Триада живой материи

(вещество, энергия, информация)

© Калашников Юрий Яковлевич

Контакт с автором: kalashniko.juriyy@rambler.ru

В настоящее время триединство вещества, энергии и информации для исследователей  живой материи становится всё более и более очевидным. И ведь, действительно, эта триада составляющих способна обеспечить в  клетке не только все её  биологические свойства, но и сам феномен живого состояния. Вопрос о сущности  и причинах живого состояния до сих пор  остаётся мировой загадкой. Ясно лишь одно, что жизнь построена на системной организации и совокупности свойств органического вещества, химической энергии и молекулярной  информации. Биоорганическое вещество, по мнению автора статьи, является не только носителем материальной сущности живого, – в первую очередь, оно является носителем химической энергии и молекулярной информации. Следовательно, вещество в живой системе занимает не главную (как декларирует наука), а подчиненную роль, зависимую от наследственной информации. В данной статье рассматривается вопрос о долевом участии вклада каждого из составляющих в организацию живого.

1. Вклад  вещества в организацию живого На первый взгляд, такая постановка вопроса в данном заголовке, выглядит немного наивной. Потому, что ключевая роль вещества в организации живого никем не оспаривалась и никогда не подвергалась сомнению, она всегда считалась естественной и  очевидной.  Биоорганическое вещество как основа жизни, уже давно изучается разными биологическими науками. И ведь, действительно, мы сейчас знаем, что информация в клетке имеет химическую форму записи, поэтому она заключена в структурах биоорганического вещества. А процесс образования энергии также представляется как синтез ещё одного вещества – АТФ. Поэтому потребности живой  системы всегда можно рассматривать как потребности исключительно в веществах. Благодаря этому, роль вещества в построении живого сейчас абсолютизирована, а при его изучении и в настоящее время доминирует только физико-химическое направление. Однако посмотрим, всё ли в познании живой материи так благополучно и однозначно, как это представляется. Попытаемся в этом  разобраться. Период изучения химического состава живой материи и реакций, связанных с обменом веществ, начался, по-видимому, около 200 лет назад. Оказалось, что биологические молекулы по своей природе идентичны соединениям, которые были ранее уже известны химикам.  В силу этих обстоятельств, наиболее широкую известность получили соединения, относящиеся к  классу белков, жиров, полисахаридов, полинуклеиновых кислот и т. д. Все они образуются в клетках, но некоторые из них были синтезированы и получены в лабораториях. Так,  были  построены  ферменты и другие клеточные белки  из остатков аминокислот, нуклеиновые кислоты из углеводов, остатков фосфорной кислоты и некоторых пиримидинов и пуринов и т. д. Важно подчеркнуть, что основные законы биохимических процессов – это те же законы, которым следуют и реакции, протекающие просто в пробирке. Между тем, многообещающий биохимический этап в изучении живой материи позволил философам даже открыть формулу жизни. Жизнь стала определяться как «особая форма движения материи». А «физическая картина живого мира довольно долгое время считалась синонимом материализма и естествознания».

Очевидно, что «если бы биохимики поставили перед собой задачу выделить, охарактеризовать и синтезировать все органические молекулы, входящие в состав живых организмов, то это было бы совершенно безнадёжным делом. Однако, как это ни парадоксально, всё огромное разнообразие органических молекул в живых организмах сводится к довольно простой картине. Это связано с тем, что все макромолекулы в клетке состоят из простых и небольших молекул нескольких типов, используемых в качестве строительных блоков, которые связываются в длинные цепи, содержащие от 50 до многих тысяч звеньев» [1]. Ясно, что живая природа нашла удивительно удачный набор исходных элементарных веществ, которые имеют простую структуру и используются не только для биосинтеза различных  биологических молекул, но и для построения всевозможных форм живых существ. Причем, как это ни удивительно, но состав всех важнейших соединений, строение некоторых макромолекул и даже типы характерных реакций оказались однотипными или сходными не только у животных, но и у растений и даже у бактерий. В этом можно убедиться, сравнивая учебники по «Биологической химии» и «Биохимии растений». Поэтому управляемый характер биохимических  реакций в живых системах, позволяет автору,  во второй части этой статьи, говорить о типовой информационной сути любых биологических процессов

«В белках строительными блоками служат 20 различных аминокислот; все они содержат карбоксильную группу и аминогруппу, которые связаны с одним с одним и тем же атомом углерода. Аминокислоты отличаются, друг от друга строением только одной части молекулы, а именно боковой группы, обозначаемой обычно символом R. Все нуклеиновые кислоты образуются из восьми повторяющихся структурных единиц – нуклеотидов; четыре из них играют роль структурных единиц ДНК, а другие четыре используются при построении РНК. Каждый нуклеотид состоит из трёх более мелких единиц: 1) азотистого основания, 2) пятиуглеродного сахара и 3) фосфорной кислоты. Наиболее часто встречающиеся в природе полисахариды, крахмал и целлюлоза, состоят из повторяющихся единиц D-глюкозы. Липиды также построены из сравнительно небольшого числа типов органических молекул. Большинство молекул липидов содержит одну или несколько длинноцепочечных жирных кислот, производных пальминовой или олеиновой кислот. Кроме того, многие липиды содержат спирты, например глицерин, а некоторые ещё и фосфорную кислоту. Таким образом, большая часть биомолекул построена примерно из трёх десятков органических соединений» [1], представляющих собой элементную базу или молекулярный алфавит  живой материи. 

Следовательно, мономеры, играющие роль строительных блоков во время биосинтеза, являются, по существу, родоначальниками большинства макромолекул, используемых в живых системах. Наличие мономеров и  их типовых функциональных и боковых атомных групп позволяет живой клетке организовать синтез  биологических молекулы химическим способом. Поэтому нет сомнения в том, что для  построения, реконструкции и расщепления веществ, клетка использует простые типовые химические реакции. Сотни протекающих в клетке биохимических процессов организованы в виде множества различных последовательностей, идущих друг за другом химических реакций. Каждая из типовых  реакций обеспечивается своим ферментом и имеет динамический, «взрывной» характер. Причем, все эти  последовательности взаимосвязанных ферментативных реакций в своей совокупности представляют собой клеточный метаболизм. 

 Очевидно, что каждая химическая реакция, каждое отдельное изучаемое вещество не являются чем-то необычным, но то, что представляет собой совокупность    процессов, –  только одними химическими закономерностями не объяснить! Потому, что живая клетка представляет собой сложную динамическую структуру, которая поддерживается ходом непрерывных управляемых реакций, связанных с постоянным движением вещества и энергии. Обмениваются отдельные атомы, целые группы атомов, распадаются и тут же создаются  различные компоненты биологических структур клетки. Живая система сама разыскивает нужные ей органические вещества и энергию, получает из них строительный материал, аккумулирует энергию в виде молекул АТФ и непрерывно заменяет свои химические части новыми, которые изготовляет из полученных компонентов. Живая клетка, своей многосложностью в организации и строгой упорядоченностью химических процессов, действительно способна поразить воображение любого исследователя, скрупулезно  изучающего  клетку.  

Как мы видим, «хрупкие» макромолекулы клетки построены из простых органических молекул (био-логических элементов), в связи с чем, они не могут выдержать большое атмосферное давление, высокую температуру, значительный электрический ток или действие сильных кислот. Следовательно, все химические реакции в клетке должны протекать при нормальном атмосферном давлении, постоянной температуре и нормальных физиологических условиях микросреды. Удивительно, но все эти, быстро и успешно протекающие в клеточной среде реакции, не могут быть достигнуты нынешними искусственными химическими технологиями, несмотря на современную техническую оснащенность химической промышленности. Химические технологии для синтеза полимеров до сих пор применяют высокие температуры, большое давление, высокоактивные катализаторы и другие специальные условия. 

Очевидно, что вся суперхимия живых систем, базируется на естественных упорядоченных биохимических технологиях,  основная тайна которых до сих пор ещё не раскрыта. Решением этой мировой загадки и исследованием отдельных реакций занимается биологическая химия – химия наиболее высокоорганизованной материи. Долгое время ученые надеялись на успехи физико-химической биологии, изучающей состав и основы живой материи. Однако если тайны живого состояния оказались неподвластны биохимикам, то многие химические реакции, в результате длительного и кропотливого труда, были тщательно изучены. Поэтому познание закономерностей синтеза и распада живого вещества намного продвинуло биологическую науку вперёд. Физико-химическое направление до сих пор преобладает во всех молекулярных биологических науках. Однако дальнейшее  развитие биохимии заметно приостановилось. Бесперспективность познания тайн жизни только физико-химическими методами стала очевидной. Оказалось, что мир живого настолько сложен и разнообразен, что его  нельзя свести только к физическим и химическим закономерностям.

Ясно, что разгадка секретов технологии суперхимии живого состояния могли бы помочь открыть не только принципы и механизмы функционирования живых систем, но и революционизировать нашу химическую промышленность, открыть производство лекарственных веществ на новой биохимической основе, поставить медицину и здравоохранение на качественно новый уровень. Молекулярная биология и биохимия находятся на распутье.  Можно сказать, что конечная цель биохимии, которая заключается в познании тайны жизни во всех её конкретных проявлениях, оказалась для биохимиков непосильной. Культ физико-химической науки в биологии не принёс ожидаемых результатов!

Очевидно, что законы физики и химии, действующие в любой живой системе, не отменяются. Однако, как оказалось, их необходимо дополнить новыми, пока еще неизвестными знаниями и закономерностями. Итоги физико-химических исследований заставили исследователей по новому взглянуть на достижения биофизики и биохимии и более целенаправленно искать другие подходы и пути к пониманию феномена живого состояния материи. Поэтому особые надежды биологи связывали с открытием  сделанным Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком в 1953 г., - построением модели ДНК (двойной спирали). Стало  ясно, что ДНК,  –  это и есть та, самая главная биомолекула, которая хранит все секреты жизни. 

«Следующей сенсацией явилось открытие того, что наследственность заключена в линейном сообщении, представляющим собой последовательность четырёх оснований, – последовательность, обеспечивающую практически бесконечное число комбинаций. Возникло понятие кода, потом кодона. Кодон – последовательность, состоящая из трёх оснований. Был расшифрован код, отражающий связь между триплетом оснований и аминокислотой. Последовательность аминокислот в белке, его первичная структура, определяется порядком расположения кодонов. Более того, оказалось, что некоторые кодоны соответствуют не аминокислотам, а «знакам препинания»: они обозначают место начала или окончания последовательности оснований, соответствующей определённому белку. Между тем ДНК не формирует непосредственно белок, а направляет синтез комплементарной ей РНК, которая служит посредником; эта РНК прикрепляется к рибосоме. К иРНК присоединяются «активированные» аминокислоты. Чтобы соединиться в полипептидную цепь, каждую аминокислоту переносит специфическая, так называемая транспортная РНК» [2]. Таким образом, были открыты и исследованы некоторые фрагменты переноса и преобразования генетической информации.

Исключительным сюрпризом для биологов явилось то, что генетическая информация закодирована, а продуктом её расшифровки через посредство информационной РНК является белок. Чрезвычайно важной оказалась и концепция генетического кода, так как именно из неё вытекает представление о  целостной системе передачи информации в живых клетках и организмах. Поэтому все последующие годы исследователей занимал вопрос использования информации в живых системах. К сожалению, история открытия наследственной информации и генетического кода не получила надлежащего продолжения. Об этом ясно говорит центральная догма молекулярной биологии: «наследственная информация, закодированная в нуклеотидной последовательности, переводится в аминокислотные последовательности белков… Белковые молекулы представляют своего рода «ловушку» в потоке генетической информации» [3]. Таким образом, сложилось мнение, что в дальнейших биохимических процессах информация просто не участвует. Поэтому до сегодняшнего дня остаётся живучим тезис о том, что: «гены контролируют клеточный метаболизм за счет содержащейся в них информации о структуре ферментов и других клеточных белков, а ферменты выступают в роли биокатализаторов, управляющих всеми процессами в живых организмах» [3]. Однако эти туманные рассуждения не раскрывают ни сущности, ни механизмов  биологических явлений. Потому, что строгое упорядочение и управление процессами при высокой избирательности и производительности не могут быть обеспечены химическими катализаторами, какими бы замечательными и уникальными свойствами они не обладали. Забегая вперед, можно сказать, что эти клеточные процессы могут быть обеспечены лишь молекулярными биологическими автоматами с программной биохимической логикой управления,  которыми на самом деле и являются –  ферменты и другие клеточные белки 

Как мы видим, изучение прохождения информации в живых клетках почему-то остановилось на этапе синтеза белковых молекул. В связи с этим, хотя и были  исследованы отдельные фрагменты, но не была  открыта общая картина прохождения и реализации генетической информации. Молекулярные науки до сих пор не могут ответить на вопрос – как, и каким образом, генетическая информация осуществляет управление сложными химическими процессами обмена веществ и получения энергии? Как осуществляется информационное управление живой клеткой? Все эти вопросы уже давно попали в список таинственных «мировых загадок» и неразрешимых проблем современного естествознания. К сожалению, несмотря на усилия естественных наук, в настоящее время существует полный пробел в знаниях о главном: о взаимосвязи между информацией, структурой и функцией в различных биологических процессах [4]. Чтобы преодолеть стагнацию молекулярной биологии, которая весьма зависима от биофизики, биохимии и других  дисциплин, лаборатории биологов сейчас буквально заполнены вторгшимися в них физиками, химиками, математиками, специалистами по информатике.    

Данный  раздел статьи не случайно назван: «вклад вещества в организацию живого». Хотя, мне могут возразить, что роль вещества в составе клеток и организмов давно уже изучена естественными науками и отражена в различных учебниках по биохимии, биофизике, молекулярной биологии и т. д. Однако это далеко не так.   Беру на себя  смелость возразить и напомнить о том, что биоорганическое вещество является не только носителем материальной сущности живых систем.  Следовательно, назначение клеточного вещества не исчерпывается уже изученными химическими процессами! Потому что, в живой  клетке (как и в целостном организме), макромолекулы, в первую очередь,  являются носителями химической энергии и молекулярной биологической информации. Кроме физических и химических законов они подчиняются еще и особым принципам и правилам, которые автор назвал закономерностями молекулярной биохимической логики и информатики!  К сожалению, эта вторая и «таинственная» сторона биоорганического вещества – информационная (по важности не уступающая первой – вещественной), естественными науками оказалась, по сути дела, незамеченной и поэтому практически неизученной. На этот факт следует обратить   внимание.  

2. Энергия – важный и необходимый компонент в организации живого.

Энергия в любой системе связана со способностью совершать работу. «Различают потенциальную энергию, зависящую от положения или состояния тела, и кинетическую энергию, то есть энергию движения. В живых системах потенциальная энергия представлена главным образом в форме химической энергии связей между атомами в молекулах биоорганических соединений.    Потенциальная энергия химических связей обусловлена расположением валентных электронов на орбиталях с высоким энергетическим уровнем, куда они попадают при образовании молекул биоорганических соединений в процессе химических реакций. При метаболических превращениях электроны образующие химические связи в молекулах первичных веществ, переходят с более высокого на более низкий энергетический уровень. Кинетическая энергия потоков электронов, скатывающихся по энергетическим уровням, в дальнейшем может быть использована для образования новых химических связей или же с помощью специальных биологических преобразователей превратиться в другие виды кинетической энергии» [5]. 

Первичным источником энергии для живых систем является солнечная энергия, которая при фотосинтезе используется для образования органических соединений. Для фотосинтезирующих клеток источником энергии служит улавливаемая ими энергия солнечного света. Для гетеротрофных клеток источником свободной энергии, получаемой в химической форме, служит процесс расщепления, или катаболизм, пищевых молекул. Поэтому главным связующим звеном между клеточными реакциями, идущими с выделением и с потреблением энергии, служит аденозинтрифосфат (АТФ). В процессе биологического окисления при расщеплении органических молекул эта энергия освобождается и аккумулируется в  фосфатных связях АТФ.  Для  энергетических нужд в живой клетке постоянно поддерживается дозовая циркуляция энергии в форме АТФ к «потребителю», а АДФ и фосфата – к митохондриям, для нового восстановления их до АТФ. Как ни удивительно, энергия в живой системе всегда находится в структурах биоорганического вещества.

Поток электронов, движущийся по ступеням биологического окисления, – это  не что иное, как слабый электрический ток. В свое время это позволило известному биохимику А. Сент-Дьерди утверждать, что «жизнью движут небольшие электрические токи, поддерживаемые солнечным светом» [5]. Таким образом, все энергетические процессы в живых системах связаны с движением электронов, то есть с наличием   электрического тока, пусть даже слабого, но «говорящего» о том, что для энергетического обеспечения живого используются те же физические принципы, которые применяются и для технических систем. Правда, если технические  устройства подключены к источнику питания «по постоянной схеме», то в живой клетке используется и применяется «дозовая циркуляция» энергии в виде молекул АТФ. АТФ – это своего рода «гибкий» источник энергии, позволяющий получить нужные дозы её для использования в нужном месте. Поэтому, при недостатке свободной энергии макромолекула, к примеру, белка, способна адресно (информационно) связываться молекулой АТФ, которая в живой системе играет роль аккумулятора химической энергии.

Ясно, что без энергетических процессов не может идти речи ни о каких информационных взаимодействиях, тем более, ни о каких функциональных биологических процессах. Энергия необходима для механической работы при сокращении мышц, для электрической работы – при генерации и передаче импульсов, для химической работы – при образовании новых химических связей между атомами в процессах биосинтеза сложных органических соединений и т. д. Все процессы катаболизма и анаболизма управляются информационным путем, следовательно, и процессы получения и использования энергии в клеточной системе так же управляются и регулируются информацией. Таким образом, циркуляция информации в живой клетке определяет движение, как вещества, так и энергии. Причем только вещество является переносчиком и энергии, и информации.

3. Биоорганические соединения в живой системе  являются средством передачи (переносчиком) информации.

Информационную систему живой клетки можно представить в виде «черного ящика». Какие процессы происходили в процессе эволюции на входе и внутри этого черного ящика сейчас уже трудно представить. Можно лишь судить о том, что мы имеем сегодня. А фактов об информационной организации живого уже накопилось достаточно много. Во-первых, известно, что наследственная информация живой системы закодирована и передается в виде линейной, одномерной, последовательности нуклеотидов – строительных блоков ДНК. Однако живые клетки имеют трехмерную структуру и состоят из трехмерных компонентов. «Поэтому «одномерная» информация, заключенная в ДНК, преобразуется в «трехмерную» информацию, присущую живым организмам, путем трансляции (т. е. перевода с одного языка на другой) структуры ДНК в структуру белка. В этом процессе принимает участие рибонуклеиновая кислота (РНК). В отличие от  молекул ДНК, имеющих в основном одинаковую структурную форму, молекулы разных белков самопроизвольно свертываются характерным для данного белка способом, образуя самые разнообразные трехмерные структуры, каждая из которых выполняет специфическую функцию. Точная геометрия молекул данного белка определяется его аминокислотной последовательностью, которая в свою очередь определяется нуклеотидной последовательностью соответствующего участка ДНК» [1].  Любая живая клетка имеет свои системы перекодирования линейной, одномерной информации в трехмерную стереохимическую информацию биологических молекул. Стереохимическая форма записи информации, так же как и линейная химическая форма записи, являются основными формами кодирования молекулярной информации в биологических молекулах. Поэтому информация в живой системе повсеместно имеет молекулярный базис представления.

Попробуем вникнуть в суть данной проблемы. Хранилищем информации в клетке, как известно, является генетическая память, обладающая феноменальными информационными возможностями. Причем, все функциональные биомолекулы и структуры, представляющие собой, по мнению автора статьи, программно-аппаратную часть живого, являются носителями управляющей информации, а все субстратные биомолекулы (в том числе и питательные органические вещества) являются носителями сигнальной (осведомляющей) информации. Этот феномен возник не сразу, а является итогом наличия универсальной элементной базы и длительного эволюционного развития живой материи. Поэтому, на любом этапе своего развития живая клетка пользуется той молекулярной информацией, которая заранее была загружена в её макромолекулы и структуры. Благодаря чему, все живые системы в своей организации и деятельности, приобретают строгую упорядоченность процессов и структур. Более подробно данная тема раскрыта в статьях автора, ранее депонированных в ВИНИТИ РАН или опубликованных на сайтах Интернета (см. список литературы) [6,7] .

Таким образом, живая клетка как сложная информационная система, состоит из совокупности  биологических молекулярно-аппаратных средств управления и различного рода локально рассредоточенных объектов управления (субстратов). В связи с этим, все они, с одной стороны, относятся к материальной части системы. Однако в то же время, с другой стороны, – они же являются носителями управляющей и сигнальной информации. Потому, что все они, как мы уже отметили, строятся и программируются на основе типовых молекулярных био-логических элементов: нуклеотидов, аминокислот, жирных кислот, простых сахаров и других мономеров (химических букв и символов). А в качестве элементарных информационных сигналов в живых клетках используются «химические сигналы» боковых атомных групп этих элементов. Таким образом, живые молекулярные системы используют химический принцип  записи  информации. А элементарные химические информационные сигналы определяются соответствующими элементами, выступающими в качестве кодовых единиц  молекулярной  информации [8]. Очевидно, что информационная концепция построения и функционального поведения биомолекул может базироваться только на универсальных свойствах и правилах применения таких био-логических единиц.

Поэтому, мы убеждаемся в том, что элементарный состав биологических молекул определяет не только структуру, то есть материальную часть живого вещества; но он же, тождественно, является и эквивалентом генетического сообщения. Информация в живой системе кодируется в цепях биологических макромолекул, следовательно, тот же элементарный состав одновременно определяет и информационную часть живого вещества. В связи с этим, живое вещество всегда является носителем определенной молекулярной информации. Так как молекулярная биологическая информация, точно так же, как и любая другая информация обладает свойством виртуальности, то получается, что живая материя состоит из материальных и виртуальных компонентов. Закодированная информация в цепочках химических букв и символов – это та умозрительная реальность, существование которой мы можем мысленно себе представить, то есть для нас это виртуальная реальность. Однако здесь информация кодируется при помощи элементарной формы органического вещества, она записывается в линейные и трёхмерные структуры биологических молекул и реально существует только молекулярно-биологическом воплощении. Поэтому для самих молекул, –  это структурная и программная реальность, данная биомолекулам для построения (самоорганизации) и функционирования. Виртуальная реальность информации здесь – это реальность и значимость отдельного дискретного молекулярного объекта, которая обусловлена эффектом сложения (слияния) трёх активных составляющих живого: вещества, энергии и информации. А живая материя (биомолекулы) – это уже объективная реальность, данная нам в ощущениях. Виртуальная реальность сейчас определяется как актуальная, событийная реальность, которая реально значима в настоящий момент времени.

В технических системах общепринято, что к аппаратным средствам относится всё, что  принадлежит к материальной части системы, в том числе и те электронные логические элементы, которые входят в состав микропроцессорных комплектов. Следовательно, к аппаратному обеспечению, в прямом смысле, относится всё то, что является материальным и имеет отношение к реальной части системы. Значительно сложнее дело обстоит с живыми системами. Здесь сами био-логические элементы одновременно играют роль и структурных звеньев живого, и носителя его информации. Такое  универсальное свойство живого позволяет говорить о единстве (слиянии) вещества и информации, несмотря на то, что это разные философские понятия. Вещество является материальным компонентом живого, а информация – это его нематериальная (виртуальная)  часть – программы, сообщения, команды, сигналы различного назначения, которые всегда загружены в структуру биоорганического вещества. 

Важно здесь подчеркнуть, что мономеры (химические буквы и символы молекулярного алфавита), составляющие вещество, – это и есть та материальная часть, которая по своему статусу является носителем нематериальной части – информации. Поэтому отношения между ними в макромолекуле складываются такими же, как между информацией и её материальным носителем. А именно: каждый из них «живёт» по своим собственным законам. Биоорганическое вещество подчиняется своим физико-химическим законам, а информация подчиняется только своим  специфическим закономерностям. Однако при этом  следует отметить важное отличие, которое существует в любой живой системе:  информация не зависит от свойств своего носителя (вещества), а вот судьба вещества полностью зависит от той информации, которая записана  в его структуре. Более того, все свойства и состав макромолекул полностью зависят от той информации, которая  загружается  в  их структуру во время биосинтеза. Следовательно, информация не только руководит структурной организацией вещества, но и использует его физико-химические свойства для своего воплощения! 

В связи с тем, что информация, воплощенная в некоторой материальной форме, называется сообщением, то можно сказать, что любая макромолекула клетки является переносчиком некоторого сообщения. Кстати, все эти сообщения, в первую очередь, сначала определяют пути и способы организации самих биомолекул, а затем,  выполняют роль того внутримолекулярного программного обеспечения,   которое определяет функциональное поведение любой макромолекулы! Причем, отношения между информацией, её переносчиком и энергией в живой системе являются той  базовой основой, на которой возникают и держатся все биологические свойства живой материи. Хотя информация не зависит от свойств свого носителя, однако Физико-химические основы представления молекулярной биологической информации,  естественно, зависят от свойств тех мономеров (химических букв или символов), посредством которых она кодируется. В силу этих причин, живая клетка может использовать одни и те же биохимические матрицы для различных функциональных нужд. Например, активные  центры ферментов одновременно  применяются как для информационной коммуникации (с молекулой субстрата), так и для полифункционального катализа. Этому способствуют трехмерная организация реакционноспособных боковых R-групп аминокислот, входящих в состав активного центра того или иного фермента (адресный код и код операции).

Здесь информация обозначена как  закодированные сведения тех или иных  сообщений, которые вырабатываются, передаются и воспринимаются той или иной живой системой. Из центральной догмы Н Винера – «информация – есть информация, а не материя и не энергия», вытекает тот факт, который нас больше всего удивляет: «информация» не является физической величиной, несмотря на то, что лежит в основе 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. Кроме того, несмотря на то, что информация является нематериальной категорией, однако существовать и воспроизводиться она может только на базе тех или иных материальных или энергетических носителей. Информация всегда предполагает наличие той или иной системы, где она может кодироваться, генерироваться и передаваться. Поэтому в соответствии с «центральной догмой» Н. Винера, информация в системе всегда выступает как отдельное и самостоятельное явление, имеющее виртуальный характер [9].

Сосуществование и взаимодействие материальных и виртуальных компонентов, с самого начала зарождения живой материи стало не только главной реальностью и смысловым содержанием жизни, но и причиной её бурного развития и широкого распространения. Информация стала определяющей мерой многих вещей и явлений, потому, что она выступила в роли универсального критерия направленности многих природных процессов и, в первую очередь, функциональных биохимических процессов живых систем, а затем, и процессов их эволюционного  развития.

Отсюда напрашиваются и другие «еретические» мысли и обобщения. Например, следует закономерный вывод о том, что все универсальные свойства, приписываемые сегодня биологической материи, на самом деле относятся к информации, заключенной в её структурах. К этим свойствам, в первую очередь, относится способность живых систем к самосборке, саморегуляции и самовоспроизведению. Ясно, что эти уникальные способности живого обеспечиваются только информацией, существующей на основе биоорганического вещества, но никак не самим веществом, какими бы уникальными физическими или химическими  свойствами оно не обладало. Физико-химические свойства биоорганического вещества просто оказались незаменимыми при построении функциональных биологических средств и устройств, используемых управляющей системой клетки для реализации биохимических процессов. При этом, вся организационная часть по созданию и применению этих средств, как известно, возложена на генетическую информацию. А генетические  сообщения обеспечивают и закладывают в макромолекулы не только структурные, но и программные компоненты биоорганического вещества. Все эти процессы практически обеспечивают феномен единства вещества, энергии и информации. Очевидно, что  рассматриваемая триада компонентов выступает в роли универсального фактора, обеспечивающего все жизненные процессы и биологические свойства вещества.  Нет сомнений в том, что информация, это тот виртуальный посредник, который с самого начала жизни, связывает материальную часть нашего мира с виртуальной, нематериальной его частью. При этом информация не зависит от физических свойств своего носителя и подчиняется только своим  специфическим  принципам и правилам.

Информация в живой системе, в зависимости от её назначения, может записываться различными буквами и символами (мономерами), и поэтому, естественно, что информационные сообщения могут существовать в различных вещественных воплощениях. Удивительно,  что информация, находящаяся в структурах биологических молекул стала не только направляющей и организующей силой всех биохимических процессов, именно от её содержания зависят все показатели живой материи: её химический и структурный состав, все её качественные и количественные показатели. Очевидно, что только от  информации зависит и содержание, то есть состав  самого вещества. Следовательно, вещество в любой живой системе занимает, увы, не главную, как декларирует биологическая наука, а подчинённую роль!  Это звучит неожиданно, однако вспомним, что информация, заключенная в генах, до мельчайших подробностей определяет аминокислотный состав и, соответственно, функциональное поведение белковых молекул. Структурный состав веществ целостного организма также всецело зависит от информации. И ведь, действительно, сейчас уже никто не сомневается, что только от наследственной информации зависит, кто вылупится из яйца:  крокодил, страус, змея или цыплёнок?

В связи с этим следует констатировать, что главнейшей функциональной и направляющей доминантой в организации живой материи является – информация!  Поэтому все взаимоотношения между этих двумя  составляющими следует рассматривать виртуально, то есть в таком их виде, который всегда существовал между информацией и её переносчиком. Этот  факт  четко просматривается при рассмотрении и изучении, как самой биологической информации, так и свойств её молекулярного носителя. К сожалению, мы еще полностью не осознали, что «информация» является отдельной самостоятельной сущностью, и подчиняется она не законам материального мира, а только своим специфическим принципам и правилам! Игнорирование этого факта неизбежно  ведёт к познавательным коллизиям и часто приводит к серьезным теоретическим и практическим упущениям и ошибкам.

Например, мы забываем (или не знаем), что построение и функциональное поведение любых 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 [10]. К сожалению, этот факт биологами  пока еще не осознается и, как показывает практика, не воспринимается, что, на мой взгляд, является причиной мировоззренческого застоя и отставания в изучении биологической формы движения материи.  Далее рассмотрим,  какими принципами и правилами молекулярной биохимической логики пользуется живая система при воплощении информации. Отметим роль молекулярного алфавита и кратко ознакомимся с физико-химическими основами  его информационного применения и действия. Тем самым откроем чистую страницу в изучении живой материи, посвященную анализу роли биоорганического вещества  в качестве  переносчика (носителя) молекулярной  биологической информации. 

4. Роль молекулярного алфавита и информации в организации  живого.

Следует обратить особое внимание на то обстоятельство, что все секреты живой материи оказались  напрямую связанными с многофункциональными свойствами типовых мономеров, которые в своей совокупности представляют собой ничто иное, как элементную базу или общий молекулярный алфавит живой материи. Все био-логические элементы оказались наделенными такими химическими и физическими качествами и свойствами, сочетание которых позволяет им функционировать в живой системе не только в качестве строительных блоков или кодирующих элементов – химических букв и символов, но  служить ещё и теми программными элементами, с помощью которых строятся различные алгоритмы программного поведения биологических молекул! 

Вследствие чего, мы приходим к заключению, что  любая химическая буква (или символ), входящая в состав биомолекулы, является тождественным эквивалентом такой био-логической единицы, которая выполняет роль и типового структурного строительного блока, и элементарного информационного сигнала, и программного элемента, и функциональной единицы молекулярного кода. Сама же биологическая функция возникает путём активации всей совокупности качеств и свойств био-логических элементов,  входящих в состав  биологических молекул. Поэтому программная, информационная и функциональная деятельность биологических молекул в клетке осуществляется благодаря применению таких био-логических единиц. Причем, активация биологических молекул возникает только на основе их информационного взаимодействия друг с другом. Важно  отметить, что  указанные качества и свойства стали неотделимыми спутниками всех типовых  био-логических элементов, они являются разными сторонами одной и той же молекулярной базы.  А сочетание разных характеристик молекулярных элементов оказалось идеально приспособленным для выполнения  различных биологических функций в живых клетках [8].

Можно без преувеличения сказать, что только совокупность универсальных  свойств элементной базы (молекулярного алфавита) обеспечила возможность строительства (кодирования и программирования) из молекулярных мономеров (химических букв и символов) неограниченного множества различных, по своей конструкции, назначению и функциональным свойствам биологических макромолекул (вещества). А главное, генетическая информация, загруженная в белковые макромолекулы и другие клеточные структуры, обеспечивает процессы управления обменом энергии и веществ, и принципиальную возможность  претворения в жизнь процессов саморегуляции и самовоспроизведения живой материи. Похоже,  исследователи немного поспешили, когда приписали  эти фундаментальные свойства  самой материи.

К сожалению, биологи до сих пор предпочитают говорить только о синтезе биополимерных цепей биологических молекул, забывая о том, что это, в первую очередь, –  информационные сообщения, записанное химическим способом. Со всей очевидностью можно констатировать, что для кодирования молекулярной информации в живых клетках широко применяется комбинационный принцип использования химических букв или символов общего алфавита и позиционная система представления информации с фиксированными дискретными данными. А все химические буквы и символы общего алфавита (мономеры)  являются натуральными единицами молекулярной информации [8].

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 содержатся не только описания 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.

Здесь, как мы видим,  все основные свойства живой материи обязаны такому феномену, как способности одной и той же информации  существовать в различных её видах и формах. Причем, это одно из  ключевых и  фундаментальных свойств информации. Поэтому линейная генетическая  информация способна сначала переводиться на линейные полипептидные цепи белковых молекул. А, затем, преобразовываться в стереохимическую информацию трёхмерных белковых молекул. Только в такой форме  информация становится пригодной к использованию в различных биологических процессах. Причем, переводом информации из одной её системы кодирования в другую, обычно занимаются различные устройства: дешифраторы, трансляторы, преобразователи и т. д. [11].

Как мы видим, информация в живых системах имеет молекулярный базис представления и передается так же, как и в любой языковой системе с помощью алфавитного набора букв и символов, упорядоченных использованием кода. Здесь запись и перекодирование информации осуществляется при помощи химических букв или символов общего молекулярного алфавита. Молекулярным кодированием в живой  клетке можно назвать процесс представления данных последовательностью химических букв или символов. Причем, информация в клетке передается не только одним генетическим кодом.  В передаче  биологической  информации участвуют и другие молекулярные коды, и кодовые последовательности, основу которых составляет определенный комбинационный набор химических букв или символов. А содержащаяся в молекулярных цепях информация обеспечивает функционирование биологических молекул [11]. При этом закодированная последовательность букв или символов любого сообщения передаётся не однократно, а с многократным повторением, что ведёт к повышению помехоустойчивости информационной системы.

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» Н Винера, информация в системе всегда выступает как отдельное и самостоятельное явление, имеющее виртуальный характер [9].

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 биомолекулах; 

4) возможность обработки сигнальной информации субстратных молекул и т. д.

Поэтому биологические макромолекулы повсеместно несут ту информацию, которая определяет их структуру и функциональное поведение в живых  системах.

Заметим, что 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.

Из «центральной догмы» Н. Винера 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. 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 [9].

 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. Оказывается,  живая природа на миллиарды лет опередила не только  появление искусственных информационных систем, но, и по сути дела, определила пути их развития.

5. Информация – самый стабильный компонент живого.  

К исключительным, на мой взгляд, свойствам генетической  информации относится её способность бесчисленное количество раз передаваться из поколения в поколение, путём простой смены своих материальных 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! Очевидно, что и сами гены как материальный субстрат, также  участвуют в метаболических процессах. Поэтому самым стабильным компонентом в живой системе является не вещество, а – информация. А все метаболические процессы, по своей сути, служат  одной единственной цели: для того, чтобы как можно дольше сохранить  первичную наследственную информацию и  более целенаправленно и  экономично использовать её ресурсы. Ясно, что биоорганическое вещество «приносится в жертву» сохранения генетической информации. Поэтому, к концу жизни, как правило, неизменным остаётся только наше «Я» и та генетическая информация, благодаря которой мы существуем и развиваемся! Таковы долевые вклады в организацию живой системы отдельных составляющих: информации и биоорганического вещества,  играющего роль переносчика. Очевидно, отсюда хорошо видно – «кто кого использует, и кто в доме хозяин?».

В силу этих удивительных 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! Поэтому деятельность любой  системы всегда направлена на сохранение своей основы. 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.

Нет сомнений в том, что информация, это именно тот виртуальный посредник, который с самого начала зарождения жизни, связывает материальную часть нашего мира с нематериальной его частью!  В связи с этим, у нас появляется обоснованная возможность говорить о параллельном сосуществовании двух миров. Потому что, хотим мы этого или не хотим, – окружающий нас мир уже достаточно давно делится как бы на два параллельно существующих и взаимодействующих друг с другом мира. Один из них – это безграничный и разнообразнейший по форме материальный мир нашей Вселенной. Другой – это загадочный и ошеломляюще разнообразнейший мир виртуальной информации. Сосуществование и взаимодействие материального и виртуального миров, с самого начала зарождения живой материи, стало не только главной реальностью и смысловым содержанием  жизни, но и причиной её бурного развития и широкого распространения. Мы являемся детьми этих двух миров, потому что состоим из материальных и виртуальных (программ, данных, кодовых сигналов и т. д.) компонентов [12].

А информация стала определяющей мерой многих вещей и явлений, она выступила в роли универсального критерия направленности многих природных процессов и, в  первую очередь, – процессов биологической эволюции. Приходится только констатировать, что в настоящее время, все биологические, технические, научные, общественные и другие процессы составляют главную содержательную часть этих двух миров. Виртуальный мир существует внутри нас, причем не только благодаря виртуальности молекулярно-биологической информации, но и благодаря её высшим творческим проявлениям, которые особенно ярко проявляются у людей. Таким, как способности  человека к сознательному и разумному поведению, к эмоциональным проявлениям, способности к познавательным и созидательным процессам, запоминанию, к интеллектуальному мышлению, к труду, творчеству, духовности и т. д. Безмерно изумляет и вдохновляет, что на виртуальных крыльях информации, берет старт с нашей планеты Жизнь – великое чудо Вселенной. Буйным цветом различных красок расцвела Биосфера Земли, а за ней на тех же удивительных крыльях информации поднимается Техносфера, Ноосфера, Инфоноосфера. И трудно теперь представить, что же еще ожидает нас в перспективе?

Очевидно, что 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! Поэтому в каждой системе, например, в живом организме циркулирует только «своя информация». А информация биомолекул  другого организма является чуждой для данного организма,  в связи с чем, она всегда отторгается и отвергается. Вспомним защитную реакцию иммунной системы. Это тоже очень важное качество, которое входит в круг  основных свойств и принципов  информации [9].

Главная заслуга живой материи, видимо, и заключается в том, что с её «лёгкой руки»,  информация, зародившаяся в её недрах, вырвалась как джинн из сказочной бутылки! Она стала той неуёмной и необузданной 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 пространстве. По крайней мере, до тех пор, пока имеются источники энергии и вещества, подходящие условия для существования и позволяет их программа развития. Вот и получается, что все мы: люди, животные, растения и даже бактерии  представляем собой, ничто иное, как информационные субстанции в молекулярно-биологическом  воплощении. И ничего тут не поделаешь, – просто на Земле информационные субстанции существует в таких видах и  формах, которую они  формируют на базе своей первичной (генетической и клеточной) информации и  имеющейся  на Земле материи.

В силу этих обстоятельств,  можно утверждать, что Жизнь, – это особая системная форма движения, воспроизведения и генерации информации, которая осуществляется на базе использования энергии и вещества. Поэтому первый, фундаментальный уровень развития информационных субстанций и их технологий на нашей планете был реализован на молекулярно-биологической основе. С тех пор важнейшей сущностью на Земле стала информационная субстанция, а информация как одна из главных составляющих нашего мира действительно стала  основой нашего мироздания [12]. По всей вероятности, в этих процессах скрываются причины и механизмы биологической эволюции  на нашей Земле. А вещество, энергия и информация – это та триада жизни, без которой организация и движение живой материи немыслима.

6. Физико-химические основы представления молекулярной информации.

Как известно, любой био-логический элемент представляет собой простейшую «схему», структурными компонентами которой могут быть несколько химических элементов – водород, кислород, углерод, азот, а также фосфор и сера.  Различные атомы типового био-логического элемента определённым образом соединены между собой  ковалентными связями, образуя углеводородный скелет, а также отдельные функциональные и боковые атомные группы. Наличие тех или иных функциональных атомных групп, боковых групп и атомов в составе каждого элемента позволяет прогнозировать не только  его поведение в химических реакциях, но и предвидеть ту структурно-информационную роль, которую элемент  будет играть  в составе биомолекулы. Каждый элемент характеризуется наличием своих функциональных атомных групп, которые определяют его химические свойства и служат входными и выходными цепями, с помощью которых элементы могут ковалентно соединяться друг с другом в молекулярные цепи.

Кроме того, каждый элемент имеет свою индивидуальную боковую атомную группу (или группы), которая в живой системе, по мнению автора статьи,  используется  в качестве элементарного информационного химического  сигнала. Поэтому, если в информационных технических системах наиболее широкое применение находят электрические сигналы, с переносчиком в виде импульсного тока или напряжения, то в молекулярно-биологических системах, в качестве элементарных сигналов, используются химические сигналы различных био-логических элементов – нуклеотидов, аминокислот, простых сахаров,  жирных кислот и др.  с переносчиком в виде их боковых атомных групп. На этот  момент следует обратить особое внимание, так как он является одним  из ключевых  в   молекулярной  биологической  информатике.

Отсюда следует, что элементарной единицей информации в биологической макромолекуле является любой био-логический элемент, входные и выходные цепи (функциональные группы) которого служат для фиксации элемента в молекулярной цепи, а боковая атомная  группа  и является тем физико-химическим сигналом, с помощью которого осуществляется воплощение информации, то есть кодовая форма записи  информации. 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, живые молекулярные системы используют химический принцип  записи  информации. А элементарные химические информационные сигналы определяются соответствующими элементами, выступающими в качестве единиц  молекулярной биологической информации.

К примеру, каждая из 20 типовых аминокислот, – кодирующих единиц белковых молекул, характеризуется своим индивидуальным набором структурных и химических свойств. Причем, аминокислоты отличаются друг от друга только вариабельными боковыми цепями – R-группами. Поэтому они  подразделяются в зависимости от структурной  конфигурации боковых атомных групп их химических свойств и особенностей. По характеру заряженности боковых R-групп и их полярности, аминокислоты классифицируются: «на полярные или гидрофобные; полярные, но незаряженные; полярные с отрицательным зарядом; полярные с положительным зарядом. Внутри каждого класса имеется определённая градация по полярности, размерам и форме  R-групп» [1].

Кстати, напомним, что в цифровой технике для кодирования информации обычно применяются отрицательные, положительные и нулевые электрические сигналы.

В соответствии с этим промышленностью выпускаются  серии логических элементов положительной или отрицательной логики, которые срабатывают соответственно только от положительных или только от отрицательных потенциалов (импульсов). В живой системе, как мы видим, для представления информации применяется более широкий спектр физико-химических свойств и структурных особенностей  различных био-логических элементов.

В связи с этим, необходимо подчеркнуть, что широкий диапазон природных свойств и особенностей различных элементов является базовой основой   сигнальной  формы представления молекулярной биологической информации. Поэтому носителями единичной  информации в биологических молекулах являются биохимические элементы, а их специфические боковые атомные группы – это и есть те элементарные химические сигналы, при помощи которых осуществляется кодирование, передача, а также  реализация информации в  различных  биологических  процессах. Ясно, что всё разнообразие информационных сил, связей и взаимодействий в живой системе может базироваться только на применении типовых био-логических элементов, представляющих собой не только элементную базу живой формы материи, но и её общий молекулярный алфавит, с помощью  которого производится  воплощение  генетической информации.

Итак, химические буквы и символы общего алфавита (био-логические 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 и натуральной 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  наполнение. 

Напомним, что каждый логический элемент микроэлектронной техники, перед тем как выполнить свои функции, должен быть подключен к источнику питания и к соответствующим цепям общей схемы.           Для этой цели каждый элемент имеет свои входные и выходные цепи. Определённая аналогия наблюдается и при подключении биохимических элементов к цепям биологических молекул. Например, каждая аминокислота как элемент, состоит из двух частей – константной, одинаковой для всех аминокислот части, к которой относится углеводородный скелет и его функциональные группы (аминогруппа и карбоксильная группа), и вариабельной – боковой цепи (или R-группы), которая имеет в каждой аминокислоте присущие только ей природные свойства и структурные отличия. В связи с этим аминокислоты различаются между собой только боковыми R-группами, посредством которых в полипептидной цепи белка осуществляется физико-химическое воплощение молекулярной биологической информации. Аминокислоты – это именно те элементы, с помощью которых производится запрограммированная последовательность операций во времени, приводящая к трехмерной организации белковых молекул. Алгоритм взаимодействия между аминокислотами и молекулами воды в составе полипептидной цепи на первом этапе определяет нативную конформацию белковой молекулы. На втором этапе этот алгоритм уже определяет процесс информационного взаимодействия белка с его молекулярными партнерами, а  на третьем –  обуславливает  функциональное поведение самой белковой молекулы.  

Для включения аминокислоты в общую полипептидную цепь используется только константная часть элемента. «Ковалентная пептидная связь образуется путём отщепления компонентов воды от аминогруппы свободной аминокислоты и карбоксильного конца пептида, поэтому аминокислотные звенья, входящие в состав полипептида, обычно называют остатками» [1]. В результате длинная ковалентная цепь состоит из  монотонно чередующихся остатков константных частей био-логических элементов (аминокислот), а к каждому углеродному атому основной цепи присоединены вариабельные части аминокислотных остатков – боковые R-группы. Таков принцип записи молекулярной биологической информации в полипептидной цепи белка в процессе трансляции генетической информации. Каждая из боковых R-групп основного остова цепи имеет одно из двадцати кодовых (смысловых) значений, поэтому аминокислотные звенья белка являются материальными носителями информации.

Кратко рассмотрим пример записи информации в молекулярных цепях ДНК или РНК с помощью другой системы элементов – нуклеотидов. Каждый нуклеотид, как био-логический элемент, также состоит из двух частей – константной, к которой относится пятиуглеродный сахар и фосфорная кислота, и вариабельной – азотистого основания, при помощи которого, как известно, кодируется и передаётся генетическая информация. Следующие друг за другом нуклеотиды соединяются с помощью фосфодиэфирной связи, поэтому ковалентные остовы цепей нуклеиновых кислот состоят из монотонно чередующихся константных частей биохимических элементов (нуклеотидов) – фосфатных и пентозных групп, а азотистые основания «можно рассматривать как боковые группы, присоединённые к остову на равных расстояниях друг от друга» [1]. Здесь также наглядно видно, что длинный остов молекулярной цепи выполняет роль носителя информации, на котором в виде различных вариабельных групп (азотистых оснований) записана генетическая информация. Фиксированный порядок следования нуклеотидов в ДНК содержит всю генетическую информацию, которой располагает живая клетка.

Становится очевидным, что линейная последовательность любых биохимических элементов в молекулярной цепи всегда представляет собой химическую запись определённой биологической информации. Указанные примеры говорят о существовании общих закономерностей молекулярной биохимической логики и наличии общих принципов и правил  применения и использования  различных  био-логических  элементов  (химических букв и символов)  в живых системах.

Известно, что в цифровых технических устройствах широко используются цифровые коды. В основу правил соответствия кодовых комбинаций числам цифровых кодов положены математические системы счисления. В зависимости от значения основания кода, коды называются двоичными, троичными, десятичными и т. д. Однако, компьютеры обрабатывают не только числовую, но и различную алфавитно-цифровую информацию, содержащую помимо цифр, буквенные, синтаксические и математические символы. Совокупность всех этих символов образует алфавит входного языка машины. Поэтому необходимость ввода, обработки и вывода алфавитно-цифровой информации требует выбора определённой системы кодирования. Наибольшее распространение в компьютерах получило кодирование алфавитно-цифровых символов 8-разрядными байтами.

Очевидно, что использование клеткой разных систем био-логических элементов также приводит к необходимости кодирования одних химических букв, символов или знаков через алфавитную систему других. Ясно, что в живой клетке используются свои специфические коды. Причем, автор данной статьи считает, что кодирование  живой материи начинается с самого низкого – субмолекулярного  уровня её организации, затем поднимается до уровня биологических макромолекул и клеточных структур, и далее выходит на другие уровни организации живого. Наша задача рассмотреть субмолекулярные и молекулярные уровни организации, так как только они являются фундаментальными основами биологической формы движения материи.

К примеру, для идентификации химических знаков – типовых атомных групп и атомов био-логических элементов имеются свои стереохимические коды, образованные пространственной организацией аминокислот, встроенных в активные центры соответствующих ферментов. При этом в основу правил соответствия кодов активного центра различным символам или их знакам (типовым атомным группам и атомам), также положена их химическая и стерическая комплементарность. Очевидно, что если путём манипуляции атомные группы одних элементов переносятся на другие элементы, то следует считать, что это ничто иное, как процесс перекодирования био-логических элементов. Таким способом живая клетка регулирует и восполняет резервы нужных элементов. А сами био-логические элементы (химические буквы и символы)  становятся теми молекулярными единицами, с помощью которых кодируется структурная организация биологических молекул. Поэтому, точно так же, как с помощью химических знаков кодируется структурная организация (построение) различных химических букв и символов, точно по такому же принципу,  с помощью букв и символов кодируются различные цепи биологических молекул.

Для того чтобы понять информацию, необходимо знать код – то есть способ её представления. Поэтому любой код является ключом для перевода одного вида информации в другой, или одной формы в другую. Со всей очевидностью, следует констатировать, что каждая буква или символ (био-логический элемент) и каждый химический знак био-логического элемента в живой клетке (по аналогии с кодированием букв, символов и знаков в компьютере) получает своё кодированное обозначение! К примеру, генетическим кодом (тройкой нуклеотидов в иРНК, а значит, и в ДНК) кодируется каждая из 20  типовых аминокислот белковых молекул.

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) био-логических 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 [11].

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 [8].

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.

К примеру, вся генетическая информация, которой располагает живая клетка, записана в структуре ДНК в виде комбинационной  последовательности  нуклеотидов. Поэтому ключевым аппаратом кодирования наследственной информации в живой клетке является ДНК хромосом. Нуклеиновые кислоты имеют алфавит, содержащий восемь букв: «четыре из них (дезоксирибонуклеотиды) служат для кодирования информации в структуре ДНК, а другие четыре –  (рибонуклеотиды) используются для записи информации в биомолекулы РНК» [1].

Поэтому «в процессе транскрипции осуществляется перенос генетической информации от ДНК к РНК. При этом все виды РНК – иРНК,  рРНК и тРНК – синтезируются в соответствии с последовательностью оснований в ДНК, служащей матрицей» [3]. Значит, алфавит нуклеотидов является той системой элементов,  которая служит как  для хранения информации в генетической памяти ДНК, так и для считывания и загрузки её в структуру нуклеиновых кислот РНК, выполняющих в  клетке роль оперативной памяти. Нуклеотиды – это та система элементов, с помощью которой кодируется, хранится и передаётся генетическая информация. Следовательно, информация в  цепях ДНК и РНК  записывается на языке нуклеиновых кислот. 

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 био-логических функций.

Однако в живой клетке, как правило, функционируют только трёхмерные биомолекулы и структуры, поэтому полипептидные цепи, с помощью аминокислотного кода, должны быть преобразованы из линейной формы в пространственную – стереохимическую. Поэтому  второй информационный уровень организации белковых молекул –  пространственный, осуществляется уже при помощи химических связей, значительно более слабых, чем ковалентные. Это происходит потому, что боковые R-группы тех аминокислот, которые в цепи связаны ковалентно, способны к слабым информационным взаимодействиям с другими боковыми R-группами, как в пределах одной макромолекулы, так и с боковыми группами и атомами близлежащих молекул. К таким взаимодействиям относятся  слабые: водородные и ионные связи, ван-дер-ваальсовы силы, гидрофобные взаимодействия, которые в совокупности, благодаря их многочисленности и разнообразию, оказываются весьма сильными. Через посредство этих сил и связей идёт воплощение линейной молекулярной информации в пространственную структуру и стереохимическую форму информации белковых молекул. Cвязывание взаимодействующих молекулярных структур, как правило, многоточечное. Оно осуществляется за счет участия многочисленных боковых атомных R-групп программных элементов, входящих в состав  полипептидной цепи, то есть за счет информации.

В результате таких преобразований «одномерная» молекулярная информация полипептидных цепей «сворачивается, пакуется и сжимается» в трёхмерную информацию  белковых молекул, которая в таком виде становится пригодной для транспортировки, передачи по различным каналам и компартментам, а затем, и для непосредственного использования в различных биологических процессах. Заметим, что эти информационные силы и связи определяют не только степень прочности  белковых макромолекул,  но обуславливают и их функциональные возможности. Поэтому информация в молекулярной биологии справедливо воспринимается как средство, позволяющее макромолекулам клетки не только нести ту или иную биологическую информацию, но и использовать её  и для структурного построения, и для функционального поведения. С этой смысловой биологической точки зрения её и следует рассматривать. Фактор расстояния в живых системах позволяет рассматривать белковые и другие биомолекулы как средство дистанционной передачи необходимых инструкций, сообщений, команд, а также исполнительных органов и механизмов их реализации. То есть по такому принципу в живой клетке (и организме)  осуществляется «телеуправление» различными рассредоточенными молекулярными объектами управления (субстратами).

Наличие в структурах белковых макромолекул как внутримолекулярных, так и внешних информационных сил и связей взаимодействия (обусловленных  R-группами составляющих их элементов), которые сами по себе слабы, но мощны своей многочисленностью и разнообразием, позволяет говорить о том, что внутри и вокруг макромолекулы  образуется специфическое силовое «информационное поле». Это поле способно влиять как на структуру самого  белка, так и на  его микроокружение. Поэтому белковая макромолекула как бы стабилизируется самосогласованным сжимающим информационным полем, обусловленным кооперативными силами притяжения между боковыми атомными R-группами аминокислотных остатков. А лабильность самой полипептидной цепи в пространственной решетке, с её многочисленными боковыми R-группами элементов, позволяет осуществлять не только точную комплементарную «подгонку» внутримолекулярных структур, но и «подгонку» локальных или поверхностных  структур, взаимодействующих друг с другом биомолекул. Трансформация линейных генетических сообщений в трёхмерную структуру и форму различных белковых молекул, это важный этап перехода биологической информации из одной её  молекулярной формы  (линейной)  в другую (стереохимическую).

Линейный и пространственный  элементарный состав белков определяется генами, а каждый био-логический элемент (аминокислота) в составе белковой молекулы тождественно может выполнять различные  роли – как  структурной, так  и информационной единицы,  как  функционального, так и программного  элемента. Поэтому все аппаратные средства живой клетки – белки, ферменты и другие клеточные компоненты обладают строго своей специфической структурной организацией, имеют своё информационное и функциональное назначение, а также своё индивидуальное энергетическое и программное обеспечение.  И главное, в результате стереохимических  преобразований в структуре белковой молекулы формируются соответствующие молекулярные органы и исполнительные механизмы, а на локальных и поверхностных участках возникает такая пространственно-упорядоченная организация боковых атомных R -групп элементов, которая в живой системе играет роль стереохимических кодовых информационных сигналов [4].

К таким сигналам могут относиться: стереохимические команды управления активного центра фермента (адресный код и код химической операции); различные сигнальные и регуляторные кодовые компоненты; коммуникативные локальные и поверхностные кодовые стереохимические матрицы (микроматрицы), служащие для информационного взаимодействия  белковых  молекул с их молекулярными партнёрами  и т. д. При этом, сама программа функционирования белковой молекулы (благодаря программирующим свойствам элементов) коммутируется лабильными физико-химическими силами, связями и взаимодействиями между боковыми R-группами элементов (аминокислот) в составе её трёхмерной структуры.

Поэтому природа взаимодействий боковых атомных групп, определяющих конформационные особенности и внутреннюю динамику белковой макромолекулы, имеет химическую основу и носит информационный характер. Нативная белковая макромолекула как бы стабилизируется самосогласованным сжимающим информационным полем, обусловленным силами притяжения между аминокислотами (программными элементами). А в результате преобразований каждый белок клетки получает своё индивидуальное структурное, информационное, энергетическое, функциональное и программное обеспечение. Поэтому, стереохимический принцип кодирования молекулярной биологической информации применяется живой природой для размещения в одной макромолекуле различных по своему назначению сигналов, сообщений, инструкций, команд управления, а также органов и механизмов их реализации [4].

 Такая организация белковых молекул не обладает сильной структурной жесткостью, она всегда достаточно лабильна в тех пределах, которые необходимы для выполнения ими биологических функций. А функциональное поведение макромолекулы, при взаимодействии её с молекулярными партнёрами, определяется свободной энергией  и результатом информационного взаимодействия как внутренних, так и внешних составляющих её элементов. Поэтому этот информационный уровень характеризуется уже взаимодействием биологических молекул друг с другом с помощью их локальных, рельефных или поверхностных микроматриц, в результате которых и возбуждаются их биологические функции. Как мы видим,  в «молекулярной информатике» открывается  большое поле деятельности для исследования информационных путей построения и программного поведения белковых молекул.

В различных ситуациях связующим звеном между управляющей системой и управляемым процессом в живой клетке служат рецепторы информации – активные центры (или другие коммуникационные сигналы) и исполнительные органы и механизмы ферментов или других функциональных белков. Работа биологических рецепторов только в некоторой степени напоминает работу датчиков информации, которые используются в технических системах. Биологические рецепторы, например, ферментов сами осуществляют поиск, приём и рецепцию субстратной информации, что, по своей сути, является актом запрограммированного поиска объекта управления (молекулы субстрата),  с  «запросом»  его  информации. Нативная макромолекула белка вне информационного воздействия находится в исходном равновесном состоянии. Каталитический центр фермента становится активным и готовым к выполнению команды управления лишь с момента рецепции молекулы подлинного субстрата.

Рецепция информации осуществляется активным центром фермента за счет полного соответствия его адресного и каталитического кодов химическим кодовым группам субстрата, и благодаря их комплементарным физико-химическим, стерическим и слабым энергетическим взаимодействиям – электростатическим,  гидрофобным,  водородным,  вандерваальсовым  и  др.  А для того, чтобы эти силы  могли возникнуть и действовать  необходимо, прежде всего, стерическое, пространственное соответствие. Как считают биологи, субстрат присоединяется к активному центру фермента, который геометрически и химически представляет собой как бы негативный отпечаток молекулы субстрата, то есть – комплементарен ей.  А с информационной точки зрения – это процесс рецепции кодовых компонентов и проверка их на функциональное соответствие друг другу. Поэтому рецепция и приём осведомляющей кодовой информации субстрата заканчивается подключением его молекулы, через контакт «устройства комплементарного сопряжения» активного центра, к управляющим органам и механизмам фермента.

В связи с этим, взаимодействие и контакт реагирующих белков и молекул в живой системе является событием информационным, генетически обусловленным, а не случайным как, например, при взаимодействии молекул в чисто химической реакции. Таким образом, фермент-субстратные взаимодействия можно представить в виде информационной модели, основанной на стереохимических принципах и правилах молекулярной биохимической логики. Ферменты обладают своей программой «осязательного» распознавания кодовых компонентов молекул субстрата, которые комплементарны по химическим и стерическим (геометрическим) характеристикам их активному центру. Адресный код и код операции каждого типового фермента имеет свой элементарный состав и индивидуальное пространственное расположение боковых атомных группировок в активном центре, поэтому изучение стереохимических кодов белковых молекул является одной из многих задач молекулярной  биологической информатики.

Процесс рецепции информации подлинного субстрата, осуществляемый активным центром фермента, вызывает конформационные изменения в фермент-субстратном комплексе, при которых кодовые химические группы фермента и молекулы субстрата занимают самое оптимальное положение для прохождения каталитической операции. Важно отметить, что подключение объекта управления (молекулы субстрата), через кодовый стереохимический контакт комплементарного сопряжения, ведёт к индукции электронно-конформационного возбуждения фермент-субстратного комплекса. Присоединение подлинного субстрата сначала ведёт к переброске электронов и протонов между ферментом и молекулой субстрата, усилению электронной перестройки вдоль сопряженной системы связей, что соответственно приводит к возбуждению фермент-субстратного комплекса и, как итог, благодаря подвижным водородным связям, ведёт к динамическим конформационным сдвигам и срабатыванию «силового молекулярного привода» аппарата химического катализа фермента. Эти механизмы обеспечивают ферменту не только химическую, но и динамическую реактивность и, как результат, – автоматический режим его работы [4].

Динамическая реактивность фермента, при взаимодействии фермента с субстратом, создаёт напряжение, то есть ориентирует и фиксирует взаимодействующие химические группы таким образом, что это создаёт механическую составляющую, которая снижает энергию активации и способствует эффективному прохождению реакции. Можно считать, что, в рамках сделанных допущений, информационная модель описывает процесс управления химической реакции, ведущий к образованию продуктов реакции. Образование продуктов реакции сопровождается нарушением их физико-химического соответствия управляющим кодовым компонентам фермента, а это приводит к возврату фермента в исходное состояние. Фермент, как взведённая пружина, возвращаясь в исходное состояние, способствует выбросу продуктов реакции из активного центра. Этап фермент-субстратного взаимодействия является заключительным фрагментом биокибернетического управления, указывающим на единство процессов управления и информации в живой клетке.

Заметим также, что клеточная система сразу же получает информацию о ходе управляемых процессов в виде стереохимических кодов продуктов реакции, которые становятся субстратами для других ферментов или выступают в роли молекул обратной связи. Пример управляемости химических реакций можно обобщить. Достаточно  вспомнить, что за каждой из тысяч химических реакций, протекающих в клетках, скрывается свой фермент – молекулярный автомат с программной биохимической логикой управления. Сигнальная (структурная, осведомляющая)  информация субстратов служит для информирования управляющей системы о состоянии управляемых объектов, о ходе реакций, об эффективности протекающих процессов и т. д.

Именно переключение состояний био-логических элементов в трехмерных конформациях, при информационных взаимодействиях биомолекул друг с другом, обеспечивает те функциональные физические процессы, которые происходят в структурах самих биологических молекул! А порядок и последовательность этих функциональных и динамических проявлений осуществляется той программной информацией, которая заранее была загружена в их структуры. Возникшие конформационные изменения в фермент-субстратном комплексе сопровождаются разрывом или образованием химических связей субстрата, которые происходят с высвобождением или затратой энергии. В случае необходимости эти процессы поддерживаются химической энергией в форме АТФ. Быстрому протеканию ферментативной реакции способствует высокая химическая и динамическая реактивность фермента. Высокая химическая реактивность обеспечивается режимом полифункционального катализа, когда на превращаемую химическую связь субстрата одновременно действует стереохимическая комбинация различных каталитически активных химических группировок активного центра (код операции) фермента. Интересным фактом здесь является то, что белковые молекулы стереохимическим способом решает сразу две задачи, –  информационной коммуникации и полифункционального катализа.

Отличительной особенностью белков клетки является их способность адекватно и сходным образом отвечать на довольно слабые информационные воздействия, достаточно мощными обратимыми конформационными изменениями. В этом, видимо, и заключается основа и сущность их биологической активности. Способность белка индуцировано возбуждаться и адекватно  отвечать на сигнальную информацию изменением своей конформации является специфической особенностью. Конформация фермента меняется при взаимодействии его с субстратом, молекула гемоглобина – при соединении с кислородом, конформационные изменения обеспечивают функционирование сократительных белков и т. д. Способность ферментов и других белков клетки автоматически отвечать на слабые информационные воздействия, довольно мощными обратимыми конформационными изменениями, используется  клеткой практически для всех биологических функций.

7. Действие биологических  информационных сигналов.

Известно, что смысл действия информационных сигналов и сообщений, как правило, сводится к включению или выключению «силовых управляющих органов и механизмов». В молекулярной биологической системе эти функции обычно выполняются ферментами или другими белками, но, заметим, – только на молекулярном уровне. Здесь управление химическими реакциями осуществляются не только за  счет  высокой химической реактивности ферментов, но и за счет их высокой реактивности динамической. При этом любая молекула субстрата воспринимается соответствующим ферментом как биологический объект управления, подлежащий химическому и динамическому (механическому) воздействию. А сам объект управления (субстрат), воспринимающий эти воздействия,  является «нагрузкой», как для аппарата химического катализа фермента, так и для его «силового молекулярного привода».

Таким образом, фермент действует на молекулу субстрата с помощью химических, динамических (механических) и информационных средств.

Благодаря стереохимической форме представления информации ферменты способны в автоматическом режиме решать ряд биологических задач:

1) динамический поиск молекул субстрата (объектов управления) по их сигнальным  (информативным) структурам;

2) приём осведомляющей информации молекул субстрата и подключение их, через матричный контакт устройства комплементарного сопряжения, к управляющим органам и механизмам фермента;

3) рецепцию кодов осведомляющей информации молекулы (или молекул) субстрата и проверку их на комплементарное соответствие управляющим сигналам – адресному коду и коду операции фермента;

4) запуск силовых молекулярных электронно-конформационных механизмов фермента, через контакт устройства «комплементарного сопряжения» фермента с субстратом.

Стереохимический контакт управляющих и сигнальных кодовых компонентов фермента и субстрата является достаточной информационной формой воздействия на исполнительные органы и механизмы фермента. Сдвиги зарядов макромолекулы, во время взаимодействия её с молекулой субстрата, определяют динамическую реактивность фермента и ведут к снижению энергии активации и ускорению прохождения химической реакции, то есть к реализации кода каталитической операции [4].

Очевидно, что весь смысл прохождения генетической информации заключается в управлении ферментами различного рода химических реакций или в выполнении белками определённых биологических функций. Поэтому все генетически детерминированные функции управления на расстоянии в клеточной системе выполняются управляющими автоматами, то есть ферментами и белками.

Динамическая организация белков включает в себя весь необходимый и достаточный набор информационных, управляющих, программных и энергетических средств, наличие которых указывает на несомненную принадлежность ферментов и других функциональных белков клетки к категории молекулярных биологических автоматов или манипуляторов с гибким программным управлением. Причем ключевые ферменты вполне можно отнести к категории полных автоматов с авторегулированием, так как после окончания рабочего цикла они не только начинают его вновь самостоятельно, но и могут регулировать прохождение химических реакций с помощью сигнальных или регуляторных молекул обратной связи.

Известно также, что некоторые ферменты и белки программно объединяются между собой или с молекулами РНК в агрегатированные автоматы и становятся способными к выполнению сложнейших биологических функций. К молекулярным агрегатам такого рода можно отнести ДНК и РНК-полимеразы,  рибосомы,  АТФ-синтетазу  и  т. д. Причем, каждый из этих, иногда довольно сложных аппаратных устройств, приспособлен выполнять определённую последовательность команд и био-логических операций, то есть, способен реализовать какие-то алгоритмы биологической деятельности. Поэтому и в данном случае имеются все основания говорить о программировании молекулярных биологических функций.

Таким образом, живая клетка сама «проектирует», создаёт и применяет для дистанционного управления высокоэффективные автоматические молекулярные средства с программным управлением. Только благодаря молекулярным биологическим автоматам, манипуляторам и агрегатам управление всеми клеточными процессами полностью «механизировано и автоматизировано», информационно скоординировано и осуществляется в полном соответствии с теми генетическими программами, которые перенесены и загружены в их молекулярную структуру. Теперь уже не вызывает сомнений, что причиной упорядоченной организации живой материи  является системная организация и высокая информационная насыщенность взаимодействующих биологических молекул, несущих как управляющую информацию – адресные и функциональные коды белков и ферментов, так и сигнальную осведомляющую – химические коды субстратов.

Информационная молекулярно-биологическая система самоуправления клетки – это комплекс различных молекулярных управляющих устройств и средств, который, с одной  стороны, осуществляет управление различными химическими процессами и биологическими функциями, а с другой – занимается реорганизацией и реконструкцией своих же биологических  структур и  компонентов. Поэтому ферменты и другие функциональные белки  используются  клеткой в  качестве выходного  управляющего  звена  её  биокибернетической  системы.

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 программно-содержательную 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. Таким образом, единство вещества, энергии и информации в живой клетке обеспечивает все биологические свойства, присущие живой материи.  Только эта триада составляющих в их разнообразии,  взаимопроникновении (слиянии) и взаимодействии способна предопределить в клеточной системе не только феномен физико-химического движения вещества с его обменом, но и движение энергии и информации  как главных факторов живого состояния.

Очевидно, что все взаимоотношения этих трёх составляющих жизни в функциональном плане нельзя изучать отдельно друг от друга, так как долевое участие вклада каждого из составляющих в системную организацию живого велико и практически немыслимо без каждого из них. Причем, биоорганические структуры живой системы являются не только вещественным наполнителем системы, как это декларируется сейчас. Ясно, что они всегда были, будут и являются носителем  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 не только время, но и  возможность научно обобщить и обосновать ключевую роль молекулярной информации в организации  живых систем и навсегда узаконить её фундаментальное значение во всех проявлениях жизни.

Список литературы

1. А. Ленинджер. Основы биохимии. Пер. с англ. в 3-х томах – М: Мир, 1985.
2. Генетика и наследственность. Сборник статей. Перевод с французского – М: Мир, 1987.

3. Айала,  Дж. Кайгер. Современная генетика. Пер. с англ. в 3-х томах – М: Мир, 1988.

4. Ю. Я. Калашников. Ферменты и белки живой клетки – это молекулярные биологические автоматы с программным управлением. Дата публикации: 30 июня 2006г., источник: SciTecLibrary.ru; Сайт: http://new-idea.kulichki.com/ , дата публикации: 13.12.2006г.

5. Биохимия. Учебник для институтов физической культуры. Под редакцией В. В. Меньшикова, Н.И. Волкова – М: Изд. «Физкультура и спорт, 1986г.

Ю. Я.  Калашников. Статьи и публикации:

6. Биологика информационных взаимодействий в живой клетке. – М., 2002. – 34с. – Депонир. в ВИНИТИ  РАН  6.11.02, №1923-В2002,  УДК 577.217: 681.51

7. Основы молекулярной биологической информатики. – М., 2004. – 66с. – Депонир.  в  ВИНИТИ РАН  13.04.04,  №622 – В2004, УДК 577.217: 681.51

8. Молекулярная элементная база живой материи. Дата публикации: 04.12.2006г., источник: http://new-idea.kulichki.com/

9. Информация – гениальное изобретение живой материи. Дата публикации: 13 июля 2007г., источник: SciTecLibrary.ru; Сайт: http://new-idea.kulichki.com/ , дата публикации: 05.05.2007г.              
10. В основе жизни лежит необъятный и неисследованный мир молекулярно- биологической информатики. Дата публикации: 14 февраля июля 2007г., источник: SciTecLibrary.ru; Сайт: http://new-idea.kulichki.com/ , дата публикации: 21.12.2006г.         
11. Аспекты молекулярной биохимической логики и информатики. Дата публикации: 05.12.2006г., источник: http://new-idea.kulichki.com/

12. Информационная концепция эволюции нашего мира.

Дата публикации: 30 июня   2006г., источник: SciTecLibrary.ru;

Сайт: http://new-idea.kulichki.com/ , дата публикации: 5.12.2006г.

Размещено на сайте 15.10.2015

Статьи других авторов

На главную