Идея, для того чтобы она стала реальностью,
она должна стать массовой идеологией.
Михаил Ковальчук
Происхождение живой материи скрыто во тьме пространств и тысячелетий. Тайны нашего мироздания безмерны и безграничны. Разве не удивительно, что самая сокрушительная и смертоносная энергия скрыта на атомном уровне. А основной причиной движущих сил, порождающих необузданную генерацию и ошеломляющее разнообразие жизни, является молекулярная кодированная (наследственная) информация!
Даже сегодня кажется невероятным, что в ничтожном пространстве одной клетки скрыты все основные характеристики живого: феноменальные ресурсы наследственной информации, стремление к четкой структурной и функциональной организации, неуемная жажда активности, размножения и распространения!
Базовой основой организации биологической формы материи является генетическая информация, молекулярный биологический (биохимический) алфавит и те закономерности молекулярной биохимической логики и молекулярной информатики, которыми пользуется живая природа при кодировании, передаче, преобразовании и использовании наследственной информации.
Известно, что в ДНК хромосом любой живой клетки важнейшим атрибутом является наследственная информация, а концепция генетического кода предполагает наличие в клетке целостной системы управления и передачи генетической информации.
Клетка является той элементарной биологической единицей, которая обладает всеми свойствами живого. Она обычно представляет собой микроскопический объект, где на молекулярном уровне рождается удивительный мир и жгучая загадка жизни.
Можно сказать, что это и есть те, издревле разыскиваемые и таинственные «Врата Жизни», из которых каждый из нас появляется на свет как информационный и биологический аналог своих близких и далеких предков. Именно через клетку судьба нам дарит Жизнь — драгоценное диво Вселенной!
Очевидно , что любое живое существо, так же как и сама жизнь – есть высшее творение Вселенной. Поэтому и раскрыть тайны живого состояния оказалось намного сложнее, чем, к примеру, расщепить энергию атома, освоить космос, создать телевидение, компьютер, Интернет или сконструировать другие чудеса современной техники. Ясно, что живая форма материи до сих пор остается одной из главных мировых загадок и ключевых научных проблем 21 столетия.
Нанотехноло?гия — область науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретических обоснований, практических методов исследования, производства и применения микроскопических продуктов и объектов с заданной атомарной структурой и функцией путём контролируемого манипулирования атомами и молекулами. Современная тенденция к миниатюризации показала, что вещество может иметь совершенно новые свойства, если взять очень маленькую частицу этого вещества. Частицы размерами от 1 до 100 нанометров обычно называют «наночастицами» (нанометр – одна миллиардная часть метра, 10 в минус девятой степени метра).
Нанотехнологии качественно отличаются от традиционных дисциплин, поскольку на таких масштабах привычные технологии обработки материи часто неприемлемы. А те микроскопические явления, которые слабо проявляются при привычных технологиях, в нанотехнологиях приобретают новые свойства и становятся намного значительнее. При работе с такими малыми размерами проявляются квантовые эффекты и эффекты межмолекулярных взаимодействий, такие как водородные связи, Ван-Дер-Ваальсовы силы, ионные связи и т. д.
В настоящее время считается, что нанотехнологии еще не обладают комплексом той робототехники, которая могла бы свободно и эффективно манипулировать веществом на уровне атомов, атомных групп и отдельных молекул. Поэтому разработка и создание таких автоматов и манипуляторов является задачей сегодняшнего дня.
Говорят, что нанотехнологии – это ворота, открывающиеся в мир новой реальности! Однако автор данной статьи должен заметить, что в действительности этот мир для живой природы далеко не нов, так как он успешно существует и развивается вот уже более 3,5 миллиардов лет! Это таинственный мир живой материи (в частности, живой клетки), а по существу - это молекулярный мир естественных (природных) информационных нанобиотехнологий!
Очевидно, что только живая клетка может подтвердить принципиальную возможность информационного манипулирования молекулами биоорганического вещества, их атомными группами и отдельными атомами! Нанотехнологии и, в особенности, молекулярные технологии живых систем – это те родственные области, которые, к сожалению, до сих пор еще недостаточно исследованы и изучены.
Одним из важнейших вопросов, стоящих перед нанотехнологией — как заставить молекулы группироваться, определенным способом, самоорганизовываться, чтобы в итоге получить новые материалы, объекты или устройства с нужными параметрами и свойствами. Поразительно то, что в процессе эволюции живая природа с подобными задачами уже давно и успешно справилась!
Этими проблемами, при исследовании живых молекулярных систем, занимаются биологическая химия и молекулярная биология. Они изучают не только отдельные молекулы, но и взаимодействия между молекулами, которые, организовываясь определенным способом, могут дать различные вещества с новыми свойствами. Обнадеживает то, что в живой природе действительно существуют естественные нанобиотехнологии с информационным программным управлением и широко применяется молекулярная робототехника различного уровня и назначения!
Можно надеяться, что существование параллельных миров естественных и искусственных нанотехнологий и их будущая взаимосвязь и взаимопроникновение друг в друга, в первую очередь, создаёт почву и возможности для исследования информационных основ природных нанобиотехнологий. Известно, что наука и техника всегда перенимали и копировали опыт великих достижений живой природы. Очевидно, что только информационные нанотехнологии могут нам обеспечить наиболее значимый прорыв в будущее!
Поэтому в настоящее время более детально и пристально изучаются и исследуются «творческие» пути развития, причины и механизмы живого состояния материи. Достаточно сказать, что ведутся разработки по микроминиатюризации различного рода технических средств по обработке информации. Изучаются принципы и методы обработки и использования генетической информации живыми системами. Делаются попытки построения вычислительных систем и интеллектуальных автоматов на принципах, которые присущи живым организмам. Очевидно, что в данном случае науке особое внимание следует уделить универсальной во всех отношениях молекулярной элементной базе, применяемой в живых системах.
Как известно, эта база состоит более чем из 30 типовых молекулярных мономеров (химических букв и символов) – нуклеотидов, аминокислот, жирных кислот, простых сахаров и других типовых «био-логических» элементов. Эту элементную базу уже не нужно разрабатывать, её можно получать в любых количествах, а по своим непревзойденным свойствам и качествам она не имеет себе аналогов и успешно используется живой природой в течение миллиардов лет! Ясно, что живая природа – это бездонный кладезь новых идей, принципов и механизмов. Она обладает надежно сконструированными и эффективно действующими молекулярными аппаратными устройствами, автоматами, манипуляторами, биопроцессорными системами и т. д. Поэтому апробированная миллионолетиями молекулярная нанобиотехнология химических, энергетических и информационных процессов должна стать достоянием науки сегодняшнего дня!
Живой космос биологических молекул – это ли не полигон для исследования механизмов и принципов действия молекулярной робототехники, принципов и механизмов передачи генетической информации для самоуправления живыми системами. Пользуясь достижениями живой природы можно намного расширить диапазон применения искусственных нанотехнологий и значительно быстрее решать поставленные задачи.
Удивительно, но при всем разнообразии публикаций, посвященных информационным аспектам живого, у биологов до сих пор еще не сложилось устойчивого представления об информационных процессах самоуправления живой материи. Здесь еще много неясностей и «белых пятен». Приходится с разных сторон и уровней осторожно подходить к этой проблеме.
Однако большие успехи биохимиков и биофизиков, достигнутые на начальном этапе изучения живой материи, придали им уверенности в том, что все явления жизни можно объяснить с позиций физических и химических закономерностей. В связи с этим в биологии возникла длительная эпоха культа физико-химического направления. Но чем глубже ученые внедряются в детализацию физико-химических процессов, тем больше у них возникает сомнений в познаваемости живого.
Молекулярная биология и биохимия не могут объяснить того, как интегрируются в одно функциональное целое физические и химические реакции внутри одной клетки. Поэтому, учитывая сложно-зависимые физические, химические и иные процессы, протекающие в живой системе, многие исследователи и сегодня пессимистически относятся к реальности познания феномена жизни. И всем становится ясно, что молекулярные биологические науки зашли в мировоззренческий тупик.
Между тем, уже давно известно, что наряду с вещественной и энергетической составляющими живой материи имеется ещё одна, не менее важная составляющая, – информационная, и только она в молекулярно-биологических процессах играет ведущую и организующую роль. Наука показывает, что жизнь на нашей Земле существует и развивается благодаря наследственной информации. Поэтому живые организмы по своей сути не могут ни функционировать, ни существовать, ни развиваться только лишь на физико-химической основе.
В связи с этим, особые надежды ученые связывали с открытием сделанным Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком в 1953 г., - построением модели ДНК (двойной спирали). Стало ясно, что ДНК, – это и есть та, самая главная биомолекула, которая хранит все секреты жизни. Исключительным сюрпризом для исследователей оказалось и то, что генетическая информация закодирована, а продуктом её расшифровки через посредство информационной РНК (иРНК) является белок. Чрезвычайно важной является 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 генетической информации в живых системах.
К сожалению, история открытия наследственной информации и генетического кода так и не получила надлежащего продолжения. Таким образом, молекулярная биологическая информатика, еще не родившись как новое направление в биологии, была «законсервирована» на долгие годы. Обратим внимание на тот факт, что если информатика – это дитя двадцатого века, то биоинформатика живых систем, которая лежит в основе автоматизированной обработки молекулярной информации, биоорганического вещества и химической энергии насчитывает в истории своего естественного развития сотни миллионов лет!
Однако, к своему удивлению, мы только сейчас узнаем, что в основе жизни лежит необъятный и практически неисследованный мир молекулярно-биологической информатики, который, собственно, и руководит всем космосом естественных (природных) нанобиотехнологий. В связи с этим естественные (природные) нанобиотехнологии достигли чрезвычайно высокого уровня своего развития и распространения.
Между тем, несмотря на то, что на земные просторы пришел золотой век технической информатики, биологические науки так и не сумели увидеть необъятный «айсберг» информационных молекулярно-биологических нанотехнологий, лежащий в основе живой материи и самой жизни. И это несмотря на великие начинания и гениальные открытия, сделанные исследователями в этой области еще в середине 20 столетия.
Начало 21 века ознаменовано тем, что в разных странах широко и повсеместно входят в моду различные нанотехнологии. Это новое направление в науке и технике, позволяющее изготавливать различного рода микроскопические изделия – машины, автоматы, манипуляторы, вычислительные устройства и т. д. на атомном и молекулярном уровне.
Однако если обратить внимание на живую материю, где миллиарды лет живая природа пользуется своими, до совершенства отточенными естественными нанобиотехнологиями, то можно увидеть:
1) неиссякаемые россыпи различных биохимических элементов (мономеров), которые используются живой природой как в качестве элементной базы («строительных блоков»), так и в качестве молекулярных алфавитов при кодировании и программировании биологических структур и макромолекул;
2) молекулярных устройств постоянной (ДНК) и оперативной (РНК) памяти;
3) молекулярных биопроцессорных систем управления (репликации, транскрипции и трансляции), шифраторов и дешифраторов;
4) белков и ферментов (которые выполняют роль молекулярных автоматов или манипуляторов с программной биохимической логикой управления) и т. д. и т. п.
Безусловно, все они имеют высокую природную технологичность не только в изготовлении, но и в применении. Исследователям остаётся лишь понять их принципы «автоматизированного» изготовления и применения.
Естественным нанобиотехнологиям не надо доказывать своего преимущества, которое оттачивалось в течении миллиардов лет эволюции. Это, конечно же, не примитивные технические нанотехнологии сегодняшнего дня. Поэтому вряд ли следует большие надежды связывать с исследовательскими работами в сфере нанотехнологий, в то время, когда естественные науки не смогли даже исследовать и понять молекулярный мир живого.
Не лучше ли сначала исследовать необъятный мир естественных нанобиотехнологий, лежащий в основе живой материи и самой жизни, понять молекулярные и информационные принципы её организации с тем, чтобы осмыслить всю серьезность задач, поставленных перед нанотехнологиями. Ведь в настоящее время только информационные нанобиотехнологии живых молекулярных систем способны весьма эффективно и целенаправленно работать на недосягаемом для других технологий уровне – на уровне отдельных атомов, атомных групп и малых молекул. Вряд ли в ближайшее время этот уровень будет достигнут человеком, несмотря на его техническую оснащенность.
Поэтому сегодняшние нанотехнологии вполне должны и имеют право воспользоваться достижениями естественных (природных) нанобиотехнологий. К сожалению, в этой области естественные науки до сих пор не могут достичь единомыслия. Сейчас некоторыми биологами признается «не только бесперспективность молекулярного анализа общих клеточных процессов, но и неадекватность наших биохимических знаний и представлений. Причина – в особенностях биологических законов. Хотя эти законы не противоречат физическим, но они из них и не следуют. Первое, что, по мысли известного биолога из Чикаго (США) Альбрехта-Бюлера, следует понять клеточным биологам – это отличие мира клетки от окружающего нас макроскопического мира. В какой-то степени его так же невозможно вообразить, как мир элементарных частиц.
Начнем с того, говорит он, что внутриклеточная среда не похожа на водные растворы реакционноспособных соединений, про которые и написаны все учебники биохимии. Иерархия сил в клетках совсем иная, чем в нашем мире. Для клетки большое значение имеет вязкое трение, броуновское движение, электростатические силы. При столь значительных различиях между массой и поверхностном натяжением капля воды приобрела бы форму идеального шара. У большинства же клеток, напротив, поверхность сильно деформирована, имеются выросты, ворсинки и т.п. Дело в том, что цитоплазма клетки не просто гелеобразна, но высоко структурирована. Она вся пронизана нитями цитоскелета, разделена мембранами. Взаимодействующие молекулы в клетке не плавают свободно, как в пробирке с водным раствором, а в основном иммобилизованы на полимерных структурах цитоскелета или мембранах. Из-за этого химия клетки весьма далека от излагаемой в университетских курсах. Почему же тогда элементарными единицами для объяснения биохимических процессов выбраны именно молекулы? Видимо потому, что описание биологических процессов, например, через элементарные частицы было бы слишком громоздким.
При переходе к элементарным частицам мы упустим разницу между биологической (живой) и небиологической (неживой) системами. В своей работе Албрехт-Бюлер много внимания уделяет структурированности цитоплазмы. Упор в основном делается на линейные структуры: хромосомы, микротрубочки, микрофиламенты. Автор полагает, что вдоль таких структур могут передаваться сигналы за счет локальной ассоциации и диссоциации молекул вдоль структуры» [1].
Биохимия и молекулярная биология не могут объяснить, как «10 в тринадцатой степени» молекул объединяются в живую клетку и что их удерживает вместе! Альбрехт-Бюлер вслед за другими авторами считает, что это «что-то» - информация в клетке и вокруг неё. Такая информация может быть записана в виде структуры мембран, расположения элементов цитоскелета, распределения ионов. Клеточная биология должна анализировать всю записанную в виде текстов информацию. Но для каждого текста есть предел дробления на элементы, за которыми анализ теряет смысл. Разбив текст на буквы мы теряем его смысл. Как ни странно, но в биологии до сих пор дискутируется вопрос: что такое молекулярная информация — миф или реальность?
15 сентября 2016 года в новостях телевизионного канала ТВЦ прошла информация о том, что российские ученые представили доказательства о космическом происхождении жизни на Земле! В породах метеоритов, возраст которых оценивается в 8 миллиардов лет были обнаружены следы протобактерий, а в горных земных породах возраста 3,8 миллиардов было обнаружено уже разнообразие этих микроорганизмов, что говорит об их космическом происхождении. Естественно, это подтверждает мысль о космическом осеменении жизнью нашей планеты.
Однако, этот факт, очевидно, отвергает как теорию Опарина, так и другие физико-химические и иные теории, которые сейчас находят широкое распространение. Ясно, что только эти «космические семена жизни», посеянные сотни миллионов лет тому назад на нашей Земле, могли дать такое ошеломляющее развитие и распространение живого мира с его великим разнообразием. А какие причины и механизмы этому способствовали? — нам еще предстоит разбираться.
В Интернете я также нашел информацию, посвященную данной теме: «Биологическая жизнь была занесена на Землю из космоса — уверены ученые из Российской Федерации, по словам которых, появление первых живых организмов на поверхности нашей планеты произошло сотни миллионов лет назад, в результате падения "зараженного" простейшими организмами метеорита.
"Бактериальная палеонтология в ее современном виде зародилась в восьмидесятых годах прошлого столетия, когда на территории Монголии были найдены уникальные древние фосфориты", — рассказывает Сергей Рожнов, доктор биологических наук, возглавляющий Институт палеонтологии имени Борисяка РАН.
Фосфориты, о которых идет речь, были образованы прото-бактериями, поясняет Рожнов, по словам которого, российские ученые изучали древние формирования на протяжении нескольких лет, прежде чем окончательно убедились в том, что эти бактерии были занесены на Землю из космоса.
"Метеоритная бомбардировка нашей планеты, итогом которой стало появление биологической жизни, осуществлялась гораздо раньше, чем на Земле появилась вода. Таким образом, вода, вопреки современным научным представлениям, не является незаменимым веществом для развития жизни", — добавляет ученый.»
Итак, молекулярным биологам, похоже, теперь не нужно задумываться над вопросом: какие биомолекулы клетки, определяющие наследственность, появились раньше — ДНК, РНК или белки? Теперь проблема происхождения живого мира на Земле сводится к не менее важной проблеме - его эволюции. Поэтому в первую очередь следует понять: какие причины и механизмы способствовали бурному развитию жизни и успешной биологической эволюции живой материи.
Поскольку живая материя является продуктом естественных (природных) информационных нанобиотехнологий, в чем нет сомнений, то и все тайны как живого состояния, так и причин биологической эволюции следует искать в секретах этих технологий!
Живая форма материи до сих пор остаётся одной из самых жгучих, таинственных и волнующих загадок естествознания. Современное состояние биологических знаний пока еще не позволяет объяснить многие причины и механизмы функционирования живых систем. В своё время известный американский ученый А. Ленинджер отмечал: «Молекулы, из которых состоят живые организмы, подчиняются всем известным законам химии, но, кроме того, они взаимодействуют между собой в соответствии с другой системой принципов, которой мы можем дать общее название – молекулярная логика живого состояния.
Эти принципы вовсе не обязательно представляют собой какие-то новые, до сих пор ещё неизвестные нам физические законы или силы. Их следует рассматривать скорее как особую систему закономерностей, характеризующих природу, функции и взаимодействия биомолекул, то есть таких молекул, которые входят в состав живых организмов» [1]. Следовательно, структурное построение и функциональное поведение биологических молекул в живых системах подчинено не только известным физическим и химическим законам, но и особым принципам и правилам, которые вполне можно отнести к закономерностям «молекулярной биохимической логики» и молекулярной информатики.
Наука показывает, что жизнь на нашей Земле существует, поддерживается и развивается благодаря наследственной информации. Поэтому живые организмы по своей сути не могут ни функционировать, ни существовать, ни развиваться только лишь на физико-химической основе! Поэтому, точно так же, как нельзя объяснить работу компьютера с помощью законов электротехники, так же нельзя понять и причины функционирования живых систем с помощью только одних физико-химических закономерностей. Здесь нужен другой подход, который бы учитывал и информационную составляющую живого!
К сожалению, понимание «молекулярной логики живого состояния» А. Ленинджер ограничил лишь закономерностями и концепциями самой биохимии и не поднял его до уровня информационного подхода к молекулярным биологическим проблемам. Однако, как мы убеждаемся, дальнейшее развитие и продолжение идей А. Ленинджера - «молекулярной логики живого состояния» должно и может идти только в русле информационного подхода, то-есть в понятиях и закономерностях молекулярной биохимической логики и молекулярной биологической информатики!
Потому как известно, что клеточный космос биологических молекул, за время своего развития, создал весьма надёжную и универсальную молекулярно-генетическую систему управления. Эта система оснащена наследственной памятью, которая в большинстве случаев имеет феноменальные информационные возможности. Всё это говорит о том, что живые системы уже давно пользуются своей, сугубо специфической информационной технологией. То есть, в основе всех биохимических и биологических процессов лежат процессы информационные. Однако естественные науки так и не смогли до сегодняшнего дня ясно и четко ответить на вопрос – как, и каким образом, генетическая информация участвует в управлении сложными химическими процессами, молекулярными и другими биологическими функциями живой клетки? Поэтому в современной науке о живой материи полностью отсутствует информационная концепция её самоуправления.
В настоящее время с большим трудом выявлены отдельные фрагменты, но пока не видна общая картина прохождения и реализации генетической информации. В учебниках по биологии отмечается: «наследственная информация, закодированная в нуклеотидной последовательности, переводится в аминокислотную последовательность белков… Белковые молекулы представляют, своего рода «ловушку» в потоке генетической информации… 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 химическими процессами в живых организмах» [2]. Как мы видим, в молекулярной биологии и генетике, изучение прохождения генетической информации почему-то остановилось на этапе синтеза белковых молекул.
Это, соответственно, и ведёт к ложному представлению о том, что в дальнейших биохимических событиях молекулярная биологическая информация не участвует.
Создается впечатление, что открытие генетического кода, так же как и матричный синтез белков, ещё не побудили биологов к исследованию информационных путей управления химическими превращениями и биологическими функциями живой клетки. Однако уже давно стало очевидным, что живые системы не могут ни существовать, ни развиваться только на физико-химической основе. Ясно, что наследственная информация загружается в структуру различных биологических макромолекул и других клеточных компонентов, для того, чтобы обеспечить как структурную, так и функциональную их организацию. Есть информация в биологических макромолекулах и структурах, значит есть и их функция, (что особенно характерно для живой материи). Нет информации, к примеру, в структурах косной (неживой) материи — отсутствует и функция! Поэтому макромолекулы живой материи всегда предназначены для выполнения тех или иных функций. Именно в этом заключается существенное отличие живой материи от косной.
Между тем, полученные научные данные уже сейчас позволяют сделать соответствующие обобщения, собрать известные и разыскиваемые фрагменты воедино и ближе подойти к решению многих информационных молекулярно-биологических проблем. Эти задачи вполне решаемы по ряду причин.
Во-первых, мы давно знаем, что благодаря использованию наследственной информации, жизнь на нашей планете существует, поддерживается и развивается уже более 3,5 миллиардов лет. Этот факт, естественно, предполагает наличие в любой живой клетке целостной системы управления и передачи генетической информации. А интегративный характер этой информации указывает на то, что лишь она имеет право претендовать на ту особую роль в любой живой системе, которая раньше приписывалась «таинственной жизненной силе»!!!
Во-вторых, только информационная система самоуправления способна поддерживать жизнедеятельность живой клетки, управлять и регулировать её обмен веществ. Лишь только управляющие информационные потоки и сети способны превратить клетку в элементарную основу жизни, в центр по переработке органического вещества, химической энергии и генетической информации. Поэтому нам остается понять и разобраться: на каких принципах, правилах и механизмах основана работа информационной молекулярно-биологической системы управления?
Перспективы развития современных нанотехнологий напрямую связаны с поиском и разработкой той элементной базы, на основе которой может быть сформирована та или иная нанотехнология. Чрезвычайно важным обстоятельством зарождения естественных молекулярных нанобиотехнологий, определяющих жизнь на Земле, явилась классическая форма представления информации с помощью определенного набора химических букв и символов, упорядоченных применением кода. Поэтому тайны живых информационных технологий во многом связаны с применением молекулярной элементной базой, представляющей собой не что иное, как общий молекулярный алфавит живой материи.
Известно, что как построение, так и функционирование сложных информационных устройств базируется на применении типовых унифицированных узлов и элементов. К примеру, все информационные процессы в цифровой технике основаны на использовании типовых логических элементов, выполняющих элементарные логические функции и простейшие действия по преобразованию двоичной информации. Логические элементы служат как для построения электронных схем, так и для переработки двоичной информации. А теоретической основой при анализе переключательных схем являются законы и принципы алгебры логики. В алгебре логики рассматриваются переменные, которые могут принимать только два значения: 1 и 0.
В основу типовых структур логических интегральных схем, как правило, закладывают элементы, выполняющие операции – И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ. Все сколь угодно сложные цифровые устройства микроэлектронной техники строятся на базе логических элементов, которые реализуют простейшие логические функции и операции двоичной арифметики. Базовые элементы являются своего рода строительно-функциональными единицами и используются как при проектировании, так и при построении цифровых информационных систем. Они реализуют функционально полный набор логических операций, поэтому при их применении можно получить логическую функцию любой сложности. При этом каждая типовая логическая схема элемента выполнена на основе отдельных дискретных физических компонентов – транзисторов, резисторов, конденсаторов и диодов.
Удивительно, но и при рассмотрении живых молекулярных систем наблюдаются такие же закономерности! Живые молекулярные системы тоже имеют свою унифицированную био-логическую (биохимическую) элементную базу. Поэтому и здесь возможен обобщенный подход, основанный на применении простых органических молекул (мономеров), которые играют роль составных элементов различных биологических молекул и структур.
А «теоретической и технологической» основой применения молекулярной базы служат свои универсальные законы и принципы, которые, по соответствующей аналогии, можно отнести к закономерностям «молекулярной биохимической логики» и информатики. Биохимическая логика предусматривает такое понятие как «молекулярный био-логический элемент». Этот факт лишний раз напоминает нам о том, что любая живая клетка является информационной системой. Поэтому, чтобы понять закономерности её функционирования, в первую очередь, следует разобраться с элементной базой живой формы материи и принципами и правилами её использования!
Известно, что все живые организмы состоят из одних и тех же молекулярных строительных блоков – стандартного набора более чем трёх десятков типовых биохимических (биологических) элементов: нуклеотидов, аминокислот, простых сахаров, жирных кислот и др. Число этих мономеров невелико, и они имеют одно и то же строение у всех видов организмов. Причем, каждый такой элемент в отдельности также представляет собой простейшую схему, структурными компонентами которой могут быть несколько химических элементов – водород, кислород, углерод, азот, а также фосфор и сера. Наличие тех или иных типовых 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 макромолекулы.
Таким образом, живые системы при построении различных биологических макромолекул и структур применяют свои особые, сугубо специфические молекулярные био-логические элементы. Эти элементы (в составе живой материи) реализуют функционально полный набор элементарных биохимических функций и операций, поэтому при их использовании живая природа может получить биологическую функцию любой сложности! При этом, естественно, наблюдается как аналогия, так и существенные различия между технической и биологической элементными базами и технологиями их применения. К примеру, микросхемы технических устройств могут состоять из сотен, тысяч и более логических элементов нескольких типов, соединенных между собой соответствующим образом на поверхностной структуре электронной схемы.
Биологические макромолекулы также могут состоять из сотен, тысяч и более биохимических элементов нескольких типов, соединенных между собой ковалентными и нековалентными связями в трехмерных структурах биомолекул. Разница также состоит в том, что живые системы используют свои принципы и методы кодирования, передачи и реализации информации и отличаются от технических систем не только субстратным носителем, но и методами представления информации. Более того, если логический элемент в цифровой технике является простейшим преобразователем двоичной информации, то каждый био-логический элемент в макромолекуле сам играет роль элементарной структурной, информационной и функциональной единицы (химической буквы или символа).
В технической и биологической системах информационные сообщения осуществляются в различных формах. В технических устройствах используются элементарные сигналы 1 и 0 двоичного кода. То есть для передачи информационных сообщений применяется всего лишь два цифровых символа. Обычно символу 1 соответствует потенциал высокого уровня, символу 0 – низкого. Двоичные коды получили широкое распространение главным образом из-за сравнительно простой аппаратурной реализации логических операций и арифметических действий, а также устройств для передачи и запоминания сообщений. Здесь каждый логический элемент служит для простейших преобразований двоичной информации, то есть для преобразования двоичных символов.
Таким образом, в технических устройствах применяется аппаратный способ преобразования информации. Однако в биологических системах, наряду с аппаратным способом преобразования информации, применяется также и информационный способ построения и преобразования самой аппаратной части. Это – уникальная особенность информационных процессов в живых молекулярных системах. Причем, единицей информации служит сам биохимический элемент, который и является буквой или символом информации. Поэтому при помощи химических букв и символов (элементов) строится аппаратная система клетки и, одновременно, в её структуры записывается программная информация. То есть, на первом этапе информационные сообщения передаются фиксированной позиционной последовательностью расположения химических букв или символов в «линейных» цепях биологических макромолекул!
Следовательно, если в технической системе применяется только аппаратный способ преобразование информации, то в молекулярно-биологической системе, – с помощью генетической информации и элементной базы сначала идёт построение и преобразование различных биомолекул и структур, и только потом эти средства могут участвовать в различных информационных процессах. В связи с этим, аппаратная часть клетки становится носителем и реализатором соответствующей программной и молекулярной биологической информации. Получается так, что если в технической системе аппарат является преобразователем информационных символов, то в живой клетке наоборот, – молекулярные буквы и символы, организованные в различные молекулярные последовательности информационных сообщений, сами выступают в роли преобразователей аппаратной части!
Причем, функции биомолекул полностью определяются элементарными функциями составляющих их биологических элементов (букв или символов), – то есть информацией. А каждый элемент в составе биомолекулы всегда взаимодействует с другими элементами или молекулами воды по особым принципам и правилам, которые вполне можно назвать закономерностями молекулярной биохимической логики. Поэтому биохимические элементы здесь, по-видимому, становятся ещё и теми программными элементами, с помощью которых строятся алгоритмы функционального поведения различных биологических молекул и структур!
Таким образом, чтобы изменить функциональную направленность деятельности клетки – ей, в определённой мере, с помощью новых информационных сообщений, необходимо частично менять свою аппаратную систему. Смена молекулярных аппаратных устройств, естественно, связана с синтезом новых биомолекул и разрушением старых, которые отслужили свой срок и выполнили свою задачу. Поэтому, после выполнения своих функций, каждая биомолекула разрушается на элементарные структурно-информационные единицы, которые вновь могут быть вовлечены в информационные процессы. Использованная информация как бы стирается и ликвидируется, а отдельные составляющие её буквы или символы, то есть «молекулярный биологический шрифт» рассыпается для того, чтобы вновь быть использованным в новых информационных сообщениях или других клеточных процессах! Такова основная отличительная особенность информационных передач в молекулярно-биологических системах.
Живая клетка экономна во всём. Если вспомнить, что химические буквы и символы (био-логические элементы) строятся на базе отдельных атомов и атомных групп, то можно себе представить, какое колоссальное количество информации хранится в генетической памяти и циркулирует в живой клетке, размеры которой в длинy подчас составляют сотые доли миллиметра. К примеру, зигота содержит всю информацию необходимую для развития целостного организма.
Для изменения управляющих воздействий, клетке постоянно нужно обновлять информационные сообщения, что, соответственно, приводит и к обновлению аппаратной части клетки. Поэтому в живой клетке идет постоянное движение информации и вещества. С одной стороны идёт процесс переработки и обновление управляющей информации, а значит ферментов и других белковых молекул, с другой – это приводит к изменению химических управляемых процессов, которые осуществляются ферментами. В случае необходимости данные процессы поддерживаются дозовой циркуляцией химической энергии в форме АТФ.
Можно убедиться в том, что для построения различных классов высокомолекулярных соединений, таких как нуклеиновые кислоты, белки, полисахариды или липиды, живая клетка использует различные системы (алфавиты) биохимических элементов. Заметим, что с информационной точки зрения, эти классы биологических макромолекул представляют собой не что иное, как различные виды и формы молекулярной информации. Поэтому в живых клетках, для представления молекулярной информации в различных её видах и формах, существуют системы биологических элементов разных типов:
1) нуклеотиды, – система структурно-функциональных и информационных биохимических элементов ДНК и РНК (алфавит нуклеиновых кислот);
2) аминокислоты, – система структурно-функциональных и информационных элементов белков (алфавит белковых молекул), для которых существует генетический код в виде тройки нуклеотидов;
3) простые сахара, – структурно-функциональные элементы и информационные символы (алфавит) полисахаридов;
4) жирные кислоты, – структурные и функциональные элементы и информационные символы (алфавит) липидов и др.
Более четкой идентификацией и классификацией био-логических элементов и их систем, по всей вероятности, должна заниматься отдельная дисциплина, такая как «Молекулярная биологическая информатика».
Наличие в живой клетке систем молекулярных биохимических элементов (мономеров) существенно упрощает процессы построения различных классов макромолекул и структурных компонентов, повышает технологичность их изготовления и, одновременно, расширяет их функциональные и информационные возможности. Как мы видим, каждый типовой набор организован в свою систему элементов, которая обладает общими биохимическими, структурными и технологическими особенностями, образует однотипные связи между элементами, совместимые по своим физико-химическим параметрам. В основном из этих молекулярных элементов в различных сочетаниях, составе и последовательности построены все структурные и функциональные компоненты живой клетки. Следует отметить, что каждая система биохимических элементов в клетке является отдельным алфавитом и характеризуется своим способом кодирования, а также видом и формой представления молекулярной биологической информации. Это, соответственно, и является первопричиной появления различных классов и великого разнообразия биологических молекул в живых системах.
Удивительно, но факт, – всё живое на Земле, от ничтожной бактерии до человека, состоит из одинаковых строительных блоков – стандартного набора более чем трёх десятков типовых функциональных биологических (биохимических) элементов. В состав этого уникального набора входят:
1) восемь нуклеотидов, – «четыре из них играют роль кодирующих единиц ДНК, а другие четыре используются для записи информации в структуре РНК» [1];
2) двадцать различных стандартных аминокислот, которые кодируются в ДНК и служат для матричного построения белковых молекул;
3) несколько жирных кислот, – сравнительно небольшое число простых стандартных органических молекул, служащих для построения липидов;
4) родоначальниками большинства полисахаридов является несколько простых сахаров (моносахаридов) и т. д.
Все эти элементы были отобраны в процессе эволюции, вследствие их уникальной пригодности к выполнению различных – химических, энергетических, молекулярных, информационных и других биологических функций в живых клетках.
Как мы видим, основой каждой системы являются свои индивидуальные молекулярные биологические (биохимические) элементы. А на базе различных систем биологических элементов, – молекулярных алфавитов, могут быть «сконструированы» разнообразные макромолекулы клетки – ДНК, РНК, белки, полисахариды и липиды. Поэтому элементная база представляет собой те системы биохимических элементов, используя которые живая клетка способна информационным путём строить различные биологические молекулы и структуры, а затем с помощью этих средств осуществлять любые биологические функции и химические превращения. «Структурные схемы» базовых молекулярных элементов, их природные свойства и особенности достаточно наглядно рассмотрены и представлены в различных учебниках по биохимии. Наша задача – больше уделить внимания информационным аспектам применения таких биохимических единиц.
Крайне важно отметить, что все биохимические элементы живой материи являются многофункциональными элементами. Благодаря своим универсальным природным свойствам, они играют фундаментальную роль буквально в различных биологических процессах – структурных, физико-химических, энергетических, функциональных и информационных.
Во-первых, – все биологические элементы различных систем (нуклеотиды, аминокислоты, простые сахара, жирные кислоты и др.) являются теми универсальными и унифицированными стандартными «строительными блоками», при помощи которых во всех живых клетках осуществляется физическое построение любых других, более крупных биологических молекул и структур (нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, липидов и т. д.). Образовавшиеся при этом большие макромолекулы приобретают достаточную структурную жесткость и, главное, получают способность к выполнению определённых биологических функций. Однако это достигается уже за счет других удивительных свойств молекулярных био-логических элементов.
Во-вторых, – типовой стандартный набор биологических элементов представляет собой не что иное, как тот общий молекулярный алфавит живой материи, с помощью которого во время биосинтеза макромолекул ведётся непрерывная запись информации в их молекулярные цепи. А отдельные элементы, при этом, играют роль различных химических букв или символов, с помощью которых во время записи идёт физико-химическое воплощение молекулярной биологической информации. Поэтому, если их рассматривать с информационной точки зрения, то можно отметить, – все биохимические элементы в живой системе являются дискретными информационными био-логическими единицами (элементарными сигналами), реализующими основные функции молекулярной биохимической логики и информатики!
Входя в состав биомолекул, они определяют не только их нативную конформацию, но и весь широкий спектр их функциональной и информационной деятельности. При помощи различных химических букв и символов строится молекулярная аппаратная система клетки, то есть таким способом в её структуры и макромолекулы записывается биологическая информация. Очевидно, что информационная концепция построения и функционального поведения биомолекул может базироваться только на специфических свойствах и правилах применения таких биохимических единиц.
В-третьих, – хранение, передача, преобразование и реализация генетической информации в клетке осуществляются только на основе и с помощью различных систем (алфавитов) биологических элементов, представляющих собой общий алфавит живой формы матери. А отдельные буквы и символы каждого алфавита являются теми элементами, при помощи которых осуществляется кодирование и преобразование различных видов и форм молекулярной биологической информации. Причем, каждая система биохимических элементов характеризуется своим способом кодирования, видом и формой представления информации. Поэтому, при решении различных биологических задач, живая клетка пользуется различными молекулярными кодами, видами и формами информации.
Молекулярным кодированием в живой системе можно назвать процесс представления данных последовательностью химических букв или символов. Информация в клетке передается в форме молекулярного кода, основу которого составляет определённый набор химических букв или символов! При этом, закодированная последовательность букв или символов любого сообщения, как правило, передаётся не однократно, а с многократным повторением, что ведет к повышению помехоустойчивости информационной системы. С кодированием связано одно из замечательных свойств живой клетки – возможность хранить, передавать и обрабатывать генетические сообщения!
Информация в живой клетке может преобразовываться с помощью биологических кодов и алфавитов из одного её молекулярного вида в другой, из одной её молекулярной формы (линейной, химической) в другую (пространственную, стереохимическую).
К примеру, информация, представленная генетическим кодом в виде молекул иРНК, транслируется в информацию полипептидных цепей, которая записывается уже другим кодом – аминокислотным и поэтому имеет совершенно другой молекулярный вид. А линейная информация, записанная в форме полипептидных цепей, преобразуется в трёхмерную информацию белковых молекул, то есть в совершенно другую молекулярную форму (пространственную, стереохимическую).
В-четвёртых, – нуклеотиды, аминокислоты, простые сахара и жирные кислоты, как известно, играют существенную роль также и в энергетическом обмене живой клетки.
В-пятых, мы еще не отметили, возможно, наиболее важное назначение элементной базы. Все биологические элементы оказались наделёнными такими химическими и физическими качествами и свойствами, сочетание которых позволяет им функционировать не только в качестве строительных блоков или химических букв и символов, но ещё служить и теми программными элементами, с помощью которых строятся различные алгоритмы программного поведения биологических макромолекул. То есть, все элементы в составе биологических молекул могут взаимодействовать друг с другом и с молекулами воды по особым специфическим принципам и правилам, которые вполне можно назвать закономерностями молекулярной биохимической логики.
Вследствие этого они «автоматически» становятся теми программными элементами, при помощи которых сначала строится алгоритм конформационного преобразования, а затем и программа функционального поведения отдельной биологической макромолекулы. Под алгоритмом следует понимать последовательность операций, которые выполняются биологическими элементами в составе молекулярной цепи, сначала во время конформационного преобразования, а затем и во время функционального поведения биомолекулы. Таким образом, программирование функций биологических молекул и структур в клеточной среде также осуществляется с помощью элементной базы и генетической информации (под руководством соответствующих аппаратных средств).
Важно отметить, что все указанные качества и свойства биологических элементов существуют всегда и одновременно и поэтому они, по своей сути, являются разными характеристиками одной и той же элементной базы. Только такое сочетание характеристик позволяет биологическим элементам обеспечивать в живой клетке и информационное построение различных молекул и структур, и программное управление их биологическими функциями. Причем, естественно, что разные системы (алфавиты) элементов имеют своё специфическое назначение – структурное, информационное, программное и функциональное.
К примеру, все биологические элементы каждой системы применяются в качестве типовых строительных блоков, поэтому каждый из элементов имеет свою специфическую форму, структуру и конфигурацию, предназначенную для построения своего класса биологических молекул. Если же их рассматривать как программные элементы, то одни из них, – нуклеотиды, в основном служат для записи, хранения и передачи программной информации, а другие – аминокислоты, простые сахара и др., благодаря своим уникальным свойствам, служат для реализации программной информации.
В итоге мы приходим к заключению, что любая химическая буква (или символ), входящая в состав биомолекулы, является тождественным эквивалентом такой биологической 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 свойств и характеристик биологических элементов, входящих в состав биологических молекул. Поэтому программная, информационная и функциональная деятельность биологических макромолекул в клетке осуществляется благодаря применению таких био-логических единиц. Причем, активация биологических макромолекул возникает только на основе их информационного взаимодействия друг с другом.
Важно отметить, что указанные свойства и характеристики стали неотделимыми спутниками всех типовых биологических 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. Вводя понятие био-логических элементов, следует иметь в виду не только закономерную взаимосвязь между различными их свойствами, но и одну из главных сторон элементов – информационный аспект их применения. Он непременно должен учитываться при изучении и исследовании живой материи. Мы отметили лишь основные направления использования различных биохимических элементов. Очевидно, что элементная база живых молекулярных систем действительно обладает удивительными многофункциональными природными качествами и свойствами, которые имеют фундаментальное значение в различных биологических, в том числе, и информационных процессах.
Как мы уже отметили, 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 биологического 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 биологических 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)» [3]. В живой системе, как мы видим, для представления информации применяется более широкий спектр физико-химических свойств и структурных особенностей различных биологических 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 биологических элементов, представляющих собой не только элементную базу живой формы материи, но и её общий молекулярный алфавит, с помощью которого производится воплощение генетической информации.
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.
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 биологических 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 биологический 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 молекулярной биологической информации. Указанные примеры говорят о существовании общих закономерностей молекулярной биохимической логики и наличии общих принципов и правил применения и использования различных биологических элементов (химических букв и символов) в живых системах.
Итак, химические буквы и символы общего алфавита (био-логические элементы) живой клетки являются натуральными дискретными 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 и физическое наполнение.
И действительно, мы убеждаемся в том, что элементарный состав биологических макромолекул определяет не только структуру живого вещества, но он же, тождественно, является и эквивалентом информационного генетического сообщения, и средством программного и энергетического обеспечения. Это замечательное свойство можно назвать тождественностью органического вещества, химической энергии и молекулярной информации. Поэтому, зная основы биохимии и молекулярной биологии, можно констатировать, что принцип единства вещества, энергии и информации – это и есть тот главный и основной закон, который определяет и обуславливает само существование живой формы материи. А уникальные свойства элементной базы живой материи лишь подтверждают такую гипотезу. Однако ясно, что здесь мы коснулись серьёзной проблемы, которая детально не может быть рассмотрена в данной статье. Наша задача – показать, что информация в молекулярной биологии не отвлеченное понятие, а объективное свойство и необходимая сущность живой формы материи. При этом информация, – это содержательные сведения генетических сообщений, которые передаются в структурах биологических молекул с помощью молекулярных кодов. Эти коды формируются на основе химических букв и символов (био-логических элементов) и служат для построения различных макромолекул и структур живой клетки, для получения различных биохимических, молекулярных и информационных функций, для передачи сигналов управления и т. д.
Макромолекулы и структуры живой системы, состоящие из био-логических элементов (составляющих коды), являются естественными носителями информации и программных средств, поэтому всё время находятся во взаимодействии друг с другом и с системой управления. В связи с этим, все информационные управляющие процессы в живой клетке, как правило, базируются на применении целостных биохимических элементов.
К примеру, при организации процессов репликации, транскрипции или трансляции генетической информации, управляющая система клетки манипулирует целостными элементами – нуклеотидами или аминокислотами, которые играют роль химических букв биологической информации.
При построении полисахаридов или липидов она манипулирует уже другими элементами – простыми сахарами и жирными кислотами, которые вполне можно назвать символами молекулярной информации. Значит в действительности молекулярная информация в любой живой системе вовсе не «миф, а закономерная реальность».
Кроме того, в ступенчатых химических реакциях различные ферменты способны манипулировать и отдельными химическими знаками этих элементов, то есть их составными частями, – боковыми или функциональными атомными группами, отдельными атомами и их химическими связями. Эта способность управляющей системы основана на том, что все биохимические элементы, а значит и биомолекулы клетки, обладают различными типовыми функциональными и боковыми группами и химическими связями, которые свободно узнаются и тестируются соответствующими ферментами. Боковые и функциональные атомные группы и их химические связи – это и есть те опознавательные знаки, благодаря которым управляющая система легко может идентифицировать любой био-логический элемент клетки.
Значит, в живой клетке, кроме молекулярного алфавита различных элементов, существует ещё и свой химический алфавит типовых атомных групп и атомов, манипулируя которыми управляющая система может осуществлять их движение от одного элемента к другому (а, значит, и между молекулами). Поэтому, циркуляция атомных групп и атомов определяет свою субмолекулярную форму движения информации, которая в живой клетке организована в виде управляемых ступенчатых химических реакций.
Таким образом, информационные процессы в живой клетке практически затрагивают не только молекулярный уровень организации, но и, что удивительно, субмолекулярный – атомный. Однако следует заметить, – если целостные элементы служат для организации самих аппаратных устройств и управляющих информационных процессов клетки, то их химические знаки используются также и в качестве информационных сигналов для организации управляемых химических процессов.
В связи с этим, управляющая система клетки, в целом, способна манипулировать различными химическими «буквами, символами и знаками», которым предписан определённый биологический и информационный смысл.
Для более четкого восприятия информационной концепции управления, а также для устранения разночтений в тексте, условно можно принять, что:
1) химическими буквами в клетке являются нуклеотиды и аминокислоты, с помощью которых непосредственно записывается управляющая и структурная информация нуклеиновых кислот и белковых молекул;
2) остальные элементы, например, простые сахара и жирные кислоты, являются химическими структурно-информационными символами, служащими для построения других классов биомолекул (полисахаридов и липидов), а также для записи в их структуру функциональной информации;
3) информационные химические знаки, которыми может манипулировать управляющая система в ступенчатых химических реакциях, – это отдельные структурно-химические части – функциональные или боковые группы и атомы различных биохимических элементов, и их химические связи.
Ступенчатые химические реакции, как правило, характеризуются упорядоченным и целенаправленным движением отдельных химических знаков, переносимых от одного элемента к другому, а, значит, и между молекулами. Это напрямую подтверждает мысль о том, что как управляющая, так и сигнальная осведомляющая информация в живой клетке хранится, передаётся и циркулирует только в составе различных биологических молекул.
Таким образом, общий принцип работы информационной молекулярно-биологической системы управления сводится к упорядоченному манипулированию различными химическими буквами, символами и знаками, которым предписан определённый информационный и биологический смысл. Сам механизм действия системы основан на том, что все операции, связанные с организацией управляющего процесса, производятся над единицами биологической информации – химическими буквами и символами.
А операции, связанные с управляемыми процессами производятся над составными частями молекул субстрата – химическими знаками их элементов. Это означает, что все химические и биологические процессы в живых молекулярных системах управляются только информационным путём, а источником управляющей информации является генетическая память! Данный момент трудно переоценить, так как он является ключевым для молекулярной биохимической логики и информатики.
Отсюда, как следствие, вытекает и тот факт, что все клеточные процессы управляются, регулируются и взаимно координируются той программной информацией, которая (с помощью генетической информации и элементной базы) «загружена» в аппаратную систему клетки, то есть, перенесена и находится в функциональных биомолекулах и структурах клетки. Таким образом, получается, что управление биохимическими процессами в живых системах осуществляется при помощи «программируемых» молекулярно-аппаратных средств: ферментов, белков и других функциональных биологических молекул.
Уже давно известно, что «генетическая информация кодируется с помощью нуклеотидов подобно тому, как информация, содержащаяся в книге, передаётся с помощью последовательности букв» [2]. Информация, как известно, – это содержательные сведения (данные), заключенные в том или ином сообщении. Сообщением называется информация, зафиксированная в некоторой материальной форме. Для дискретных сообщений характерно наличие фиксированного набора элементов (букв или символов) из которых формируются различные последовательности. К примеру, информационные сообщения в данной статье кодируются с помощью 33 букв алфавита русского языка. При этом различные буквы соответствующим образом группируются на бумаге в слова, фразы и предложения.
Общий алфавит живой формы материи также состоит из более 30 химических букв и символов, с помощью которых кодируется биологическая информация. Поэтому возможность построения различных биологических молекул из химических букв и символов общего алфавита живой формы материи также неисчерпаема, как и возможность составления различных слов и фраз при помощи букв алфавита русского языка.
Только при использовании общего алфавита у живой клетки появляется способность хранить, передавать и преобразовывать информационные сообщения.
Таким образом, если живая клетка строит молекулярные цепи различных биомолекул с применением этих букв или символов, значит, она записывает в их структуру информацию. Вернее, даже наоборот, – информационные сообщения, то есть фиксированная позиционная последовательность химических букв или символов и их состав в молекулярной цепи определяет структурную, а поэтому и функциональную организацию самой биомолекулы. То есть гены сами несут необходимую информацию о структурных и функциональных особенностях различных биологических молекул. Этот момент также является ключевым в молекулярной биологической информатике. По сути дела, генетическая информация, во время трансляции, диктует программу построения ферментов и других белковых молекул живой клетки. А генетический код при этом служит тем ключом, с помощью которого информация, записанная в виде иРНК, переводится в информацию белковых молекул, то есть в совершенно другой молекулярный вид.
Только таким путём обеспечивается программирование структур ферментов и других клеточных белков. А далее, соответствующие ферменты, в свою очередь, строят и программируют структуру и функции других биологических молекул. Причем, по аналогии с ранее существующим типографским набором, живая клетка использует «россыпи молекулярного биологического шрифта» – отдельных биохимических букв или символов, и в автоматическом режиме группирует их в информационные передачи, – последовательности букв или символов молекулярной цепи. При этом каждый элемент (буква или символ) несёт свой элементарный химический и структурно-рельефный (стерический) сигнал, переносчиком которого является его боковая группа (или группы). Кроме того, каждый элемент может также иметь различное смысловое значение, которое зависит от его позиционной фиксации в молекулярной цепи. Таким образом, для кодирования молекулярной биологической информации в живой клетке применяется позиционная система представления с фиксированными дискретными данными.
Очевидно, в молекулярных биологических системах используется дискретная форма представления информации и химический (или пространственный, стереохимический) принцип её записи! Для дискретных сообщений характерно наличие фиксированного набора букв или символов, из которых формируются различные последовательности. А информационные сообщения, транслированные на полипептидные цепи, «сами» обеспечивают построение ферментов и других клеточных белков, которые являются основой аппаратной части живых клеток. Таким длинным и сложным путём идёт физико-химическое (структурное) воплощение генетической информации в биологическую форму материи.
Все биохимические элементы в составе биологических молекул взаимодействуют друг с другом и с молекулами воды по особым принципам и правилам, которые вполне можно назвать закономерностями молекулярной биохимической логики. Рассмотрим пример, подтверждающий эту гипотезу. Благодаря уникальным природным свойствам боковых атомных групп элементов в составе молекулярной цепи, между ними возникают такие силы, связи и взаимодействия, которые позволяют им становиться (в клеточной среде) теми программными элементами, с помощью которых сначала строится алгоритм конформационного преобразования биомолекулы, а затем и программа её функционального поведения. Значит, биохимические элементы выполняют не только чисто строительные функции.
Здесь наглядно видно, что в основе решения различных биологических задач лежит совокупность элементарных биологических функций и операций, выполняемыми этими элементами в составе биологических макромолекул. С помощью таких программных элементов (букв и символов) живая система может выразить и осуществить любое из имеющихся в её арсенале биологических функций и процессов.
Поэтому при программировании различных биологических функций, процессов и задач в живой клетке широко используются программные биологические элементы и «аппарат молекулярной биохимической логики». Без полного знания правил и принципов кодирования и программирования биологических молекул, лежащих в основе репликации, транскрипции и трансляции генетической информации и реализации её в различных биологических функциях, вряд ли возможен и осуществим процесс познания живой формы материи.
Ключом к разгадке тайн биологической формы движения материи может стать её информационная основа – алфавит, язык и существующие принципы и правила молекулярной биохимической логики. Ясно, что всё разнообразие информационных сил, связей и взаимодействий в живой молекулярной системе может базироваться только на применении химических букв и символов различных алфавитов, представляющих собой элементарные информационные единицы живой формы материи. Поэтому в молекулярных биологических системах применяется дискретная форма представления информации и химический принцип её записи. Для дискретных сообщений используется фиксированная последовательность химических букв или символов в цепях биологических молекул.
Например, комбинационный порядок чередования нуклеотидов в ДНК содержит всю генетическую информацию, которой располагает клетка. Известно, что хромосомы – это средства длительного хранения наследственной информации в закодированной форме. А информационный смысл действия генов как раз и заключается в расшифровке закодированных в них сообщений с помощью генетического кода. В живой клетке используются различные системы записи (алфавиты) информации, – следовательно, существуют и различные языки кодирования и программирования биологических молекул. Поэтому биологическая информация в живой системе всегда представлена различными алфавитами и в различных её молекулярных видах и формах.
«Языки программирования» биологических молекул также имеют в своей основе алфавит, словарь, свои «грамматику и синтаксис». Поэтому при решении различных биологических задач живая клетка пользуется различными молекулярными языками. Известно, что, пользуясь алфавитом, можно составлять слова, а из слов – предложения. Поэтому молекулярные языки живой клетки являются не только формой выражения информационных (генетических) сообщений, но, возможно, они же становятся и средством «естественного общения» биологических молекул друг с другом. Все информационные сообщения в ДНК кодируются четырьмя дезоксирибонуклеотидами. Значит, запись информации в генетической памяти осуществляется в четырёхбуквенном алфавите на языке дезоксирибонуклеиновых кислот. Программы, записанные на языке ДНК, с помощью процессов транскрипции сначала переписываются на четырёхбуквенный язык рибонуклеиновых кислот. Таким образом, хранение и передача генетической информации осуществляется на языке нуклеиновых кислот.
Затем, специальная программа, имеющаяся в генетической памяти, которая называется транслятором, преобразует программу, записанную на языке нуклеиновых кислот, и переводит её в программу полипептидного языка белковых молекул. Для этой цели используется генетический код. Выбор одной определённой аминокислоты для помещения её в нужное место при синтезе белковой молекулы, как известно, определяется генетическим кодом – сочетанием трёх нуклеотидов из четырёх, образующих иРНК. Словарь соответствия между триплетами нуклеотидов (кодонами) иРНК (а, значит, и ДНК) и аминокислотами называется генетическим кодом. Этот код универсален, так же как и средства его расшифровки. Во всех живых клетках эти средства обеспечивают сначала переписывание (транскрипцию), затем перевод (трансляцию) генетической информации и в итоге синтез белков, которые образованы одними и теми же 20 типовыми аминокислотами. Именно для 20 стандартных аминокислот существует генетический код в виде триплетов (тройки нуклеотидов в ДНК).
В живой клетке, как мы уже отметили, существуют различные системы биологических элементов (нуклеотиды, аминокислоты, простые сахара, жирные кислоты и др.), которые служат химическими буквами и символами для кодирования информации в соответствующих цепях биологических молекул. Иными словами, в клетке используются различные алфавиты, то есть разные системы записи информации, а, следовательно, существуют и различные языки кодирования и программирования биологических макромолекул.
Все эти языки, по всей вероятности, – «алгоритмические», так как представляют собой набор, а точнее линейную комбинационную последовательность соответствующих букв или символов (программных элементов) в цепях биологических макромолекул, которая в соответствии с правилами молекулярной биохимической логики описывает алгоритм решения определённой биологической задачи. К примеру, информация в полипептидных цепях, в виде аминокислотных кодов, определяет последовательность, пути и порядок укладки длинных цепей в трёхмерную структуру белковых молекул. Таким путём идет стереохимическое преобразование информации и структур различных биологических молекул, а точнее, – кодирование и программирование их биологических функций. Однако здесь мы затронули уже другую тему.
Всего в этом «алгоритмическом» языке существует столько различных букв и символов, сколько их находится в общем алфавите живой формы материи. Причем, с большой достоверностью можно предположить, что каждой букве или символу в живой клетке сопоставляется свой молекулярный код. Этот код может быть как линейным, так и стереохимическим – в случае кодирования любых биологических элементов и их химических знаков соответствующими ферментами.
В этом случае кодирование осуществляется активными центром фермента, который с функциональной точки зрения представляет собой совокупность двух (или более) функциональных зон, состоящих из пространственной стереохимической организации различных аминокислот и их боковых атомных групп. При этом одна из этих зон, с информационной точки зрения, представляет собой, не что иное, как функциональный «адресный код», который соответствует определённому элементу или его химическому знаку. Вторая же зона, при этом, является «кодом операции», который указывает характер химической реакции [4].
Отсюда следует вывод, что как структура, так и соответствующие функции биомолекул определяются только информацией, – то есть комбинационной позиционной последовательностью и составом химических букв или символов, эквивалентно и одновременно функционирующих в качестве структурных, информационных и программных элементов сначала в линейных цепях, а затем и в трёхмерных макромолекулах. Очевидно, что живая клетка пользуется своими виртуальными способами представления информации и собственными информационными молекулярными технологиями построения структур и функций. Для этой цели она применяет различные системы (алфавиты) молекулярных биологических элементов с уникальными многофункциональными качествами и свойствами.
Поэтому, одновременно с записью информационных сообщений с помощью химических букв и символов (и соответствующих аппаратных средств), в молекулярные цепи загружаются не только алгоритмы конформационного преобразования макромолекул, но также закладывается их энергетический потенциал, их программное и функциональное обеспечение. По моему мнению, только таким удивительным путём кодируются и программируются структурная организация и функции любых биологических молекул и клеточных компонентов. Причем, живая клетка всегда функционирует только на основе той программной информации, которая в данное время экспрессирована и загружена в её биологические структуры [5].
Список литературы
1. А. Ленинджер. Основы биохимии. Пер. с англ. в 3-х томах – М: Мир, 1985.
2. Ф. Айала, Дж. Кайгер. Современная генетика. Пер. с англ. – М: Мир, 1988.
3. В. А. Ильин. Телеуправление и телеизмерение. – М: Энергоиздат, 1982.
4. Ю. Я. Калашников. Биологика информационных взаимодействий в живой клетке. – М., 2002. – 34с. – Депонир. в ВИНИТИ РАН 6.11.02, №1923-В2002, УДК577.217:681.51
5. Ю.Я. Калашников. Основы молекулярной биологической информатики. – М., 2004. – 66с. – Депонир. в ВИНИТИ РАН 13.04.04, №622-В2004, УДК577.217:681.5
Информация, как самостоятельная категория, по мнению автора статьи, возникла так же давно, как и сама живая материя. Можно сказать, что информация, в первую очередь, стала главнейшей сущностью живой природы, а появилась она на свет вместе со способностью биологических молекул кодировать и передавать информационные сообщения.
Очевидно, что только замечательная триада – молекулярная информация, химическая энергия и органическое вещество могла обеспечить появление, существование и развитие живой материи [4]. А молекулярный носитель информации положил начало молекулярно-биологической технологии переработки информации, а значит, и соответствующим преобразованиям тех молекулярных компонентов биоорганического вещества, в структурах которых осуществлена запись информации.
Важно здесь подчеркнуть, что мономеры (химические буквы и символы молекулярного алфавита), составляющие вещество, – это и есть та материальная часть, которая по своему статусу является носителем нематериальной части – информации. Поэтому отношения между ними в макромолекуле складываются такими же, как между информацией и её материальным носителем. А именно: каждый из них «живёт» по своим собственным законам.
Биоорганическое вещество подчиняется своим физико-химическим законам, а информация подчиняется только своим специфическим закономерностям. Однако при этом следует отметить важное отличие, которое существует в любой живой системе: информация не зависит от свойств своего носителя (вещества), а вот судьба вещества полностью зависит от той информации, которая записана в его структуре. Более того, все свойства и состав макромолекул полностью зависят от той информации, которая загружается в их структуру во время биосинтеза!
Следовательно, информация не только руководит структурной организацией живого вещества, но и использует его физико-химические свойства для своего молекулярно-биологического воплощения! Удивительно, но приходится констатировать, что наши материальные тела, по своей сути, созданы из тех же вещественных носителей информации, которые были использованы для переноса наследственной информации. Информация в любой биомолекуле указывает её путь, функциональное поведение в клеточной среде, а значит, и всю её биологическую судьбу.
После выполнения своих информационных функций любая биомолекула клетки разрушается, а затем заменяется на другую, способную выполнить те функции, которые необходимы живой клетке в данное время и в данном месте. Все эти процессы обеспечиваются энергией и информацией, а само вещество (т. е. сами носители информации) преобразуется в молекулярные механизмы для выполнения тех или иных биологических функций. По такому поразительному сценарию живая клетка не только передает информацию, но и одновременно снабжает себя материально-энергетическими компонентами и механизмами!
Как ни странно, но биологи наблюдают только материальную часть этого процесса, не замечая главного – передачи программной наследственной информации. Очевидно, что природа биоорганического вещества живой системы характеризуется двумя сторонами – материальной, которая достаточно хорошо изучена естественными науками и информационной, которая по своей сути представляет собой виртуальную часть живого. К сожалению, эта вторая и «таинственная» сторона живого вещества, по значению не уступающая первой – материальной, естественными науками оказалась незамеченной и поэтому практически неизученной!
Удивительно, но информация, – это именно тот виртуальный посредник, который с самого начала зарождения жизни, связывает материальную часть нашего мира с нематериальной ( т. е. информационной) его частью. Особенно заметно это проявляется при рассмотрении живой материи. И, действительно, обратим внимание на то, что живая природа здесь пошла по пути функционального использования, как самой информации, так и средств её молекулярных носителей. То есть она пошла по пути связывания друг с другом материальных, энергетических и виртуальных компонентов (программ, данных, команд). Причем, долевое участие каждого из этих составляющих в системную организацию живого велико и практически немыслимо без каждого из них!
Следовательно, назначение клеточного вещества не исчерпывается уже изученными физико-химическими процессами, потому что, оно подчинено еще и законам молекулярной биохимической логики и информатики! Поэтому молекулярная информация существенно отличается от общепринятого нами понятия информации, во-первых, необыкновенным «сращиванием (слиянием)» её со своим молекулярным носителем и, во-вторых, она отличается своим чисто биологическим назначением и применением. Ясно, что используется она только в мире живых систем.
Обратим внимание на то, что сегодня понятие «Информация» рассматривается в контексте с возможностью её хранения, передачи и вероятностью её автоматизированной обработки. Под обработкой информации в информатике понимают любое преобразование информации из одного её вида в другой, из одной её формы в другую, производимое по определенным правилам.
Естественно, что все молекулярные преобразования информации в живой системе обычно производятся с целью достижения определенного биологического эффекта.
Сосуществование и взаимодействие материальных и виртуальных компонентов, с самого начала зарождения живой материи стало не только главной реальностью и смысловым содержанием жизни, но и причиной её бурного развития и чрезвычайно широкого распространения!
Информация стала определяющей мерой многих вещей и явлений, потому, что она выступила в роли универсального критерия направленности многих природных процессов и, в первую очередь, функциональных биохимических процессов живых систем, а затем, и процессов их эволюционного развития. Мы убеждаемся в том, что живая природа пошла по пути использования, как самой информации, так и средств её молекулярных носителей!
Посредством оперативной памяти иРНК, молекулярного алфавита и соответствующих аппаратно-программных средств (трансляции) информация загружается в структуру белковых молекул, где она диктует биомолекулам не только структурное содержание, но и правила их поведения.
Таким образом, циркуляция информации в клетке определяет не только структурную, но и программную часть всех компонентов клетки. Кроме того, заметим, что движение информационных сообщений в живой клетке никогда не может осуществляться без движения их молекулярных носителей.
Этот факт, по-видимому, и является первопричиной, побуждающей клетку строить свои вещественные отношения таким образом, чтобы движения информации всегда были бы обеспечены вещественными носителями! Это ведет к новому представлению и означает, что атомы, молекулы и целые соединения молекул находятся в живой системе в процессе постоянного информационного движения – процесса, который и называется жизнью. Потому что все управляющие и сигнальные (информационные) компоненты живого всегда представлены только в виде вещественно-энергетических носителей (переносчиков информации).
Получается, что все биологические системы возникают в результате процессов обмена информации, биоорганического вещества и химической энергии, и без этих процессов они не могут существовать. А все процессы обмена веществ и энергии в живых существах всегда привязаны к специфическим условиям преобразования наследственной информации и даже «закрепощены» ими!
Очевидно, что видом и только видом информационной организации материи отличаются различные формы жизни друг от друга. Очевидно, что в живой природе только молекулярный носитель информации мог положить начало молекулярно-биологической технологии переработки информации, а, стало быть, и соответствующим преобразованиям тех молекулярных компонентов биоорганического вещества, в структурах которых осуществлена запись информации. При этом заметим, если вещество и энергия живой материи являются её материальными наполнителями, то информация в структуре живого вещества, по своей сути, является руководством к действию, а значит, и критерием управления всех химических, молекулярных, энергетических и других биологических функций и процессов.
Как мы видим, – наше мироздание построено на различных видах и формах материи, энергии и информации и великом разнообразии информационных технологий. Вещество, энергия и информация стали важнейшими сущностями нашего мира, главнейшими его составляющими. Однако пальму первенства из этой триады, в любых созидательных процессах, мы должны отдать только информации.
В связи с этим, можно надеяться, что естественные науки сегодняшнего дня стоят на пороге открытия одной из важнейших основ нашего существования и бытия – необъятного мира пока неизвестных нам информационных молекулярно-биологических субстанций и технологий. Напрашиваются и другие мысли и обобщения.
Например, следует закономерный вывод о том, что все универсальные свойства, приписываемые сегодня биологической форме движения материи, на самом деле относятся к информации, заключенной в её структурах. К этим свойствам, в первую очередь, относится способность живых систем к самосборке, саморегуляции и самовоспроизведению.
Ясно, что эти уникальные способности живого обеспечиваются только системной организацией и информацией, существующей на основе биоорганического вещества, но никак не самим веществом, какими бы уникальными физическими или химическими свойствами оно не обладало. Физико-химические свойства биоорганического вещества просто оказались незаменимыми при построении функциональных биологических средств и устройств, используемых управляющей системой клетки для реализации биохимических процессов.
При этом, вся организационная часть по созданию и применению этих средств, как известно, возложена на генетическую информацию. А генетические сообщения обеспечивают и закладывают в макромолекулы не только структурные, но и программные компоненты биоорганического вещества. Все эти процессы практически обеспечивают феномен единства вещества, энергии и информации. Очевидно, что рассматриваемая триада компонентов выступает в роли универсального фактора, обеспечивающего все жизненные процессы и биологические свойства живой матрии. Нет сомнений в том, что информация, это тот виртуальный посредник, который с самого начала жизни, связывает материальную часть нашего мира с виртуальной, нематериальной его частью.
Информация в живой системе, в зависимости от её назначения, может записываться различными буквами и символами (мономерами), и поэтому, естественно, что информационные сообщения могут существовать в различных вещественных воплощениях. Удивительно, что информация, находящаяся в структурах биологических молекул стала не только направляющей и организующей силой всех биохимических процессов, именно от её содержания зависят все показатели живой материи: её химический и структурный состав, все её качественные и количественные показатели. Очевидно, что только от информации зависит и содержание, то есть состав самого вещества.
Следовательно, вещество в любой живой системе занимает, увы, не главную, как декларирует биологическая наука, а подчинённую роль! Это звучит неожиданно, однако вспомним, что информация, заключенная в генах, до мельчайших подробностей определяет аминокислотный состав и, соответственно, структуру и функциональное поведение белковых макромолекул. Структурный состав веществ целостного организма также всецело зависит от наследственной информации.
Расположение аминокислот в полипептидной цепи белка, так же как и образующаяся на его основе пространственная структура, закреплены генетически и приспособлены к выполнению определенных биологических функций.
Результаты расшифровки первичной структуры, полученные в настоящее время для большого числа белков, позволяют сделать некоторые обобщения. Несмотря на большое разнообразие свойств отдельных белков и различия в первичной структуре, для преобладающего числа белков характерно присутствие всех 20 видов аминокислот. Именно для них существует генетический код в виде триплетов, а последовательность триплетов в иРНК (а значит, и в ДНК) определяет последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи белка.
Заметим, что «последовательность букв и символов и синтаксические правила формируют лишь необходимые предпосылки для представления информации. А основной аспект сообщения состоит не в выбранном коде, форме символов или методе передачи (письменных, оптических, акустических, электрических и т. д.), но в его значении (семантике) » [5]. Именно значение кода превращает последовательность букв или символов в информационное сообщение. Оно не связано ни с материей (веществом), ни с энергией, потому что имеет смысловой виртуальный характер.
Главный вывод, к которому можно прийти, заключается в том, что информация, циркулирующая в живой клетке, всегда находится в молекулярных структурах биоорганического вещества. Она имеет функциональный характер, химическую или стереохимическую форму записи, а также различные молекулярные виды и формы представления.
К примеру, молекулярная биологическая информация может быть представлена в виде цепей нуклеиновых кислот, – при записи её нуклеотидами; в виде полипептидных цепей, – при записи её аминокислотами; в виде линейных или разветвлённых цепей полисахаридов, – при записи её моносахаридами и т. д. Причем линейная форма записи информации, как правило, является основой для преобразования её в форму пространственную – стереохимическую.
Следовательно, для решения различных биологических задач, живая клетка широко пользуется различными молекулярными алфавитами, языками, а также формами и видами представления информации. Как мы видим, информация в живых клетках может существовать в двух молекулярных формах – одномерной химической (линейной) и пространственной, стереохимической. Значит, живая клетка пользуется двумя информационными уровнями организации биологических макромолекул – линейным и пространственным.
На первом уровне, с помощью управляющих средств обеспечивается последовательное ковалентное соединение различных химических букв или символов в длинные молекулярные цепи. Таким путём производится запись информационных сообщений в первичную, одномерную («линейную») биологическую структуру.
Однако, пространственная организация макромолекул и клеточных структур, так же как и реализация их функций, обычно осуществляются при помощи химических связей, значительно более слабых, чем ковалентные. Это происходит потому, что боковые группы тех биологических элементов, которые в цепи связаны ковалентно, способны к информационным взаимодействиям с другими боковыми группами, как в пределах одной макромолекулы, так и с боковыми группами близлежащих молекул. К таким взаимодействиям (их называют слабыми связями) относятся: водородные и ионные связи, ван-дерваальсовы силы, гидрофобные взаимодействия, которые в совокупности, благодаря их многочисленности и разнообразию, оказываются весьма сильными. Поэтому они определяют не только степень прочности сложных макромолекул, – белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов и т. д., но и обуславливают их информационные и функциональные возможности.
Следовательно, второй уровень организации макромолекул осуществляется в основном при помощи слабых нековалентных сил, связей и взаимодействий между боковыми атомными группами и атомами химических букв или символов. Через посредство этих сил и связей идёт воплощение линейной молекулярной информации в стереохимическую структуру и форму. В результате таких преобразований «одномерная» молекулярная информация цепей «сворачивается, пакуется и сжимается» в трёхмерную информацию биомолекул, которая в таком виде становится пригодной для транспортировки, передачи по различным каналам, а затем, и непосредственного использования в различных биологических процессах.
Трансформация линейных генетических сообщений в трёхмерную структуру и форму различных биомолекул – это важный этап перехода биологической информации из одной её молекулярной формы в другую. Линейный и пространственный элементарный состав макромолекул определяется генами, а каждый биологический элемент в составе биологической молекулы тождественно может выполнять различные роли – как структурной, так и информационной единицы, как функционального, так и программного элемента.
Поэтому все аппаратные средства живой клетки – белки, ферменты и другие клеточные компоненты обладают строго своей специфической структурной организацией, имеют своё информационное и функциональное назначение, а также своё индивидуальное энергетическое и программное обеспечение. Только благодаря удивительным многофункциональным свойствам биологических элементов, макромолекулы клетки становятся обладателями настолько многоликих и разносторонних качеств и свойств, что их можно изучать и рассматривать буквально с разных сторон и различных точек зрения, – с физико-химической, со структурной, с энергетической, с функциональной, с информационной, или с чисто биологической. Столь разноплановые признаки и свойства биологической формы материи привели к тому, что в настоящее время её изучением заняты многочисленные естественные науки – биофизика, биохимия, генетика, молекулярная биология, биоэнергетика, цитология и многие другие дисциплины. Однако такой дифференцированный подход больше ведёт к разобщению, чем к интеграции знаний.
Автор статьи уже давно убежден, что только альтернативный – информационный подход может позволить по-иному взглянуть на давно известные физические и химические закономерности и открыть новые страницы в изучении живой материи. Кроме того, такой интегративный подход мог бы послужить ещё и стимулом к объединению усилий различных биологических наук и дисциплин, изучающих сущность живого.
В связи с этим, естественным наукам следовало бы больше уделять внимания информационным аспектам живой формы материи. Очевидно, что полипептидные цепи белков не могут иметь произвольный аминокислотный состав. В молекулярной биологии имеются убедительные данные, говорящие о том, что даже ошибочное замещение всего одной аминокислоты в цепи на другую может привести к печальным последствиям.
Живые системы обычно имеют свои специфические белковые макромолекулы. А это означает, что различные типовые белковые молекулы имеют в своих цепях только свою, четко определённую и генетически закреплённую комбинационную последовательность аминокислотных звеньев.
Однако отметим, что хотя одна и та же информация может быть записана разными кодами, например, генетическим кодом или линейным аминокислотным, однако реализация этой информации в биологических процессах может осуществляться только при записи её в форме стереохимических кодов. Аминокислотный код служит для преобразования линейной формы информации полипептидов в стереохимическую структуру и информацию белковых молекул. Белки и ферменты, как носители молекулярной биологической информации, способны к её реализации только в такой трёхмерной форме.
Поэтому информация белков носит чисто биологический характер. Подробное изучение строения глобулярных и фибриллярных белков показало, что для каждого индивидуального белка характерна своя пространственная трёхмерная организация, которая зависит от его первичной структуры – то есть от информации, записанной «линейным» аминокислотным кодом. Однако различные аминокислоты полипептидной цепи, по всей вероятности, организованны в виде отдельных комбинационных кодовых сигналов, определяющих (в клеточной среде) различные по своей биохимической характеристике зоны, участки и фрагменты цепи, которые обуславливают соответствующие пути, порядок и последовательность информационной сборки белка. В полипептидных цепях белковых молекул кодируется разнообразнейшая информация. Поэтому важно знать, что любая полипептидная цепь всегда является тождественным эквивалентом соответствующего кодового послания генома, указывающего будущие характеристики белковой молекулы.
Очевидно, что каждое сообщение, при передаче информации в полипептидной цепи белка, по всей видимости, передаётся своим кодом (кодовыми комбинациями аминокислот). Поэтому информация в цепи может содержать свою адресную, «операционную», структурную и текстовую (информационную) части. Значит, различные информационные сообщения в полипептидных цепях могут быть представлены различными молекулярными кодами и кодовыми комбинациями аминокислотных остатков.
Следовательно, в кодовых посылках структуры полипептидной цепи могут быть заключены:
1) адресные кодовые комбинации аминокислотных остатков, которые являются основой формирования адресных стереохимических кодов активного центра фермента (для коммуникативного взаимодействия с молекулами субстрата);
2) «операционная» кодовая комбинация аминокислот – служит основой формирования кода операции активного центра, указывающего характер химической реакции;
3) структурная часть кодовой комбинации аминокислотных остатков, которая кодирует построение и осуществляет программное обеспечение исполнительных органов и механизмов белковых молекул;
4) текстовая часть – кодирует и программирует средства информационной коммуникации белка с другими биомолекулами клетки (локальные или поверхностные рельефные микроматрицы).
Эффективность применения в живых системах молекулярных кодов обеспечивается многократным циклическим их повторением в структурах типовых белковых молекул. Бесконечная череда длинных дискретных сообщений (в виде иРНК, полипептидных цепей и белковых молекул), по своей сути, представляет собой, не что иное, как те управляющие информационные потоки и сети, которые осуществляют циклическую передачу информации с целью управления и регулирования химических превращений и реализации различных молекулярных и биологических функций.
Комплементарные обратные связи, при взаимодействии биологических молекул друг с другом, применяются для повышения достоверности информационных передач. Всё это означает, что в любой живой системе применяются помехозащищенные коды.
Таким образом, коды и кодовые комбинации аминокислотных остатков в «линейной» полипептидной цепи наглядно разделяются по их характеристикам и функциональному назначению. А различное информационное содержание полипептидных цепей является основой построения множества различных по функциональному назначению белковых макромолекул.
Наличие в структурах белковых макромолекул как внутримолекулярных, так и внешних информационных сил и связей взаимодействия (обусловленных R-группами составляющих их элементов), которые сами по себе слабы, но мощны своей многочисленностью и разнообразием, позволяет говорить о том, что внутри и вокруг макромолекулы образуется специфическое силовое «информационное поле». Это поле способно влиять как на структуру самого белка, так и на его микроокружение.
Поэтому белковая макромолекула как бы стабилизируется самосогласованным сжимающим информационным полем, обусловленным кооперативными силами притяжения между боковыми атомными R-группами аминокислотных остатков. А лабильность самой полипептидной цепи в пространственной решетке, с её многочисленными боковыми R-группами элементов, позволяет осуществлять не только точную комплементарную «подгонку» внутримолекулярных структур, но и «подгонку» локальных или поверхностных структур, взаимодействующих друг с другом биомолекул.
Трансформация линейных генетических сообщений в трёхмерную структуру и форму различных белковых молекул, это важный этап перехода биологической информации из одной её молекулярной формы (линейной) в другую (стереохимическую). Линейный и пространственный элементарный состав белков определяется генами, а каждый биологический элемент (аминокислота) в составе белковой молекулы тождественно может выполнять различные роли – как структурной, так и информационной единицы, как функционального, так и программного элемента.
Поэтому все аппаратные средства живой клетки – белки, ферменты и другие клеточные компоненты обладают строго своей специфической структурной организацией, имеют своё информационное и функциональное назначение, а также своё индивидуальное энергетическое и программное обеспечение.
И главное, в результате стереохимических преобразований в структуре белковой молекулы формируются соответствующие молекулярные органы и исполнительные механизмы, а на локальных и поверхностных участках возникает такая пространственно-упорядоченная организация боковых атомных R-групп элементов, которая в живой системе играет роль стереохимических кодовых информационных сигналов! [5].
К таким сигналам могут относиться: стереохимические команды управления активного центра фермента (адресный код и код химической операции); различные сигнальные и регуляторные кодовые компоненты; коммуникативные локальные и поверхностные кодовые стереохимические матрицы (микроматрицы), служащие для информационного взаимодействия белковых молекул с их молекулярными партнёрами и т. д. При этом, сама программа функционирования белковой молекулы (благодаря программирующим свойствам элементов) коммутируется лабильными физико-химическими силами, связями и взаимодействиями между боковыми R-группами элементов (аминокислот) в составе её трёхмерной структуры.
Поэтому природа взаимодействий боковых атомных групп, определяющих конформационные особенности и внутреннюю динамику белковой макромолекулы, имеет химическую основу и носит информационный характер. Нативная белковая макромолекула как бы стабилизируется самосогласованным сжимающим информационным полем, обусловленным силами притяжения между аминокислотами (программными элементами). А в результате преобразований каждый белок клетки получает своё индивидуальное структурное, информационное, энергетическое, функциональное и программное обеспечение.
Ясно, что стереохимический принцип кодирования молекулярной биологической информации применяется живой природой для размещения в одной макромолекуле различных по своему назначению сигналов, сообщений, инструкций, команд управления, а также органов и механизмов их реализации [6]. Такая организация белковых молекул не обладает сильной структурной жесткостью, она всегда достаточно лабильна в тех пределах, которые необходимы для выполнения ими биологических функций. А функциональное поведение макромолекулы, при взаимодействии её с молекулярными партнёрами, определяется свободной энергией и результатом информационного взаимодействия как внутренних, так и внешних составляющих её элементов.
Очевидно, что этот информационный уровень характеризуется взаимодействием биологических молекул друг с другом с помощью их локальных, рельефных или поверхностных микроматриц, в результате которых и возбуждаются их биологические функции.
Живые системы обладают удивительными природными свойствами самоуправления, самообновления и самовоспроизведения. Причем, даже отдельная клетка является сложнейшей биокибернетической системой, выполненной в миниатюре, где все компоненты, структуры и биохимические процессы упорядочены и функционируют на недосягаемом нано и молекулярном уровне. Наука показывает, что жизнь на нашей Земле существует, поддерживается и развивается благодаря наследственной информации. Поэтому живые организмы по своей сути не могут ни функционировать, ни существовать, ни развиваться только лишь на физико-химической основе.
Никто не будет отрицать, что живая клетка относится к одной из самых древних информационных систем естественного происхождения. Об этом говорит наличие в генах и других клеточных структурах закодированной информации. Об этом говорит наличие в любой живой клетке генетической памяти (ДНК), оперативной памяти (РНК), использование программируемых аппаратных устройств – ферментов, белков и других функциональных макромолекул, наличие молекулярных биопроцессорных систем репликации, транскрипции и трансляции генетической информации и т. д. Молекулярная информация уже давно стала чрезвычайно распространенной разновидностью кодированной информации. Очевидно, что по своему природному статусу, она является праматерью любых других видов информации. Во всем остальном она, как и другие виды кодируемой информации, характеризуется стандартными характеристиками и уровнями существования [2].
Кодирование сообщений оказалось настолько эффективным способом записи и передачи информации, что первоначально эти принципы были «разработаны» и развиты в молекулярных системах живой природы, а в дальнейшем применены для сложных биологических систем. Закодированная информация в цепочках химических букв и символов биологических макромолекул – это та умозрительная сущность, которую мы можем мысленно себе представить, то есть для нас это виртуальная реальность. Однако для самих биомолекул, это структурная и программная реальность, данная биомолекулам для построения и функционирования. Поэтому виртуальная реальность сейчас определяется как актуальная, событийная реальность, которая реально значима в настоящий момент времени.
Ясно, что кодированная информация, по всем своим показателям, является гениальным изобретением живой природы. Ведь недаром же она, в результате длительной эволюции, постепенно стала, наряду с материей и энергией, – основной сущностью нашего мира. Причем, еще раз важно отметить, что, несмотря на виртуальность кодированной информации, она способна к управлению, самообновлению, селективному отбору, эволюционному разнообразию и, что удивительно, подчиняется она не физико-химическим законам, а только своим специфическим закономерностям!
Движение наследственной информации всегда является сущностью процессов управления, регулирования и движения живой материи (как своего носителя). Информация всегда выступает главной доминантой при управлении различными объектами или процессами.
Можно без преувеличения сказать, что только совокупность всех универсальных свойств информации обеспечила возможность строительства (кодирования и программирования) на основе молекулярных мономеров (дискретных химических букв и символов) неограниченного множества различных, по своей конструкции, назначению и функциональным свойствам биологических макромолекул и структур. А главное, она обеспечила не только потенциальную вероятность эволюции живой материи, но и процессы информационного управления обменом энергии и веществ.
Одна из основных заслуг живой материи, видимо, и заключается в том, что с её «лёгкой руки», информация, зародившаяся в её недрах, вырвалась как джинн из сказочной бутылки! Разве не удивительно, что общие законы и принципы кодирования информации стали не только фундаментальными основами жизни, но и, впоследствии заново были «открыты» человеком и нашли самое широкое распространение во многих областях человеческой деятельности: в технике, в науке, в управлении, в экономике, в социальной и общественной сфере и т. д. Кодированием стал называться процесс преобразования тех или иных сведений и данных в совокупность букв (символов, цифр или знаков), определяемую кодом. А любой код стал ключом для перевода информации из одной её формы в другую.
Поразительно то, что в живых системах информация стала той неуёмной и необузданной силой и той неукротимой субстанцией, которая обладает чрезвычайно высокой способностью (на основе энергии и вещества и системной организации) создавать копии самих себя (реплицироваться), развиваться, совершенствоваться и поэтому вечно существовать во времени и в пространстве. По крайней мере, до тех пор, пока имеются источники энергии и вещества, подходящие условия для существования и позволяет их программа развития. Удивительно, что все мы: люди, животные, растения и даже бактерии являемся лишь оболочками, – биологическими объектами, приспособленными для выживания и дальнейшего воспроизводства этих информационных субстанций!
Вот и получается, что все мы живём под диктатом информации, которая не только окружает нас, но и внедрена и сосредоточена в каждом из нас на генетическом и молекулярно-биологическом уровне! Все мы – люди, по своей сути, и представляем собой высшую форму информационной субстанции, потому что в буквальном смысле сотканы и состоим из одной информации и подчинены ей на всех уровнях своего существования: на уровне генов, биологических молекул, на уровне каждой клетки. И ничего тут не поделаешь, – просто на Земле живые информационные субстанции существуют в таких видах и формах, которую они формируют на базе своей первичной (генетической и клеточной) информации и имеющейся на Земле материи. Однако чрезвычайная информационная насыщенность живого, к сожалению, биологами до сих пор еще не замечена, не осмыслена и не исследована.
Важным обстоятельством является и то, что перед живой клеткой не возникает проблемы, как передать информацию и, главное, какие материальные средства использовать при строительстве своих аппаратных средств. Информация в живых молекулярных системах записывается с помощью элементарной формы органического вещества – мономеров (нуклеотидов, аминокислот, простых сахаров, жирных кислот и других «био-логических» элементов). Следовательно, переносчиком информационных сообщений являются биомолекулы, в структурах которых записывается нужная информация.
При этом обратим внимание на удивительно важные свойства живой материи, которые проявляются повсеместно. А именно: при построении любых биологических макромолекул и структур применяются те же материальные носители, которые используются для передачи молекулярной информации. Этот факт, пожалуй, может объяснить, почему биомолекулы одновременно подчиняются не только физико-химическим, но и информационным закономерностям! [5].
Известно, что самоуправление и информационный обмен являются самыми существенными характеристиками функционирования живых систем. Поэтому в любых живых клетках феномены кодирования, хранения, перекодирования, передачи, обработки и использования генетической информации являются ключевыми для всех биологических процессов. Именно с кодированием информации связаны многие замечательные свойства живых клеток
Кроме того, молекулярная форма управления и передачи информации для нас привлекательна именно тем, что позволяет управлять биохимическими процессами живых клеток на недосягаемом для других технологий уровне, – на уровне малых молекул, их атомных групп и отдельных атомов! К своему удивлению мы только сейчас узнаем, что в основе жизни лежит необъятный и практически неисследованный мир молекулярно-биологической информатики и мир естественных информационных биохимических нанотехнологий. Здесь для записи информации применяются мономеры – химические буквы и символы (био-логические элементы) – нуклеотиды, аминокислоты, жирные кислоты, простые сахара и другие мономеры, имеющие размер в диаметре всего от 0,5 до 0,7 нм.
Информация наряду с материей и энергией в нашем мире является не только основной фундаментальной сущностью, но и одним из главных его ресурсов. Отметим, что по своему положению и статусу она является самой таинственной из этих трёх слагаемых. Кодированную информацию следует считать особым видом ресурса. При этом имеется в виду трактовка «ресурса» как запаса необходимых знаний и сведений о материальных предметах или энергетических, структурных или каких-либо других характеристик объектов, процессов или явлений. С информацией человек встречается на каждом шагу: в информационных технологиях, системах связи, в компьютерных технологиях, системах управления, в информационных системах живых клеток и т. д.
В общем виде можно сказать, что «Информация – это закодированные данные или сведения о любом факте, явлении, объекте или процессе, которые вырабатываются, передаются, и воспринимаются той или иной системой». Здесь информация обозначена как содержательные данные и сведения, которые представлены только в закодированной форме. Чтобы разобраться с проблемами молекулярной информатики, необходимо вспомнить основные представления, связанные с общим понятием «информация».
1) Информацию следует отнести к самой загадочной сущности нашего мира. Информация не материальна, но всегда связана с материальным объектом (бумагой, магнитным диском, звуковой или электромагнитной волной и т. д.) Материальный объект, который применяется для её хранения и передачи информации в пространстве и времени, называется ее носителем. Запись информации на носителе осуществляется с помощью смены его некоторых свойств (цвета, рельефа, формы, химического состава и т. д.)
Следовательно, «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 переносчиками, тем не менее, всегда выступает в виде автономного виртуального спутника своего носителя, то есть отдельного нематериального (абстрактного, умозрительного) природного явления.
Поэтому кодированная информация является нематериальной (виртуальной) сущностью. Вспомним обобщение Норберта Винера, который в свое время недвусмысленно отметил, что: « Информация – есть информация, а не материя и не энергия. Тот материализм, который не признает этого, не может быть жизнеспособным в настоящее время»!
В понятии «информация» всегда возникает необходимость при описании процессов управления в сложных системах, при передаче различного рода сообщений, при исследовании процессов жизнедеятельности живой клетки и т. д. Удивительно, но на этом понятии держится не только весь багаж мировых знаний, но и любая область человеческой деятельности. С понятием «информация» напрямую связаны не только феномены жизни, но и все сложные технические, биологические и общественные уровни её организации. Этот факт закономерно обнаруживается при внимательном рассмотрении и анализе удивительных свойств и закономерностей «информации» [2].
2) Несмотря на то, что «информация» является нематериальной категорией, однако существовать и воспроизводиться она может только на базе системной организации и на основе тех или иных материально-энергетических средств и носителей. Для накопления и передачи (переноса) информации требуются материальные носители. Поэтому информация всегда передается по каналам связи в виде материальных или энергетических кодовых сигналов, имеющих определенное смысловое значение. Информация всегда предполагает наличие той или иной системы, где она может кодироваться, перекодироваться и декодироваться.
3) Информация в системе всегда выступает как отдельное и самостоятельное явление, имеющее виртуальный (умозрительный) характер.
– При этом «кодирование информации, как правило, представляет собой действие, осуществляющее преобразование: «материальная сущность (вещество, энергия) > код», В процессе кодирования обозначаемые предметы, процессы, явления или свойства, по сути, отождествляются с обозначающими предметами, процессами, явлениями или свойствами. Кодирование обеспечивает восприятие информационной системой практически любых физических и химических сущностей. Кроме кодирования, других путей для того, чтобы хоть какие-то сведения о «физическом мире» стали известны «в мире кодов», просто не существует. Кодирование информации позволяет представлять одно и то же смысловое содержание в самом различном физическом виде. При этом информация сохраняет свое значение в неизменном виде пока остается в неизменном виде её носитель.
– Перекодирование информации представляет собой действие, осуществляющее преобразование: «код > код». Именно перекодирование позволяет перейти информации с одного носителя на другой. Перекодирование обеспечивает существование одной и той же информации в разных информационных системах.
– Декодирование информации представляет собой действие, осуществляющее преобразование: «код > материальная сущность (вещество, энергия)». Кодированная информация обязательно реализует себя в материальном мире. Подобная реализация выполняется за счет декодирования, которое преобразует код в вещественно-энергетическое воздействие, способное запустить соответствующую физико-химическую систему. Фактически декодирование согласует код с тем конкретным исполнительным механизмом, который он активизирует во внешней среде» [3].
4) «Если операции кодирования, перекодирования и декодирования имеют, в какой-то мере, служебный характер, то операции восприятия (в биологии – рецепции), переработки и реализации информации следует считать главными. Фактически именно эти операции определяют сущность информационных процессов.
– Восприятие кодированной информации заключается в том, что код и материальный носитель, на котором он существует, перемещается из внешней среды «внутрь» системы; перемещение может сопровождаться перекодированием и сменой материального носителя.
– Переработка кодированной информации – осуществляется над кодами, находящимися «внутри» системы. Так выполняются логические или био-логические (биохимические) операции.
– Логическая реализация кодированной информации – код и материальный носитель, на котором он существует внутри системы, выставляются «наружу», то есть перемещаются во внешнюю среду. Перемещение может сопровождаться перекодированием и сменой материального носителя.
– Вещественно-энергетическая реализация кодированной информации – посредством декодирования код преобразуется в вещество и (или) энергию и это вещество и (или) энергия из системы перемещается во внешнюю среду, фактически являясь активизатором какого-либо исполнительного механизма, имеющего физико-химическую природу. В части последней операции отметим, что иногда горят: «информация – это управление». Действительно, при решении многих задач информационные проблемы рассматриваются совместно с проблемами управления и регулирования.
5) Следует остановиться на таких специфических особенностях информации, как её передача, хранение и размножение.
– Если в процессе перемещения над кодами не производятся логические операции, а само перемещение превышает некоторые пространственные и временные пороги, то эти действия принято трактовать как передачу информации и хранение информации.
– Процесс размножение информации выполняется путем: копирования информации, при обязательном наличии экземпляра, работающего как оригинал или тиражирования информации, когда все экземпляры полностью идентичны, а оригинал отсутствует» [3]. Заметим, что как для накопления информации, так и для её хранения и перемещения, как правило, требуется не только своя кодовая система, но и свои материальные носители. Указанные процессы и характеристики кодированной информации наиболее широко применяются в живых молекулярных системах.
6) Очевидно, что кодированная информация, по своей природе, сущность не материальная, а виртуальная. То есть она и не вещество, и не энергия, а что-то другое, данное живой (материи) природе и нам в представление. Причем, важно отметить, что информация подчиняется не физическим законам, а только своим специфическим принципам и правилам (закономерностям информатики). Информация при кодировании становится виртуальным спутником материи или энергии, однако она является совершенно самостоятельной сущностью, хотя и зависимой от существования носителя, но независимой от его материальных или энергетических свойств. Следовательно, информация не может относиться к неотъемлемым свойствам материи даже тогда, когда информация закодирована в её структурах.
7) Кроме того, информация – это «многоликий Янус»: она может кодироваться на разных языках; записываться различными буквами, цифрами, знаками или химическими био-логическими элементами. Информация способна иметь множество разнообразнейших форм, видов и категорий и передаваться по разным физическим каналам различными кодами и способами.
8) Весьма загадочной остаётся способность одной и той же информации находиться и существовать в различных её видах и формах, передаваться (кодироваться) при помощи различных языков и записываться с помощью разных алфавитов. То есть одна и та же информация может храниться на различных физических носителях и передаваться от источника к приемнику по каналам, разным по своей природе. Причем, это одно из ключевых и фундаментальных свойств информации.
9) Информация, сохраняемая в любой записи, может считываться и передаваться на расстояние, записываться и вновь воспроизводиться без потерь, то есть формы её существования могут переходить одна в другую многократно. Информация, записанная любым способом на носителе, с течением времени может разрушаться под действием коррозии носителя и других физико-химических факторов. Потери информации также могут происходить при её передаче под действием помех и т. д. Информация сохраняет свое значение в неизменном виде, пока остается в неизменном виде носитель информации – память. Однако в природе нет памяти с бесконечным временем существования, поэтому срок «жизни» носителя (памяти), как правило, и определяет время существование информации.
10) Между тем, информация, благодаря уникальным способностям к смене своего носителя (например, генетическая), приобретает воистину удивительные способности – «вечности своего существования»! Поэтому можно сказать, что информация, хотя и зависит от многих факторов, однако она способна существовать неограниченно долго, что явно свидетельствует о том, что информация не зависит от времени своего существования. Это еще одно важное подтверждение того, что информация как сущность – нематериальна. Не удержусь от соблазна заметить, что в уникальной способности информации к вечному существованию заложена и потенциальная вероятность продления жизни любого живого организма, в том числе и человека.
11) К парадоксальным и загадочным закономерностям информации относится и тот факт, что при расходовании информации её количество не уменьшается, а наоборот — увеличивается!
К примеру, при чтении данной статьи читатель приобретает информацию, а у автора она остается прежней. Получение нами новых знаний основано именно на этом свойстве информации.
12) В связи с этим отметим еще одно из замечательных закономерностей информации. А именно: информационным ресурсам вс егда характерно постоянное движение, воспроизводство и обновление. Поэтому процессы размножения живых систем непосредственно связаны с удивительной способностью ресурсов наследственной информации к процессам самообновления, самовоспроизведения и приумножения (размножения).
Очень важно, что только эти процессы обуславливают способность живых существ к продолжению рода в дочерних системах (в новых поколениях), путем применения новых материальных носителей для информации. Очевидно, что удивительные свойства обновления и размножения присущи только информации, но не материи (веществу) или энергии. Поскольку движение, обновление и воспроизводство информации в живой системе всегда нуждается в новых вещественных носителях, то это, естественно, приводит к движению и воспроизводству вещества, тем самым определяя движение и воспроизводство самой живой материи. Таким образом, получается, что вещество, как носитель информации в любой живой системе полностью «закрепощено» информацией и всецело подчинено информационным процессам!
13) Только информация (а не материя или энергия) способна обусловить информацию, – это одно из замечательных свойств (закономерностей) информации. Только информация способна воспроизвести, породить, обновить, исправить, копировать или размножить информацию. А удивительные свойства передачи, хранения, копирования и размножения (самообновления и самовоспроизведения) информации представляют в живой системе тот феномен, который дарит живой материи те биологические характеристики и свойства, которые давно наблюдают биологи.
К слову сказать, что такое понятие как селекция так же связано с информационными представлениями, позволяющими осуществить отбор более жизнеспособной (наследственной) информации (а значит, и отбор особи). Очевидно, что информация является не только фактором управления (самоуправления) и регулирования, но и причиной размножения и селекции, а, следовательно, и главной движущей силой развития живой материи. Очевидно, что всей необъятной биосферой нашей планеты правит не какая-то сверхъестественная сила, а такая удивительная, простая и в то же время чрезвычайно сложная и таинственная сущность нашего мира, как информация.
14) Хотя понятие «информация» неоднозначно и, как правило, зависит от области её использования и применения, однако для любой живой системы главным фундаментальным свойством является её способность к управлению и оповещению (сигнализации). Способность к структурной упорядоченности и функциональной организации живой материи – один из главных аспектов молекулярной информации.
15) Очень важное свойство информации заключается также в том, что она способна быть управляющей силой только в той системе, которая воспринимает её как истинную смысловую реальность, то есть, где она становится реально значимой сущностью. Поэтому работа живых и сложных технических систем может быть обеспечена потоками и циркуляцией только той информации, которая реально значима и дееспособна в этих системах. Особо пристальное внимание информация заслуживает именно потому, что она определяет функциональное поведение системы – повышает её организацию и понижает энтропию (дезорганизацию).
16) Очевидно, что любая сложная информационная система способна пользоваться лишь той информацией, которая свойственна и присуща её природе! Поэтому в каждой системе, например, в живом организме циркулирует только «своя информация». Поэтому информация биомолекул другого организма является чуждой для данного организма, в связи с чем, она всегда отторгается и отвергается. Вспомним защитную реакцию иммунной системы. Это, на мой взгляд, тоже очень важное качество, которое входит в круг основных свойств и принципов информации.
17) К важным свойствам информации можно отнести и тот факт, что для передачи информации и других информационных процессов требуется относительно небольшое количество энергии. Однако слабые информационные воздействия в системе способны управлять работой любых, даже самых сложных силовых механических или энергетических установок.
18) Здесь мы затронули, по всей вероятности, лишь некоторую часть удивительных свойств понятия «Информация». Однако, пользуясь отмеченными фактами и представлениями, прежде всего, необходимо видеть огромнейшую понятийную разницу между самими материально-энергетические объектами и физическими процессами нашего мира, которые порой бывают чрезвычайно грандиозными по своим масштабам, и той информацией, которая о них передаётся. Любой процесс или объект косной природы обладает лишь своими физическими (или химическими) характеристиками, однако информация о них – это, увы, сущность совершенно другой природы!
Одно дело наличие и реальность материального мира и совсем другое – получение о его характеристиках информации, весь процесс которого связан не только с отбором нужных сведений и данных, но и с их переработкой – с процессами кодирования, преобразования и передачей сообщений. Природные материальные и физические процессы подчиняются только своим фундаментальным законам, изучением которых занимаются соответствующие науки. Информация же, исходя из общего понятия, не зависит ни от физических, ни от энергетических свойств своего носителя, она подчиняется только своим закономерностям, принципам и правилам.
19) Поэтому одним из основных характерных свойств кодированной информации является функция замещения. То есть информация – это никогда не сами исследуемые объекты, явления или процессы, – они замещаются закодированными сообщениями, состоящими из последовательностей букв, символов или знаков. В связи с чем, материальные объекты, явления или процессы сами по себе информацией никогда не являются.
20) «Классическая» теория (кодированной) информации позволяет измерять информацию текстов и сообщений, исследовать и разрабатывать приемы её кодирования в передатчике и декодирования в приемнике, измерять пропускную способность канала связи, исследовать уровень помех в канале связи и т. д.
21) В заключении следует отметить еще один важный аспект: все основные самовоспроизводимые ресурсы нашей Земли (лесные, сельскохозяйственные, рыбные, ресурсы птицеводства, животноводства и даже людские ресурсы), то есть их уникальная способность к самовоспроизведению и размножению так же, и в первую очередь, связана с удивительной способностью их информационных наследственных ресурсов к самовоспроизведению, размножению и распространению.
Все биологические макромолекулы, структуры и компоненты живой клетки и организма должны рассматриваться с информационно-кибернетической точки зрения как носители и реализаторы генетической информации. Законы молекулярной биологии, информационный дуализм, триединство вещества, энергии и информации живой материи, точно так же как и закономерности молекулярной биохимической логики и молекулярной информатики, действующие в живой системе, еще никто не отменял. В этом контексте должны даваться и общие представления о теории молекулярной информации и биологической информатике. Сейчас же «Биологической информатикой» почему-то называют науку, изучающую живую материю с помощью средств технической информатики, что явно не соответствует не только смыслу названия, но и самой сути информационной биологической науки.
Очевидно, что «Молекулярная и биологическая информатика» должна изучать, тот необъятный и мало исследованный информационный мир живого, который является причиной функционирования живых систем и лежит в основе живой природы и сущности самой жизни. Все, что происходило и происходит в живой природе, есть результат проявления информационного дуализма, принципа «триады» и информационного взаимодействия, при которых живая материя использует универсальный язык живой природы – кодированную информацию.
В общем виде можно сказать, что «Информация – это закодированные данные или сведения о любом факте, явлении, объекте или процессе, которые вырабатываются, передаются, и воспринимаются той или иной системой. Здесь информация обозначена как содержательные данные и сведения, которые представлены только в закодированной форме. Как мы видим, любая информация всегда предполагает наличие своей системы, где она способна циркулировать – генерироваться, кодироваться, перерабатываться, передаваться и восприниматься. Причем, источник информации передает её, а приемник – принимает. Такая модель вполне справедлива и для молекулярной биологической информации. Все эти процессы являются фундаментальными для любой живой системы, поэтому информация здесь тоже имеет свой семантический смысл и становится эффективной управляющей силой.
Генетическая память, сама по себе, структура инертная и статическая, она не может напрямую, лишь на основе законов физики и химии, передавать и регламентировать способность биологических молекул к упорядоченному поведению. Для этой цели в ДНК имеется только необходимая информация. Кроме того, ДНК, по молекулярным меркам, находится далеко от объектов управления (субстратов). Поэтому всё, что могут сделать гены, так это заранее передать ферментам и другим белкам клетки нужные сведения об их структурно-функциональной организации и программную информацию, для того, чтобы после доставки на место белки и ферменты могли действовать автоматически и самостоятельно. То есть живая клетка, для дистанционного управления процессами, сама «проектирует», изготавливает и транспортирует на рабочее место «программируемые» молекулярно-аппаратные средства, которые и служат в качестве выходного управляющего звена её биокибернетической системы [4].
Таким образом, любая живая клетка, для «автоматизации» своих процессов, действительно применяет целый арсенал молекулярной «робототехники»: различных молекулярных биологических автоматов, манипуляторов и агрегатов с программной биохимической логикой управления [5]. А разобраться во всех тонкостях информационного управления живой материей может, по-видимому, только специализированная наука – «Молекулярная биологическая информатика», которая в будущем должна стать основой общей «Биологической информатики».
Информатикой называют новую область научно-технической деятельности человека, которая занимается изучением методов автоматизированной переработки информации. К её сфере деятельности может относиться не только применение компьютеров, но также и исследование информационных систем вне техники, например, изучение информационных процессов живой клетки. В этом случае автоматизированную переработку генетической и субстратной информации более справедливо назвать молекулярной биологической информатикой.
Действие выходного управляющего звена молекулярных биопроцессоров – ферментов и других клеточных белков основано не на переборе вариантов при поиске решений. Теперь мы знаем, что ферменты, как молекулярные биологические автоматы, реализуют стереохимические принципы узнавания и динамического взаимодействия, которые гарантируют точность матричного спаривания биологических молекул и проверку их на информационное комплементарное соответствие друг другу с помощью их кодовых стереохимических матриц (микроматриц). Этим достигается не только повышенная помехоустойчивость при прохождении управляющей информации, но и высокая достоверность передачи информационных сообщений [5].
С появлением ферментов и белков, выполняющих роль молекулярных биологических автоматов с программной биохимической логикой управления, живая клетка получила целый комплекс уникальных средств, для дистанционной «автоматизированной» переработки, как управляющей, так и сигнальной, осведомляющей информации (молекул субстратов и пищевых веществ). Поэтому, в целом, можно констатировать, что управление всеми химическими и био-логическими функциями живой клетки осуществляется молекулярными информационными потоками и сетями «автоматизированного» управления [6].
Внедрение в клетку молекулярных биопроцессорных систем (транскрипции и трансляции) и их выходного управляющего звена – белков и ферментов, оказало колоссальное влияние на дальнейшее развитие биологической формы материи, в частности, на появление многоклеточных сообществ и организмов и вызвало взрывной, революционный процесс «биокибернетизации» живых систем.
Следовательно, можно сказать, что молекулярная информатика – это, прежде всего, информационная молекулярно-биологическая «автоматика», которая основана не на двоичной арифметике, а на принципах и правилах молекулярной биохимической логики. Она предназначена для «автоматизированной» переработки как генетической, так и субстратной информации. Это и есть одна из тех областей, где находят применение различного рода и назначения информационные молекулярно-биологические нанотехнологии.
На практике – это та область и сфера молекулярных информационных нанобиотехнологий, которая оказалась приспособленной не только для обработки информации, но и для переработки вещества и энергии. И это должно нами восприниматься как нормальное явление, так как информация, точно так же, как и химическая энергия, обнаруживает полное сродство с живым веществом на его молекулярном уровне. Поэтому можно констатировать, что единство вещества, энергии и информации является основным и фундаментальным принципом существования живой формы материи [1]!
А живая клетка, как элементарная основа жизни, как раз и становится тем центром, который предназначен для «автоматизированной» переработки молекулярной биологической информации, а, следовательно, биоорганического вещества (как своего носителя) и химической энергии. Эволюционное развитие клетки как мультипроцессорной системы для «автоматизированной» переработки генетической и субстратной информации означало начало революции в областях накопления, передачи и обработки различных форм и видов молекулярной информации в живых биологических системах. Поэтому важно отметить, что каждая живая клетка, точно так же, как и любая другая сложная информационная система, в первую очередь, – это универсальная система для «автоматизированной» переработки информации. Для этой цели она имеет все необходимые программные, аппаратные и энергетические молекулярные средства.
Особое значение клеток как раз и состоит в том, что с их появлением живая природа получила:
1) феноменальную генетическую (ДНК) и уникальную оперативную (РНК) память;
2) целый комплекс удивительных молекулярных биопроцессорных систем репликации, транскрипции и трансляции генетической информации;
3) выходное управляющее звено в виде белков и ферментов, выполняющих в клеточной системе роль молекулярных биологических автоматов с программной биохимической логикой управления;
4) собственные универсальные АТФ-генерирующие «станции» и т. д. [6].
5. О разделении кодовых посылок (сигналов) при передаче наследственной информации
Выбор структуры информационных кодовых посылок в живой системе (например, в клетке или организме) определяется особенностями каждого вида молекулярной информации и основан на разделении всех посылок на отдельные коды (например, функциональные адреса, команды, отдельные информационные сигналы, субмолекулярные матрицы или структурные программные модули, с помощью которых программируется функциональное поведение биологических макромолекул и т. д.).
Как известно, для использования клеткой генетическая информация, записанная в ДНК, должна быть расшифрована. Принцип декодирования очень прост, даже если в нем задействованы сложные ферментативные реакции. Порядок следования нуклеотидов в ДНК (последовательность) содержит всю генетическую информацию, которой располагает клетка. Эта информация записана четырьмя химическими буквами: А,Т,G,С [7]. (Нуклеотиды обозначены по их азотистым основаниям: А,T,G,C – то есть по боковым атомным группам нуклеотидов.) Заметим, что здесь каждому трехбуквенному (кодону) соответствует либо аминокислота, либо сигнал начала (инициации) или окончания (терминации) считывания. Поскольку с помощью кодонов надо зашифровать всего лишь 20 аминокислот, приходится иметь дело с вырожденным кодом: появляются кодоны-синонимы. Как и при любой письменности, необходимы еще и знаки препинания. Любая фраза, как правило, начинается с кодона АТG, (инициирующий кодон) и заканчивается одним или несколькими терминирующими кодонами (TAG, TGA, TAA). Помимо этого у каждого гена перед инициирующим кодоном содержится один или несколько участков регуляции экспрессии [7]. Таким образом, оказывается, что для записи информации в структуру ДНК применяется триплетный позиционный генетический код, в связи с чем, для каждого гена можно определить и построить свою собственную структуру кодовой посылки, которая и определит всю молекулярную наследственную информацию данного гена.
Генетическая информация не расшифровывается непосредственно с ДНК. Существует промежуточный этап – транскрипция, в которой информация копируется с одной из цепей ДНК. Так происходит с каждым геном или сразу с целой группой генов благодаря специальному ферменту – РНК-полимеразе. В результате образуется рибонуклеиновая копия (иРНК). Рибонуклеиновая кислота, на которой сделана эта копия, состоит из одной цепи нуклеотидов, у которых дезоксирибоза заменена на рибозу, а тимин (Т) заменен на урацил (U). При транскрипции прерывистых генов интроны копируются вместе с экзонами в общую молекулу пре-иРНК. Последняя подвергается в ядре серии реакций, в ходе которых интроны вырезаются, а экзоны соединяются друг с другом своими краями. Получившаяся молекула иРНК покидает ядро и оказывается уже во власти системы трансляции, дешифрующей нуклеотидную последовательность. Соединение аминокислот с образованием белка происходит в цитоплазме на особых частицах – рибосомах.
Все это можно сравнить с фабрикой (клетка) в которой чертежи (гены) хранятся в библиотеке (ядро), а для выпуска продукции (белки) используются не сами чертежи (ДНК), а их фотокопия (иРНК). Копировальная машина (РНК-полимераза) выпускает или по одной страничке фотокопии (ген), или сразу целую главу (оперон). Изготовленные копии выдаются через специальные окошки (поры ядерной мембраны) [7]. Многочисленные поры ядерной мембраны представляют собой не что иное, как многоканальную ядерную систему для передачи наследственной информации, которая в клетке используется в виде модулей оперативной памяти структуры иРНК.
С помощью электронного микроскопа биологи могут наблюдать захватывающее зрелище, когда через многочисленные каналы (поры) клеточного ядра в цитоплазму поступают «тончайшие нити» молекулярных структур иРНК, которые являются молекулярными носителями наследственной информации. Эти молекулы в клетке выполняют роль модулей оперативной памяти информационной системы живой клетки.
Эти модули затем используют на «монтажных линиях» (рибосомы) с дешифратором (генетический код) для получения из заготовок (аминокислот) окончательной продукции (белки). Как же происходит само декодирование? Ведь нет прямого соответствия между кодонами и их аминокислотами. Трансляция кодона в аминокислоту требует участия переходника (адаптера) – тРНК. На рибосоме тРНК, считывает своим антикодоном три нуклеотида из иРНК-матрицы и присоединяет свою аминокислоту к растущей полипептидной цепи.
Таким образом, в процессе дешифровки генетической информации существует два этапа: транскрипция, то есть копирование одной из цепей ДНК с образованием молекулы иРНК и трансляция, то есть собственно дешифровка, в ходе которой последовательность нуклеотидов иРНК переводится в последовательность аминокислот белка, продукта гена [7]. Причем, для защиты передаваемой информации от искажений используется циклическая передача кодовой посылки, когда с одной структуры оперативной памяти иРНК транслируется циклический ряд одинаковых полипептидных цепей.
К примеру, генетическая информация кодируется в виде последовательности нуклеотидов ДНК, – значит, все программы ДНК записаны и хранятся на линейном языке ДНК, а переписываются (транскрибируются) они на «линейную» последовательность нуклеиновых кислот РНК. Далее программная информация переводится (транслируется) с линейных цепей иРНК на полипептидные цепи белковых молекул. Этот этап характеризуется применением генетического кода и сменой молекулярного носителя информации, когда с помощью молекулярного аппарата трансляции и элементной базы строятся и программируются линейные структуры различных ферментов и других клеточных белков.
Смена молекулярных носителей обычно сопряжена с процессами кодирования и декодирования информации. К примеру, аминокислотные цепи белков, с одной стороны, являются конечным продуктом процесса декодирования генетической информации, а с другой – они же являются начальным процессом кодирования стереохимической организации белковых молекул с помощью аминокислотного кода.
При помощи соответствующих ферментов и элементной базы в клетке строятся линейные цепи и других классов макромолекул, например, полисахаридов, липидов и т. д. Как мы видим, этот принцип широко используется в различных по своему характеру биологических процессах. Линейный принцип кодирования-декодирования прост, даже если в нём задействованы сложные ферментативные системы, так как запись информационных сообщений осуществляется так же, как и при любой письменности – комбинационной последовательностью соответствующих букв или символов. Следовательно, любая молекулярная цепь в живой системе представляет собой линейное информационное сообщение, записанное химическим способом. Одни и те же сообщения могут быть записаны различными биологическими кодами, например генетическим кодом в иРНК или аминокислотным кодом в полипептидной цепи белковой молекулы. Эта информация носит чисто биологический характер, потому, что, в частности, в процессе линейного кодирования структурная организация макромолекул программируются путём ковалентного соединения и позиционного фиксирования соответствующих букв или символов в длинных молекулярных цепях. В связи с этим разные молекулярные цепи, с информационной точки зрения, эквивалентны различным дискретным сообщениям.
При этом последовательностью программных элементов (химических букв или символов) записывается в молекулярную цепь весь алгоритм структурного преобразования биомолекулы, то есть таким путём программируется построение её трёхмерной стереохимической организации. Можно сказать, что линейный принцип кодирования применяется живой природой не только для передачи сообщений, но и для компактной упаковки молекулярных цепей, а значит, и информации. Этот принцип широко применяется как способ преобразования «линейных» цепей биомолекул в трёхмерную структуру, а, значит, и линейной информации – в пространственную, стереохимическую информацию различных макромолекул.
Загруженные в «линейную» структуру молекулярной цепи алгоритмы – это воплощенные в последовательности элементов правила молекулярной биохимической логики, по которым занесенные в цепь данные воспринимаются как элементарные сигналы, подлежащие исполнению. Отсюда следует, что любое генетическое сообщение, перенесенное на линейную цепь макромолекулы, кодирует не только её трёхмерную структурную организацию, с различными исполнительными органами и механизмами, но и все её стереохимические кодовые (информационные) сигналы. Можно констатировать, что линейный принцип кодирования и программирования используется живой клеткой ещё и как способ перевода одномерной формы молекулярной биологической информации в трёхмерную информацию и нативную конформацию биологических макромолекул.
Поэтому важно обратить внимание на то обстоятельство, что все биохимические элементы в молекулярной цепи всегда представляют собой те программные элементы, из которых на первом этапе строится алгоритм структурного преобразования любой функциональной биомолекулы. К примеру, алгоритм конформационного преобразования белка задаётся в виде автоматного описания, заданного комбинационной последовательностью и составом кодирующих элементов (аминокислот) в «линейной» структуре полипептидной цепи.
Здесь, как мы видим, – процесс стереохимического преобразования структуры и информации осуществляется аминокислотным кодом. Аналогичным образом идет трёхмерное преобразование макромолекул полисахаридов или липидов, осуществляемое кодовыми элементами простых сахаров или жирных кислот. При этом, естественно, эти макромолекулы будут иметь свои биологические характеристики, и выполнять свои специфические функции. Линейный принцип кодирования в живой системе – это и есть тот начальный путь, который ведёт от молекулярной биологической информации к специфическим характеристикам живой формы материи [5].
7. Ферменты и другие функциональные белки – это молекулярные автоматы естественных
природных нанобиотехнологий с программной биохимической логикой управления
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. 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. 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. Сигнальная (осведомляющая) информация субстратов служит для информирования управляющей системы о состоянии управляемых объектов, о ходе реакций, об эффективности протекающих процессов и т. д. 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.
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.
Таким образом, 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 естественных нанобиотехнологий, то есть ферментами и белками.
8. «Робототехника» естественных (природных) нанобиотехнологий
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.
И, действительно, только в клеточных условиях ферменты способны повышать скорости катализируемых ими реакций в «10 в восьмой степени – 10 в двадцатой степени раз». А число оборотов наиболее активных ферментов достигает 36 000 000 в 1мин. Такое число молекул субстрата, претерпевает превращение за 1 минуту в расчете на одну молекулу фермента». Заметим, что такую непревзойденную производительность и избирательность, по мнению автора статьи, могут развивать и вырабатывать только лишь молекулярные биологические автоматы с программным управлением. Биологи до сих пор пытаются обойтись без исследования закономерностей молекулярной информатики. А проблемы организации живой материи и функционального поведения белковых и других молекул они пытаются решать по-своему.
Однако нельзя же серьезно относиться к той концепции, которая без всяких обоснований декларирует, что белковые и другие макромолекулы и структуры живой клетки просто «самоорганизуются», а ферменты, при этом, становятся теми катализаторами, которые получают способность управлять всеми химическими превращениями и биологическими функциями в живых клетках и организмах.
Катализаторы способны в определённой мере ускорять протекание химических реакций, но не до таких же астрономических значений и не с такой же производительностью, избирательностью и управляемостью, как это делают ферменты! Поэтому процесс самоорганизации живой материи – далеко не изученный процесс, который, по моему мнению, связан, прежде всего, с информационной сущностью живого, а ферменты, – это далеко не простые химические катализаторы даже только потому, что в своей работе применяют метод полифункционального катализа.
Кроме того белки малых и средних размеров являются весьма микроскопическими естественными образованиями и составляют в длину от 3,6 до 6,8 нм. Поэтому, очевидно, что ферменты различного назначения, по представлениям сегодняшнего дня, можно отнести к сложным автоматам естественных нанобиотехнологий, которые работают на уровне атомов, атомных групп и молекул и применяются живой природой уже многие сотни миллионов лет.
Ясно, что феномен биологического управления, которым обладают ферменты и другие клеточные белки, по силам лишь молекулярным биологическим автоматам или манипуляторам с программной биохимической логикой управления. Подобные процессы не могут обеспечиваться химическими катализаторами, какими бы уникальными и замечательными свойствами они не обладали. Работу ферментов, как организаторов всех химических процессов живой клетки, нельзя определять только одним, хотя и существенным их свойством.
Поэтому называть ферменты биокатализаторами химических процессов, с точки зрения сегодняшнего дня, более чем несовременно. Феномен биологического управления по силам лишь молекулярным биологическим автоматам и манипуляторам. А полифункциональный катализ, используемый молекулярными биологическими автоматами (ферментами), применяется лишь как способ управления химическими превращениями. Однако избирательная химическая и динамическая реактивность фермента может осуществляться только информационным путём.
В связи с этим, все белковые молекулы представляют собой не только потоки биоорганического вещества, но они же образуют и информационные потоки и сети, контролирующие различные биохимические и молекулярные функции живой клетки (организма)!
Программирование этих потоков и сетей обеспечивается экспрессией десятков и сотен различных генов, объединённых между собой скоординированными управляющими и регуляторными воздействиями. А если учесть, что различные ферментативные системы, состоящие порой из десятков и сотен ферментов, участвуют в организации множества различных последовательностей идущих друг за другом химических реакций, которые в совокупности составляют клеточный метаболизм, то можно констатировать, что управление химическими процессами и биологическими функциями клетки осуществляется молекулярными информационными потоками и сетями «автоматизированного» управления [7].
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 упущениям и ошибкам. Например, мы забываем (или не знаем), что функциональное поведение биологических макромолекул в живой системе подчинено не только всем известным законам физики и химии. В первую очередь, оно подчинено закономерностям молекулярной биохимической логики и информатики, иными словами, – информации, закодированной (загруженной) в структурах биологических макромолекул.
Следовательно, изучением живой материи должны заниматься не только биофизика, биохимия, молекулярная биология, но и молекулярная биологическая информатика. К сожалению, этот факт многими биологами пока еще не осознается и не воспринимается, что, на мой взгляд, является причиной мировоззренческого застоя и отставания в изучении биологической формы движения материи. Автор этой статьи уже давно придерживается мнения, что первичная биологическая информация, находящаяся в структурах ДНК живой клетки, представляет собой закодированные генетические сообщения и послания.
Поэтому путём транскрипции (переписывания) и трансляции (перекодирования) этих сообщений на аминокислотный код, в полипептидные цепи записываются (загружаются) те текстовые предписания, в которых содержится не только описание алгоритмов структурного преобразования, но и сама программа функционального поведения белковых макромолекул. А посредством ферментов и других белковых молекул кодируются и программируются все остальные макромолекулы и структуры живой клетки.
Здесь, как мы видим, само появление и развитие живой материи обязано такому фундаментальному свойству, как способности одной и той же информации существовать в различных её видах и формах. Причем, переводом информации из одной её системы кодирования в другую, обычно занимаются различные устройства – дешифраторы, трансляторы, преобразователи и т. д. Можно сказать, что ферменты – это молекулярные автоматы нанобиотехнологий, специально созданные для «телеуправления» различными рассредоточенными молекулярными объектами живой системы (субстратами).
Поэтому в структуру ферментов закладывается не только необходимая для этого информация, но и тот материальный переносчик, который в соответствии с закономерностями молекулярной биохимической логики, становится еще и материальным субстратом, из которого строятся все необходимые органы, механизмы и программы молекулярного автомата (фермента). Получается, что все макромолекулы клетки состоят из материальных (мономеров) и виртуальных компонентов (программ, команд, данных) [7].
Разные классы биомолекул выполняют различные специфические функции, которые основаны на применении своих биохимических элементов и своей структурно-функциональной информации. Так или иначе, генетическая информация, проникая в биологическую структуру через её элементарный состав, переносит туда и весь необходимый набор программных, энергетических и функциональных средств, на основе которых живая клетка достигает упорядоченности структур и процессов.
В связи с этим все клеточные процессы управляются и взаимно координируются той программной информацией, которая в данное время экспрессирована, перенесена и загружена в молекулярную структуру функциональных биологических молекул клетки. .
Одним из важнейших вопросов, стоящих перед нанотехнологией — как заставить молекулы группироваться определенным способом, организовываться, чтобы в итоге получить новые материалы, объекты или устройства с нужными параметрами и свойствами. К примеру, известно, что вирус, проникая в живую клетку способен переключить её аппаратные системы и механизмы и настроить их на свои собственные потребности.
Очевидно, что и человек, опираясь на свой разум и свои технические возможности, вполне способен освоить аппаратное и программное обеспечение соответствующих клеток для реализации той или иной нанотехнологии. Для достижения этих целей всегда можно использовать нужные гены наследственной памяти, оперативную память в виде РНК (иРНК, тРНК, рРНК), молекулярные биопроцессорные системы репликации, транскрипции, трансляции, молекулярные автоматы различного назначения (ферменты и белки). и т. д.
А разве не соблазнительно было бы химикам иметь химические нанотехнологии, способные реализовать сложные последовательности реакций за какие-то секунды, для проведения которых в химических лабораториях нужны специальные технологические условия и требуются часы, дни или недели работы. Ясно, что апробированные миллионолетиями нанобиотехнологии химических, энергетических и информационных процессов живых систем, должны стать достоянием науки и нанотехнологий сегодняшнего дня.
Литература.
1. Л. Б. Марголис «Почему мы не понимаем живую клетку, или Мифы молекулярной биологии». Интернет.
Ю. Я. Калашников. Статьи и публикации:
2. «Молекулярная элементная база живой материи». Дата публикации: 04.12.2006г., источник: http://new-idea.kulichki.com/ , философия. Источник: SciTecLibrary.ru , дата публикации: 14.01.08г.
3. «Информация – гениальное изобретение живой материи». Дата публикации: 13 июля 2007г., источник: SciTecLibrary.ru; Сайт: http://new-idea.kulichki.com/, философия, дата публикации: 05.05.2007г
4. «Единство вещества, энергии и информации – основной принцип существования живой материи». Дата публикации: 30 июня 2006г., источник: SciTecLibrary.ru; сайт: http://new-idea.kulichki.com/, философия, дата публикации: 07.12.2006г.
5. «Кодирование и программирование биологических молекул». Дата публикации: 01.01.2007г., источник: http://new-idea.kulichki.com/ , философия.
6. «Аспекты молекулярной биохимической логики и информатики». Дата публикации: 29.11.2007г., источник: SciTecLibrary.ru; Дата публикации: 05.12.2006г., источник: http://new-idea.kulichki.com/ , философия.
7. «Тайны молекулярной биологической информатики». Дата публикации: 15.09.2007г., сайт: http://new-idea.kulichki.com/, философия. Источник: SciTecLibrary.ru, дата публикации: 16.11.07г.
9. Живая материя - образование не только клеточное и физико-химическое, но и в высшей степени информационное!
Информационный подход проникает во все сферы человеческой деятельности. Не исключением является и наука о живой материи. Это естественно, так как наследственная информация и концепция генетического кода предполагают и наличие в любой живой клетке целостной системы управления, передачи и обработки информации.
Сравнительно недавно в технических устройствах для программной обработки информации стали применяться микропроцессоры. Известно, что процессор в технической информационной системе осуществляет процессы автоматического выполнения последовательности команд в соответствии с принципами программного управления. На основе микропроцессоров строятся различные устройства, способные обрабатывать любую информацию. Это чудо техники прошлого века, способное к программному управлению, внесло большой вклад в развитие современных информационных систем и технологий, компьютеров, управляющих устройств и т. д.
А знаете ли вы что первые процессоры, применяемые для микропрограммной обработки информации — это не изобретение человека?! Обратим внимание на то обстоятельство, что первые процессоры, встроенные в живую клетку, были применены живой природой ещё миллиарды лет тому назад! В первую очередь, – это молекулярные биопроцесcорные системы репликации, транскрипции и трансляции генетической информации.
Генетическая память, молекулярные биопроцессорные системы и их выходное управляющее звено – белки и ферменты являются центральными устройствами, на базе которых построена управляющая система живой клетки.
Гены служат только для хранения информации, поэтому её необходимо сначала считывать, а затем определённым образом обрабатывать с тем, чтобы получить форму, приспособленную для непосредственного применения в различных биологических процессах.
Для этой цели в клетке имеются специальные аппаратные средства транскрипции и трансляции, которые представляют собой не что иное, как молекулярные системы для микропрограммной обработки генетической информации. Фактически каждая живая клетка для микропрограммной обработки генетической информации применяет такие аппаратные устройства, которые с кибернетической точки зрения вполне эквивалентны молекулярным биологическим процессорам!
Состав и характеристики транскрипционного и трансляционного аппаратов достаточно наглядно представлены в соответствующей биологической литературе. Поэтому можно легко убедиться в том, что эти аппараты, как системы с микропрограммным управлением, имеют все необходимые узлы, компоненты и характеристики, позволяющие их отнести к категории молекулярных биопроцессорных систем управления!
Молекулярная биопроцессорная система отличается от управляющего микропроцессора не только вещественно-информационным субстратом или методом обработки информации в управляющие сигналы, но и широким параллелизмом действия её биопроцессорных единиц. Поэтому биопроцессорные единицы (например, рибосомы), несмотря на то, что они практически состоят из одних и тех же компонентов, можно легко подразделять как по назначению, так и по характеру выполняемых ими функций.
Процесс управления в сложных технических устройствах и в живой клетке, в определённой мере, выполняет одни и те же задачи, хотя есть и существенные различия в информационных субстратах и в организации самих информационных процессов.
Кроме того, если информация в технических устройствах есть функция аппаратной системы, то в живых клетках чаще всего наоборот, – информационные сообщения сами являются базовой основой построения или реорганизации аппаратной системы клетки (белков, ферментов и других функциональных устройств).
«Сердцем» типовой управляющей системы живой клетки являются генетическая память и локальные биопроцессорные контуры управления, находящиеся, как в цитоплазме клетки – трансляционный аппарат, так и биопроцессорные системы верхнего уровня, находящиеся в клеточном ядре – транскрипционный аппарат. Эти аппараты выполняют различные информационные функции. К примеру, ядерные биопроцессорные устройства верхнего уровня - (транскрипционный аппарат) служат для микропрограммного управления процессами считывания генетической информации в оперативную память структуры рибонуклеиновых кислот.
Известно, что ДНК и РНК живой клетки построены из одних и тех же мономерных звеньев – нуклеотидов. Однако между этими двумя нуклеиновыми кислотами имеются определённые различия, которые и привели к появлению в живой клетке особой молекулярной биопроцессорной системы, которая предназначена для считывания информации с ДНК-матрицы и переноса её на структуру РНК.
“Этот процесс носит название транскрипции (переписывания). При этом часть двойной спирали ДНК раскручивается, и вдоль одной из её цепей движется особый фермент, который выстраивает нуклеотидные мономеры РНК против их партнёров на цепи ДНК и соединяет эти мономеры друг с другом, так что образуется длинная цепь РНК. На ДНК-матрице образуется три типа РНК: информационная, транспортная и рибосомная” [1].
Таким образом, задача по считыванию генетической информации в оперативную память структуры РНК решается путем выполнения отдельных микроопераций строго в соответствии с микропрограммой того участка ДНК, который определяется структурным геном.
Результатом работы транскрипционной процессорной системы является загрузка в оперативную память РНК структурной и программной информации, которая необходима для выполнения различных биологических функций живой клетки.
Так происходит считывание генетической информации и передача её к другой биопроцессорной системе для трансляции, то есть для перевода информации иРНК в аминокислотную последовательность белковых молекул с помощью генетического кода.
В виде информационной РНК, которая в клеточной системе выполняет роль модуля оперативной памяти, генетические программы по синтезу полипептидов передаются к белоксинтезирующему аппарату клетки, то есть к рибосомам.
Кратко рассмотрим принцип работы молекулярной биопроцессорной системы трансляции (трансляционный аппарат). Основным компонентом типовой биопроцессорной единицы является рибосома. Важная регулирующая роль в синтезе белка помимо иРНК принадлежит тРНК. С помощью специального фермента аминоацил-тРНК-синтетазы тРНК присоединяет на одном из своих концов молекулу соответствующей аминокислоты, в результате чего возникает комплекс аминоацил-тРНК. тРНК при участии белковых факторов устройства управления и энергии гуанозинтрифосфата (ГТФ) доставляет аминокислоту в рибосому для включения ее в растущий полипептид. С помощью своего антикодона тРНК информационно взаимодействует с комплементарным ему кодоном иРНК и таким образом обеспечивает необходимую последовательность микроопераций включения аминокислот в синтезируемую полипептидную цепь, строго в соответствии с микропрограммой заданной иРНК.
Благодаря этой функции тРНК дешифрует генетический код в иРНК-матрице и переводит его в биологический код аминокислотной последовательности белка. Сама рибосома, в частности, обладает каталитической функцией, ответственной за образование пептидных связей в цепи белка. Как мы видим, иРНК в биопроцессоре играет роль матричного модуля оперативной памяти, несущего микропрограмму преобразования генетической информации в структурную и функциональную информацию полипептидной цепи белка.
Таким образом, задача по преобразованию генетической информации в линейную структуру белка решается путем выполнения отдельных элементарных микроопераций строго в соответствии с заданной микропрограммой, которая заранее была загружена в оперативную память структуры иРНК. При этом системой реализующей процесс трансляции с известными стадиями инициации, элонгации и терминации является молекулярный биологический процессор!
Весь ход процессинга и адресной доставки фермента в соответствующий компартмент осуществляется в виде отдельных операций манипуляторами устройства управления, точно в соответствии с кодовыми компонентами белка. В результате конформационного преобразования и процессинга макромолекула фермента (белка) приобретает характерную трехмерную конформацию со своими стереохимическими кодами и, в связи с этим, – свой информационно-кибернетический статус.
Далее, точно в соответствии с функциональным адресным кодом и кодом каталитической операции фермент, действуя как молекулярный биологический автомат, выполняет определенный тип химической реакции. Если фермент является аллостерическим, то на него могут воздействовать регуляторные молекулы обратных связей, влияя таким образом, на ход химической реакции. Так происходит реализация управляющей генетической информации.
Поскольку каждый фермент способен ускорять лишь какую-то одну цепь реакций данного соединения, не влияя на другие возможные реакции, то в отдельно взятом компартменте одновременно может протекать множество различных химических реакций. В связи с этим можно сделать заключение о том, что других специальных механизмов синхронизирующих работу белков и ферментов, по-видимому, не требуется (кроме сигналов обратных связей или изменения физических и химических факторов микросреды).
Если работу трансляционного аппарата рассматривать с информационной точки зрения, то он, как молекулярный биопроцессор, выполняет следующие основные функции:
1) реализацию алгоритма связывания начальной точки считывания матричной цепи иРНК (оперативной памяти) с рибосомой (процесс инициации трансляции);
2) микропрограммное преобразование, в реальном масштабе времени линейных информационных кодов (триплетов) иРНК в линейную аминокислотную кодовую последовательность полипептидной цепи белка (процесс элонгации);
3) реализацию алгоритма процесса терминации (завершения) трансляции.
Важно отметить, что размещенные в оперативной памяти иРНК генетические программы сначала загружаются биопроцессорной системой трансляции в полипептидные цепи, а затем реализуются в виде трёхмерных макромолекул белков и ферментов!
Специфические коды регуляторных молекул воспринимаются центральными устройствами управляющей системы или аллостерическими ферментами, в частности, и это ведет к изменению хода управляемых химических реакций.
Система самоуправления живой клетки состоит из локальных биопроцессорных контуров управления цитоплазмы и систем верхнего ядерного уровня. Между ними также обеспечивается интенсивный обмен информацией. В ядерную систему верхнего уровня передается как запрос на нужную управляющую информацию, так и сигналы обратной связи о достижении целей управления.
Как мы видим, для программной обработки генетической информации в живой клетке широко применяется принцип микропрограммного управления, когда выполнение одной биологической операции (например, синтез белка) распадается на последовательность отдельных элементарных операций. Поэтому живая клетка для микропрограммной обработки генетической информации имеет свои специфические устройства, которые с кибернетической точки зрения вполне эквивалентны молекулярным биологическим процессорам!
Молекулярный биопроцессор, на своём рабочем уровне, тоже реагирует на список операций, называемой программой. Эта программа, как известно, заключена в генах и предназначена для переноса на биомолекулы иРНК, которые в клеточной системе выполняют роль оперативной памяти.
В биологической литературе такие аппаратные системы уже давно отождествляются с молекулярными биологическими “машинами” или механизмами.
Наглядный пример: “Синтез белка в клетке осуществляет сложная система, состоящая из множества компонентов. Одна из особенностей этой системы заключается в том, что она существует в клетке как бы в разобранном виде, то есть её отдельные компоненты, когда они не участвуют в синтезе белка, не связаны друг с другом в единую физическую структуру, а находятся в цитоплазме раздельно. Но каждый раз, когда начинается процесс синтеза белка, из этих компонентов, благодаря их согласованному взаимодействию, возникает своеобразная, уникальная биологическая “машина”. Пусковым событием, которое приводит к взаимодействию всех компонентов системы синтеза белка и образованию активно работающей “машины”, является поступление генетической информации в виде иРНК. Завершение процесса трансляции приводит одновременно и к диссоциации белоксинтезирующего комплекса на отдельные его компоненты. Следовательно, биологическая “машина”, синтезирующая белок, представляет собой очень динамичный комплекс, который собирается каждый раз заново для синтеза индивидуальной полипептидной цепи. Уникальность такой “машины” состоит в том, что, возникая каждый раз из одних и тех же компонентов и работая по одному и тому же принципу, она выдаёт каждый раз различную продукцию (различные белки) в зависимости от получаемой ею программы” [2].
Как мы видим, весь смысл работы молекулярных биопроцессоров заключаются в том, чтобы передать структурную и программную информацию белкам и ферментам – выходному управляющему звену биопроцессорных систем живой клетки! Поэтому транскрипционный аппарат обеспечивает загрузку разнообразнейшей информации в оперативную память структуры иРНК, а трансляционный аппарат строго в соответствии с этими данными строит различные полипептидные цепи белков.
При этом выходное звено управления, с информационной точки зрения, представляет собой множество различного рода адресно доставляемых и локально рассредоточенных молекулярных биологических автоматов и манипуляторов (ферментов и белков) и агрегатированных молекулярных аппаратных устройств с программной биохимической логикой управления [4].
Применение в управляющей системе биопроцессорных устройств явилось существенным эволюционным вкладом в повышение гибкости и улучшения качества управления биохимическими процессами клетки. Именно на этом уровне рельефно проявляется факт целенаправленного прохождения генетической информации и ее управляющий характер. Функции биопроцессорных единиц в управляющей биокибернетической системе клетки жизненно важны и требуют с информационной точки зрения более детального рассмотрения и изучения.
По выполняемым функциям генетическая память, молекулярные биопроцессоры и их выходное звено – ферменты и белки являются центральными устройствами клетки, на базе которых построена её информационная биокибернетическая система. А биопроцессорные единицы живой клетки при этом отличаются широким параллелизмом действия и возможностью изменения управляющей программы.
В связи с этим, система самоуправления живой клетки состоит из локальных контуров управления, действующих как в цитоплазме, так и в самом ядре живой клетки. Между ними также обеспечивается интенсивный обмен информацией. В ядерную систему верхнего уровня передаётся как запрос на нужную управляющую информацию, так и сигналы обратной связи о достижении целей управления.
Поэтому самым приоритетным направлением молекулярной биологической информатики должно стать изучение структурной организации биопроцессорных единиц и механизмов их функционирования.
Однако уже ясно, что в основе действия этих механизмов лежит позиционная информация биомолекул – линейных, локальных и поверхностных молекулярных биохимических матриц, образованных линейным, а затем и координатным расположением боковых атомных групп составляющих их элементов, способных к динамическому взаимодействию и спариванию посредством различных информационных сил и связей [5].
Особое значение клеток как раз и состоит в том, что с их появлением живая природа получила целый комплекс удивительных молекулярных биопроцессорных систем управления, с уникальной генетической и оперативной памятью!
Эти системы приспособлены к «автоматизированной» обработке генетической информации, а их выходное управляющее звено – белки и ферменты приспособлены к «автоматизированной» обработке различных видов молекулярной информации, как управляющей, так и сигнальной осведомляющей (субстратной), в том числе и молекулярной информации питательных веществ.
Поэтому, в целом, можно констатировать, что управление всеми химическими и биологическими функциями живой клетки осуществляется молекулярными информационными потоками и сетями “автоматизированного” управления!
А управляющая система клетки, состоящая из генетической памяти, комплекса локальных биопроцессорных систем и выходного управляющего звена – молекулярных автоматов и манипуляторов, воспринимает информацию о ходе управляемых реакций, об эффективности протекающих процессов, об изменении физических и химических факторов и в зависимости от результата корректирует управляющие воздействия [4].
Живая клетка должна постоянно пользоваться той информацией, которая хранится в её генетической памяти. Поэтому каждая клетка имеет все необходимые программные и аппаратные средства для “автоматизированной” обработки генетической информации. Обработанная и загруженная в различные биологические макромолекулы информация нужна как для взаимодействия этих биологических молекул друг с другом, так и для их функционального поведения.
Генетическая память, молекулярные биопроцессорные аппараты транскрипции и трансляции и их выходное управляющее звено – белки и ферменты являются центральными устройствами, на базе которых построена управляющая система живой клетки!
Белковые макромолекулы, представляющие собой молекулярные биологические автоматы, образуют различные циклические информационные потоки и сети, контролирующие различные химические и молекулярные функции живой клетки (организма). Программирование этих потоков и сетей обеспечивается экспрессией десятков и сотен различных генов, объединенных между собой скоординированными управляющими и регуляторными воздействиями.
Поэтому, если учесть, что различные ферментативные системы, порой состоящие из десятков и сотен ферментов (молекулярных автоматов), участвуют в организации множества различных последовательностей идущих друг за другом химических реакций, которые в совокупности составляют клеточный метаболизм, то можно констатировать, что управление химическими процессами и биологическими функциями живой клетки осуществляется молекулярными информационными потоками и сетями “автоматизированного” управления!
Это ли не примеры наглядного и прямого доказательства информационной сущности всего живого ?!
Давно пора биологам повсеместно признать, что живая материя — это образование не только физико-химическое и клеточное, но и в высшей степени - информационное! По своей сущности — это продукт естественных (природных) информационных нанобиотехнологий, которые на нашей Земле стали основой эволюции живого мира!
10. О необходимости информационного подхода к молекулярным биологическим проблемам
Известно, что в ДНК хромосом любой живой клетки важнейшим атрибутом является наследственная информация, а концепция генетического кода предполагает наличие в клетке целостной системы управления и передачи генетической информации. Поэтому каждую живую клетку можно рассматривать и как мощную естественную информационную управляющую систему, представляющую собой универсальный центр по синхронной переработке сразу трех составляющих живой материи — биоорганического вещества, химической энергии и молекулярной информации.
Еще в 80-х годах прошлого столетия автор этой статьи увлекся проблемами молекулярной биохимической логики и молекулярной информатики, но оказалось, что несмотря на все предпосылки, такого понятия и направления в биологической науке не существует.
Кстати, та биоинформатика, которая в настоящее время преподается в некоторых ВУЗах как отдельная дисциплина, предназначенная для изучения биологической формы материи с помощью средств технической информатики (в частности компьютеров), прямого отношения к «биоинформатике», на мой взгляд, не имеет, так как она является лишь техническим подспорьем в исследовании живого.
По этой причине автору статьи пришлось самому разыскивать в обширной биологической литературе и обобщать именно те физико-химические закономерности, которые могли бы относиться к закономерностям информационным.
Формулировать те идеи и концепции, которые могли бы стать идеями молекулярной биохимической логики и информатики. В связи с этим по данной тематике у меня появился ряд публикаций, из которых пять работ было депонировано в ВИНИТИ РАН и около 30 статей опубликовано в Интернете.
Кроме того, две работы были опубликованы в журнале «Доклады независимых авторов», изд. «DNA», Россия-Израиль, 2008, вып. 8, printed in USA, Lulu Inc., ID 2221873, ISBN 978-1-4357-1642-1.
А в 2013-14 годах издательство LAP LAMBERT Academic Publishing Немецкой Национальной Библиотеки выпустило две моих книги (монографии) — 1. «Аспекты молекулярной биологической информатики» (668 стр.) и 2. «Биологии нужна новая наука — «Молекулярная биоинформатика» (292 стр).
Надеюсь, что альтернативный информационный подход к молекулярным биологическим проблемам позволил автору в своих работах не только с достаточной достоверностью сформулировать и обобщить именно те идеи, гипотезы и концепции, которые уже сегодня могут дать первоначальные представления об информационных процессах на молекулярно-биологическом уровне, но и помог, не общими словами, что было характерно для биологии, а более детально и открыто говорить об информационной сущности самой живой материи.
По воле случая я оказался в рядах тех, кто открыто и настойчиво предлагал для обсуждения не физико-химический, а информационный подход к молекулярным биологическим проблемам живой материи. Это подтверждает ряд моих работ, опубликованных в разное время. Отмечу, что в этих работах я, как независимый автор, высказываю только свое частное мнение, которое, естественно, всегда открыто для обсуждения.
11. Идеи, концепции и гипотезы молекулярной биохимической логики и информатики
11.1. Общие сведения
Автор данной публикации, в целях поддержки информационного направления в биологии, предлагает ряд своих идей, концепций и гипотез, которые ранее были сформулированы в статьях, опубликованных в Интернете ( около 30 статей) и депонированных в ВИНИТИ РАН (5 работ). Формулировка каждой из идей в данной публикации состоит из трёх частей: 1) названия идеи, концепции или объекта, используемого для гипотезы; 2) короткой формулировки самой идеи, концепции или гипотезы и 3) указания источника: статьи или публикации, где более полно раскрывается их сущность.
11.2. “Молекулярная элементная база живой материи”
Молекулярная элементная база, в соответствии с основами биохимии, представляет собой определенный набор молекулярных “строительных блоков”, с помощью которых “конструируются” различные биологические макромолекулы и биоструктуры.
Предлагаемая идея заключается в том, что эта база, в первую очередь, представляет собой отдельные системы (алфавиты) био-логических элементов – нуклеотиды, аминокислоты, простые сахара, жирные кислоты и другие мономеры, которые обладают особыми физико-химическими свойствами, позволяющими им в составе макромолекул одновременно выполнять различные по своей биологической роли функции и операции. А именно:
1. Служить в качестве био-логических (биохимических) элементов. С помощью типового функционально набора таких элементов в живой системе могут быть реализованы биологические функции любой сложности.
2. Исполнять роль натуральных информационных единиц – отдельных химических букв и символов общего молекулярного алфавита, при помощи которого в биомолекулы записывается молекулярная информация. Информация передается с помощью последовательности букв или символов, а статистическое содержание информации в цепочке букв или символов есть количественная сторона. Она может быть выражена в битах.
3. Служить в качестве элементарных единиц молекулярного кода, с помощью которого идёт кодирование, преобразование, передача, а впоследствии, – воплощение и реализация генетической информации. Информационные передачи всегда упорядочиваются применением кода. А семантический уровень молекулярной информации определяется кодированием, которое применяется для передачи того или иного смыслового сообщения.
4. Быть программными элементами, с помощью которых строятся алгоритмы структурного преобразования, а затем и программа функционального поведения различных биологических макромолекул и структур.
5. Обуславливать потенциальную и свободную химическую энергию биомолекул.
Все эти характеристики элементной базы в своей совокупности определяют основные закономерности молекулярной биохимической логики и информатики, которые являются фундаментальными основами живых систем. Поэтому, молекулярный алфавит – это ключ к познанию информационной сущности живой материи!
Источник: 1. “Молекулярная элементная база живой материи”. Дата публикации: 04.12.2006г., http://new-idea.kulichki.com/
2. Основы молекулярной биологической информатики. – М., 2004. – 66с. – Депонир. в ВИНИТИ РАН 13.04.04, №622 – В2004, УДК 577.217: 681.51
11.3. “ Переносчик (носитель) молекулярной биологической информации”
Как это ни странно, но в молекулярных биологических системах переносчик информации до сих пор не определён. Видимо поэтому для некоторых биологов молекулярная информация скорее миф, чем реальность. Очевидно, что для передачи информации используются химические буквы и символы (био-логические элементы) общего молекулярного алфавита.
Причем, 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 синусоидального или импульсного тока и напряжения, то в молекулярно-биологических системах, в качестве элементарных сигналов, применяются химические сигналы различных био-логических элементов – нуклеотидов, аминокислот, простых сахаров, жирных кислот и др. с переносчиком в виде их боковых атомных групп.
Наглядный пример: сообщение в цепи ДНК или РНК записывается 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 атомные R-группы.
С помощью соответствующих символов (мономеров) функциональная информация записывается и в структуры липидов и полисахаридов. Таким образом, живые молекулярные системы используют химический принцип записи информации. А элементарные химические информационные сигналы определяются соответствующими био-логическими элементами, выступающими в качестве натуральных дискретных единиц молекулярной биологической информации!
Источник: 1. “Молекулярная элементная база живой материи”. Дата публикации: 04.12.2006г., http://new-idea.kulichki.com/
2. “Основы молекулярной биологической информатики”. – М., 2004. – 66с. – Депонир. в ВИНИТИ РАН 13.04.04, №622 – В2004, УДК 577.217: 681.51
11. 4. “В живых клетках для записи информации широко применяется комбинационный принцип
использования молекулярных букв и символов (био-логических элементов) общего алфавита”
Запись информации в живых клетках осуществляется так же, как и при любой письменности – комбинационной последовательностью соответствующих букв или символов. Для этой цели применяется общий молекулярный биологический алфавит, содержащий более 30 химических букв и символов.
Молекулярные буквы и символы отличаются друг от друга содержанием функциональных и боковых атомных групп и атомов, входящих в состав каждого элемента, их различными химическими, структурными и функциональными свойствами. Поэтому все биохимические элементы – нуклеотиды, аминокислоты, простые сахара, жирные кислоты и другие мономеры являются натуральными дискретными информационными единицами – химическими буквами или символами живой материи, служащими для представления биологической информации в различных её молекулярных видах и формах!
Боковые атомные группы всех био-логических элементов играют роль тех физико-химических сигналов, с помощью которых в молекулярной цепи осуществляется воплощение информации, то есть – кодовая форма записи различных сообщений. При этом каждый элемент в составе биомолекулы имеет различное смысловое значение, которое зависит от его позиционной фиксации в молекулярной цепи, а затем и в трёхмерной структуре. Такая система представления информации называется позиционной.
Следовательно, для кодирования молекулярной биологической информации в живых клетках широко применяется комбинационный принцип использования химических букв и символов общего молекулярного алфавита и позиционная система представления информации с фиксированными дискретными данными.
Источник: 1. “Биологика информационных взаимодействий в живой клетке”. – М., 2002. – 34с.– Депонир. в ВИНИТИ РАН 6.11.02, №1923-В2002, УДК 577.217:681.51
2. “Аспекты молекулярной биохимической логики и информатики”. Дата публикации: 05.12.2006г., источник: http://new-idea.kulichki.com/
11.5. “Линейный принцип кодирования биологических макромолекул”
Генетическая память и средства программирования белковых макромолекул находятся на значительных, по молекулярным меркам, расстояниях от объектов управления (субстратов). Поэтому живая клетка вынуждена кодировать информационные сообщения и передавать их по различным каналам связи, сначала в форме линейных молекулярных цепей, а затем и в форме трёхмерных биомолекул.
Благодаря уникальным свойствам элементной базы, структура молекулярных цепей всегда содержит конкретный алгоритм конформационного преобразования биомолекул. В связи с этим, на разных этапах передачи генетических сообщений и программной информации в молекулярных биологических системах широко применяется и используется линейный принцип кодирования биологических макромолекул.
К примеру, генетическая информация кодируется в виде последовательности нуклеотидов ДНК, – значит, все программы ДНК записаны и хранятся на линейном языке ДНК, а переписываются (транскрибируются) они на “линейную” последовательность нуклеиновых кислот РНК. Далее программная информация переводится (транслируется) с линейных цепей иРНК на полипептидные цепи белковых макромолекул.
Этот этап характеризуется применением генетического кода и сменой молекулярного носителя информации, когда с помощью молекулярного аппарата трансляции и элементной базы строятся и программируются “линейные” структуры различных ферментов и других клеточных белков. Смена молекулярных носителей обычно сопряжена с процессами кодирования и декодирования информации.
К примеру, аминокислотные цепи белков, с одной стороны, являются конечным продуктом процесса декодирования генетической информации, а с другой – они же являются начальным процессом кодирования стереохимической организации белковых макромолекул с помощью аминокислотного кода!
При помощи соответствующих ферментов и элементной базы в клетке строятся линейные цепи и других классов макромолекул, например, полисахаридов, липидов и т. д. Линейный принцип кодирования-декодирования прост, даже если в нём задействованы сложные ферментативные системы, так как запись информационных сообщений осуществляется так же, как и при любой письменности – комбинационной последовательностью соответствующих букв или символов.
Можно сказать, что линейный принцип кодирования применяется живой природой не только для передачи сообщений, но и для компактной упаковки молекулярных цепей, а значит, и информации. Этот принцип широко применяется как способ преобразования “линейных” цепей биомолекул в трёхмерную структуру, а, значит, и линейной информации – в пространственную, стереохимическую информацию различных макромолекул!
Источник: 1. “Биологика информационных взаимодействий в живой клетке”. – М., 2002. – 34с.– Депонир. в ВИНИТИ РАН 6.11.02, №1923-В2002, УДК 577.217:681.51
2. “Аспекты молекулярной биохимической логики и информатики”. Дата публикации: 05.12.2006г., источник: http://new-idea.kulichki.com/
11.6. “Стереохимический принцип кодирования и программирования функций биологических макромолекул”
Метод пространственного (стереохимического) кодирования основан на предварительном преобразовании линейной кодовой комбинации элементов цепей биомолекул в трёхмерную кодовую координатную организацию этих элементов и их боковых атомных групп в пространственной решетке! К примеру, линейная кодовая информация полипептидных цепей (как, впрочем, и других цепей биомолекул) всегда содержит конкретный алгоритм стереохимического преобразования макромолекул.
Заметим, что в результате этих преобразований в структуре белковой макромолекулы 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 сигналов!
К таким сигналам могут относиться: стереохимические команды управления активного центра фермента (адресный код и код химической операции); различные сигнальные и регуляторные кодовые компоненты; коммуникативные локальные или поверхностные кодовые биохимические матрицы (микроматрицы), служащие для информационного взаимодействия биомолекул 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 макромолекулы, имеет химическую основу и носит информационный характер! Макромолекула как бы стабилизируется самосогласованным сжимающим информационным полем, обусловленным силами взаимодействия между мономерами (программными элементами).
Поэтому стереохимический принцип кодирования молекулярной информации применяется живой природой для размещения в одной макромолекуле различных по своему назначению сигналов, сообщений, команд управления, а также органов и механизмов их реализации. 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. В связи с этим, процесс описания конкретного функционального алгоритма белковой молекулы на языке “стереохимических кодовых команд” можно назвать – “программированием в стереохимических кодах”!
Источник: 1. “Биологика информационных взаимодействий в живой клетке”. – М., 2002. – 34с.– Депонир. в ВИНИТИ РАН 6.11.02, №1923-В2002, УДК 577.217:681.51
2. “Аспекты молекулярной биохимической логики и информатики”. Дата публикации: 05.12.2006г., источник: http://new-idea.kulichki.com/
11.7. “Аминокислотный код”
Информация, как известно, определяет поведение системы, повышает её организацию и понижает энтропию (дезорганизацию). Для того чтобы понять информацию, необходимо знать код, – способ её представления.
В молекулярной биологии в настоящее время утвердилось представление о применении такого кода только в случае трехпозиционного генетического кода.
Однако для кодирования различных видов и форм молекулярной информации живая клетка использует различные системы элементов общего алфавита, поэтому запись информации может осуществляться различными буквами и символами.
Это ведёт к новому представлению о том, что в любой клетке для кодирования и декодирования информации широко применяются и другие молекулярные коды, которые служат для перевода и преобразования информации из одного её молекулярного вида в другой, из одной её формы в другую!
В частности, многопозиционный аминокислотный код является одним из таких молекулярных кодов, так как он дает представление о механизмах стереохимического кодирования и программирования белков и ферментов.
В кодовых посылках структуры полипептидной цепи могут быть заключены:
1) адресные кодовые комбинации аминокислотных остатков, которые являются основой формирования адресных стереохимических кодов активного центра фермента (для коммуникативного взаимодействия с молекулами субстрата);
2) “операционная” кодовая комбинация аминокислот – служит основой формирования кода операции активного центра, указывающего характер химической реакции;
3) структурная часть кодовой комбинации аминокислотных остатков, которая кодирует построение и осуществляет программное обеспечение исполнительных органов и механизмов белковых молекул;
4) текстовая часть – кодирует и программирует средства информационной коммуникации белка с другими биомолекулами клетки (локальные или поверхностные рельефные микроматрицы) и т. д.
Иточник: 1. “Биологика информационных взаимодействий в живой клетке”. – М., 2002. – 34с.– Депонир. в ВИНИТИ РАН 6.11.02, №1923-В2002, УДК 577.217:681.51
2. “Аспекты молекулярной биохимической логики и информатики”. Дата публикации: 05.12.2006г., источник: http://new-idea.kulichki.com/
11.8. “Молекулярный стереохимический код”
Стереохимический код – это пространственная кодовая организация элементов (букв или символов) и их боковых атомных групп в виде локальных или поверхностных биохимических микроматриц в углублениях или на поверхностных участках биологических макромолекул.
Матричный принцип кодовых взаимосоответствий является основой информационного взаимодействия биологических молекул друг с другом. Такое соответствие в молекулярной биологии можно назвать информационной функцией. Только в случае комплементарных взаимодействий биомолекул друг с другом с помощью биохимических матриц, когда обнаруживается их химическая и стерическая (контактная) взаимодополняемость, эти коды (субмолекулярные матрицы) активируются и ведут к возбуждению биологических молекул и их функций!
То есть по совпадению кодов осуществляется контроль передачи и приёма молекулярной биологической информации! Здесь речь идёт о характеристиках процессов рецепции информации и способности рецепторной системы влиять на исполнительные органы биомолекул. Информационные взаимодействия биомолекул являются прелюдией к выполнению функций биологических! Следовательно, можно констатировать, что стереохимические коды – это те молекулярные коды, которые непосредственно участвуют в формировании биологических функций и реализации химических превращений.
Собственно, – это и есть те разыскиваемые коды соответствий биологических молекул, которые являются основой их информационного взаимодействия, а затем и функционального поведения! Стереохимическими кодами – пространственной организацией элементов в трёхмерной структуре, программируются функции, поведение и биологическая судьба не только белковой, но и любой другой биологической макромолекулы клетки.
Источник: 1. “Биологика информационных взаимодействий в живой клетке”. – М., 2002. – 34с.– Депонир. в ВИНИТИ РАН 6.11.02, №1923-В2002, УДК 577.217:681.51
2. “Аспекты молекулярной биохимической логики и информатики”. Дата публикации: 05.12.2006г., источник: http://new-idea.kulichki.com/
11.9. “Химический принцип представления информации – гениальное изобретение живой природы”
Первая закодированная информация появилась более 3,5 миллиардов лет тому назад. Это была “буквенно-символьная” информация биологических молекул. Можно сказать, что химический способ представления информации стал именно тем гениальным изобретением природы, с помощью которого была подведена черта под химической эволюцией материи, и были открыты непредсказуемые пути великой эволюции – информационной и биологической!
Живая природа оказалась искусным шифровальщиком и применила на молекулярном уровне такие системы кодирования и программирования, которые гарантировали сохранность тайн живой материи буквально до наших дней. И только в начале второй половины 20 века был открыт генетический код, и была сформулирована проблема действия генов как расшифровки закодированных в них сообщений.
Однако среди биологов не оказалось квалифицированных криптографов, которые могли бы расшифровать различные линейные и пространственные кодовые комбинации молекулярных био-логических элементов (мономеров), используемые в биомолекулах для передачи информационных сообщений.
Ясно, что размещение био-логических элементов в пространственной решетке трёхмерных биологических макромолекул является более совершенным способом их организации, чем размещение логических элементов на плоской поверхности интегральных микросхем. Био-логические элементы в биомолекулах оказались как бы упакованными “горизонтальными слоями на вертикальных уровнях”. Таким образом, в живой материи была достигнута невероятная плотность записи информации, так как её кодирование осуществляется на субмолекулярном уровне, с помощью боковых атомных групп молекулярных био-логических элементов – нуклеотидов, аминокислот, простых сахаров, жирных кислот и других мономеров.
Источник: 1. “Биологика информационных взаимодействий в живой клетке”. – М., 2002. – 34с.– Депонир. в ВИНИТИ РАН 6.11.02, №1923-В2002, УДК 577.217:681.51
2. “Аспекты молекулярной биохимической логики и информатики”. Дата публикации: 05.12.2006г., источник: http://new-idea.kulichki.com/
11.10. “Химические буквы, символы и знаки”
Для восприятия информационной концепции организации живого условно можно принять, что:
1) химическими буквами являются нуклеотиды и аминокислоты, с помощью которых записывается управляющая информация нуклеиновых кислот и белковых молекул;
2) остальные элементы, например, простые сахара и жирные кислоты, являются химическими символами, служащими для построения других классов биомолекул (полисахаридов и липидов), а также для записи в их структуру функциональной информации;
3) химические знаки, которыми может манипулировать управляющая система в ступенчатых реакциях, – это отдельные части – функциональные или боковые атомные группы и атомы различных био-логических элементов.
Ступенчатые химические реакции, как правило, характеризуются упорядоченным и целенаправленным движением отдельных химических знаков, переносимых от одного элемента к другому, а значит, и между молекулами.
Это подтверждает мысль о том, что как управляющая, так и осведомляющая информация в живой клетке хранится, передаётся и циркулирует только в составе биологических молекул!
Значит, общий принцип работы информационной системы управления клетки (так же как и в компьютере) сводится к упорядоченному манипулированию различными буквами, символами и знаками, которым предписан определённый информационный и биологичесий смысл.
Сам же механизм действия системы основан на том, что все операции, связанные с организацией управляющего процесса, производятся над единицами биологической информации – химическими буквами и символами.
А операции, связанные с управляемыми процессами производятся над составными частями молекул субстрата – химическими знаками элементов. Это подтверждает тот факт, что все биохимические процессы в живых молекулярных системах управляются только информационным путём.
Источник: 1. “Биологика информационных взаимодействий в живой клетке”. – М., 2002. – 34с.– Депонир. в ВИНИТИ РАН 6.11.02, №1923-В2002, УДК 577.217:681.51
2. “Аспекты молекулярной биохимической логики и информатики”. Дата публикации: 05.12.2006г., источник: http://new-idea.kulichki.com/
11.11. “Кодирование химических букв, символов и знаков”
Известно, что компьютеры обрабатывают не только цифровую, но и различную алфавитно-числовую 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-числовых 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! Причем, автор идеи считает, что в живой клетке повсеместно применяются линейные химические и стереохимические коды и принципы кодового соответствия информационных компонентов.
К примеру, в основу правил соответствия кодовых комбинаций аминокислотных остатков активного центра фермента, которые эквивалентны определенным химическим символам или знакам, также положена их химическая и стерическая комплементарность, то есть взаимодополняемость химических и структурных контактно взаимодействующих поверхностей, слабых энергетических сил и связей кодовых компонентов.
Значит, молекулярные коды соответствий и средства их передачи существуют не только для важнейших систем био-логических элементов – нуклеотидов и аминокислот. Они существуют для любых мономеров и их химических знаков. А одинаковые кодовые комбинации элементов и их боковых атомных групп в активных центрах ферментов всегда воспринимаются конкретной клеткой как одна и та же (эквивалентная) информация, реализуемая в одних и тех же действиях.
Источник: 1. “Основы молекулярной биологической информатики”. – М., 2004. – 66с – Депонир. в ВИНИТИ РАН 13.04.04, №622-В2004, УДК 577.217:681.51
2. “Кодирование и программирование биологических молекул”. Дата публикации: 01.01.2007г., источник: http://new-idea.kulichki.com/
11.12. “При перекодировании информации происходит смена молекулярных кодов и их носителей”
Наглядный пример: информация, записанная в форме линейных цепей нуклеиновых кислот, в процессе трансляции переводится в информацию аминокислотных цепей белковых макромолекул, а ключом для перевода является словарь соответствия между этими двумя языками, который носит название генетического кода. При этом новая форма информации – белковая, записывается уже другим молекулярным кодом – аминокислотным.
Генетическим кодом, как мы видим, кодируется только первичная – “линейная” структура полипептидной цепи белковой молекулы. Однако, конкретная конфигурация – вторичная, третичная и четвертичная структуры белка кодируется и программируется уже другим молекулярным кодом – аминокислотным.
Смена молекулярных носителей, как правило, сопряжена с процессами кодирования и декодирования информации. Следовательно, аминокислотные цепи белков, с одной стороны, являются конечным продуктом процесса декодирования генетической информации, а с другой – они же являются начальным процессом кодирования стереохимической организации белковых макромолекул с помощью аминокислотного кода!
Аминокислотный код является именно тем молекулярным биологическим кодом, с помощью которого осуществляется сначала преобразование, а затем воплощение и реализация генетической информации. Длина кодовой комбинации в аминокислотном коде непостоянна и порой (в живой клетке) составляет десятки и сотни аминокислотных остатков. Поэтому этот код неравномерный и многопозиционный. Число кодовых комбинаций, каждое из которых может передавать своё отдельное смысловое сообщение в аминокислотном коде практически неограничено. Направленный процесс кодирования и передачи информации от источника информации к приемнику и наоборот называется коммуникацией.
Источник: 1. “Основы молекулярной биологической информатики”. – М., 2004. – 66с – Депонир. в ВИНИТИ РАН 13.04.04, №622-В2004, УДК 577.217:681.51
2. “Кодирование и программирование биологических молекул”. Дата публикации: 01.01.2007г., источник: http://new-idea.kulichki.com/
11.13. “Биологические макромолекулы представляют собой кодовые
циклические послания и сообщения генома”
Известно, что информационные сообщения не могут перемещаться во времени и в пространстве нематериальным способом. В связи с этим, автор статьи пришел к общей концепции, что управляющая информация в живой системе, – это содержательные сведения, заключенные в том или ином послании или сообщении генома, которые хранятся, передаются и используются только в закодированной молекулярной форме. А любой информационный код в живой клетке записывается химическим способом с помощью элементарной формы органического вещества и поэтому переносится в структурах различных биологических молекул.
Кодовое разделение сигналов, как линейных химических, так и пространственных – стереохимических, широко применяемое в живых клетках, является базовой основой всех информационных передач генома. Первичная биологическая информация, находящаяся в структурах ДНК живой клетки, всегда представляет собой закодированные генетические сообщения и послания.
Очевидно, что путём транскрипции (переписывания) и трансляции (перекодирования) генетических сообщений на аминокислотный код, в полипептидные цепи загружаются те текстовые предписания, в которых содержатся не только описания алгоритмов структурного преобразования, но и сама программа функционального поведения белковых макромолекул.
А посредством ферментов и других белковых макромолекул кодируются и программируются все остальные макромолекулы живой клетки.
При этом, содержащаяся в различных молекулярных структурах клетки информация обеспечивает их функциональное поведение. В принципе, всегда можно построить диаграмму кодовых сигналов для любого генетического сообщения, заключенного в иРНК (а значит, и в генах ДНК) или в цепях любой другой биологической макромолекулы.
Заметим, что если белки живой клетки кодируются посредством оперативной памяти иРНК, то остальные макромолекулы живой клетки кодируются и программируются опосредовано, при помощи соответствующих ферментов.
Источник: 1. “Основы молекулярной биологической информатики”. – М., 2004. – 66с – Депонир. в ВИНИТИ РАН 13.04.04, №622-В2004, УДК 577.217:681.51
2. “Молекулярная биологическая информатика – альтернативная концепция жизни”. Дата публикации: 13.12.2006г., источник: http://new-idea.kulichki.com/
11.14. “Молекулярная биологическая информация”
Молекулярная информация является фундаментальной основой живой материи, поэтому она отличается от других видов кодируемой информации чрезвычайно высокой плотностью записи, исключительно длительным сроком своего существования и своим биологическим назначением.
Если на понятии информация держится весь багаж мировых знаний и любая область человеческой деятельности, то молекулярная информация лежит в основе самой жизни и того необъятного “айсберга” генетических и информационных молекулярно-биологических нанотехнологий, которые правят миром живого уже более 3,5 миллиардов лет. Очевидно, что молекулярная информация по своему статусу является праматерью всех других видов кодируемой информации, с которыми человек имеет дело. Во всем остальном она, так же как и другие виды кодируемой информации, характеризуется стандартными уровнями существования.
1. Статистическим уровнем, – когда информация передаётся с помощью фиксированного набора букв, символов или знаков определённого алфавита. Этот уровень позволяет определить статистическое содержание информации, которое может быть выражено в битах.
2. Синтаксическим уровнем, – определяющим лексику и грамматику, правила которых должны быть известны и приемнику и передатчику информации.
3. Семантическим уровнем информации, когда определённая последовательность букв или символов упорядочивается применением кода, который применяется для передачи того или иного смыслового сообщения, обуславливающего ответную реакцию.
Очевидно, что информация – это совокупность закодированных данных или сведений о любом факте, явлении или объекте, которые вырабатываются, передаются и воспринимаются той или иной системой.
Источник: 1. “Молекулярная информация – это не миф, а виртуальная реальность”. Дата публикации: 15.12.2006г., источник: http://new-idea.kulichki.com/
2. “Секреты молекулярной информации”. Дата публикации: 07.10.2007г., источник: http://new-idea.kulichki.com/
11.15. “Секреты молекулярной информации”
Молекулярная информация является отдельной виртуальной сущностью живого мира и подчиняется она не законам материального мира, а только своим специфическим принципам и правилам!
Очевидно, что живая природа пошла по пути использования, как самой информации, так и средств её молекулярных носителей. Биоорганические структуры всегда являются носителями химической энергии и информации, поэтому они повсеместно служат не только средством воплощения, но и орудием реализации информации. Здесь так же, как и в технических системах применяются как сложные, так и простые коды, а перевод информации, записанной в одной системе элементов в другую, осуществляется посредством перекодирования.
Эффективность применения в живых системах молекулярных кодов обеспечивается многократным циклическим их повторением в структурах типовых биомолекул. Причем, если молекулярная информация не зависит от физических свойств своего носителя, то состав и свойства самого биоорганического вещества полностью зависят от той информации, которая записывается в их структуры. Информация в живой системе это тот виртуальный посредник, который с самого начала зарождения жизни, связывает материальную часть нашего мира с нематериальной его частью.
Одним из основных секретов информации является возможность выражения одного и того же смыслового содержания в самых различных физических представлениях, то есть в различных кодах. К исключительным свойствам генетической информации относится её способность бесчисленное количество раз передаваться из поколения в поколение, путём простой смены своих материальных носителей. 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.
Источник: 1. “Молекулярная информация – это не миф, а виртуальная реальность”. Дата публикации: 15.12.2006г., источник: http://new-idea.kulichki.com/
2. “Секреты молекулярной информации”. Дата публикации: 07.10.2007г., источник: http://new-idea.kulichki.com/
11.16.“Единство биоорганического вещества, химической энергии и молекулярной информации”
Очевидно, что основной функцией живой материи является системная организация и интеграция в её структуре биоорганического вещества, химической энергии и молекулярной информации. Удивительно, но при построении любых биологических молекул используются те же материальные носители, которые применяются для передачи молекулярной информации. Этот факт, пожалуй, может объяснить, почему биомолекулы одновременно подчиняются не только физико-химическим, но и информационным закономерностям. Хотя информация, в философском смысле, не вещество и не энергия, однако, в молекулярной биологии она приобретает своё воплощение и смысл уже на уровне молекулярных единиц биологической информации (букв или символов), которые в живой клетке используются для кодирования и программирования биологических молекул. Отсюда следует, что информация в молекулярной биологии не отвлеченное понятие, а объективное свойство и само содержание, и сущность живой материи.
Информация, точно так же, как и химическая энергия, обнаруживает полное сродство с живым веществом на его элементарном уровне. Это и есть феномен триединства, то есть стадия такого партнёрства трёх активных составляющих – вещества, энергии и информации, которая доходит до фазы их слияния в одно функциональное целое. Очевидно, что единство вещества, энергии и информации является фундаментальной основой жизни.
Эта триада, по-видимому, и явилась тем феноменом, который определил движущие силы постоянного развития и совершенствования живой материи. К сожалению, этот феномен создаёт для исследователя иллюзию того, что в живой материи, кроме вещества, нет ничего. Возможно, поэтому в изучении живого до сих пор традиционно доминирует культ только одного физико-химического направления.
Источник: “Единство вещества, энергии и информации – основной принцип существования живой материи”. Дата публикации: 30 июня 2006г., источник: SciTecLibrary.ru; Сайт: http://new-idea.kulichki.com/, дата публикации: 07.12.2006г.
11.17. “Различные подходы к молекулярным биологическим проблемам”
Уникальное свойство единства вещества, энергии и информации и многофункциональный принцип применения элементной базы, привели к удивительной ситуации в биологических науках.
Во-первых, такая ситуация подсказывает, почему биологическая форма материи не поддаётся объяснению с какой-либо одной из точек зрения, к примеру, при физико-химическом подходе.
Во-вторых, это же обстоятельство позволяет биологам изучать живую материю буквально с разных сторон и различных точек зрения. Поэтому естественные науки вынуждены интенсивно искать и использовать разные подходы и пути к исследованию феномена жизни. В связи с этим в настоящее время изучением живой материи заняты различные биологические дисциплины:
1) биофизика – исследует наиболее простые физические взаимодействия, лежащие в основе биологических явлений;
2) биохимия – изучает различные биохимические процессы и дает объяснение биологическим функциям и жизненным
явлениям с использованием данных физико-химических исследований;
3) молекулярные основы наследственности остаются основной темой современной генетики;
4) молекулярная биология – изучает молекулярную структуру живого вещества, механизмы воспроизведения генетической информации в поколениях клеток и организмов и механизмы реализации генетической информации через биосинтез белков. Этот список значителен, и его можно продолжить.
Однако, к сожалению, самый большой и существенный круг информационных проблем, всё-таки, оказался за бортом биологических наук. Ясно, что, подход, определяющий характер изучения живой материи, в первую очередь, должен быть – информационно-кибернетическим. Поэтому проблема информационной организации живого становится ключевой проблемой молекулярной биологии.
Источник: “Единство вещества, энергии и информации – основной принцип существования живой материи”. Дата публикации: 30 июня 2006г., источник: SciTecLibrary.ru; Сайт: http://new-idea.kulichki.com/, дата публикации: 07.12.2006г.
11.18. “Проблема информации, энергии, структуры и функции в живых молекулярных системах”
Очевидно, что все биологические молекулы отличаются друг от друга информационным содержанием. Вначале генетическая информация загружается (через элементарный состав) в структуру макромолекулы, определяя её трёхмерную организацию, химическую энергию и все её биологические свойства, затем, при информационных взаимодействиях биомолекул друг с другом, возбуждаются сами биологические функции.
Поэтому проблема понимания информации, энергии, структуры и функции в биологии заключается в том, что они не могут существовать друг без друга. Этот факт обеспечивается и многофункциональными характеристиками элементной базы, и закодированными информационными сообщениями генома, и различными классами биологических молекул, в структурах которых загружена программная информация.
Поэтому в живых системах нет структуры вне информации, так же как и нет энергии и функции без структуры и информации. Информационные сообщения в живой системе приобретают смысл через функциональные возможности разных биомолекул, которые строятся и программируются информационным путём. Значит, можно констатировать, что вся технология биологических процессов основана на генетической информации и элементной базе, а все функции возникают и осуществляются только при информационных взаимодействиях биологических молекул друг с другом.
Это подводит нас к определённым обобщениям и показывает, где скрыта та разыскиваемая неразрывная связь между главными действующими факторами биологических процессов – информацией, энергией, структурой и функцией. Сущность проблемы можно сформулировать так: “От генетической информации, через молекулярную структуру и информационно-энергетические взаимодействия, к биологическим функциям и управлению”.
Источник: “Единство вещества, энергии и информации – основной принцип существования живой материи”. Дата публикации: 30 июня 2006г., источник: SciTecLibrary.ru; Сайт: http://new-idea.kulichki.com/, дата публикации: 07.12.2006г.
11.19. “Проблема самоорганизации биологических макромолекул”
Самоорганизация живой материи одна из основных проблем молекулярной биологии. Этот феномен до сих пор не имеет ясных и удовлетворительных объяснений. Я считаю, что классическая схема самоорганизации биомолекул в своей основе держится только на информационных процессах! Вспомним: если целью линейного химического кодирования является формирование трёхмерных структур, то целью стереохимического кодирования биомолекул является передача адресных информационных сообщений с кодовым разделением различных по своему назначению сигналов.
Это и есть тот универсальный путь передачи генетической информации, который используется живой клеткой. Поэтому гены управляют живой материей только путем её структурного кодирования и функционального программирования! При этом все химические буквы и символы обладают такими универсальными природными свойствами и являются такими био-логическими единицами, которые предназначены для реализации элементарных функций и операций молекулярной биохимической логики и информатики.
Благодаря уникальным свойствам элементной базы, структура молекулярных цепей всегда содержит конкретный алгоритм конформационно-информационного преобразования биологических макромолекул.
А переключение состояний био-логических элементов в трехмерных конформациях, при информационных взаимодействиях макромолекул друг с другом, обеспечивает те функциональные процессы, которые происходят в структурах самих биологических молекул!
Следовательно, порядок и последовательность всех информационных, функциональных и динамических проявлений макромолекул, которые лежат в основе организации живой материи, осуществляется той программной информацией, которая заранее была загружена в их структуры.
Источник: “Информационное управление клеточными процессами”. Дата публикации: 5 марта 2007г., источник: SciTecLibrary.ru; Сайт: http://new-idea.kulichki.com/, дата публикации: 22.02.2007г.
11.20. “В основе жизни лежит необъятный и неисследованный мир молекулярно-биологической информатики”
Клеточный космос биологических молекул, за время своего развития, создал надёжную и универсальную молекулярно-биологическую систему управления с генетической памятью и её феноменальными информационными возможностями. Всё это говорит о том, что живые системы уже давно пользуются своими, сугубо специфическими закономерностями молекулярной биохимической логики и информатики и своими молекулярно-биологическими информационными нанобиотехнологиями.
Именно эти технологии стали базовой основой эволюционного развития биосферы нашей планеты и ошеломляющего разнообразия жизни. Приходится признать, что первый уровень развития живых информационных систем был реализован на молекулярной основе. А сама жизнь – это системная, информационная форма движения и циркуляции материи (биоорганического вещества).
Наше поколение с конца 20 века переживает большой информационно-технологический бум во всех сферах и областях человеческой деятельности. Однако мы только теперь узнаём, что весь этот бум оказался всего лишь малой верхушкой того великого “айсберга” информационных технологий, который лежит в фундаменте нашего мироздания. Большой неожиданностью для нас оказалось и то, что генетические и информационные молекулярно-биологические технологии правят великим миром живого уже более 3,5 миллиардов лет!
Предлагая идеи и концепции молекулярной биохимической логики и информатики, автор уверен, что в 21 веке самым интересным и перспективным направлением в изучении живой материи станет новая дисциплина, такая, как “Молекулярная биологическая информатика”.
Источник: “В основе жизни лежит необъятный и неисследованный мир молекулярно-биологической информатики”. Дата публикации: 14 февраля 2007г., источник: SciTecLibrary.ru; Сайт: http://new-idea.kulichki.com/, дата публикации: 21.12.2006г.
11.21. “Ферменты и белки – это молекулярные автоматы естественных нанатехнологий с программной биохимической логикой управления”
Непревзойденная избирательность действия ферментов и других клеточных белков является одной из самых жгучих проблем молекулярной биологии. С ней связаны поиск путей к секретам управления обменом веществ и поведения биологических молекул в живых системах. На первом этапе построения белковых молекул – осуществляется последовательное ковалентное соединение соответствующих аминокислот в длинные полипептидные цепи. Так производится позиционное размещение аминокислот в “линейных” цепях, а, следовательно, и декодирование различного рода информационных сообщений, инструкций и команд управления, передаваемых генами. При этом, загруженные в “линейную” цепь алгоритмы, – это воплощенные в последовательности аминокислот правила молекулярной биохимической логики, по которым, занесенные в цепь данные воспринимаются как элементарные сигналы, подлежащие исполнению.
В результате стереохимических преобразований в белковой молекуле формируются соответствующие молекулярные органы и исполнительные механизмы. А на локальных и поверхностных участках возникает такая пространственно-упорядоченная организация боковых атомных R-групп, которая в живой системе играет роль стереохимических кодовых сигналов. К таким сигналам могут относиться: стереохимические команды управления активного центра фермента (адресный код и код химической операции); различные регуляторные кодовые компоненты; коммуникативные локальные и поверхностные стереохимические матрицы, служащие для информационного взаимодействия белковых молекул с молекулярными партнёрами. Программа функционирования белковой молекулы коммутируется лабильными физико-химическими силами, связями и взаимодействиями между боковыми R-группами аминокислот в составе её трёхмерной структуры.
Источник: “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.
11.22. “Адресный код и код операции активного центра фермента представляет собой био-логическую команду управления”
Стереохимические коды активного центра обычно состоят из двух зон, имеющих определённое информационное и функциональное назначение. Та пространственная комбинация атомных группировок активного центра фермента, которая осуществляет поиск, узнавание и ориентацию молекулы субстрата, контактирует с непревращаемыми фрагментами субстрата и укрепляет его в активном центре, то есть производит поиск, приём и рецепцию его информации, – представляет собой функциональный стереохимический адресный код фермента.
Та пространственная комбинация атомных группировок активного центра фермента, которая принимает непосредственное участие в синтезе или расщеплении связи субстрата и входит в каталитическую зону, – является кодом каталитической операции, определяющим, в каждом конкретном случае, характер химической реакции.
Таким образом, у ферментов формат команды управления может состоять из двух полей: адресного кода, с помощью которого осуществляется динамический поиск и рецепция молекулы субстрата и кода каталитической операции, который определяет характер химической реакции. Во время информационного фермент-субстратного взаимодействия должны быть найдены и комплементарно соответствовать друг другу адресные и каталитические кодовые компоненты фермента и молекулы субстрата.
Поэтому биохимическая логика информационных взаимодействий основана на матричных взаимодействиях кодовых компонентов различных биомолекул. По принципу взаимодополняемости локальные или поверхностные микроматрицы молекулярных партнёров должны комплементарно соответствовать друг другу. Значит, только по совпадению кодов в живой системе может осуществляться контроль передачи и приёма молекулярной информации.
Источник: “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.
11.23. “Информационная концепция фермент-субстратных взаимодействий”
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 реакции. Подключение молекулы субстрата, через кодовый стереохимический контакт ведёт к индукции электронно-конформационного возбуждения фермент-субстратного комплекса. Присоединение подлинного субстрата 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 аппарата химического катализа фермента.
Эти механизмы обеспечивают ферменту не только химическую, но и динамическую реактивность. Возникшие конформационные изменения в фермент-субстратном комплексе сопровождаются разрывом или образованием химических связей субстрата, которые происходят с высвобождением или затратой энергии. Быстрому протеканию 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 ферменты стереохимическим способом решает сразу две задачи, – информационной коммуникации и полифункционального катализа.
Источник: “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.
11.24. “Принцип действия информационных сигналов в молекулярной системе”
Смысл действия информационных сигналов и сообщений, как правило, сводится к включению или выключению “силовых управляющих органов и механизмов”. В молекулярной системе эти функции обычно выполняются ферментами или другими функциональными макромолекулами, но, заметим, – только на молекулярном уровне.
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. Все генетически детерминированные функции управления на расстоянии в клеточной системе выполняются управляющими автоматами, то есть ферментами и белками.
Источник: “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.
11.25. “Средства внешнего информационно-программного обеспечения ферментов и белков”
В результате стереохимического кодирования и программирования каждый фермент (белок) клетки получает своё, как внешнее, так и внутреннее структурно-функциональное и информационно-программное обеспечение.
К средствам внешнего обеспечения могут относиться:
1) средства информационной коммуникации, представляющие собой адресные стереохимические коды активных центров, которые состоят из пространственной комбинации аминокислотных остатков с различными R-группами, – при помощи таких кодов ферменты способны к адресному поиску, комплементарному взаимодействию и связыванию молекул субстрата;
2) зона химического катализа, представляющая собой код каталитической операции активного центра фермента, который определяет характер химической реакции и состоит из стереохимической комбинации различных боковых R-групп, обладающих высокой химической реактивностью;
3) средства коммуникативного “общения” белка с другими молекулами клетки, к которым могут относиться разного рода и назначения локальные или рельефные поверхностные кодовые микроматрицы.
К примеру: адресный код (или коды), – служит для комплементарной рецепции функционального адреса молекулы (или молекул) субстрата. При помощи адресных кодов определяется тип био-логического элемента или атомной группы для связывания его с активным центром. Код операции, – указывает характер химической операции (реакции) во время химических превращений. Регуляторные коды, – служат для принятия информационных сигналов (молекул) обратных связей во время работы фермента. Информационные коды – это те локальные или поверхностные рельефные биохимические матрицы, которые служат для связывания белковой макромолекулы с её функциональными молекулярными партнёрами.
Источник: “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.
11.26. “Средства внутреннего информационно-программного обеспечения белков”
К средствам внутреннего обеспечения белковых молекул могут относиться:
1) средства программного обеспечения, которые скорее неявно, чем в явной форме “загружены и заложены” в аминокислотной “линейной”, а затем, и в трёхмерной структуре белковой молекулы;
2) средства структурной организации исполнительных органов и механизмов белка, которые обладают высокой динамической реактивностью;
3) энергетические средства макромолекулы, заключенные в её химических ковалентных и нековалентных (слабых) связях, а при необходимости и в дополнительной энергии в форме АТФ.
Такое стереохимическое кодовое разделение сигналов позволяет белку динамически и информационно взаимодействовать с различными молекулярными партнёрами: с транспортными молекулами, с коферментами, с мембранами клетки, с АТФ, с регуляторными молекулами, с партнёрами по агрегатированию и т. д.
Каждый функционально активный белок клетки, как молекулярный биологический программный объект, всегда состоит из данных, то есть, – функциональных биохимических программных элементов (аминокислот) и физико-химических алгоритмов, определяемых биохимической логикой их взаимодействия.
При этом динамическая реактивность макромолекулы белка связана с кооперативным изменением сил притяжения и отталкивания, поэтому свободная энергия взаимодействия аминокислот в составе макромолекулы, при информационном контакте с молекулярными партнёрами, определяет её функциональное поведение. При недостатке энергии белковые молекулы способны адресно (информационно) взаимодействовать с молекулами АТФ, которые в живой клетке играют роль аккумулятора химической энергии.
Источник: “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.
11.27. “Агрегатированные молекулярные автоматы”
Известно, 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. Поэтому и в данном случае имеются все основания говорить о программировании молекулярных биологических функций. В связи с этим все клеточные процессы управляются и взаимно координируются той программной информацией, которая в данное время экспрессирована, перенесена и загружена в аппаратную систему клетки.
Аппаратная система самоуправления живой клетки – это комплекс различных молекулярных управляющих устройств и средств, а ферменты и другие белки используются клеткой в качестве выходного управляющего звена её биокибернетической системы. И, действительно, только в клеточных условиях ферменты способны повышать скорости катализируемых ими реакций в 10 в восьмой – 10 в двадцатой степени раз! А число оборотов наиболее активных ферментов достигает 36 000 000 в 1мин! Такое число молекул субстрата, претерпевает превращение за 1 минуту в расчете на одну молекулу фермента.
Ясно, что подобные избирательные и высокопроизводительные процессы не могут быть обеспечены химическими катализаторами. Работу ферментов, как организаторов всех химических процессов живой клетки, нельзя определять только одним, хотя и существенным их свойством. Феномен био-логического управления по силам лишь молекулярным биологическим автоматам, манипуляторам и агрегатам с программной биохимической логикой управления.
Источник: “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.
11.28. “Генетическая память”
Хранилищем наследственной информации в каждой живой клетке является ДНК хромосом. Генетическая память как постоянное запоминающее устройство служит для хранения данных и программ. Однако, естественно, что генетическая память – это понятие несравненно более грандиозное, чем, к примеру, – память компьютерная. К этой многосложной молекулярной структуре, отождествляющей “спираль жизни”, нельзя относиться без достаточной доли уважения и благоговения. В живой клетке, точно так же, как и в любой другой информационной системе, действует принцип хранимой в памяти программы.
Все программы и данные хранятся в закодированной форме, в виде комбинационной последовательности четырёх нуклеотидов в длинных цепях ДНК. В генетической памяти храниться множество программ, обеспечивающих те или иные биологические функции и процессы. Поэтому, автоматическое управление процессами решения различных биологических задач в живой системе осуществляется на основе принципа программного управления. Хромосомы клетки являются не только хранилищем информации, они же являются той многофункциональной системой, которая ответственна за передачу различных генетических программ в оперативную память живой клетки – иРНК.
Поскольку программы хранятся в памяти, то одни и те же команды могут извлекаться и выполняться нужное число раз. Более того, так как реализация команд в живой клетке осуществляется в форме трёхмерных биомолекул, то над командами, как над информационными данными, могут производиться различные операции. Обработка генетических данных и организация потоков управляющей информации в каждой живой клетке осуществляется при помощи унифицированных молекулярных биопроцессорных систем управления (транскрипции и трансляции).
Источник: 1. “Генетическая память, молекулярные биопроцессоры и их выходное управляющее звено”. Дата публикации: 30 июня 2006г., источник: SciTecLibrary.ru
2. “Информационное управление клеточными процессами”. Дата публикации: 5 марта 2007г., источник: SciTecLibrary.ru; Сайт: http://new-idea.kulichki.com/, дата публикации: 22.02.2007г.
11.29. “Операционная система живой клетки”
Живая клетка, как и любая другая система для “автоматизированной” переработки информации, имеет свою “операционную систему” – набор программ, который организует и приводит в действие многие аппаратные и программные ресурсы. В первую очередь, эта система обеспечивает построение и функционирование основных компонентов молекулярных биопроцессорных систем – транскрипционного и трансляционного аппаратов. То есть тех средств, которые предоставляют услуги для выполнения различных клеточных программ.
Операционная система – это совокупность важнейших программ, предназначенных для управления процессами считывания генетической информации и перевода текста программ с языка нуклеиновых кислот на аминокислотный язык белковых молекул, то есть, в конечном итоге, на стереохимический язык трёхмерных биомолекул. Значит, операционная система клетки содержит встроенные функции перекодировки из одной системы кодирования в другую. А для перевода закодированных сообщений используются свои программы-переводчики. Поэтому операционная система состоит из набора отдельных транскрибирующих и транслирующих программ, обеспечивающих как построение, так и функциональное поведение биопроцессорных систем живой клетки.
Определённые группы генов кодируют и программируют синтез рибосомных и транспортных РНК, другие группы генов контролируют биосинтез белков и ферментов, обеспечивающих работу транскрипционного и трансляционного аппаратов. Таким образом, операционная система создаёт и предоставляет аппаратные средства и функциональные услуги для выполнения всех генетических программ клетки. Она контролирует проявление всех генов клетки и соответственно является одним из основных факторов клеточной интеграции.
Источник: 1. “Генетическая память, молекулярные биопроцессоры и их выходное управляющее звено”. Дата публикации: 30 июня 2006г., источник: SciTecLibrary.ru
2. “Информационное управление клеточными процессами”. Дата публикации: 5 марта 2007г., источник: SciTecLibrary.ru; Сайт: http://new-idea.kulichki.com/, дата публикации: 22.02.2007г.
11.30. “Молекулярные биопроцессорные системы”
Состав и характеристики репликационного, транскрипционного и трансляционного аппаратов достаточно наглядно отражены в соответствующей биологической литературе. Поэтому можно легко убедиться в том, что эти аппараты, как системы с микропрограммным управлением, имеют все необходимые узлы, компоненты и характеристики, позволяющие их отнести к категории молекулярных биопроцессорных систем управления. Молекулярная биопроцессорная система отличается от управляющего микропроцессора не только вещественно-информационным субстратом или методом обработки информации в управляющие сигналы, но и широким параллелизмом действия её биопроцессорных единиц. Поэтому типовые биопроцессорные единицы, несмотря на то, что они практически состоят из одних и тех же компонентов, можно легко подразделять как по назначению, так и по характеру выполняемых ими функций.
Генетическая память, молекулярные биопроцессорные системы и их выходное управляющее звено – белки и ферменты являются центральными устройствами, на базе которых построена управляющая система клетки. Гены служат только для хранения информации, поэтому её необходимо сначала считывать, затем определённым образом перерабатывать с тем, чтобы получить форму, приспособленную для непосредственного применения в различных биологических процессах. Аппаратные средства транскрипции и трансляции представляют собой не что иное, как молекулярные системы для микропрограммной переработки генетической информации. Фактически каждая живая клетка для программной обработки генетической информации применяет такие аппаратные устройства, которые с кибернетической точки зрения вполне эквивалентны молекулярным биологическим процессорам.
Источник: 1. “Генетическая память, молекулярные биопроцессоры и их выходное управляющее звено”. Дата публикации: 30 июня 2006г., источник: SciTecLibrary.ru
2. “Информационное управление клеточными процессами”. Дата публикации: 5 марта 2007г., источник: SciTecLibrary.ru; Сайт: http://new-idea.kulichki.com/, дата публикации: 22.02.2007г.
11.31. “Программное обеспечение живой клетки”
В генетической памяти клетки хранится множество пакетов программ, обеспечивающих те или иные биологические функции. Поэтому “автоматизированное” управление процессами решения различных биологических задач в живой системе осуществляется на основе принципа программного управления. Главной задачей программных средств, используемых в клетках, является обеспечение оперативного взаимодействия управляющей системы с молекулярными объектами управления (субстратами). Программы, загруженные в структуру белковых молекул, гарантируют точность матричного спаривания биологических молекул и проверку их на комплементарное соответствие друг другу.
В последовательности оснований внутри двойной спирали ДНК закодирована вся необходимая информация для осуществления функционирования, развития и самовоспроизведения живой системы. Генетическая память имеет: операционную систему; полный набор программных средств для обслуживания ступенчатых процессов катаболизма и энергетического обеспечения; программные средства для обслуживания процессов биосинтеза молекул, систем репарации ДНК, аппаратных устройств ввода молекулярной информации питательных веществ и вывода конечных продуктов обмена веществ и т. д.
Она имеет пакет программ, кодирующих и программирующих молекулярные средства и механизмы самовоспроизведения, которые начинают синтезироваться и действовать строго в соответствии с общей программой развития. Программирование самой генетической памяти осуществляется особым репликативным аппаратом живой клетки в S-период её развития, и дочерние клетки получают полный дубликат генетического материала. Программное обеспечение клетки – это важнейший проблемный вопрос молекулярной биологической информатики.
Источник: “Информационное управление клеточными процессами”. Дата публикации: 5 марта 2007г., источник: SciTecLibrary.ru; Сайт: http://new-idea.kulichki.com/, дата публикации: 22.02.2007г.
11.32. “Феномен живого состояния нельзя объяснить с помощью одних физических и химических законов”
Теперь уже предельно ясно, что объяснить феномен живого состояния с точки зрения законов физики и химии также невозможно, как, например, невозможно объяснить работу компьютера, ссылаясь на изменения электрических токов или потенциалов в отдельных точках его схемы, согласно законам физики полупроводников или законам электротехники. Здесь нужен совершенно другой подход. Поэтому, как нельзя понять живое без рассмотрения его клеточного уровня, так и нельзя познать живую материю без изучения её информационной сущности. Ясно, что только информационная составляющая живой материи дает ей возможность самоуправления, саморегуляции и самовоспроизведения.
Очевидно, что ни материя (вещество), ни энергия, сами по себе, не обладают такой способностью. В этих явлениях приходится признать примат только одной информации, которая использует материально-энергетические составляющие в качестве своего носителя. Нетрудно заметить, что многие универсальные свойства, приписываемые сегодня живой материи, на самом деле относятся к информации, заключенной в её структурах.
Биологическая жизнь, своим зарождением и эволюционным развитием, в первую очередь, обязана замечательным способностям информации кодироваться с помощью химических букв и символов и передаваться при помощи различных молекулярных средств и носителей.
Автор предлагаемых идей и концепций убежден, что только альтернативный – информационный подход к молекулярным биологическим проблемам может позволить по-иному взглянуть на давно известные физико-химические закономерности и открыть новые страницы в изучении биологической формы движения материи.
Источник: Подборка статей и публикаций, посвященных “Молекулярной биологической информатике”. См страницу сайта http://new-idea.kulichki.com/ или сайт: www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/8435.html
12. Генетическая информация как движущая сила развития живой природы, создающая новые биологические реальности
О причинах и движущих силах эволюции до сих пор продолжаются дискуссии. К примеру, доминирующая в науке теория эволюции Дарвина в своей основе предполагает отбраковку неудачно сконструированных образцов живых организмов, что, якобы, и является движущей силой развития. Однако отделы технологического контроля существуют не только в живой природе и, как мы знаем, не они являются разработчиками и конструкторами годных к применению изделий. Что же тогда является источником тех могучих движущих сил, которые порождают необузданную генерацию живой материи и ошеломляющее разнообразие жизни?
Ответ на этот вопрос должен быть однозначным, так как только наследственная информация в живых системах является той неуёмной и необузданной силой и субстанцией, которая обладает чрезвычайно высокой способностью (на основе вещества, энергии и клеточной организации) создавать копии самой себя (реплицироваться), развиваться, совершенствоваться, распространяться и поэтому «вечно» существовать во времени и в пространстве. По крайней мере, до тех пор, пока имеются источники энергии и вещества, подходящие условия для существования живых систем и позволяет их программа развития.
Как мы видим, эволюция – это закономерный переход одного уровня системной организации материи (вещества), энергии и информации на другой более высокий уровень. Причем, информация в этой триаде играет ключевую роль, так как, только она способна обеспечить целенаправленность, закономерность и упорядоченность процессов. Поскольку вещество и энергия участвуют в круговороте и никуда не исчезают, то имеются веские основания полагать, что эволюция, по своей сути, является процессом возрастающего воспроизводства и генерации новых видов и форм информации [5]. Как мы видим, этот процесс осуществляется за счет использования и круговорота потоков энергии, информации и вещества. Особенно заметно это проявляется в живой природе и в сфере технических информационных технологий. Таким образом, наш мир закономерно становится всё более и более информационным и это трудно не заметить.
А сама Жизнь, благодаря внедрению и использованию наследственной информации, оказалась явлением эволюционного и функционального перехода вещества и энергии на качественно новый – информационный уровень их системной организации. Диктат информационной субстанции подчинил движение потоков вещества и энергии своей воле, а направленность эволюционных процессов оказалась изначально подчинена информации. Одной из предпосылок эволюции, то есть более высокого развития, является вариантность в качестве принципиального явления бытия. Другой же необходимой предпосылкой эволюции является существование возможности отбора (селекции). Только селекция из большого числа вариантов форм существования обеспечивает автономность процесса эволюции». Однако заметим, что вариантность, отбор вариантов (селекция) – это характеристики присущие только информации (но не материи или энергии). Так может работать только информация, которая создает новые структурные и функциональные реальности.
Несмотря на то, что «информация» является нематериальной категорией, однако существовать и воспроизводиться она может только на базе системной организации и на основе тех или иных материально-энергетических средств и носителей. Для накопления и передачи (переноса) информации требуются материальные носители. Поэтому информация всегда передается по каналам связи в виде материальных или энергетических кодовых сигналов, имеющих определенное смысловое значение. Информация всегда предполагает наличие той или иной системы, где она может кодироваться, перекодироваться и декодироваться.
Процесс размножение информации выполняется путем: копирования информации, при обязательном наличии экземпляра, работающего как оригинал или тиражирования информации, когда все экземпляры полностью идентичны, а оригинал отсутствует. Заметим, что как для накопления информации, так и для её хранения и перемещения, как правило, требуется не только своя кодовая система, но и свои материальные носители. Указанные процессы и характеристики кодированной информации наиболее широко применяются в живых молекулярных системах.
Заканчивая рассматривать особенности и закономерности молекулярной информации необходимо подчеркнуть, что естественный ход развития и эволюции жизни на Земле, безусловно, носит характер планетарного информационного явления. Между тем, одна из формулировок философии, определяющая сущность жизни, гласит: «Жизнь есть особая форма движения материи». Однако уже достаточно давно известно, что без информации и без энергии движение биологической формы материи немыслимо. Похоже, философы немного поспешили, когда приписали эти фундаментальные свойства – живой материи. Очевидно, что основную формулировку необходимо приводить в соответствие с новыми воззрениями. Так как становится фактом, что Жизнь, – это особая системная форма движения, воспроизводства и генерации информации, которая осуществляется на базе использования энергии и вещества.
Можно сказать, что Жизнь – это такая материальная форма движения, циркуляции и генерации информации, которая целенаправленно связана с преобразованием и обменом энергии и вещества с целью их функционального и эволюционного перехода в новые виды и формы молекулярной и функционально-биологической информации. Поэтому первый, фундаментальный уровень развития информационных субстанций и их технологий на нашей планете был реализован на молекулярно-биологической основе. С тех пор важнейшей сущностью на Земле стала информационная субстанция, а информация как одна из главных составляющих нашего мира действительно стала основой нашего мироздания.
Самоуправление и информационный обмен являются самыми существенными характеристиками функционирования живых систем. Поэтому в любых живых клетках феномены кодирования, хранения, перекодирования, передачи, обработки и использования генетической информации являются ключевыми для всех биологических процессов. Именно с кодированием информации связаны многие замечательные свойства живой материи. С кодированием, перекодированием и декодированием информации связаны не только организация живых систем, но и практически любые области человеческой деятельности.
Несомненно, что молекулярная информация для разных уровней организации живых систем является «ведущей», а все другие информационные уровни организации биосистем являются «ведомыми» (т. е. подчиненными). Кроме того важно подчеркнуть, что все основные процессы эволюции живых систем обеспечиваются только лишь универсальными совокупными свойствами материи (вещества), энергии и информации, которые циркулируют в системе.
То есть сам вариантно-селекционный процесс принимает автоматический характер в силу лишь тех обстоятельств, что каждый из трех составляющих процесса подчинен своим индивидуальным принципам и правилам функционирования и своим закономерностям существования. Поэтому эта триада составляющих живой материи (вещество, энергия, информация) только в непрерывном движении (циркуляции) и при совокупности всех своих свойств определяет как поведение, так и развитие любой живой системы.
Только информация (а не материя или энергия) способна обусловить информацию, – это одно из замечательных свойств (закономерностей) информации. Только информация способна воспроизвести, породить, обновить, исправить, копировать или размножить информацию. А удивительные свойства передачи, хранения, копирования и размножения (самообновления и самовоспроизведения) информации представляют в живой системе тот информационный феномен, который дарит живой материи те биологические характеристики и свойства, которые давно наблюдают биологи [6].
Можно напомнить, что такое понятие как селекция также связано с информационными представлениями, позволяющими осуществить отбор более жизнеспособной (наследственной) информации (а значит, и отбор особи). Очевидно, что информация является не только фактором управления (самоуправления) и регулирования, но и причиной размножения и селекции, а, следовательно, и главной движущей силой развития живой материи. Очевидно, что всей необъятной биосферой нашей планеты правит не какая-то сверхъестественная сила, а такая удивительная, простая и в то же время чрезвычайно сложная и таинственная сущность нашего мира, как информация [6].
Следует отметить, что природная кодированная информация, как мера упорядоченности структур и функций, является естественной характеристикой не любой, а только живой материи! По представлениям сегодняшнего дня сам факт возникновения кодирования связан не только с информационными феноменами живой материи, но и с проблемами её эволюции и другими аспектами жизни. Чрезвычайно важная роль кодирования информации связана не только с зарождением жизни на Земле, но и с её эволюционным развитием, неуемной жаждой активности, размножения и распространения.
Как мы видим, только информация, из трех составляющих живой материи, наделена чрезвычайно активной способностью проявлять себя (на основе энергии, вещества и системной организации)) – перемещаться (передаваться), размножаться (воспроизводиться), преобразовываться, самообновляться, распространяться, восприниматься, декодироваться, осуществлять отбор и т. д. Ясно, что такими способностями сами по себе не обладают ни вещество и ни энергия.
Очевидно, что пути развития живой материи в определенной мере определяют и пути развития человеческого общества и его производительных сил. А движущими силами развития при этом являются кодируемая информация и существующие возможности отбора (селекции). Только наследственная (кодированная) информация и селекция из большого числа вариантов форм существования обеспечивает автоматизм и автономность процесса эволюционного развития. Как и в теории Дарвина, где описывается вариационно-селекционный процесс как автоматический процесс взаимодействия живых существ с окружающей средой и друг с другом. Это означает, что все мы, живые существа и вообще весь наш мир, все развилось из себя, из элементарных информационных взаимодействий, содержащихся в живой материи.
К примеру, физико-химическая эволюция привела не только к образованию различных химических элементов, но и к появлению простых органических соединений. Сейчас эти соединения играют роль строительных блоков (химических букв или символов) при построении биологических макромолекул. А химический способ представления информации, с применением таких био-логических элементов, стал именно тем гениальным изобретением природы, при помощи которого была подведена черта под химической эволюцией материи, и были открыты необъятные дали и непредсказуемые пути великой эволюции – информационной и биологической.
Ясно, что косная материя не обладает столь мощными факторами управления и развития, какими являются кодированная информация и химическая энергия. Следует отметить, что природная кодированная информация, как мера упорядоченности структур и функций, является естественной характеристикой не любой, а только живой материи! Поэтому основной функцией живой материи стала системная организация и интеграция в её структуре органического вещества, химической энергии и молекулярной биологической информации. Только эта триада составляющих, в виде их структурно-функционального единства («слияния»), оказалась приспособленной к обеспечению процессов движения и развития биологической формы материи [1].
По представлениям сегодняшнего дня сам факт возникновения кодирования связан не только с информационными феноменами живой материи, но и с проблемами её эволюции и другими аспектами жизни. Чрезвычайно важная роль кодирования информации связана не только с появлением жизни на Земле, но и с её эволюционным развитием, неуемной жаждой активности, размножения и распространения.
Очевидно, что, что живая природа не потребовала никакого творца и заранее не имела никакой модели или прообраза. Живая материя обладает лишь внутренней потребностью и способностью к накоплению информации, её саморазвитию и самовоспроизведению. А информация, как самообновляемые ресурсы живой материи обладает теми движущими силами саморазвития, которые делают возможным возникновение новых биологических реалий и позволяют дать их оценку в окружающей среде. Поэтому кодированная информация, скрытая в лабильной структуре биоорганического вещества (как своего носителя) обладает внутренней способностью постоянно и независимо выдавать новые биологические свойства и реальности. Любое становление – это процесс информационного творения, очевидно, что живой природе свойственен процесс творчества.
Удивительно, но приходится констатировать, что наши материальные тела, по своей сути, созданы из тех же вещественных носителей информации, которые были использованы для переноса наследственной информации. Информация в любой макромолекуле указывает не только направление движения, но и её информационное и функциональное поведение в клеточной среде, а значит, определяет всю её биологическую судьбу. Все эти процессы обеспечиваются энергией и информацией, а само вещество (т. е. сам носитель информации) при этом преобразуется в молекулярные механизмы для выполнения тех или иных биологических функций. Очевидно, что любая биологическая функция возникает только на основе молекулярных информационных взаимодействий. После выполнения своих биологических функций любая макромолекула заменяется на другую, способную выполнить те функции, которые необходимы живой клетке в данное время и в данном месте. По такому сценарию живая клетка не только передает информацию, но и одновременно снабжает себя материально-энергетическими компонентами и функциональными механизмами. Но, как ни странно, биологи наблюдают только материальную часть этого процесса, не замечая главного – передачи программной наследственной информации.
Очевидно, что естественные науки сегодняшнего дня уже не имеют права игнорировать те информационные явления на молекулярном и биологическом уровнях, которые не только существуют в живых системах, но и являются ключевыми движущими силами всех жизненных процессов. Только на базе изучения и исследования информационных основ биохимических и молекулярных процессов, и никак иначе, мы можем познать общую картину информационных отношений живой материи. А виртуальная сущность кодированной информации дает нам возможность проникнуть в неведомый и таинственный нематериальный мир живого и определить его организующее и созидающее начало.
Очевидно, что здесь на первый план выступает наследственная информация, которая обеспечивает не только структурную (вещественно-энергетическую) организацию живых систем, но и выполнение всех их биологических функций. Значит, организация живых систем осуществляется не только на базе вещественно-энергетических взаимодействий материального мира, но и, что особенно поражает наше воображение, так это то, что первопричиной организации живой системы является не материальная, а прежде всего, её нематериальная – информационная (виртуальная) часть [2].
Известно, что, точно так же, как наше тело состоит из отдельных типовых клеток, имеющих различную структурную организацию, так и все макромолекулы и клеточные структуры строятся на основе отдельных унифицированных био-логических элементов (нуклеотидов, аминокислот, простых сахаров, жирных кислот и других типовых мономеров). Этот универсальный набор представляет собой не что иное, как элементную базу живого, или общий молекулярный биологический алфавит, который служит не только для построения макромолекул и клеточных компонентов, но и для кодирования и программирования их молекулярных структур и биологических функций.
Очевидно, что мириады природных биохимических элементов (химических букв и символов) не могли бы программно (целенаправленно) соединяться в отдельные макромолекулы и работать в системе как единое целое, если бы в живой клетке (организме) не существовал информационный механизм их управления. В сложных механизмах управления любого организма имеется несколько уровней, но первым и основным из них является молекулярный уровень, который является в живых системах ключевым и фундаментальным.
Информационные сообщения в клеточной системе имеют свои специфические свойства и особенности. Во-первых, с одной стороны, сама управляющая система клетки является источником управляющих сообщений, команд и инструкций, передаваемых в виде кодовых передач в структурах белковых молекул по различным каналам на многочисленные биохимические объекты управления (субстраты), которые являются приёмниками управляющей информации [3]. Однако с другой стороны, различные биохимические объекты управления являются источником сигнальной осведомляющей информации для выходных аппаратов управляющей системы (ферментов и белков). Таким образом, потоки управляющей и сигнальной молекулярной биологической информации в живой клетке всегда направлены навстречу друг другу.
Поэтому управлением в живых системах, по-видимому, можно назвать процесс передачи и транспортировки на расстояния, с помощью ферментов, команд управления и исполнительных органов и механизмов, могущих воздействовать на химические кодовые группы молекул субстрата. Живая клетка относится к системам с распределёнными объектами управления, где применяется адресный способ передачи управляющей информации от центральных устройств к многочисленным локально рассредоточенным объектам управления (субстратам). А сигнальной осведомляющей и регуляторной информации обратно, от объектов к центральным или местным управляющим устройствам (ферментам и белкам). Причем, «запрос» управляющей информации, как правило, осуществляется на основе поступившей в клетку осведомляющей информации субстратов [5].
Живая форма материи отличается от других форм тем, что её структура и функции кодируются и программируются той молекулярной информацией, которая с помощью генов и элементной базы заранее была загружена в её молекулярные цепи и трёхмерные структуры. Поэтому всё разнообразие биологических молекул живой клетки формируется только на основе управляющих средств, с помощью генетической информации и использования различных молекулярных алфавитов.
Молекулярная форма управления и передачи информации для нас привлекательна именно тем, что позволяет управлять биохимическими процессами живых клеток на недосягаемом для других технологий уровне, – на уровне малых молекул, их атомных групп и отдельных атомов!
К своему удивлению мы только сейчас узнаем, что в основе живого лежит необъятный и практически неисследованный мир молекулярно-биологической информатики и мир естественных информационных биохимических нанотехнологий. Здесь для записи информации применены мономеры – химические буквы и символы (био-логические элементы) – нуклеотиды, аминокислоты, жирные кислоты, простые сахара и другие мономеры, имеющие размер в диаметре всего от 0,5 до 0,7 нм .
Кроме того, необходимо признать, что необузданная генерация живой материи, так же как и и ошеломляющее разнообразие жизни, которые мы наблюдаем на нашей планете, обязаны тем информационным нанобиотехнологиям, которые были занесены на Землю из космоса с помощью простейших микроорганизмов (протобактерий) — восемь миллиардов лет тому назад! Недаром же говорят, что Чудо Жизни — это драгоценный дар Вселенной!
Литература.
1. Вернер Гитт. Информация: третья фундаментальная величина.
Интернет. Ю. Я. Калашников. Статьи, посвященные “молекулярной информатике”:
2. Молекулярная элементная база живой материи. Дата публикации: 04.12.2006г., источник: http://new-idea.kulichki.com/
3. 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.
4. Основы молекулярной биологической информатики. – М., 2004. – 66с. – Депонир. в ВИНИТИ РАН 13.04.04, №622 – В2004, УДК 577.217: 681.51
5. Кодирование и программирование биологических молекул. Дата публикации: 01.01.2007г., источник: http://new-idea.kulichki.com/
6. Аспекты молекулярной биохимической логики и информатики. Дата публикации: 05.12.2006г., источник: http://new- idea.kulichki.com/
7. Единство вещества, энергии и информации – основной принцип существования живой материи. Дата публикации: 30 июня 2006г., источник: SciTecLibrary.ru; сайт: http://new-idea.kulichki.com/, дата публикации: 07.12.2006г.
8. Информация – гениальное изобретение живой материи. Дата публикации: 13 июля 2007г., источник: SciTecLibrary.ru; Сайт: http://new-idea.kulichki.com/, дата публикации: 05.05.2007г.
Размещено на сайте 10.11.2016
