная биология, а его нематериальная (виртуальная) - информационная часть! Похоже, биологи немного поспешили, когда приписали эти фундаментальные свойства - «живой» материи. Этот факт, хотя и расходится с всеобщим мнением, однако он закономерно открывается при внимательном прочтении «новой формулировки» и «центральной догмы» информации. Он четко просматривается при рассмотрении и изучении свойств, как самой биологической информации, так и свойств её молекулярного носителя. Очевидно, что все 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! Главная заслуга живой материи, видимо, и заключается в том, что с её «лёгкой руки», информация, зародившаяся в её недрах, вырвалась как джин из сказочной бутылки! Разве не удивительно, что общие законы и принципы кодирования информации стали не только фундаментальными основами жизни, но и, впоследствии, заново были «открыты» человеком и нашли широкое распространение во многих областях человеческой деятельности: в технике, в науке, в управлении, в экономике, в социальной и общественной сфере и т. д.

Кодированием стал называться процесс преобразования тех или иных сведений и данных в совокупность букв (символов, цифр или знаков), определяемую кодом. А любой код стал ключом для перевода информации из одной её формы в другую.

Поразительно то, что в живых системах информация стала той неуёмной и необузданной силой и субстанцией, которая обладает чрезвычайно высокой способностью (на основе энергии и вещества и системной организации) создавать копии самих себя (реплицироваться), развиваться, совершенствоваться 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 и позволяет их программа развития. Удивительно, что все мы: люди, животные, растения и даже бактерии являемся лишь оболочками, - биологическими объектами, приспособленными для выживания и дальнейшего воспроизводства этих информационных субстанций! Вот и 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! 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. Однако чрезвычайная информационная насыщенность живого, к сожалению, биологами до сих пор еще не замечена, не осмыслена и не исследована. Важным обстоятельством является и то, что перед живой клеткой не возникает проблемы, как передать информацию и, главное, какие материальные средства использовать при строительстве своих аппаратных средств. Информация в живых молекулярных системах записывается с помощью элементарной формы органического вещества - мономеров (то есть биологических элементов). 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, пожалуй, может объяснить, почему биомолекулы одновременно подчиняются не только физико-химическим, но и информационным закономерностям. Известно, что 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 во всех биологических процессах.

Именно с кодированием информации связаны многие замечательные свойства живых клеток: 1) возможность хранения, передачи и переработки управляющей генетической информации; 2) реальная возможность структурного (модульного) кодирования и функционального программирования биологических молекул и клеточных структур; 3) совмещение программно-аппаратных средств в структурах ферментов, белков, нуклеиновых кислот и структурах других функциональных биомолекул; 4) возможность обработки сигнальной информации субстратных молекул; 5) способность к переработке трех важнейших составляющих живого - вещества, энергии и информации и т. д. Поэтому живые клетки одновременно можно рассматривать и как физические, и как химические, и как информационные (буквенно-символьные) системы. 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 позволят ей программно функционировать и определять её роль, назначение и биологическую судьбу в данной системе.

Обратим внимание, что информационные сообщения не могут перемещаться во времени и в пространстве нематериальным способом. Поэтому информация в живой системе - это содержательные данные или сведения в том или ином послании или сообщении генома, которые хранятся, передаются и используются только в закодированной молекулярной форме в виде различных биологических макромолекул. А любой информационный код (и не только генетический) в живой клетке записывается химическим способом с помощью элементарной формы органического вещества (мономеров), поэтому разные кодовые посылки и сообщения могут переноситься в структурах различных макромолекул. Однако заметим, 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 матрицами, исполнительными органами, механизмами, а так же программным и энергетическим обеспечением. Это позволяет каждой белковой молекуле функционировать в клетке в качестве молекулярного биологического автомата с программным управлением. Таким образом, живая клетка для реализации, управления и регулирования своих функций и процессов, создаёт свой многочисленный парк молекулярной «робототехники» с программной биохимической логикой управления. В этом, очевидно, и заключается один из секретов молекулярных информационных биотехнологий.

Ясно, что структурное построение и функциональное поведение биологических макромолекул в живых системах подчинено не только известным физическим и химическим законам. Оно подчинено и особым принципам и правилам, которые, по мнению автора статьи, следует отнести к закономерностям молекулярной биохимической логики и информатики! Поэтому, чтобы разобраться в работе информационных систем клетки, в первую очередь, необходимо понять не только принципы и правила их действия, но и осмыслить закономерности применения молекулярной элементной базы.

Молекулярный алфавит живой материи.

Известно, что если технические информационные системы строятся на базе унифицированных узлов и логических элементов, то всё живое на Земле, от ничтожной бактерии до слона, состоит из одинаковых «строительных блоков» - стандартного набора более чем трёх десятков типовых функциональных биологических (биохимических) элементов. Этот типовой набор представляет собой, ничто иное, как унифицированную 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»[2];

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. 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, с использованием соответствующих молекулярных средств и программ, 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 считает автор статьи, используется в качестве элементарного информационного химического сигнала!

Вспомним: 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 (единичными сигналами) являются их боковые R-группы. Общий алфавит живой материи состоит из более 30 химических букв и символов молекулярного языка живой природы, с помощью которых кодируется биологическая информация. Причем, для «автоматизации» процессов кодирования и перекодирования биологической информации в живой клетке применяются свои молекулярные биопроцессорные системы, такие как аппаратные устройства репликации, транскрипции и трансляции генетической информации. А «теоретической и технологической» основой применения молекулярной базы служат свои универсальные законы и принципы, которые, следует отнести к закономерностям «молекулярной биохимической логики и информатики» Все 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. Ясно, что для модульного кодирования и функционального программирования биологических молекул и структур в живой клетке широкое применение находят базовые унифицированные биологические элементы. Информация в живой молекулярной системе 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)” [3]. Интересно, что кроме передачи сообщений все биологические элементы обладают еще и универсальной природной способностью к выполнению различных - химических, энергетических, программных и других биологических функций.

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 молекул 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) 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 и т. д. Только при использовании общего молекулярного алфавита у живой клетки появляется способность хранить, передавать и преобразовывать информационные сообщения. 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 в живых системах. Следовательно, вещественный состав живой материи так же, как и все его функциональные свойства полностью зависят от наследственной информации. Очевидно, что все загадки биологической формы материи кроются не только в системной организации, но и в таком уникальном явлении, как слияние в одно структурно-функциональное целое трёх важнейших её составляющих - органического вещества, химической энергии и молекулярной информации [4].

Поэтому информация, точно так же, как и химическая энергия, обнаруживает полное сродство с живым веществом на его элементарном уровне. Можно сказать, что триединство вещества, энергии и информации является основным фактором, обеспечивающим существование живой материи. Причем, информация, внедрившаяся в структуру биоорганического вещества, стала той организующей и системной силой, которая гарантировала их функциональное единство и движение по различным ступеням развития. К сожалению, феномен триединства создаёт для исследователя иллюзию того, что в живой материи, кроме вещества, нет ничего. А реально существующие информационные механизмы и процессы, почему-то постоянно «ускальзывают» от нашего внимания. Не потому ли, в изучении биологической формы материи до сих пор господствует лишь только одно физико-химическое направление? Между тем, затянувшееся игнорирование биологами информационной составляющей биомолекул до крайности тормозит изучение и исследование живой материи. Отсюда, как результат наблюдается мировоззренческое отставание и топтание на месте. По всей вероятности, это следствие господствующего влияния культа физико-химического направления, традиционно доминирующего в молекулярной биологии.

Химические буквы, символы и знаки.

Очевидно, что только химические буквы и символы общего алфавита (биологические элементы) живой клетки являются натуральными единицами молекулярной биологической информации. И если за единицу информации в технических устройствах принята двоичная единица - бит, то в живых системах каждая буква или символ является элементарной, натуральной и унифицированной единицей молекулярной информации. Хотя информация, как важнейшая сущность нашего мира, явление, в целом, глобальное и пока неподдающееся философскому определению, однако в молекулярной биологии, как мы видим, это понятие приобретает своё специфическое смысловое и физическое воплощение. И действительно, мы убеждаемся в том, что элементарный состав биологических макромолекул определяет не только структуру живого вещества, но он же, 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 закон, который определяет и обуславливает само существование живой формы материи [4].

А уникальные свойства элементной базы живой материи лишь подтверждают такую гипотезу. Однако ясно, что здесь мы коснулись серьёзной проблемы, которая детально не может быть рассмотрена в данной статье. Наша задача - показать, что информация в живой системе не отвлеченное понятие, а объективное свойство и необходимая сущность живой материи. При этом информация, - это содержательные сведения генетических сообщений, которые передаются в структурах биологических молекул с помощью молекулярных кодов. Эти коды формируются на основе химических букв и символов (биологических элементов) и служат как для построения различных макромолекул и структур живой клетки, так и для получения различных биохимических, молекулярных и информационных функций, а так же для передачи сигналов управления и оповещения. Макромолекулы и структуры живой системы, состоящие из биологических элементов (составляющих коды), являются естественными носителями информации и программных средств, поэтому они всё время находятся во взаимодействии друг с другом и с системой управления. В связи с этим, все информационные управляющие процессы в живой клетке, как правило, базируются на применении целостных биохимических элементов. К примеру, при организации процессов репликации, транскрипции или трансляции генетической информации, управляющая система клетки манипулирует целостными элементами - нуклеотидами или аминокислотами, которые играют роль химических букв биологической информации. При построении полисахаридов или липидов она манипулирует уже другими элементами - простыми сахарами и жирными кислотами, которые вполне можно назвать символами молекулярной информации. Значит в действительности молекулярная информация в живой системе вовсе не «миф, а закономерная реальность».

Кроме того, в ступенчатых химических реакциях различные ферменты способны манипулировать и отдельными химическими знаками этих элементов, то есть их составными частями, - боковыми или функциональными атомными группами, отдельными атомами и их химическими связями. Эта способность управляющей системы основана на том, что все биохимические элементы, а значит и биомолекулы клетки, обладают различными типовыми функциональными и боковыми группами и химическими связями, которые свободно узнаются и тестируются соответствующими ферментами. Боковые и функциональные атомные группы и их химические связи - это и есть те опознавательные знаки, благодаря которым управляющая система легко может идентифицировать любой биологический элемент клетки. Значит, в живой клетке, кроме молекулярного алфавита различных элементов, существует ещё и свой химический алфавит типовых атомных групп и атомов, манипулируя которыми управляющая система может осуществлять их движение от одного элемента к другому (а, значит, и между молекулами). Поэтому, циркуляция атомных групп и атомов определяет свою субмолекулярную форму движения информации, которая в живой клетке организована в виде управляемых ступенчатых химических реакций. Таким образом, информационные процессы в живой клетке практически затрагивают не только молекулярный уровень организации, но и, что удивительно, субмолекулярный - атомный. Однако следует заметить, - если целостные элементы служат для организации самих аппаратных устройств и управляющих информационных процессов клетки, то их химические знаки используются также и в качестве информационных сигналов для организации управляемых химических процессов. В связи с этим, управляющая система клетки, в целом, способна манипулировать различными химическими «буквами, символами и знаками», которым предписан определённый биологический и информационный смысл.

Для более четкого восприятия информационной концепции управления, а также для устранения разночтений в тексте, условно можно принять, что: 1) химическими буквами в клетке являются нуклеотиды и аминокислоты, с помощью которых непосредственно записывается управляющая и структурная информация нуклеиновых кислот и белковых молекул; 2) остальные элементы, например, простые сахара и жирные кислоты, являются химическими структурно-информационными символами, служащими для построения других классов биомолекул (полисахаридов и липидов), а также для записи в их структуру функциональной информации; 3) информационные химические знаки, которыми может манипулировать управляющая система в ступенчатых химических реакциях, - это отдельные структурно-химические части - функциональные или боковые группы и атомы различных биохимических элементов, и их химические связи.

Ступенчатые химические реакции, как правило, характеризуются упорядоченным и целенаправленным движением отдельных химических знаков, переносимых от одного элемента к другому, а, значит, и между молекулами. Это напрямую подтверждает мысль о том, что как управляющая, так и сигнальная осведомляющая информация в живой клетке хранится, передаётся и циркулирует только в составе различных биологических молекул. Таким образом, общий принцип работы информационной молекулярно-биологической системы управления сводится к упорядоченному манипулированию различными химическими буквами, символами и знаками, которым предписан определённый информационный смысл. Сам механизм действия системы основан на том, что все операции, связанные с организацией управляющего процесса, производятся над единицами биологической информации - химическими буквами и символами. А операции, связанные с управляемыми процессами производятся над составными частями молекул субстрата - химическими знаками их элементов. Это означает, что все химические и биологические процессы в живых молекулярных системах управляются только информационным путём, а источником управляющей информации является генетическая память. Данный момент трудно переоценить, так как он является ключевым для молекулярной биохимической логики и информатики.

В основе организации живой материи лежит метод модульного кодирования и программирования биологических молекул и структур. Все загадки наследственности, изменчивости и функциональной организации живых систем кроются в молекулярных кодах живого, а точнее, в их смысловом содержании. Очевидно, что генетическая информация соответствует общему учению об информации. Однако при рассмотрении свойств наследственной информации на первый план выступает её специфика. Важнейшая особенность наследственной информации заключается в том, что вся молекулярная информация в живых системах (данные, команды, алфавитные записи) представляется в виде линейных химических или пространственных (стереохимических) кодов. То есть вся информация от передатчика к приемнику передается определенным линейным или пространственным комбинационным набором химических букв, символов или знаков. Под кодом понимается система условных предписаний при модульном программировании структур и клеточных компонентов. Известно, что наследование состоит в передаче генетической информации от родительской клетки к дочерним. У большинства живых систем генетическая информация заключена в молекулах ДНК при помощи дискретных нуклеотидных единиц. Генетический код в виде набора (тройки) нуклеотидов распределен по генам, которые являются информационными сообщениями, определяющими кодирование полипептидных цепей белков или нуклеиновых кислот (иРНК, рРНК, тРНК). Без генетической информации жизнь не могла бы существовать и развиваться. Упорядоченность обмена веществ, пути использования энергии, целенаправленная жизнедеятельность, развитие на всех этапах онтогенеза, - все это следствие программирующего действия генетической информации. Ясно, что генетическая информация через применение элементной базы (химических букв или символов) определяет структуру биологической макромолекулы, а структура всегда является носителем и реализатором её функции, так как функциональные свойства каждой макромолекулы определяются взаимодействием и особенностями составляющих её элементов (мономеров).

Очевидно, что любая макромолекула является системой, функция которой обусловлена взаимодействием и интегративными свойствами образующих её элементов. 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. «Поэтому, в частности, нельзя рассматривать генетические тексты как непосредственное зашифрованное описание порождаемых ими структур. Скорее, это - описание алгоритмов их пространственно-временной реализации, или даже алгоритмы построения автоматов, реализующих эти алгоритмы. По-видимому, именно поэтому сравнительно небольшой длине генетического кода организма соответствует огромный массив информации, необходимый как для непосредственного описания морфологических структур, так и их развития» [5].

Структурное кодирование (или перекодирование) в живой системе - это метод позволяющий создание программных (кодовых) молекулярных модулей на требуемых языках программирования. Причем, для кодирования и программирования молекулярных модулей используется элементная база живой материи, состоящая из унифицированных биологических элементов (мономеров). Модульное программирование - это организация программы как совокупности небольших молекулярных модулей, структура и поведение которых подчиняется определенным закономерностям молекулярной биохимической логики, которые определяются физико-химическими свойствами составляющих их элементов. Модуль в данном случае рассматривается как простая независимая программная единица (код, процедура или функция), реализующая только одну функцию. К примеру, каждая полипептидная цепь в клетке состоит из отдельных программных модулей, указывающей ей (в клеточной среде) пути, порядок и последовательность информационной сборки трехмерной конформации белковой молекулы. А в основе генетического кода лежат триплетные модули нуклеотидов, которые определяют состав и чередование аминокислот в полипептидных цепях белковых молекул.

«Системы структурного (модульного) программирования - это системы прямого программирования. То есть это системы, где их функции задаются их структурой. Системы структурного программирования - это такие системы, в которых воспринятый сигнал непосредственно переводится в действие (без всякой промежуточной «оцифровки»). По законам структурного программирования работает вообще любой биологический объект, а также любая часть этого объекта» [5]. Интересно, что в системах структурного кодирования живой клетки сам собой отпадает вопрос: что считать элементарной значимой единицей сообщения - буквой, символом или знаком?

Структура кодовых посылок при передаче наследственной информации.

В задачи молекулярной информатики входит выяснение законов, определяющих передачу информации в живых cистемах. В начале 60-х годов прошлого века исследователям удалось выяснить ключевые фрагменты системы генетического кодирования - взаимоотношения между определенными участками нуклеиновых кислот и последовательностями аминокислот. Стало очевидным, что генетический код универсален, так же как и системы, осуществляющие его расшифровку. Это выявляет единообразие информационных процессов и систем управления, применяемых в живых системах. Прояснился и принцип дешифровки генетической информации, в котором существует два этапа: транскрипция - переписывание (копирование) информации, записанной на одном из участков цепей ДНК с образованием молекулы иРНК, и трансляция (дешифровка), в ходе которой последовательность нуклеотидов иРНК переводится в последовательность аминокислот белка, продукта гена. Однако известно, что основной смысл информационных сообщений состоит «не в выбранном коде, форме символов или методах передачи (письменных, акустических, электрических, тактильных или обонятельных сигналов), а в его значении (семантике). Заметим, что этот центральный аспект информации не играет никакой роли в её хранении или передаче. Именно значение превращает определенный код или кодовую последовательность букв или символов в информационное сообщение. Эти значения не связаны ни с материей, ни с энергией, они связаны с определенным смысловым содержанием» [3]. Примером смыслового значения является генетический код, когда отдельные модули - кодовые группы из трех нуклеотидов иРНК (а, значит, и ДНК) определяет правильное расположение аминокислот в полипептидной цепи белка. Значит, проблема действия генов всегда сводится к расшифровке закодированных в них сообщений. Поэтому основной характеристикой живых систем является содержащаяся в них генетическая информация, которая путем перекодирования на другой код и другой носитель (при использовании молекулярного алфавита) обеспечивает все их физико-химические и биологические процессы. В силу этих обстоятельств, хотя материя и энергия являются основами жизни, тем не менее, сами они не могут определить принципиальную разницу между живыми и неживыми системами. Не секрет, что эту разницу обуславливает только системная организация и беспрерывная циркуляция наследственной информации в живой системе. Здесь и следует искать все феномены жизни. Генетические сообщения обеспечивают и загружают в макромолекулы не только структурные, но и программные компоненты биоорганического вещества. Все эти процессы практически обеспечивают в живой системе феномен единства вещества, энергии и информации. Очевидно, что рассматриваемая триада компонентов выступает в роли универсального фактора, обеспечивающего все жизненные процессы и биологические свойства живой материи. Нескончаемая череда длинных дискретных кодовых сообщений, характерных как для клеточного ядра, так и для цитоплазмы, при весьма широком параллелизме этих передач, является главной отличительной чертой живых информационных систем.

Ясно, что в основе механизмов передачи генетической информации лежат циклические кодовые посылки различных информационных массивов. К примеру, кодовые посылки иРНК обычно начинаются со стартовой комбинации - кода инициации (начала) транскрипции. При транскрипции обычно транскрибируются лишь отдельные гены или группа генов. Об окончании транскрибируемого гена (или генов) сигнализирует особая терминирующая последовательность нуклеотидов в матрице ДНК, которую можно назвать кодом терминации. После того как из РНК-транскрипта удаляются все интроны, то есть завершается процессинг РНК-транскрипта, зрелая иРНК покидает ядро. Чтобы сделать это, иРНК сначала связывается с двумя специальными белками, которые проводят иРНК в цитоплазму сквозь поры (каналы) в ядерной оболочке.

Эти поры, окруженные сложным ансамблем белковых молекул, пропускают из ядра, по-видимому, только полностью «созревшие» иРНК». Похоже, что пора (канал) работает подобно клапану, который открывается на соответствующий сигнал [6]. Таким образом, многочисленные ядерные поры в живой клетке являются мультиканальным устройством, позволяющим осуществлять в одно и то же время идущие параллельно циклические передачи различной генетической информации в виде различных кодовых посылок в структуре РНК. РНК в клетке выполняет функцию переноса информации от ДНК к рибосомам, где происходит биосинтез полипептидных цепей белковых молекул. Поэтому РНК в живой системе выполняет роль оперативной памяти.

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 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. К примеру, аминокислотный код служит для преобразования линейной формы информации полипептидов в стереохимическую информацию (и структуру) 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. Важно отметить, что различные аминокислоты полипептидной цепи, по всей вероятности, организованы в виде отдельных структурных (модульных) 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 [7].

Очевидно, что каждое сообщение, при передаче информации в полипептидной цепи белка, передаётся своими кодовыми модулями (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 (модулями) 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. Разные молекулярные цепи, с информационной точки зрения, эквивалентны различным дискретным сообщениям.

Можно сказать, что линейный принцип кодирования применяется живой природой не только для передачи сообщений, но и для компактной упаковки молекулярных цепей, а значит, и информации. Именно этот принцип широко применяется клеткой для структурной организации различных биомолекул, как универсальный способ преобразования «линейных» цепей в трёхмерную структуру биологических молекул. Заметим, что в результате 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! 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 биохимические матрицы (микроматрицы), служащие для информационного взаимодействия биомолекул с их молекулярными партнёрами и т. д.

В результате стереохимических преобразований, внутри макромолекулы (в её пространственной решетке) формируется специфическая пространственная координатная организация аминокислотных остатков, которая является основой построения исполнительных органов и механизмов белковой молекулы. А на поверхностных участках и в углублениях макромолекулы, при этом, формируются отдельные локальные и поверхностные кодовые стереохимические микроматрицы (образованные пространственной координатной организацией боковых R-групп элементов), которые служат для информационных взаимодействий и коммуникативного общения белка с другими молекулами клетки.