Секреты молекулярной информации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Секреты молекулярной информации

Калашников Юрий Яковлевич

Аннотация

Молекулярная информация является тем интегративным фактором, который объединяет в одно функциональное целое три главных составляющих живого - вещество, энергию и информацию. И хотя информация, по своей сути, является нематериальной и виртуальной сущностью, однако в живых системах она кодируется с помощью элементарной формы органического вещества и, поэтому, существует только в совокупности с её молекулярно-биологическими носителями. Ясно, что информация в молекулярной биологии не отвлеченное понятие, а само смысловое содержание и сущность живой материи. Этот факт обуславливает многие секреты молекулярной информации и, в частности, базисную основу существования живой материи - единство вещества, энергии и информации.

1. Характеристики информации. Молекулярная биологическая информация мало чем отличается от других видов кодируемой информации. Ясно, что она выделяется чрезвычайно высокой плотностью записи (на молекулярном уровне), исключительно длительным сроком своего существования и своим биологическим назначением, так как является фундаментальной основой живой материи. И если на понятии информация держится не только весь багаж мировых знаний, но и любая область человеческой деятельности, то молекулярная информация лежит в основе самой жизни и того необъятного "айсберга" генетических и информационных молекулярно-биологических технологий, которые правят миром живого уже более 3,5 миллиардов лет. Очевидно, что молекулярная информация по своему статусу является праматерью всех других видов кодируемой информации, с которыми человек имеет дело. Во всем остальном она, так же как и другие виды кодируемой информации, характеризуется стандартными характеристиками и уровнями существования. 1. Статистическим, - когда информация передается с помощью фиксированного комбинационного набора букв, символов или знаков определенного алфавита. Этот уровень позволяет определить статистическое содержание информации. Поэтому содержание информации в последовательности букв или символов является количественной величиной. Оно может быть выражено в битах. Количество информации на единицу объема называется плотностью информации или мерой эффективности хранения и передачи информации. Информационные сообщения всегда существуют в каком-то реальном физическом воплощении. К примеру, информационные сообщения в данной статье кодируются с помощью 33 букв алфавита русского языка. При этом различные буквы соответствующим образом группируются на бумаге в слова, фразы и предложения. Алфавит живой материи также состоит из более 30 биохимических букв и символов, с помощью которых кодируется молекулярная биологическая информация. Для построения различных классов высокомолекулярных соединений, таких как нуклеиновые кислоты, белки, полисахариды или липиды и для записи в их линейную структуру информации используются свои системы (алфавиты) биохимических элементов. Для этой цели в каждой живой клетке существуют системы биологических элементов (химических букв и символов) различных типов: 1) нуклеотиды - система (алфавит) структурно-информационных биохимических элементов (химических букв) ДНК и РНК; 2) аминокислоты - система (алфавит) структурно-функциональных и информационных элементов (химических букв) белков, для которых существует генетический код (в виде тройки нуклеотидов); 3) простые сахара - структурно-функциональные элементы и информационные символы (алфавит) полисахаридов; 4) жирные кислоты - структурно-функциональные элементы и информационные символы (алфавит) липидов и т. д. [2]. Этот системный набор различных химических букв и символов представляет собой ничто иное, как общий алфавит живой материи. А наличие систем элементов (отдельных алфавитов) существенно упрощает процессы построения различных классов биомолекул и структурных компонентов клетки, а так же позволяет автоматически производить запись (кодирование) информации в их структуру, что значительно повышает технологичность изготовления биомолекул и, одновременно, определяет их функциональные возможности. Поэтому если живая клетка строит молекулярные цепи различных биомолекул с помощью этих букв или символов, значит, она записывает в их структуру информацию. Причем, по аналогии с ранее существующим типографским набором, живая клетка использует "россыпи молекулярного биологического шрифта" - отдельных химических букв и символов и в автоматическом режиме (по генетической программе) группирует их в информационные передачи - последовательности букв или символов молекулярной цепи. Очевидно, что линейная последовательность расположения химических букв или символов в молекулярной цепи всегда представляет собой запись определённой биологической информации. Более того, важно отметить, что все биохимические буквы и символы элементной базы (мономеры) живой материи оказалась наделёнными такими химическими и физическими природными качествами и свойствами, сочетание которых позволяет им в составе биологических молекул одновременно выполнять буквально различные по своей биологической роли функции и операции: 1) служить в качестве строительных блоков, с помощью которых осуществляется физическое построение различных макромолекул; 2) выполнять роль натуральных информационных единиц - химических букв или символов, с помощью которых в биомолекулы записывается молекулярная информация; 3) служить в качестве элементарных единиц молекулярного кода, с помощью которых идёт кодирование, преобразование, передача, а впоследствии, - воплощение и реализация генетической информации; 4) быть программными элементами, с помощью которых строятся алгоритмы структурного преобразования, а затем и программа функционального поведения различных биологических макромолекул; 5) обуславливать потенциальную и свободную химическую энергию биомолекул. Все без исключения биологические свойства и качества макромолекул оказались напрямую связанными с многофункциональными особенностями составляющих их биологических элементов. Поэтому, при рассмотрении живой материи, всегда необходимо учитывать не только структурный состав различных биомолекул, но и функциональную взаимозависимость и взаимодополняемость различных характеристик составляющих их элементов. Такое "слияние" различных характеристик биологических элементов в одно функциональное целое и их информационное содержание, делает возможным проявление тех биологических черт и признаков макромолекул, которые привыкли наблюдать биологи. Пользуясь общим алфавитом, живая клетка способна хранить, передавать и преобразовывать молекулярные информационные сообщения. Все сообщения в клетке воплощаются в виде определённой фиксированной позиционной последовательности химических букв или символов, то есть в виде цепей биомолекул. Мы давно привыкли к тому, когда информационное дискретное сообщение передаётся с помощью фиксированной последовательности букв русского или иного алфавита, с помощью телеграфных точек и тире, или даже с помощью последовательности единиц и нулей при записи двоичным кодом. Если же кодирование сообщений осуществляется при помощи букв и символов биологического алфавита, то мы почему-то, предпочитаем говорить не об информации, а о синтезе биополимерных цепей и их физико-химических свойствах, забывая о том, что это, в первую очередь, информационное сообщение, записанное химическим способом. Между тем, следует отметить, что эта удивительная естественная информационная нанотехнология позволяет не только строить, но и управлять различными биологическими макромолекулами, структурами и процессами живых систем.

2. Синтаксический уровень информации - это когда комбинационный набор букв или символов упорядочен использованием кода. Известно, что любой язык, независимо от его принадлежности, имеет в своей основе алфавит, словарь и правила построения. Соединение букв или символов, образующих те или иные слова, также как и связь слов всегда подчинены определенным правилам. Очевидно, что генетический язык живой природы, точно так же как и полипептидный язык белковых молекул в своей основе имеют свой алфавит, синтаксис и свою семантику сообщений. Линейная запись сообщений в цепях биологических молекул во многом напоминает линейное построение записи различных слов, фраз и предложений с помощью букв русского или другого алфавита. На синтаксическом уровне передачи информации, используемые буквы или символы любого алфавита определяют лексику и грамматику. А при передаче информации используемые буквы или символы так же важны, как и состоящие из них коды. В молекулярной биологии в настоящее время известен только трехпозиционный генетический код, однако для решения различных биологических задач живая материя применяет различные коды и разные молекулярные алфавиты, например, аминокислотный алфавит и, соответственно, - многопозиционный аминокислотный код. Оказывается, что человек стал пользоваться примерно такими же принципами записи и кодирования информации, какими живая материя пользуется уже миллиарды лет. 3. Семантический уровень информации, определяется кодированием, которое применяется для передачи того или иного смыслового сообщения, обуславливающего ответную реакцию. К примеру, генетический код, как известно, отражает связь между триплетом оснований (нуклеотидов) и аминокислотой. Поэтому последовательность аминокислот в белке, то есть его первичная структура, обуславливается порядком расположения кодонов в структуре и РНК (а значит, и в ДНК). Следовательно, последовательность букв или символов и синтаксические правила формируют необходимые предпосылки для представления информации. В биологии, так же как и в технике, информация может записываться разными алфавитами и поэтому может передаваться в различных системах кодирования. В связи с этим информация в живой системе может записываться разными молекулярными кодами в структурах различных биологических молекул и иметь различное биологическое назначение. "Именно значение (семантика) превращает последовательность букв или символов в информационное сообщение" [1]. Значение всегда имеет виртуальный и умозрительный характер, оно никак не связано со свойствами материи или энергии. Поэтому информация не зависит ни от своих материально-энергетических носителей, ни от способов её передачи, она имеет виртуальную, а, следовательно, нематериальную природу. Очевидно, что в ДНК важен не сам генетический код или способ передачи, а сама информация, то есть её смысловое биологическое значение. И хотя общепризнанно, что биоорганическое вещество и химическая энергия являются фундаментальными основами жизни, однако сами по себе они не могут определить живое состояние. В связи с этим, одной из главных характеристик живых организмов является содержащаяся в их молекулярных структурах информация, которая собственно и обеспечивает выполнение всех их биологических функций. Интегративный характер молекулярной информации указывает на то, что лишь она имеет право претендовать на ту особую роль в живой системе, которая раньше приписывалась "таинственной жизненной силе". В связи с этим, нам ещё предстоит обозначить и утвердить главную аксиому живой материи: биологическая форма движения материи отличается от других форм тем, что её структура обладает уникальным свойством единства трёх активных составляющих - вещества, энергии и информации. Такое триединство является фундаментальным свойством живой материи и основным способом её существования. А как оно осуществляется и каким образом информация участвует в управлении химическими процессами и биологическими функциями - нам ещё предстоит разобраться. По этой проблематике биологическая наука находится лишь в начале пути, поэтому так остро и нуждается в новых идеях, обобщениях и гипотезах. 2. Особенности молекулярной информации. Функционирование любых сложно организованных систем, как технических, так и биологических, невозможно без соответствующей информации, процессов её хранения, передачи, преобразования и использования. Хранилищем и источником управляющей информации в живых системах является генетическая память. ДНК хромосом содержит все сведения о структурной и функциональной организации живого организма. Любая живая клетка относится к информационной самоуправляемой системе, имеющей необходимые программные и молекулярные (аппаратные) средства для управления всеми биологическими процессами и функциями. Поэтому и подход ко всем клеточным и биологическим проблемам должен быть информационно-кибернетическим. Это подтверждается и концепцией генетического кода и наличием в клетке программных и аппаратных средств транскрипции и трансляции генетической информации. К примеру, известно, что в результате трансляции информация переносится с линейной структуры иРНК на полипептидные цепи белковых молекул. Однако живые клетки имеют трёхмерную структуру и состоят из биомолекул и компонентов имеющих трёхмерную конформацию. Поэтому линейная информация полипептидных цепей должна быть преобразована в трёхмерную стереохимическую информацию белковых макромолекул. То есть информация биомолекул в процессе таких преобразований никуда не теряется и не исчезает. Она не консервируется в молекулярных структурах, а сами биомолекулы не становятся "ловушкой" на пути прохождения генетической информации. Происходит лишь смена молекулярных носителей и переработка информации, с целью получения формы, приспособленной для непосредственного участия в биологических процессах и получения оптимального сигнала, который мог бы восприниматься живой системой. В этом, видимо, и заключен биологический смысл генетической информации.

Сигналом обычно называется средство передачи (переносчик) сообщения. В общем виде сигнал - это однозначное отображение сообщения. Если в информационных технических системах наиболее широко используются электрические сигналы с переносчиком в виде импульсного тока и напряжения, то в молекулярно-биологических системах в качестве элементарных сигналов используются химические сигналы различных биохимических элементов (нуклеотидов, аминокислот, простых сахаров и жирных кислот), с переносчиком в виде их боковых атомных групп. Наглядный пример: сообщение в цепи ДНК или РНК кодируется в виде последовательности нуклеотидов, а носителями генетической информации являются азотистые основания - "боковые" атомные группы нуклеотидов. Соответственно, и в полипептидной цепи белка это сообщение записывается в виде последовательности аминокислот, где носителями информации являются их боковые R-группы. Таким образом, биологические системы используют химический принцип записи информации. А хранение сообщений и передача их по различным каналам в живых клетках имеют много общего, например, с передачей и хранением сообщений в технических системах телеуправления и телеконтроля. Генетическая память, сама по себе, структура инертная и статическая, она не может напрямую, лишь на основе законов физики и химии, передавать и регламентировать способность биологических молекул к упорядоченному поведению. Для этой цели в ДНК имеется только необходимая информация. Кроме того, ДНК, по молекулярным меркам, находится далеко от объектов управления (субстратов). Поэтому всё, что могут сделать гены, так это заранее передать ферментам и другим белкам клетки нужные сведения об их структурно-функциональной организации и программную информацию, для того, чтобы после доставки на место они могли действовать автоматически и самостоятельно. То есть клетка, для дистанционного управления процессами, сама "проектирует", изготавливает и транспортирует на рабочее место "программируемые" молекулярно-аппаратные средства, которые и служат в качестве выходного управляющего звена её управляющей системы. Таким образом, любая живая клетка, для "автоматизации" своих процессов, действительно применяет целый арсенал различных молекулярных биологических автоматов и манипуляторов с программной биохимической логикой управления [3]. А разобраться во всех тонкостях информационного управления живой материей может, по-видимому, только специализированная наука - молекулярная биологическая информатика, которая в будущем должна стать основой общей биологической информатики [4]. Совокупность всех химических букв, символов и знаков образует общий алфавит молекулярного языка живой материи. Необходимость ввода, обработки и вывода молекулярной информации требует выбора определенной системы кодирования. Например, в компьютерах наиболее широкое применение получило кодирование алфавитно-цифровых символов 8-разрядными байтами. Очевидно, что использование клеткой разных систем биологических элементов также приводит к необходимости кодирования одних химических букв, символов или знаков через алфавитную систему других. Поэтому в клетке применяются свои специфические коды. Причем, автор данной статьи считает, что кодирование начинается с самого низкого - субмолекулярного уровня её организации, затем поднимается до уровня биологических макромолекул, и далее выходит на другие уровни организации живого. К примеру, для обозначения аминокислот существует генетический код. А для идентификации химических знаков - типовых атомных групп и атомов биологических элементов имеются свои стереохимические коды, образованные пространственной организацией аминокислот, встроенных в активные центры соответствующих ферментов. При этом в основе правил соответствия кодов активного центра различным символам или знакам (типовым атомным группам и атомам элементов), также положена их химическая и стерическая (контактная) комплементарность. Очевидно, что если путём манипуляции атомные группы одних элементов переносятся на другие элементы, то следует считать, что это ничто иное, как процесс перекодирования биологических элементов. Таким образом, живая клетка регулирует и восполняет резервы нужных элементов. А сами биологические элементы (химические буквы и символы) становятся теми молекулярными единицами, с помощью которых кодируется структурная организация биологических макромолекул. В живых системах повсеместно применяются линейные и стереохимические коды и принципы кодового контактного соответствия информационных компонентов. Здесь так же, как и в технических системах применяются как сложные, так и простые коды. Рассмотрим пример кодирования моносахаридов, жирных кислот и других символов общего алфавита живой материи. Если каждая аминокислота кодируется своим триплетом - кодовой комбинацией трёх нуклеотидов в цепи и РНК, следовательно, и символы простого биологического кода должны как-то кодироваться? И, действительно, для идентификации и обозначения каждого типового символа используется своя стереохимическая кодовая комбинация аминокислотных остатков, которая располагается в активном центре соответствующего фермента (адресный код и код операции). А в основу правил соответствия тех кодовых комбинаций аминокислотных остатков, которые эквивалентны определенным символам, также положена их химическая и стерическая комплементарность, то есть контактная взаимодополняемость химических и структурных взаимодействующих поверхностей, слабых энергетических сил и связей кодовых компонентов [5].

В данном случае это и есть подтверждение того, что в живой клетке перевод информации, записанной в одной системе элементов в другую, осуществляется посредством кодирования (перекодирования). Любой фермент, как правило, выступает в качестве молекулярного преобразователя информации. Здесь кодирование (или перекодирование) информации также осуществляется совокупностью дискретных сигналов, сопоставляемых по определенному алгоритму с конечным множеством сообщений. Очевидно, что по кодовым компонентам активных центров различных ферментов можно иметь представление об их информационных соответствиях и их функциональном назначении.

Значит, молекулярные коды соответствий, и средства их передачи существуют не только для важнейших систем биологических элементов - нуклеотидов и аминокислот. Они существуют для любых мономеров и их химических знаков. А одинаковые кодовые комбинации элементов и их боковых атомных групп в активных центрах ферментов всегда воспринимаются конкретной клеткой как одна и та же (эквивалентная) информация, реализуемая в одних и тех же действиях. Очевидно, что для информационного манипулирования различными химическими буквами, символами и знаками живая клетка применяет свои специфические линейные химические или стереохимические молекулярные коды. Специалистам лишь следует научиться их выявлять и идентифицировать. В живой клетке функционируют только трёхмерные биомолекулы и компоненты, поэтому "одномерная" структурная информация, записанная в "линейных" молекулярных цепях должна быть преобразована в трёхмерную структурную организацию и стереохимическую информацию биологических молекул. Благодаря уникальным свойствам элементной базы, структура молекулярных цепей всегда содержит конкретный алгоритм конформационно-информационного преобразования биологических молекул. К примеру, различные аминокислоты полипептидной цепи, по мнению автора статьи, организованны в виде отдельных комбинационных кодовых сигналов, определяющих (в клеточной среде) различные по своей биохимической характеристике зоны, участки и фрагменты цепи, которые обуславливают соответствующие пути, порядок и последовательность информационной сборки белка. В полипептидных цепях белковых молекул кодируется разнообразнейшая информация. Поэтому важно знать, что любая полипептидная цепь всегда является тождественным эквивалентом соответствующего кодового послания генома, указывающего будущие характеристики белковой молекулы. Необходимо обратить внимание на то обстоятельство, что все биохимические элементы в молекулярной цепи всегда представляют собой те программные элементы, из которых на первом этапе строится алгоритм структурного преобразования любой функциональной биомолекулы. К примеру, алгоритм конформационного преобразования белка задаётся в виде автоматного описания, заданного комбинационной последовательностью и составом кодирующих элементов (аминокислот) в "линейной" структуре полипептидной цепи. Загруженные в "линейную" структуру молекулярной цепи алгоритмы - это воплощенные в последовательности элементов правила молекулярной биохимической логики, по которым занесенные в цепь данные воспринимаются как элементарные сигналы, подлежащие исполнению. Отсюда следует, что любое генетическое сообщение, перенесенное на линейную цепь биомолекулы, кодирует не только её трёхмерную структурную организацию, с различными исполнительными органами и механизмами, но и все её стереохимические информационные сигналы. Поэтому можно сказать, что линейный принцип кодирования используется живой клеткой ещё и как способ перевода одномерной формы молекулярной биологической информации в трёхмерную информацию биологических молекул.

Заметим, что кооперативные (информационные) взаимодействия боковых радикалов и концевых групп аминокислотных остатков "линейной" цепи вызывают формирование особых трёхмерных образований с упорядоченной внутренней и внешней структурой. Поэтому, к примеру, пространственный метод преобразования белка заключается в кодировании расположения полипептидной цепи в пространственной решетке. По такому принципу осуществляется пространственное кодирование белковых (как, впрочем, и других) молекул. Таким путём идёт формирование их структурных, информационных и функциональных молекулярных биологических средств [6]. Причем, каждое сообщение, при передаче информации в цепи белка передаётся своим кодом (кодовыми комбинациями аминокислот). Поэтому структура линейной кодовой посылки полипептидной цепи всегда содержит различные информационные сообщения. Очевидно, что информация в цепи имеет свою адресную, "операционную", структурную и текстовую (информационную) части. Следовательно, различные информационные сообщения в полипептидных цепях могут быть представлены различными сигналами - молекулярными кодами и кодовыми комбинациями аминокислотных остатков. 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) [3]. При помощи соответствующих ферментов и элементной базы в клетке строятся линейные цепи и других классов макромолекул, например, полисахаридов, липидов и т. д. Как мы видим, этот принцип широко используется в различных по своему характеру биологических процессах. Линейный принцип кодирования-декодирования прост, даже если в нём задействованы сложные ферментативные системы, так как запись информационных сообщений осуществляется так же, как и при любой письменности - комбинационной последовательностью соответствующих букв или символов. Следовательно, любая молекулярная цепь в живой системе представляет собой линейное информационное сообщение, записанное химическим способом. Одни и те же сообщения могут быть записаны различными биологическими кодами, например генетическим кодом в иРНК или аминокислотным кодом в полипептидной цепи белковой молекулы. Эта информация носит чисто биологический характер, потому, что в процессе линейного кодирования структурная организация макромолекул кодируется путём ковалентного соединения и позиционного фиксирования соответствующих букв или символов в длинных молекулярных цепях. В связи с этим 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 [6].

Аминокислотный код является одним из основных молекулярных биологических кодов, так как он даёт представление о механизмах стереохимического кодирования белковых молекул. Этот код содержит набор правил перевода информации из одной её молекулярной формы ("линейной") в другую (стереохимическую). Очевидно, что по кодовым компонентам полипептидных цепей вполне можно делать предсказания и о трёхмерных пространственных структурах белковых молекул, и об их функциональном и информационном назначении. Изучение кодовых посылок, линейных и стереохимических кодов и кодовых комбинаций в структуре биологических молекул, должно стать приоритетным направлением в молекулярной биологической информатике. Здесь, как мы видим, - процесс стереохимического преобразования структуры и информации осуществляется аминокислотным кодом. Аналогичным образом идет трёхмерное преобразование макромолекул полисахаридов или липидов, осуществляемое кодовыми элементами простых сахаров или жирных кислот. При этом, естественно, эти макромолекулы будут иметь свои биологические характеристики. Линейный принцип кодирования в живой системе - это и есть тот начальный путь, который ведёт от молекулярной информации к специфическим структурам и характеристикам биологических молекул. Информационный смысл этого процесса как раз и заключается в том, что таким способом кодируется трёхмерная организация любых биологических макромолекул. А сами процессы кодирования и программирования биологических молекул в живой клетке настолько "автоматизированы", что даже в простых случаях мы можем лишь только предполагать, как они выглядят в действительности. Код, как известно, - это набор правил, раскрывающий способ представления информационных данных. Очевидно, что в живой клетке используются далеко не абстрактные алфавиты и, в связи с этим, применяются сложные многоступенчатые принципы передачи, с процессами перекодирования одного вида молекулярной информации в другой, одной формы (линейной, одномерной) - в другую (пространственную, стереохимическую). Для этой цели в клетке используются разные алфавиты и различные средства и системы кодирования и преобразования информации. Например, в процессе трансляции, информация цепей иРНК преобразуется в информацию цепей белковых молекул. В живой клетке используются как трехпозиционные (генетический код), так и многопозиционные коды (например, аминокислотный код). Понятие "генетический код" часто упоминается в молекулярной биологии, поскольку оно лежит в основе представления о механизме биосинтеза белка. Для кодирования и программирования различных классов биологических молекул используются разные системы (алфавиты) биологических элементов - нуклеотиды, аминокислоты, простые сахара, жирные кислоты и другие мономеры. А различные буквенно-символьные кодовые последовательности в цепях применяются не только для передачи сообщений о структурной организации биологических молекул, но используются и для передачи независимых команд, сообщений, адрасных сигналов и инструкций. Как мы видим, в живой системе широкое применение находят именно адресные передачи, где разделение передающих сигналов (в структуре биомолекул) можно назвать химическим и "стереохимическим" кодовым разделением сигналов [6]. Однако "код" - это одно из основных понятий информатики, которое определяется как ключ для перевода информации из одной формы в другую. Таким образом, процесс преобразования информации в совокупность символов, определяемую кодом, называется кодированием. Информация, как известно, определяет поведение системы, повышает её организацию и понижает энтропию (дезорганизацию). Для того чтобы понять информацию, необходимо знать код, - то есть способ её представления. В молекулярной биологии в настоящее время утвердилось представление о применении такого кода только в случае генетического кода. Однако для кодирования различных видов и форм молекулярной информации клетка использует разные системы элементов общего алфавита, поэтому запись информации может осуществляться различными буквами и символами [4]. Это ведёт к новому представлению о том, что в любой живой молекулярной системе для кодирования и декодирования информации широко применяются и другие биологические коды, которые служат для перевода и преобразования информации из одного её молекулярного вида в другой, из одной её молекулярной формы в другую. При этом разные алфавиты букв и символов, при помощи которых записывается информация в различные классы биологических молекул, являются материальными переносчиками информации. Эффективность применения в живых системах молекулярных кодов обеспечивается многократным циклическим их повторением в структурах типовых биомолекул. Бесконечная череда длинных дискретных сообщений (в виде иРНК, полипептидных цепей и белковых молекул), по своей сути, и представляет собой, ничто иное, как те управляющие информационные потоки и сети, которые осуществляют циклическую передачу информации с целью управления, регулирования и контроля химических превращений и реализации различных молекулярных и других биологических функций. Между тем, заметим, что основой любого сообщения является не выбранный код, форма символов или метод передачи, а в его смысловое значение (семантика). Этот центральный аспект информации не играет никакой роли в её хранении или передаче. Однако именно смысловое значение превращает последовательность символов в информационное сообщение. Как мы видим, молекулярная информация всецело подчиняется всем закономерностям кодируемой информации. Благодаря наличию молекулярного алфавита, живая природа с большим успехом освоила удивительные химические методы кодирования молекулярной информации и уникальные способы переноса и загрузки программной информации на молекулярные носители - биологические молекулы. Поэтому не случайно различные информационные коды в молекулярной системе записываются химическим способом с помощью молекулярных букв и символов и переносятся непосредственно в структурах биологических макромолекул [5]. Только таким путём была достигнута невероятная плотность записи информации, так как её кодирование в структурах макромолекул осуществляется на субмолекулярном уровне с помощью боковых атомных групп молекулярных биологических элементов - нуклеотидов, аминокислот, простых сахаров, жирных кислот и других мономеров. Можно себе представить, какое колоссальное количество информации хранится в генетической памяти и циркулирует в биологических молекулах и структурах одной клетки, размеры которой в длину подчас составляют сотые доли миллиметра. Поэтому можно сказать, что химический способ представления информации стал именно тем гениальным изобретением природы, с помощью которого была подведена черта под химической эволюцией материи, и были открыты необъятные дали и непредсказуемые пути великой эволюции - биологической. При этом живая природа оказалась настолько искусным шифровальщиком и применила на молекулярном уровне такие системы кодирования и программирования, которые гарантировали сохранность тайн живой формы материи буквально до наших дней! К сожалению, среди биологов не оказалось квалифицированных криптографов, которые могли бы расшифровать многочисленные молекулярные коды и различные линейные и пространственные кодовые комбинации молекулярных био-логических элементов (мономеров), используемые в структурах биологических макромолекул. Понятно, что для представления молекулярной информации в живых системах не применяются функции алгебры логики и операции двоичной арифметики. Здесь действуют строго свои, специфические закономерности молекулярной биохимической логики и информатики. 3. Секреты молекулярной информации. 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. Однако здесь необходимо заметить, что если информация 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 и управления своих функций и процессов, создаёт свой парк молекулярной "робототехники" с программной биохимической логикой управления. В этом, очевидно, и заключается один из секретов естественных информационных нанотехнологий. Очевидно, что природа биоорганического вещества живой системы характеризуется двумя сторонами - материальной, которая достаточно хорошо изучена естественными науками и информационной, которая по своей сути представляет собой виртуальную часть живого. К сожалению, эта вторая и "таинственная" сторона живого вещества, по значению не уступающая первой - материальной, естественными науками оказалась незамеченной и поэтому практически неизученной. Удивительно, но информация, - это именно тот виртуальный посредник, который с самого начала зарождения жизни, связывает материальную часть нашего мира с нематериальной его частью. Особенно заметно это проявляется при рассмотрении живой материи. И, действительно, обратим внимание на то, что живая природа здесь пошла по пути использования, как самой информации, так и средств её молекулярных носителей. То есть она пошла по пути связывания друг с другом материальных, энергетических и виртуальных компонентов (программ, данных, команд). Причем, долевое участие каждого из этих составляющих в системную организацию живого велико и практически немыслимо без каждого из них. Следовательно, назначение клеточного вещества не исчерпывается уже изученными физико-химическими процессами, потому что, оно подчинено еще и законам молекулярной биохимической логики и информатики. Для биологов это может оказаться именно тем необъятным "целинным полем", которое гарантирует дать невиданный урожай различных идей, открытий и новых знаний. 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. Кроме того, заметим, что движение информационных сообщений в живой клетке никогда не может осуществляться без движения их молекулярных носителей. Этот факт, по-видимому, и является первопричиной, побуждающей клетку строить свои вещественные отношения таким образом, чтобы движения информации всегда были бы обеспечены вещественными носителями! Для этих целей клетка имеет все необходимые механизмы и устройства для получения предшественников и синтеза из них молекулярной элементной базы. Обмен веществ в своей основе является основным механизмом, который задействован для получения энергии и синтеза элементной базы. Поэтому информация является ведущей и движущей силой, определяющей ход как метаболических, так и энергетических процессов живой системы. Причем, биоорганические структуры живой системы являются не только вещественным наполнителем системы, как это декларируется сейчас. Ясно, что они всегда были носителями химической энергии и молекулярной информации. Их структурный состав всегда определяется генетической информацией. Поэтому биоорганическое вещество повсеместно служит не только средством воплощения, но и орудием реализации информации! В связи с этим, многим исследователям уже давно стало ясно, что наступила пора устранить возникшую историческую несправедливость. В молекулярной биологии настало время и возможность научно обобщить и обосновать ключевую роль молекулярной информации в организации живых систем и навсегда узаконить её фундаментальное значение во всех проявлениях жизни. Исследователи еще не разобрались с сущностью информации в таких сферах как общество, производство, наука, а уже ведутся разговоры об информации в мировом и космическом масштабе как категории мирового абсолюта. Тысячелетия информация существовала, но её, как говорится, не видели в упор, а теперь её видят во всем и вся. Одни её связывают со свойством материи, другие признают существование в системах управления, третьи, вообще, оспаривают реальность информации на том основании, что она не материальна. Нематериальность, то есть виртуальность информации отметил еще Н. Винер. Широко известно по этому поводу его замечание, что "Информация есть информация, а не материя и не энергия". Это высказывание стало своего рода центральной догмой информации. 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 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, несмотря на её виртуальность, она обладает способностью к селективному отбору, эволюционному разнообразию и подчиняется не физическим законам, а только своим специфическим принципам и правилам (закономерностям информатики). Причем, информация, как правило, всегда выступает главной доминантой во всех функциональных процессах той или иной системы. Обсуждение формулировок информации продолжается и в настоящее время. Несмотря на определенное разнообразие концепций еще рано говорить о достижении согласия. Легче всего говорить о тех видах кодируемой информации, где уже достигнута определенная договоренность. Тем более эти виды охватывают максимальную часть физически существующей информации, а именно: в информационных технологиях, системах коммуникации и связи, в системах управления, в биологических системах, языках и т. п. Здесь информация, понятие базовое, наиболее распространенное, достаточно определенное и всегда существующее в своем естественном, кодируемом виде. С этой точки зрения информация - это совокупность закодированных данных или сведений о любом факте, явлении или объекте, 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 - восприниматься, перерабатываться, генерироваться и передаваться. Информационные процессы непосредственно связаны с отбором нужных сведений и данных, поэтому необходимые сведения всегда "черпаются" из тех источников, которые жизненно необходимы для данной системы [8]. Следует обратить внимание на тот факт, что все физические, световые, звуковые и другие процессы подчинены физическим законам, вследствие чего они сами по себе не имеют статуса информации. Информация о них передаётся только в виде кодовых сигналов, которые будут получены в результате специальных технических или биологических средств их обработки, приёма и передачи. Поэтому нельзя получить и передать информацию не только без средств рецепции (датчиков) исследуемых процессов, но и без материально-энергетических средств её кодирования, записи, хранения, преобразования и передачи. Информационные сообщения становятся видимыми, слышимыми или осязаемыми только посредством материального переносчика, который несёт кодируемые сообщения. Изображения объектов окружающего нас мира попадают на сетчатку наших глаз, где они преобразуются в импульсно-кодовые сигналы слабого электрического тока и передаются через зрительный нерв в соответствующий участок головного мозга. Там информация перерабатывается и преобразуется в зрительные ощущения. Зрительные пути правого и левого глаза могут служить наглядным примером параллельной двухканальной передачи информации, и это позволяет нам видеть предметы объемно, в трех измерениях. Слуховые каналы передачи информации от обоих ушей также является примером двухканальной передачи звуковой информации. Зрение, слух, вкус, обоняние и осязание (тактильные ощущения) - это пять основных чувств, с помощью которых мы воспринимаем внешний мир. Для каждого из этих чувств имеются свои сенсорные системы, служащие для передачи в наш мозг различного рода информационных сообщений, где они фиксируются, преобразуются и вновь передаются для соответствующей переработки и использования в поведенческих реакциях. Как мы видим, любой живой организм имеет все необходимые системы для принятия различного рода световых, звуковых и других физических воздействий, которые по своему определению еще не могут быть информацией, так как являются чисто физическими категориями. Они становятся информационными только после преобразования их в кодовые сигнальные последовательности, которые воспринимаются нашим мозгом. Этот факт предоставляет нам возможность воспринимать окружающий мир, вырабатывать соответствующие решения и адекватно реагировать на текущую информацию. В сенсорных системах живых организмов и в технических информационных системах, как правило, используются методы канального разделения различного рода информации и различные принципы её кодирования, преобразования и передачи. Поэтому всю информацию мы всегда получаем в закодированном виде. Другого вида природной информации для нас просто не существует. Мы порой думаем, а иногда даже уверены, что информация в закодированном виде существует только в сложных технических системах, а на самом деле всю жизнь только тем и занимаемся, что информацию, записанную одним кодом, переводим в информацию другого кода. К примеру, словесную (тоже кодируемую) информацию переводим (перекодируем) на язык буквенных обозначений и записываем при помощи букв русского (или другого) алфавита; сообщения, полученные на иностранном языке, переводим на свой родной язык; даже по телефону постоянно кодируем и передаем деловую или бытовую информацию. Мы постоянно только и занимаемся кодированием и перекодированием одного вида информации в другой вид, одной формы в другую, однако всё это делаем с такой скоростью и автоматизмом, что практически никто из нас этих процессов просто не замечает! Кодирование сообщений оказалось настолько эффективным способом записи и передачи информации, что первоначально эти принципы были "разработаны" и развиты в молекулярных системах живой природы и в дальнейшем применены для сложных биологических систем. Закодированная информация в цепочках химических букв и символов биологических молекул - 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. Поразительно, 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 Важно осознать, что информационные сообщения никогда не могут идти "сами по себе", их передача от источника к потребителю всегда осуществляется при помощи различных приемо-передающих устройств, с применением различного рода материально-энергетических средств кодирования, преобразования и передачи. "Информация" сама по себе не зависит ни от физических, ни от химических свойств и характеристик своего переносчика, а становится как бы самостоятельным виртуальным спутником своего носителя. Очевидно, что "информация", в своем классическом природном виде, всегда существует, циркулирует и передаётся только в закодированном виде! Я придерживаюсь именно такого подхода к информации. Все другие "предлагаемые" виды информации хотелось бы отнести к плодам изощренного ума или к хитроумным изобретениям человека. Однако в мировоззренческих дискуссиях вряд ли приемлемы такие обобщения. Кодирование, передача, хранение, переработка и другие информационные процессы лежат в основе работы всех сложных систем, в том числе устройств контроля и управления, используемых не только в технических, молекулярно-биологических, но и в других информационных системах. Поэтому, чтобы не смешивать используемые понятия, всегда следует видеть понятийную разницу между объектами (процессами), которые могут служить (или являются) источником сведений, самой информацией и её носителями [8]. Сейчас уже точно известно, что генетическая и молекулярная информация записывается, хранится и используется в форме ДНК и в виде других биологических макромолекул, - настолько хрупких биоорганических соединений, что они легко разрушаются на множество различных фрагментов лишь при простом перемешивании раствора с этими компонентами. Поэтому наше воображение сегодня поражает тот факт что, несмотря на свою кажущуюся ненадежность, биомолекулы ДНК сменили немыслимое множество своих поколений, однако, при этом, всё-таки, донесли до настоящего времени и ту далёкую информацию, которую содержали самые древние биологические макромолекулы! Ясно, что этот феномен основан на свойствах информации. Поэтому одним из основных и важных свойств (секретов) информации является вероятность чрезвычайно длительного её существования, которая зависит не столько от времени хранения, сколько от возможности смены её носителей. Нисколько не преувеличиваю, если скажу, что сама биологическая жизнь своим появлением, зарождением и эволюционным развитием, в первую очередь, обязана замечательным способностям информации - кодироваться с помощью химических букв и символов и передаваться при помощи различных молекулярных средств и носителей. Именно с кодированием связаны многие замечательные свойства живых клеток: 1) возможность хранения, передачи и переработки управляющей генетической информации; 2) возможность структурно-функционального программирования биологических молекул и клеточных структур; 3) совмещение программно-аппаратных средств в структурах белков, нуклеиновых кислот и других функциональных биомолекул; 4) возможность обработки сигнальной информации субстратных молекул и т. д. Поэтому биологические макромолекулы повсеместно несут ту информацию, которая определяет их класс и конфигурацию, и программирует их функциональное поведение в живых системах [3]. А разве, к примеру, не интригует нас известный биологический факт, что генетическая информация как самостоятельная виртуальная сущность, способна передаваться из поколения в поколение путем простой смены своих материальных носителей?! При этом информация не только сохраняется, но даже преумножается, несмотря на телесную хрупкость и недолговечность своего носителя. Естественно, для своего сохранения и преумножения она пользуется различными биологическими системами и механизмами, например, живой клеткой. Как мы видим, всегда можно удостовериться в том, что все рассмотренные выше свойства и способности информации, хотя, и кажутся загадочными, но все они легко могут быть объяснены с позиций приведенной в данной статье формулировки информации. При этом следует отметить, что хотя "информация" повсеместно и служит человеку, однако, в первую очередь, она выступает как виртуальная, умозрительная реальность. В этом, видимо, и кроется её главная загадка. Заметим, что и живая природа, и человек издревле занимаются кодированием информации, что указывает на правильность предложенной формулировки, о том, что информацией являются лишь закодированные данные и сведения. К сожалению, мы еще полностью не осознали, что "информация" является отдельной самостоятельной сущностью и подчиняется не законам материального мира, а только своим специфическим принципам и правилам! Например, мы забываем (или не знаем), что функциональное поведение биологических макромолекул в живой системе подчинено не только всем известным законам физики и химии. В первую очередь, оно подчинено закономерностям молекулярной биохимической логики и информатики, иными словами, - информации, закодированной (загруженной) в структурах биологических макромолекул. Следовательно, изучением живой материи должны заниматься не только биофизика, биохимия, молекулярная биология, но и молекулярная информатика [4]. К сожалению, этот факт биологами пока еще не осознается и не воспринимается, что, на мой взгляд, является причиной мировоззренческого застоя и отставания в изучении биологической формы движения материи. Автор этой статьи уже давно придерживается мнения, что первичная биологическая информация, находящаяся в структурах ДНК живой клетки, представляет собой закодированные генетические сообщения и послания. Поэтому путём транскрипции (переписывания) и трансляции (перекодирования) этих сообщений на аминокислотный код, в полипептидные цепи записываются (загружаются) те текстовые предписания, в которых содержится не только описание алгоритмов структурного преобразования, но и сама программа функционального поведения белковых молекул. А посредством ферментов и других белковых молекул кодируются и программируются все остальные макромолекулы и структуры живой клетки. Таким образом, само появление и развитие живой материи обязано такому фундаментальному свойству, как способности одной и той же информации существовать в различных её видах и формах. Причем, переводом информации из одной её системы кодирования в другую, обычно занимаются различные устройства - дешифраторы, трансляторы, преобразователи и т. д. А секреты информации базируются на удивительных её закономерностях и свойствах. Как мы видим, одним из основных секретов информации является возможность выражения одного и того же смыслового содержания в самых различных физических представлениях, то есть в различных кодах. На этом основана возможность перекодировки информации с одного носителя на другой. К примеру, в процессе трансляции линейная информация записанная генетическим кодом в иРНК (а значит, и в ДНК) транслируется в линейную информацию полипептидных цепей белковых молекул. При этом происходит как перекодирование информации, так и смена её молекулярных носителей. Поэтому одна и та же информация может передаваться по разным каналам и в самых различных системах кодирования. Эта удивительная закономерность информации широко используется в живых и технических системах. Косная же природа сама не обладает способностью к перекодировке информации и переносу её на другой носитель. Поэтому кажущиеся информационные способности косной материи не являются в классическом понятии информацией. К информации они, по-видимому, могут быть отнесены в такой же мере, в какой, к примеру, вирусы могут быть отнесены к миру живого. Информация - это "многоликий Янус": она может кодироваться на разных языках; записываться различными буквами, цифрами, знаками или химическими био-логическими 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. Причем, это одно из ключевых и фундаментальных свойств информации. К исключительным, на мой взгляд, свойствам информации (к примеру, генетической) относится её способность бесчисленное количество раз передаваться из поколения в поколение, путём простой смены своих материальных носителей! Поразительно, хотя в природе нет памяти с бесконечным сроком существования однако информация действительно способна чрезвычайно долго существовать за счет бесконечной смены своих носителей. Мы живем, благодаря полученной наследственной информации от наших 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! Поэтому одна генетическая информация всегда определяет существование другой генетической информации. 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. В связи с этим, любая сложная система способна пользоваться лишь той информацией, которая свойственна и присуща её природе!