ИНФОРМАЦИОННЫЙ МИКРОМИР ЖИВОЙ КЛЕТКИ

ИНФОРМАЦИОННЫЙ МИКРОМИР ЖИВОЙ КЛЕТКИ

(идеи, концепции, гипотезы)

http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/9557.html

© Калашников Юрий Яковлевич

Контакт с автором: kalashnikov_mgn@rambler.ru

Аннотация

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

Оглавление

Кодированная информация как атрибут живой материи
Особенности молекулярной биологической информации
Молекулярный алфавит живой природы
Структурное кодирование и программирование биологических макромолекул
Химический и стереохимический способы разделения сигналов
Матричный (комплементарный) принцип информационных взаимодействий
Три основных потока информации в клетке
Клетка как сверхминиатюрная система управления
Принцип действия и структура управляющей системы живой клетки

9.1 Генетическая память
9.2 Операционная система клетки
9.3 Молекулярные биопроцессорные системы для программной обработки генетической информации
9.4. Информационная основа управляемых процессов
9.5. Операционные блоки ступенчатых процессов

10. Список литературы

11. Управление клеточными процессами. Структурная схема

1. Кодированная информация как атрибут живой материи

Известно, что живая материя не всегда существовала на нашей планете, она прошла чрезвычайно длительный путь своего зарождения и эволюционного развития. И вполне очевидно, что для того, чтобы “вдохнуть жизнь” в структуры материи должны были быть не только веские причины, но и необходимые природные условия и предпосылки. Сейчас уже не секрет, что первопричиной появления жизни на Земле является универсальная способность материи и энергии к различным типам взаимодействия, видам движения и формам развития. А необходимые природные условия и предпосылки появления жизни, к счастью, оказались именно на нашей планете.

Важно, что в процессе эволюции постепенно развивались те микроскопические (физико-химические) силы, связи и взаимодействия, которые определяют характер структурной организации материи. Этот факт явился предпосылкой и функциональной основой возникновения более высоких форм организации материи и видов взаимодействия. К примеру, физико-химическая эволюция привела не только к образованию различных химических элементов, но и к появлению простых органических соединений. Сейчас эти соединения играют роль строительных блоков (химических букв или символов) при построении биологических макромолекул. А химический способ представления информации, с применением таких 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. Причем, находчивость живой природы изумляет, – для воплощения молекулярной информации стали использоваться такие же физико-химические силы, связи и взаимодействия, которые существуют и в микроструктуре неорганических форм материи: притяжение и отталкивание субмолекулярных частиц, ковалентные связи между атомами, нековалентные типы связывания, элементарные молекулярные силы и взаимодействия. Можно сказать, что молекулярные сигналы живой природы всегда существуют именно в таком физико-химическом воплощении.

В живом веществе, как оказалось, заключены не только ковалентные и нековалентные силы и связи, определяющие характер биохимических и информационных взаимодействий, но также и те элементарные внутренние силы саморазвития, которые делают возможным возникновение большого числа различных вариантов и позволяют дать им оценку в окружающей среде, то есть позволяют осуществить процесс селекции. Важен тот факт, что в процессе эволюции живой материи, естественные субмолекулярные и молекулярные силы и связи постепенно превращались в сигнально-информационный фактор, который стал использоваться в процессах управления и сигнализации живых молекулярных систем [1]. Первоначально эти факторы явились физической предпосылкой к формированию кодовых сигналов, а затем, и информационной основой молекулярных форм самоорганизации и самоуправления. Поэтому основной функцией живой материи стала системная организация и интеграция в её структуре органического вещества, химической энергии и молекулярной биологической информации. Только эта триада составляющих, в виде их структурно-функционального единства (“слияния”), оказалась приспособленной к обеспечению процессов движения и развития биологической формы материи.

Многие исследователи уже давно полагают, что без информационной составляющей существование живого немыслимо. Поэтому сейчас в литературе и в Интернете можно найти различные теории и гипотезы существования информации живого: от синергетики – до голографической теории; от лазерной, квантовой, волновой концепций и до обычной двоичной, шифруемой единицами и нулями. И неудивительно, что самой актуальной задачей в молекулярной биологии становится не только поиск сигнального переносчика информации (в физико-химическом воплощении), но и определение средств её хранения, обработки, передачи и реализации.

К примеру, если в информационных технических системах для представления информации наиболее широко используются электрические сигналы с переносчиком в виде синусоидального или импульсного тока и напряжения, то очевидно, что живая молекулярная система “способна выделять из суммарного эффекта микроскопических взаимодействий информационный аспект и активно его использовать” [1] в процессах управления и оповещения (сигнализации). Сейчас уже ясно, что в информационных процессах живых систем, при программировании биологических структур и их функций, наряду с использованием ковалентных химических связей (при кодировании линейных молекулярных цепей), широко применяются и нековалентные типы связывания: электростатические эффекты, ионные и водородные связи, Вандерваальсовы силы, гидрофобный эффект и т. д. (при организации трехмерных молекулярных структур, а так же при информационном взаимодействии биологических макромолекул друг с другом с помощью их кодовых стереохимических микроматриц).

Любопытно, что возникновение кодирования молекулярной информации напрямую связано именно с этими микроскопическими физико-химическими силами, связями и эффектами. Сейчас в живых молекулярных системах они повсеместно используются для воплощения информации. Кодированная информация, как атрибут живой материи, сначала способствовала возникновению живого, являясь причиной самоорганизации, управления и регулирования её биохимических процессов. Первоначально развитие кодированной информации шло бок обок с эволюцией живой материи. Далее кодированная информация, как отдельно существующая субстанция, стала важнейшей сущностью биосферы нашей планеты, а впоследствии, и причиной возникновения сознания и разума (индивидуального, субъективного, общественного, абстрактного), а в дальнейшем, и основой развития техносферы, ноосферы, инфоноосферы. Ясно, что косная материя не обладает столь мощными факторами управления и развития, какими являются кодированная информация и химическая энергия. Следует отметить, что природная кодированная информация, как мера упорядоченности структур и функций, является естественной характеристикой не любой, а только живой материи!

По представлениям сегодняшнего дня сам факт возникновения кодирования связан не только с информационными феноменами живой материи, но и с проблемами её эволюции и другими аспектами жизни. Чрезвычайно важная роль кодирования информации связана не только с зарождением жизни на Земле, но и с её эволюционным развитием, неуемной жаждой активности, размножения и распространения. При передаче информации сам код столь же важен, как и используемые в нем символы. Наличие кода в любой системе всегда свидетельствует об определенном смысловом значении сообщения (семантике). Очевидно, что первая закодированная информация появилась на Земле более 3,5 миллиардов лет тому назад! И это была “буквенно-символьная” информация биологических макромолекул. Причем, она обеспечила не только потенциальную вероятность зарождения живой материи, но и процессы информационного управления обменом энергии и веществ.

Заложенная в генах информация является основным фактором, обуславливающим как функционирование, так и развитие любой живой системы. Поэтому в ходе реализации различных биохимических превращений и биологических функций должна идти речь, в первую очередь, об управляемых информацией процессах. К сожалению, изучение прохождения генетической информации в живых системах было приостановлено (во второй половине 20 века) на этапе синтеза белковых молекул. Поэтому наши знания о реализации наследственной молекулярной информации в живых системах до сих пор имеют только фрагментарный характер. А основные потоки и сети информации, существующие в любых живых клетках и организмах, почему-то постоянно “ускальзывают” от внимания биохимиков и биологов.

В естествознании они сейчас представляют существенный познавательный пробел, который давно следовало бы ликвидировать. Многочисленные исследования и публикации на эту тему показывают, что в живых системах имеются естественные природные механизмы и технологии передачи наследственной информации, которые обеспечивают в живых клетках не только прямую и обратную информационную связь, но и повышенную достоверность передачи сообщений, высокую помехоустойчивость молекулярных кодов и сообщений и т. д. Между тем, нематериальность (виртуальность) кодированной информации показывает, что нельзя в настоящее время трактовать жизнь, как чисто материальное явление. Объяснение жизни может базироваться только на общности материальных и информационных (нематериальных) процессов, которые присущи всем живым системам.

Более того, при изучении явлений жизни должно превалировать не материальное, физико-химическое представление, которое традиционно доминирует в естествознании, а, прежде всего, нематериальное мировоззрение, основанное на информационном подходе к молекулярно-биологическим проблемам. Очевидно, что здесь к нематериальной части живого мы можем отнести не ту мифическую “животворящую силу творца”, которая декларативно заявляется приверженцами религии, а ту реально существующую информационную часть живого, которая заключена в программном обеспечении генома, в генетических информационных сообщениях, во всевозможных командах, данных, молекулярных кодовых сигналах и инструкциях макромолекул различного назначения и т. д. Ясно, что в основе организации всех живых систем лежат не только вещественные, но и виртуальные – информационные отношения.

Отсюда становится очевидным, что жизнь – это бесценный дар не только материального мира нашей Вселенной, но и виртуального – нематериального мира, а сами мы: люди, животные, растения и даже микробы, являемся детьми этих двух миров. Известно, что, точно 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. Мириады природных биохимических элементов (химических букв и символов) не могли бы программно (целенаправленно) соединяться в отдельные макромолекулы и работать в системе как единое целое, если бы в живой клетке не существовал информационный механизм их управления.

В сложных механизмах управления любого организма имеется несколько уровней, но первым и основным из них является молекулярный уровень, который является в живых системах ключевым и фундаментальным. Информатикой называют новую область научно-технической деятельности человека, которая занимается изучением методов автоматизированной переработки информации. К её сфере деятельности может относиться не только применение компьютеров, но так же и исследование информационных систем вне техники, например, живой клетки. В этом случае её более справедливо назвать молекулярной информатикой. Информация наряду с материей и энергией в нашем мире является третьей фундаментальной сущностью. С информацией человек встречается на каждом шагу: в информационных технологиях, системах связи, системах управления, в информационных системах живых клеток и т. д.

В общем виде можно сказать, что “Информация – это закодированные данные или сведения о любом факте, явлении, объекте или процессе, которые вырабатываются, передаются, и воспринимаются той или иной системой. Здесь информация обозначена как содержательные данные и сведения, которые представлены только в закодированной форме. Как мы видим, любая информация всегда предполагает наличие своей системы, где она способна циркулировать – генерироваться, кодироваться, перерабатываться, передаваться и восприниматься. Причем, источник информации передает её, а приемник – принимает. Такая модель вполне справедлива и для молекулярной биологической информации. Все эти процессы являются фундаментальными для любой живой системы, поэтому информация здесь тоже имеет свой семантический смысл и становится эффективной управляющей силой. Чтобы разобраться с проблемами молекулярной информатики, необходимо вспомнить основные представления, связанные с общим понятием “информация”.

1. “Информация” не является физической величиной, несмотря на то, что лежит в основе самой жизни и играет роль одной из ключевых субстанций нашего мира. Она, хотя и пользуется для своего воплощения различными материально-энергетическими средствами, тем не менее, всегда выступает в качестве отдельного спутника и независимого виртуального природного явления. Поэтому кодированная информация является нематериальной сущностью.

2. Несмотря на то, что информация является нематериальной категорией, однако существовать и воспроизводиться она может только на базе системной организации и на основе тех или иных материально-энергетических средств и носителей. Поэтому информация всегда передается по каналам связи в виде материальных или энергетических сигналов, имеющих определенное смысловое значение.

3. Информация всегда предполагает наличие той или иной системы, где она может кодироваться, генерироваться и передаваться. Поэтому информация в системе всегда выступает как отдельное и самостоятельное явление, имеющее виртуальный (умозрительный) характер.

4. Отсюда следует, что кодированная информация, по своей природе, сущность не материальная, а виртуальная. То есть она и не вещество, и не энергия, а что-то другое, данное живой (материи) природе и нам в представление. Причем, важно отметить, что она подчиняется не физическим законам, а только своим специфическим принципам и правилам (закономерностям информатики). Информация, как правило, всегда выступает главной доминантой во всех функциональных процессах той или иной системы.

5. Кроме того, информация – это “многоликий Янус”: она может кодироваться на разных языках; записываться различными буквами, цифрами, знаками или химическими био-логическими элементами. Информация способна иметь множество разнообразнейших форм, видов и категорий и передаваться различными способами.

6. Загадочной остаётся способность одной и той же информации находиться и существовать в различных её видах и формах, передаваться (кодироваться) при помощи различных языков и записываться с помощью разных алфавитов. То есть одна и та же информация может храниться на различных физических носителях и передаваться от источника к приемнику по каналам, разным по своей природе. Причем, это одно из ключевых и фундаментальных свойств информации.

7. Информация, сохраняемая в любой записи, может считываться и передаваться на расстояние, записываться и вновь воспроизводиться без потерь, то есть формы её существования могут переходить одна в другую многократно. Информация, записанная любым способом, с течением времени может разрушаться под действием коррозии и других физико-химических факторов. Потери информации также могут происходить при её передаче под действием помех и т. д.

8. Хотя понятие “информация” неоднозначно и, как правило, зависит от области её использования и применения, однако для любой живой системы главным фундаментальным свойством является её способность к управлению и оповещению (сигнализации). Способность к структурной упорядоченности и функциональной организации живой материи – один из главных аспектов молекулярной информации.

9. Очень важное свойство информации заключается также в том, что она способна быть управляющей силой только в той системе, которая воспринимает её как истинную смысловую реальность, то есть, где она становится реально значимой сущностью. Поэтому работа живых и сложных технических систем может быть обеспечена потоками и циркуляцией только той информации, которая реально значима и дееспособна в этих системах. Особо пристальное внимание информация заслуживает именно потому, что она определяет функциональное поведение системы – повышает её организацию и понижает энтропию (дезорганизацию).

10. Очевидно, что любая сложная система способна пользоваться лишь той информацией, которая свойственна и присуща её природе! Поэтому в каждой системе, например, в живом организме циркулирует только “своя информация”. Поэтому информация биомолекул другого организма является чуждой для данного организма, в связи с чем, она всегда отторгается и отвергается. Вспомним защитную реакцию иммунной системы. Это, на мой взгляд, тоже очень важное качество, которое входит в круг основных свойств и принципов информации.

11. К важным свойствам информации можно отнести и тот факт, что для передачи информации и других информационных процессов требуется относительно небольшое количество энергии. Однако слабые информационные воздействия в системе способны управлять работой любых, даже самых сложных силовых механических или энергетических установок.

12. Здесь мы затронули, по всей вероятности, лишь некоторую часть удивительных свойств “Информации”. Однако, пользуясь отмеченными фактами и представлениями, прежде всего, необходимо видеть огромнейшую понятийную разницу между самими материально-энергетические объектами и физическими процессами нашего мира, которые порой бывают чрезвычайно грандиозными по своим масштабам, и той информацией, которая о них передаётся. Любой процесс или объект косной природы обладает лишь своими физическими (или химическими) характеристиками, однако информация о них – это, увы, сущность совершенно другой природы! Одно дело наличие и реальность материального мира и совсем другое – получение о его характеристиках информации, весь процесс которого связан не только с отбором нужных сведений и данных, но и с их переработкой – с процессами кодирования, преобразования и передачей сообщений. Природные материальные и физические процессы подчиняются только своим фундаментальным законам, изучением которых занимаются соответствующие науки. Информация же, исходя из общего понятия, не зависит ни от физических, ни от энергетических свойств своего носителя, она подчиняется только своим принципам и правилам.

13. Поэтому одним из основных характерных свойств информации является функция замещения. То есть информация – это никогда не сами исследуемые объекты, явления или процессы, – они замещаются закодированными сообщениями, состоящими из последовательностей букв, символов или знаков.

14. “Классическая” теория (кодированной) информации позволяет измерять информацию текстов и сообщений, исследовать и разрабатывать приемы её кодирования в передатчике и декодирования в приемнике, измерять пропускную способность канала связи, исследовать уровень помех в канале связи и т. д.

2. Особенности молекулярной биологической информации

Удивительный и таинственный микроскопический мир молекулярной информатики любой живой клетки далек от наших повседневных представлений. Этот феномен, несмотря на усилия многочисленной армии исследователей, до сих пор не поддается изучению и поэтому до настоящего времени относится к самым засекреченным и жгучим тайнам живой природы. Живые молекулярные системы обладают невероятной плотностью записи информации, так как её кодирование в структурах макромолекул осуществляется на субмолекулярном уровне, с помощью боковых атомных групп молекулярных био-логических элементов – нуклеотидов, аминокислот, простых сахаров, жирных кислот и других мономеров. Даже мысленно трудно себе представить, какое колоссальное количество информации хранится в генетической памяти и циркулирует в биологических макромолекулах и структурах одной клетки, размеры которой в длину подчас составляют сотые доли миллиметра! К сожалению, необъятный микрокосмос биологических молекул живой клетки для человека до сих пор так же недосягаем, как и космос нашей Вселенной.

Понятно, что для представления молекулярной информации в живых системах не применяются функции алгебры логики и операции двоичной арифметики. Здесь действуют строго свои, специфические закономерности молекулярной биохимической логики и информатики. При этом живая природа оказалась настолько искусным шифровальщиком и применила на молекулярном уровне такие системы кодирования и программирования, которые гарантировали сохранность тайн живой материи буквально до наших дней! К сожалению, среди биологов не нашлось квалифицированных криптографов, которые могли бы расшифровать многочисленные молекулярные коды и различные линейные и пространственные кодовые комбинации молекулярных био-логических элементов (мономеров), представляющие собой программные модули, используемые в структурах биологических макромолекул. Между тем, молекулярная информатика лежит не только в основе жизни, но и является фундаментом того необъятного “айсберга” генетических и информационных молекулярно-биологических технологий, которые правят миром живого уже более 3,5 миллиардов лет.

Ясно, что микромир молекулярной информации не только существует, но даже “живет” полнокровной жизнью, причем, в каждом из нас и в каждом живом организме, поскольку все мы её “и душа, и тело”, и средство её материального воплощения, и орудие её взаимодействия с окружающим миром. Естественно, что молекулярная информация точно так же как и другие виды кодированной информации подчиняется общим принципам и правилам. Она образуется сочленением химических букв, символов или знаков молекулярного алфавита, которые формируют необходимые предпосылки для представления информации. Поэтому перед живой клеткой не возникает проблемы, как передать информацию и, главное, какие материальные средства использовать для этого. Информация в живых молекулярных системах записывается с помощью элементарной формы органического вещества – мономеров (химических букв или символов). Следовательно, переносчиком информационных сообщений являются различные макромолекулы, в структурах которых при помощи химических букв или символов записана нужная биологическая информация. Главным же аспектом молекулярной информации является даже не выбранный код, а его смысловое значение (семантика). К примеру, таблица генетического кода указывает, какая аминокислота кодируется тем или иным кодоном (триплетом) в структуре иРНК (а значит, и в ДНК). Именно смысловое значение (семантика) превращает кодовую последовательность химических букв или символов молекулярных цепей макромолекул в информационное сообщение. Важным в цепях макромолекул представляется и порядок кодовых слов и предложений (модулей), то есть грамматический аспект информации. Поэтому семантический и синтаксический уровни записи сообщений в живых системах представляет наиболее важный аспект молекулярной информации. Общие свойства информации не исключают того, чтобы молекулярная информация могла бы обладать своими специфическими особенностями и свойствами. Однако ясно, что зарождение на нашей планете кодированной информации не могло бы произойти без наличия её материально-энергетических носителей, а так же без соответствующей системы управления. Поэтому, очевидно, что развитие как информации, так и живой материи шло в совокупности этих двух феноменов и в прямой взаимозависимости их друг от друга.

Ясно, что:

1. Историческим первоисточником кодированной информации, со всей очевидностью, следует считать “самые древние” живые молекулярные системы. Одна из главных заслуг живой материи, видимо, и кроется в том, что с её “лёгкой руки”, информация, зародившаяся и воспроизводимая в её недрах, вырвалась как джин из сказочной бутылки и заполнила наш мир мощными потоками и всеобъемлющими сетями виртуальной (кодированной) информации! Этим самым для человека был открыт путь для исследования загадочных тайн виртуального, то есть нематериального мира нашей Вселенной. А общие законы и принципы кодирования информации стали не только фундаментальными основами Жизни, но и, впоследствии заново были “открыты” человеком и нашли самое широкое распространение во многих областях человеческой деятельности: в технике, в науке, в управлении, в связи, в экономике, в социальной и общественной сфере и т. д. Поэтому саму Жизнь можно представить не только как одну из форм существования материи, но и как одну из форм существования, циркуляции и воспроизведения кодированной (генетической) информации, на основе системной организации живой материи. Ведь недаром же моментом зарождения Жизни на Земле считается возникновение кодирования, связанное с появлением наследственной информации.

2. Отметим, что, несмотря на виртуальность молекулярной информации, она отличается не только повышенной природной помехоустойчивостью и достоверностью при передаче сообщений, но чрезвычайно высокой своей “засекреченностью”.

3. Кодированием, как известно, называется процесс преобразования тех или иных сведений и данных в совокупность букв (символов или знаков), определяемую кодом. А любой код является ключом для перевода информации из одной её формы в другую. По этой причине кодированная информация, по всем своим показателям, стала одним из самых гениальных изобретений живой природы. Ведь недаром же информация, в результате длительной эволюции, постепенно стала, наряду с веществом и энергией, важнейшей сущностью нашего мира.

4. Информация всегда выступает главной доминантой при управлении различными молекулярными объектами или процессами. Можно без преувеличения сказать, что только совокупность всех универсальных свойств информации обеспечила возможность строительства (кодирования и программирования) на основе молекулярных мономеров неограниченного количества различных по своей конструкции, назначению и функциональным свойствам биологических макромолекул.

5. Следует также отметить, что любая макромолекула в клетке создается для выполнения тех или иных биологических функций, поэтому она всегда встраивается в общую систему управления. После выполнения своих функций любая биомолекула выпадает из общей системы управления и поэтому подлежит разрушению (расщеплению). Это факт содействует непрерывности циркуляции информации. В противном случае клетка могла бы погрузиться не только в информационный хаос, но и превратиться в материальный склад своих метаболических отходов.

6. К исключительным свойствам информации, к примеру, генетической относится её способность бесчисленное количество раз передаваться из поколения в поколение, путём простой смены своих материальных носителей! Поразительно, но информация действительно способна чрезвычайно долго существовать за счет бесконечной смены своих носителей. Мы живем, благодаря полученной наследственной информации от своих близких и далеких предков. В нашем организме нескончаемым потоком идут процессы обмена веществ и энергии, с возрастом мы постоянно меняемся, и у нас в теле не остается ни одной биомолекулы, с которыми мы появились на свет при рождении, – неизменным остаётся только наше “Я” и та генетическая информация, благодаря которой мы существуем и развиваемся!

7. В силу этих обстоятельств, на первый план в живой системе выступает уникальная способность генетической информации двигать потоками энергии и вещества, но при этом самой оставаться неизменной или почти неизменной. Наследственная информация является фундаментальной основой любой живой системы! Очевидно, что информация всегда существует в сцеплении только с теми материально-энергетическими средствами, при помощи которых осуществляется её запись, передача, хранение или преобразование. Поэтому при разрушении переносчика сообщений сразу же исчезает и та информация, которая была записана на этом носителе.

8. Важным обстоятельством является и то, что перед живой клеткой не возникает проблемы, как передать информацию от источника к приемнику и, главное, какие материальные средства использовать для строительства своих аппаратных средств. Информация в живых молекулярных системах записывается с помощью элементарной формы органического вещества – мономеров (химических букв и символов). Следовательно, переносчиком информационных сообщений являются биомолекулы, в структурах которых записывается нужная информация. При этом обратим внимание на удивительно важные свойства живой материи, которые проявляются повсеместно. А именно: при построении любых биологических молекул и структур используются те же материальные носители, которые применяются для передачи молекулярной информации. Этот факт говорит об универсальных свойствах молекулярного алфавита, и, пожалуй, может объяснить, почему биомолекулы одновременно подчиняются не только физико-химическим, но и информационным закономерностям.

9. Как мы видим, живая природа пошла по пути использования как самой информации, так и средств её молекулярных носителей. Посредством оперативной памяти иРНК, молекулярного алфавита и соответствующих аппаратно-программных средств (трансляции) информация загружается в структуру белковых молекул, где она диктует биомолекулам не только структурное содержание, но и правила их поведения. Таким образом, циркуляция информации в клетке определяет не только структурную, но и программную часть всех компонентов клетки. В связи с этим, все макромолекулы и клеточные компоненты являются программируемыми устройствами, несущими в своих структурах функциональную информацию.

10. Загруженная в макромолекулы структурная и программная информация является основой их информационного и функционального поведения в общей системе управления живой клетки. В связи с этим, все клеточные процессы управляются и взаимно координируются той программной информацией, которая в данное время была экспрессирована и загружена в молекулярную структуру функциональных биологических молекул и компонентов клетки. Без управляющей и сигнальной (осведомляющей) информации любая сложная система управления мертва. Уберите из компьютера программную информацию и получите груду "железа". Уберите ДНК из живой клетки, и через некоторое время она перестанет функционировать. Ясно, что биологические макромолекулы и клеточные компоненты функционируют только потому, что все они в совокупности представляют собой общую систему самоуправления, а в их цепях и трёхмерных конформациях загружена та структурная и программная информация, которая транслирована генами.

11. Несмотря на то, что материя и энергия неизбежно являются фундаментальными основами жизни, сами по себе они не определяют принципиальной разницы между живыми и неживыми системами. Одной из главных характеристик живых систем является циркуляция в них наследственной информации, которая обеспечивает их жизнедеятельность. Информационный уровень развития и функционирования живой материи это, несомненно, новый, более высокий уровень её движения и организации. Здесь информация и материя выступают в качестве равноправных партнеров: информация использует материю в качестве носителя, а материя использует информацию для более высокого уровня своей организации.

12. При этом заметим, что движение информационных сообщений в живой клетке никогда не может осуществляться без движения их молекулярных носителей. Этот факт, по-видимому, и является первопричиной, побуждающей клетку строить свои вещественные отношения таким образом, чтобы движения информации всегда были бы обеспечены вещественными носителями! Этим задачам, по всей вероятности, подчинены все управляемые обменные процессы живой клетки, то есть, таким образом, наследственная информация в живой системе занимается материальным и энергетическим самообеспечением.

13. Отсюда следует также закономерный вывод о том, что многие универсальные свойства, приписываемые сегодня биологической форме движения материи, на самом деле относятся к информации, заключенной в её структурах, – но никак не к физико-химическим свойствам её биоорганических носителей! К этим свойствам, в первую очередь, относится способность живой материи к самосборке, саморегуляции, самовоспроизведению, а так же к селективному отбору. Очевидно, что все эти универсальные способности живого обеспечиваются только системной организацией и информацией, существующей на основе биоорганического вещества, но никак не самим веществом, какими бы уникальными физическими или химическими свойствами оно не обладало.

14. В связи с этим, следует важный вывод о том, что фактором наследственности является не генетический материал, как считают некоторые биологи. Фактором наследственности является только информация, записанная генетическим кодом на этом носителе. Этот факт, хотя и является дискуссионным, однако он закономерно открывается при внимательном прочтении “формулировки” понятия информации. Он четко просматривается при рассмотрении и изучении свойств, как самой биологической информации, так и свойств её молекулярного носителя. Очевидно, что взаимоотношения этих двух категорий следует рассматривать виртуально, то есть в таком их виде, который всегда существовал между информацией и её носителем. Ясно одно, что главнейшей функциональной доминантой в структуре живой материи является – информация!

15. Не секрет, что на основе клеточной организации и управленческой деятельности наследственная информация в процессе эволюции формирует и совершенствует все новые и новые биологические объекты, которые вызывают новые циклы захвата и ввода в этот информационный круговорот все новых и новых порций вещества, энергии и информации. Эти процессы являются первопричиной роста, совершенствования, воспроизводства и развития не только отдельных организмов, но и эволюции биосферы в целом.

16. Об источниках и причинах эволюции живой материи до сих пор продолжаются дискуссии. К примеру, доминирующая в науке теория эволюции Дарвина в своей основе предполагает отбраковку неудачно сконструированных образцов живых организмов, что, якобы, и является движущей силой развития. Однако отделы технологического контроля существуют не только в живой природе и, как мы знаем, не они являются разработчиками и конструкторами годных к применению изделий. Что же тогда является источником тех могучих движущих сил, которые порождают необузданную генерацию живой материи и ошеломляющее разнообразие жизни?

17. Ответ на этот вопрос должен быть однозначным, так как только наследственная информация в живых системах является той неуёмной и необузданной силой и субстанцией, которая обладает чрезвычайно высокой способностью (на основе вещества, энергии и системной организации) создавать копии самой себя (реплицироваться), развиваться, совершенствоваться, распространяться и поэтому “вечно” существовать во времени и в пространстве. По крайней мере, до тех пор, пока имеются источники энергии и вещества, подходящие условия для существования живых систем и позволяет их программа развития.

18. Как мы видим, эволюция – это закономерный переход одного уровня системной организации материи (вещества), энергии и информации на другой более высокий уровень. Причем, информация в этой триаде играет ключевую роль, так как только она способна обеспечить целенаправленность, закономерность и упорядоченность процессов. Так как вещество и энергия участвуют в круговороте и никуда не исчезают, то имеются веские основания полагать, что эволюция, по своей сути, является процессом возрастающего воспроизводства и генерации новых видов и форм информации. Как мы видим, этот процесс осуществляется за счет использования и круговорота потоков энергии, информации и вещества. Особенно заметно это проявляется в живой природе и в сфере технических информационных технологий. Таким образом, наш мир закономерно становится всё более и более информационным и это трудно не заметить.

19. А сама Жизнь, благодаря внедрению и использованию наследственной информации, оказалась явлением эволюционного и функционального перехода вещества и энергии на качественно новый – информационный уровень их системной организации. Диктат информационной субстанции подчинил движение потоков вещества и энергии своей воле, а направленность эволюционных процессов оказалась изначально подчинена информации.

20. Заканчивая рассматривать особенности молекулярной информации необходимо подчеркнуть, что естественный ход развития и эволюции жизни на Земле, по всей вероятности, носит характер планетарного информационного явления. Между тем, одна из формулировок философии, определяющая сущность жизни, гласит: “Жизнь есть особая форма движения материи”. Однако уже достаточно давно известно, что без информации и без энергии движение биологической формы материи немыслимо. Похоже, философы немного поспешили, когда приписали эти фундаментальные свойства – материи. Очевидно, что основную формулировку необходимо приводить в соответствие с новыми воззрениями. Так как становится фактом, что Жизнь, – это особая системная форма движения, воспроизводства и генерации информации, которая осуществляется на базе использования энергии и вещества.

21. Можно сказать, что Жизнь – это такая материальная форма движения, циркуляции и генерации информации, которая целенаправленно связана с преобразованием и обменом энергии и вещества с целью их функционального и эволюционного перехода в новые виды и формы молекулярной и функционально-биологической информации. Поэтому первый, фундаментальный уровень развития информационных субстанций и их технологий на нашей планете был реализован на молекулярно-биологической основе. С тех пор важнейшей сущностью на Земле стала информационная субстанция, а информация как одна из главных составляющих нашего мира действительно стала основой нашего мироздания.

22. Самоуправление и информационный обмен являются самыми существенными характеристиками функционирования живых систем. Поэтому в любых живых клетках феномены кодирования, хранения, перекодирования, передачи, обработки и использования генетической информации являются ключевыми для всех биологических процессов. Именно с кодированием информации связаны многие замечательные свойства живой материи. С кодированием, перекодированием и декодированием информации связаны не только организация живых систем, но и практически любые области человеческой деятельности.

23. Можно убедиться в том, что в живых организмах, для представления молекулярной информации в различных её видах и формах, существуют свои молекулярные биологические алфавиты, представляющие собой разные системы био-логических элементов (химических букв и символов).

24. Информационный подход к молекулярным биологическим системам может учитывать статистический, синтаксический и семантический уровни молекулярной информации. Молекулярная “информация как некая виртуальная сущность всегда передается с помощью набора химических букв или символов (статистический уровень), упорядоченных использованием кода (синтаксический уровень), для передачи значащего сообщения (семантический уровень), которое вызывает ответную реакцию (цель). Самое главное требование для того, чтобы некая информация могла быть передана от передатчика к приемнику – набор букв или символов. Последовательность букв или символов и синтаксические правила формируют лишь необходимые предпосылки для представления информации. Но основной аспект сообщения, однако же, состоит не в выбранном коде, форме символов или методе передачи (письменных, акустических, электрических, тактильных или обонятельных сигналах), но в его значении (семантике). Именно значение превращает кодовую последовательность букв или символов в информационное сообщение” [2].

25. Очевидно, что молекулярная информация для разных уровней организации живых систем является “ведущей”, а все другие информационные уровни организации биосистем являются “ведомыми” (т. е. подчиненными).

3. Молекулярный алфавит живой природы

Известно, что всё живое на Земле, от ничтожной бактерии до человека, состоит из одинаковых “строительных блоков” – стандартного набора более чем трёх десятков типовых функциональных био-логических (биохимических) элементов. Этот типовой набор представляет собой не что иное, как элементную базу, или общий молекулярный биологический алфавит, который, по мнению автора статьи, служит не только для построения биомолекул, но и для кодирования и программирования молекулярных структур и функций живой материи.

В состав этого уникального комплекса элементов входят различные системы био-логических элементов (отдельные молекулярные алфавиты):

1) восемь нуклеотидов, – “четыре из них играют роль кодирующих единиц ДНК, а другие четыре используются для записи информации в структуре РНК” [3];

2) двадцать различных стандартных аминокислот, которые кодируются в ДНК и служат для матричного построения белковых молекул;

3) несколько жирных кислот, – сравнительно небольшое число стандартных органических молекул, служащих для построения липидов;

4) родоначальниками большинства полисахаридов является несколько простых сахаров (моносахаридов) и т. д.

Все эти химические буквы и символы живой природы являются натуральными дискретными единицами молекулярной информации. Важно также отметить, что весь этот комплекс элементов обладает функциональной полнотой, так как содержит функционально полный набор био-логических элементов. Именно поэтому живая природа, пользуясь био-логическими элементами, способна к построению и реализации любых биологических структур и функций. Интересно, что кроме семантики сообщений все био-логические элементы обладают еще и универсальной природной способностью к выполнению различных – химических, энергетических, программных и других биологических функций. Информационные сообщения не могут перемещаться во времени и в пространстве нематериальным способом.

Поэтому информация в живой системе, – это содержательные сведения, заключенные в том или ином послании или сообщении генома, которые хранятся, передаются и используются только в закодированной молекулярной форме в виде биологических молекул! Любой информационный код (и не только генетический) в живой клетке записывается химическим способом с помощью элементарной формы органического вещества, поэтому различные посылки и сообщения переносятся в структурах разных макромолекул. Очевидно, что элементная база представляет собой те системы биохимических элементов, используя которые живая клетка способна информационным путём строить различные биологические молекулы и структуры (определяя их морфологическую организацию), записывать в них информацию, а затем, с помощью этих средств осуществлять любые биологические функции и химические превращения (метаболические реакции). И ведь, действительно, – все биохимические элементы (химические буквы и символы), входящие в состав макромолекул, представляют собой ту элементарную форму органического вещества, с помощью которой формируются и передаются биологические коды молекулярной информации.

Автор статьи считает, что информация в живой молекулярной системе передаётся с помощью различных дискретных кодовых сигналов, которые сначала формируются в “линейных” молекулярных цепях, а затем, и в трёхмерных структурах различных макромолекул. Следовательно, информация в живых клетках имеет молекулярный базис представления [4]! Невероятно, но все биохимические буквы и символы элементной базы (мономеры) живой материи оказалась наделёнными такими химическими и физическими природными качествами и свойствами, сочетание которых позволяет им в составе биологических макромолекул одновременно выполнять буквально различные по своей биологической роли элементарные функции и операции.

1. Служить в качестве строительных блоков, с помощью которых осуществляется физическое построение различных макромолекул.

2. Исполнять роль натуральных информационных дискретных единиц – химических букв или символов, с помощью которых в биомолекулы записывается молекулярная информация.

3. Служить в качестве элементарных дискретных единиц молекулярного кода, с помощью которых идёт кодирование, преобразование, передача, а впоследствии, – воплощение и реализация генетической информации.

4. Быть структурными элементами программных модулей, с помощью которых строятся алгоритмы структурного преобразования, а затем и программа функционального поведения различных биологических макромолекул.

5. Обуславливать потенциальную и свободную химическую энергию биологических макромолекул и т. д.

Следовательно, все функции и операции молекулярной биохимической логики и информатики в живой системе выполняются и реализуются типовыми мономерами, которые несут элементарные химические сигналы и имеют простую “структурную схему”! Поэтому их вполне заслуженно можно назвать молекулярными био-логическими элементами. Вследствие этого, любая макромолекула клетки, состоящая из конечного множества таких элементов, является реализатором тех биологических функций и операций, которые информационным путём интегрированы и загружены в её трёхмерную структуру. Всё это указывает на то, что генетическая информация, загруженная в макромолекулы (с помощью аппаратных средств и молекулярного алфавита), определяет не только их молекулярное содержание, но и их структуру, форму, класс биоорганического соединения, потенциальную и свободную энергию химических связей. Вследствие этого, та программная информация, которая загружена в молекулярные структуры, всегда определяет биохимическую логику поведения любой макромолекулы в клеточной системе. Все типовые мономеры были отобраны в процессе эволюции, поэтому, входя в состав биологических молекул и клеточных компонентов, они определяет не только структуру живого вещества. Элементарный состав биомолекул всегда тождественно является и эквивалентом информационного генетического сообщения, и средством программного и энергетического обеспечения. Это замечательное свойство живой материи можно назвать тождественностью органического вещества, химической энергии и молекулярной информации!

Поэтому, зная основы биохимии и молекулярной биологии, можно констатировать, что принцип единства вещества, энергии и информации – это и есть тот главный и основной принцип, который определяет и обуславливает само существование биологической формы материи. А универсальные свойства элементной базы живой материи лишь удостоверяют и подтверждают данную гипотезу [5]. Как уже отмечалось ранее, информация в молекулярной системе управления представляется элементарными физико-химическими сигналами биохимических элементов в виде различных их боковых атомных групп и атомов.

Вспомним: сообщение в цепи ДНК или РНК кодируется в виде последовательности нуклеотидов, а носителями генетической информации являются азотистые основания – “боковые” атомные группы нуклеотидов. В полипептидной цепи белка это сообщение записывается в виде последовательности аминокислот, где носителями информации являются их боковые R-группы. В связи с этим, макромолекулы и структуры живой системы, состоящие из цепей био-логических элементов (цепей химических букв и символов в виде различных кодов или кодовых последовательностей), являются естественными носителями информации и программных средств, поэтому всё время находятся во взаимодействии друг с другом и с системой управления.

Все информационные управляющие процессы в живой клетке, как правило, базируются на применении целостных биохимических элементов. В силу этих обстоятельств, молекулярной информацией можно назвать совокупность закодированных в той или иной макромолекуле генетических данных или сведений, определяющих все её структурные, функциональные и информационные характеристики, которые позволяют ей программно функционировать и определяют её роль, назначение и биологическую судьбу в данной системе.

Поэтому бытующая в биологии концепция о том, что как происхождение, так и функциональное поведение живой материи можно описать как исключительно физико-химическое явление на молекулярном уровне, не соответствует действительности. Нельзя не учитывать информационную (нематериальную) составляющую живого и трактовать жизнь как чисто материальное явление [6]. Информация в живой системе, в зависимости от её вещественного носителя, может записываться различными буквами и символами (мономерами), и поэтому информационные сообщения могут существовать в различных вещественных воплощениях. А информация, находящаяся в структурах биологических молекул стала не только направляющей и организующей силой всех биохимических процессов, именно от её содержания зависят все показатели живой материи: её химический и структурный состав, все её качественные и количественные показатели.

Очевидно, что только от информации зависит и содержание, то есть состав самого вещества. Следовательно, вещество в любой живой системе занимает, увы, не главную, как декларирует биологическая наука, а подчинённую роль! Это звучит неожиданно, однако вспомним, что информация, заключенная в генах, до мельчайших подробностей определяет аминокислотный состав и, соответственно, функциональное поведение белковых молекул. Структурный состав веществ целостного организма также всецело зависит от наследственной информации. Удивительно, но получается, что все мы живём под диктатом информации, которая не только окружает нас, но и внедрена и сосредоточена в каждом из нас на генетическом и молекулярно-биологическом уровне! А все мы – люди, по своей сути, и представляем собой высшую форму информационной субстанции, потому что в буквальном смысле состоим из одной информации и подчинены ей на всех уровнях своей сущности: на уровне генов, биологических молекул, на уровне каждой клетки. И ничего тут не поделаешь, – просто на Земле живые информационные субстанции существуют в таких видах и формах, которую они формируют на базе своей первичной (генетической и клеточной) информации и имеющейся на Земле материи. Чрезвычайная информационная насыщенность живого, к сожалению, биологами до сих пор еще не замечена, не осмыслена и не исследована. Однако если информация в живой системе не зависит от физических свойств своего носителя, то состав и свойства самого биоорганического вещества полностью зависят от информации.

Поэтому можно сказать, что каждое информационное сообщение через элементарный состав и энергию передает своему носителю (биомолекуле) все те биологические качества и свойства, которые определяются генами. К примеру, таким путем происходит трансформация информации и её носителя в определённую структуру белковой макромолекулы со всеми её коммуникативными микроматрицами, исполнительными органами, механизмами, а так же программным и энергетическим обеспечением. Это позволяет каждой белковой молекуле функционировать в клетке в качестве молекулярного биологического автомата с программным управлением. Диаметр молекулы типичного глобулярного белка составляет всего 4-6 нм. Таким образом, очевидно, что живая клетка для реализации процессов управления своими биологическими структурами и функциями, создаёт свой многочисленный парк молекулярной “наноробототехники” с программной биохимической логикой управления, который работает на недосягаемом субмолекулярном уровне. В этом, очевидно, и заключается один из секретов молекулярных информационных биотехнологий.

Только эти технологии позволяют работать ферментам и белкам (представляющим собой молекулярные автоматы или манипуляторы с программной биохимической логикой управления), с необыкновенно “высокой производительностью труда” и на недосягаемом субмолекулярном уровне. К примеру, одна молекула фермента уреазы способна расщепить за одну секунду при комнатной температуре до 30 000 молекул мочевины! Не будь “катализатора”, на это потребовалось бы около 3 000 000 лет!” [7]. Следовательно, только при управлении этой реакцией с помощью молекулярного автомата (уреазой) её скорость может превосходить “естественную” её скорость расщепления во много триллионов раз. Есть ферменты, работающие быстрее, чем уреаза, и есть такие, которые работают медленнее. Очевидно, что только информационные молекулярные биологические автоматы (но не химические катализаторы) способны на такую сверхвысокую избирательность и производительность в работе

4. Структурное кодирование и программирование биологических макромолекул

Каждая макромолекула живой клетки функционирует в общей системе управления в соответствии с той программой, которая была загружена в ее микроструктуры при “изготовлении”. Сама же программа макромолекулы – это представление алгоритма её функционирования с помощью позиционной последовательности составляющих её химических букв или символов (био-логических элементов), многочисленные единичные сигналы которых действуют как внутри макромолекулы, так и воспринимаются управляющей системой живой клетки. Поэтому программы макромолекул обеспечивают возможность физической реализации их биологических функций в клеточной среде.

Очевидно, что в живой клетке повсеместно применяется принцип структурного кодирования и модульного программирования биологических макромолекул. Он представляет собой процесс программирования на алгоритмическом языке с использованием определенных конструкций. Структурное кодирование применяется для программирования отдельных модулей. Поэтому средства программного обеспечения состоят из функционально независимых модулей, что дает возможность производить их генерацию, приспосабливая к решению тех или иных биологических задач. Модульная структура позволяет относительно просто использовать и развивать программное обеспечение путем замены модулей, их перестановкой или введением новых компонентов [8]. Этот механизм по всей вероятности широко используется во время процессинга и “созревания” иРНК в клеточном ядре. Все загадки наследственности, изменчивости и функциональной организации живых систем кроются в молекулярных кодах живого, а точнее, в их смысловом содержании.

Очевидно, что генетическая информация соответствует общему учению об информации. Однако при рассмотрении свойств наследственной информации на первый план выступает её специфика. Важнейшая особенность наследственной информации заключается в том, что вся молекулярная информация в живых системах (данные, команды, сообщения, алфавитные записи) представляется в виде линейных химических или пространственных (стереохимических) кодовых сигналов. То есть вся информация от передатчика к приемнику передается определенным линейным или пространственным комбинационным набором химических букв, символов или знаков. Под кодом понимается система условных предписаний при модульном программировании структур и клеточных компонентов. “Структурное кодирование (или перекодирование) в живой системе – это метод позволяющий создание программных (кодовых) молекулярных модулей на требуемых языках программирования” [8].

Причем, для кодирования и программирования молекулярных модулей используется элементная база живой материи, состоящая из унифицированных био-логических элементов (мономеров). Модульное программирование – это организация программы как совокупности небольших молекулярных модулей, структура и поведение которых подчиняется определенным закономерностям молекулярной биохимической логики и главное, определяется физико-химическими свойствами составляющих их элементов. “Модуль в данном случае рассматривается как простая независимая программная единица (код, процедура или команда), реализующая только одну функцию” [8]. К примеру, каждая полипептидная цепь в клетке состоит из отдельных программных модулей, указывающей ей (в клеточной среде) пути, порядок и последовательность информационной сборки трехмерной конформации белковой молекулы. А в основе генетического кода лежат триплетные модули нуклеотидов, которые определяют состав и чередование аминокислот в полипептидных цепях белковых молекул.

Подобным образом кодируются и программируются все биоструктуры и функции клеточных компонентов. Генетическая информация через применение элементной базы (химических букв или символов) определяет структуру биологических макромолекул, а структура всегда является носителем и реализатором их функций, так как функциональные свойства каждой макромолекулы определяются взаимодействием и особенностями составляющих её кодовых модулей. “Системы структурного (модульного) программирования – это системы прямого программирования. То есть это системы, где их функции задаются их структурой. Системы структурного программирования – это такие системы, в которых воспринятый сигнал непосредственно переводится в действие (без всякой промежуточной “оцифровки”). По законам структурного программирования работает вообще любой биологический объект, а также любая часть этого объекта” [8]. Очевидно, что любая макромолекула является системой, функция которой обусловлена взаимодействием и интегративными свойствами образующих её кодовых модулей.

Вследствие этого, любая макромолекула клетки, состоящая из конечного множества таких модулей, является реализатором тех биологических функций и операций, которые информационным путём интегрированы и загружены в её трёхмерную структуру. Сейчас в биологической литературе появляются работы, в которых авторы утверждают, что генетический текст и генетический код не способны хранить, обрабатывать и передавать огромные массивы информации. В силу этих обстоятельств, якобы, должны существовать иные пути и способы передачи наследственной информации, вплоть до передачи её “высшими сферами”. Однако у официальной науке нет данных, которые бы подтверждали, что гены могут напрямую управлять живым веществом волновым или лазерным, полевым или стереогенетическим, цифровым, или каким-либо другим способом. Структурное кодирование (или перекодирование), применяемое в живой системе – это метод позволяющий создание программных (кодовых) молекулярных модулей на требуемых языках программирования.

Причем, для кодирования и программирования молекулярных модулей используется элементная база живой материи, состоящая из унифицированных био-логических элементов (мономеров). “Поэтому, в частности, нельзя рассматривать генетические тексты как непосредственное зашифрованное описание порождаемых ими структур. Скорее, это – описание алгоритмов их пространственно-временной реализации, или даже алгоритмы построения автоматов, реализующих эти алгоритмы. По-видимому, именно поэтому сравнительно небольшой длине генетического кода организма соответствует огромный массив информации, необходимый как для непосредственного описания морфологических структур, так и их развития” [8]. По мнению автора данной статьи, гены управляют живой материей только путем её структурного кодирования и модульного функционального программирования, а все другие сопутствующие – волновые, полевые и другие проявления – вторичны, так как они обусловлены структурно-функциональным и информационным поведением огромного числа биомолекул и клеточных компонентов. Безусловно, некоторые из этих проявлений могут играть дополнительную, вспомогательную роль в управлении живой материей, однако первую скрипку в общем ансамбле процессов, всё-таки, играет программная информация генов, транслированная и загруженная в биологические молекулы и структуры живой системы.

Очевидно, что все информационные массивы, загруженные в макромолекулы и другие клеточные компоненты, могут быть переданы только структурными генами, поэтому нет причин сомневаться в информационных возможностях генома. Здесь важно понять не только биохимическую логику живого состояния, но и найти те слова, которые могли бы дать объяснение логической цепи информационных событий, что порой представляет особую трудность. Не только теория информатики, но и законы биохимии могли бы дать многое для исследования закономерностей молекулярной информатики при перекодировании генетических текстов в морфологическую структуру белков и ферментов, при исследовании информационной и функциональной деятельности ферментов и белков и участия их в управлении метаболическими реакциями и морфогенетическими процессами.

5. Химический и стереохимический способы разделения сигналов

Информационным сигналом обычно называют средство передачи – переносчик сообщения. Сигнал – это однозначное отображение сообщения, всегда существующее в некотором физическом воплощении. В живой молекулярной системе каждый типовой био-логический элемент (химическая буква или символ алфавита) 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 длинные молекулярные цепи. И главное, – важно отметить, что каждый элемент (мономер) имеет еще и свою индивидуальную боковую атомную группу (или группы), которая в живой системе используется в качестве элементарного информационного химического сигнала! Вспомним: сообщение в цепи ДНК или РНК кодируется в виде последовательности нуклеотидов, а носителями генетической информации являются азотистые основания – “боковые” атомные группы нуклеотидов.

Соответственно, и в полипептидной цепи белка это сообщение записывается в виде последовательности аминокислот, где носителями информации являются их боковые R-группы. Поэтому информация в живой системе кодируется на субмолекулярном уровне организации с помощью боковых атомных групп различных молекулярных мономеров. Однако известно, что основной смысл информационных сообщений состоит “не в выбранном коде, форме символов или методах передачи, а в его значении (семантике). Заметим, что этот центральный аспект информации не играет никакой роли в её хранении или передаче. Именно значение превращает определенный код или кодовую последовательность букв или символов в информационное сообщение. Эти значения не связаны ни с материей, ни с энергией, они связаны с определенным смысловым содержанием” [2].

Примером смыслового значения является генетический код, когда отдельные модули – кодовые группы из трех нуклеотидов иРНК (а, значит, и ДНК) определяет правильное расположение аминокислот в полипептидной цепи белка. Значит, проблема действия генов всегда сводится к расшифровке закодированных в них сообщений. Поэтому основной характеристикой живых систем является содержащаяся в них генетическая информация, которая путем перекодирования на другой код и другой носитель (при использовании молекулярного алфавита) обеспечивает все их физико-химические и биологические процессы. Нескончаемая череда длинных дискретных кодовых сообщений, характерных как для клеточного ядра, так и для цитоплазмы, при весьма широком параллелизме этих передач, является главной отличительной чертой живых информационных систем.

Ясно, что в основе механизмов передачи генетической информации лежат циклические кодовые посылки различных информационных массивов. Например, различные аминокислоты полипептидной цепи, со всей очевидностью, организованы в виде отдельных структурных (модульных) кодовых сигналов, определяющих (в клеточной среде) различные по своей биохимической характеристике зоны, участки и фрагменты цепи, которые обуславливают соответствующие пути, порядок и последовательность информационной сборки белка. Заметим, что без соответствующей линейной информации свертывание полипептидной цепи было бы практически невозможным. “Расчеты показывают, что если полипептидная цепь из 100 аминокислотных остатков будет беспорядочно “перебирать” все возможные углы вращения вокруг каждой одинарной связи остова, пока не “найдет” свойственную ей биологически активную конформацию, то на это потребуется по меньшей мере 10 в 50 степени лет! В клеточных условиях, благодаря молекулярной информации в полипептидных цепях эта белковая макромолекула может быть построена всего за 5 с при 37* С” [3].

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, передаётся своими кодовыми модулями (кодовыми комбинациями аминокислот). Поэтому информация в цепи может содержать свою адресную, “операционную”, структурную и текстовую (информационную) части. Значит, различные информационные сообщения в полипептидных цепях могут быть представлены различными молекулярными кодами и кодовыми комбинациями (модулями) аминокислотных остатков.

Следовательно, в кодовых посылках структуры полипептидной цепи могут быть заключены:

1) адресные кодовые комбинации аминокислотных остатков, которые являются основой формирования адресных стереохимических кодов активного центра фермента (для коммуникативного взаимодействия с молекулами субстрата);

2) “операционная” кодовая комбинация аминокислот – служит основой формирования кода операции активного центра, указывающего характер химической реакции;

3) структурная часть кодовой комбинации аминокислотных остатков, которая кодирует построение и осуществляет программное обеспечение исполнительных органов и механизмов белковых молекул;

4) текстовая часть – кодирует и программирует средства информационной коммуникации белка с другими биомолекулами клетки (локальные или поверхностные рельефные микроматрицы).

Эффективность применения в живых системах молекулярных кодов обеспечивается многократным циклическим их повторением в структурах типовых макромолекул. Разные молекулярные цепи, с информационной точки зрения, эквивалентны различным дискретным сообщениям. Можно сказать, что линейный принцип кодирования применяется живой природой не только для передачи сообщений, но и для компактной упаковки молекулярных цепей, а значит, и информации. Именно этот принцип широко применяется клеткой для структурной организации различных биомолекул, как универсальный способ преобразования “линейных” цепей в трёхмерную структуру биологических молекул.

Заметим, что в результате конформационных преобразований в структуре белковой молекулы формируются соответствующие молекулярные органы и исполнительные механизмы, а на локальных и поверхностных участках возникает такая пространственно-упорядоченная организация боковых атомных R-групп элементов, которая в живой системе играет роль стереохимических кодовых информационных сигналов! К таким сигналам могут относиться: стереохимические команды управления активного центра фермента (адресный код и код химической операции); различные сигнальные и регуляторные кодовые компоненты; коммуникативные локальные и поверхностные кодовые биохимические матрицы (микроматрицы), служащие для информационного взаимодействия биомолекул с их молекулярными партнёрами и т. д.

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

Поэтому, стереохимический принцип кодирования молекулярной биологической информации применяется живой природой для размещения в одной макромолекуле различных по своему назначению сигналов, сообщений, инструкций, команд управления, а также органов и механизмов их реализации [9]. Такая организация белковых молекул не обладает сильной структурной жесткостью, она всегда достаточно лабильна в тех пределах, которые необходимы для выполнения ими биологических функций. А функциональное поведение макромолекулы, при взаимодействии её с молекулярными партнёрами, определяется свободной энергией и результатом информационного взаимодействия как внутренних, так и внешних составляющих её элементов.

Поэтому этот информационный уровень характеризуется уже взаимодействием биологических молекул друг с другом с помощью их локальных, рельефных или поверхностных микроматриц, в результате которых и возбуждаются их биологические функции. 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 молекул. Матричный принцип взаимосоответствия 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 взаимодополняемость, эти коды (субмолекулярные матрицы) активируются и ведут к возбуждению биологических молекул и их функций. Именно переключение состояний био-логических элементов в трехмерных конформациях, при информационных взаимодействиях биомолекул друг с другом, обеспечивают те функциональные процессы, которые происходят в структурах самих биологических молекул. То есть по совпадению кодов осуществляется контроль передачи и приёма молекулярной биологической информации. Речь идёт о характеристиках процессов рецепции информации и способности рецепторной системы влиять на исполнительные органы биомолекул.

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 молекулы клетки. Таким путём кодируются и программируются все их биологические механизмы и функции. Так как все функции в молекулярной биологии возникают и формируются информационным путём, то это может означать лишь одно, – вся технология биологических процессов основана на генетической информации и применении различных молекулярных алфавитов живой формы материи. А само информационное сообщение в молекулярной биологии приобретает смысл через функцию, которую оно кодирует.

Поэтому в живой молекулярной системе, под выполнением функций, с кибернетической точки зрения, должно пониматься исполнение белковыми молекулами (или другими функциональными молекулами клетки) различных информационных команд, директив, инструкций и сообщений, записанных в их молекулярной пространственной структуре. Все эти сообщения имеют дискретный характер и записываются стереохимическими кодами. Исследованием характеристик стереохимических кодов и микроматриц, в каждом конкретном случае, должна, по-видимому, заниматься специализированная дисциплина, такая как молекулярная биологическая информатика. Стереохимические коды и микроматрицы, представляющие собой управляющие или коммуникативные сигналы белковых (как, впрочем, и других) макромолекул, возникли в процессе эволюции живой материи и в настоящее время являются основой молекулярных информационных процессов в каждой живой клетке (организме). Все они образованы соответствующей пространственной организацией боковых атомных группировок био-логических элементов (химических букв или символов), входящих в состав кодовых сигналов. Такое динамическое информационное взаимодействие элементов в составе биологических молекул, которое особенно характерно для белковых молекул, является основой динамического механизма их биологических функций.

Основной целью стереохимического кодирования и программирования биологических молекул является:

1. Передача в трёхмерных структурах биологических молекул различных сообщений со стереохимическим кодовым разделением сигналов.

2. Передача адресных сигналов стереохимическими кодами, которые удовлетворяют требованиям самых разнообразных сообщений.

3. Программирование работы молекулярных органов и исполнительных механизмов, определяющих функции биологических молекул.

4. Повышение помехоустойчивости информационных сообщений путём применения комплементарных обратных связей, при взаимодействии биологических молекул друг с другом с помощью их биохимических матриц. Следовательно живые клетки являются системами с информационной обратной связью, так как управляющий код, к примеру, фермента сверяется с сигнальным кодом субстрата по принципу их химической и стерической комплементарности. Всё это означает, что в любой живой системе применяются помехозащищенные коды.

5. Повышение достоверности передачи сообщений, так как ошибочное замещение одной аминокислоты на другую в любом стереохимическом коде, как правило, ведёт к “потере” информационного сигнала белковой молекулы.

6. Повышение надёжности передачи за счет многократной циклической передачи одной и той же информации (в структурах типовых биомолекул, например, белковых). Следовательно, эффективность применения в живых системах молекулярных кодов обеспечивается многократным циклическим их повторением в структурах типовых белковых (и других) биомолекул.

7. Возможность регуляторного воздействия на управляющие стереохимические коды белковых макромолекул путем “разрешения или запрета” на прохождение управляющих команд (при помощи регуляторных молекул обратных связей).

8. Экономное использование различных компартментов и каналов связи, так как живая клетка является многоканальной системой самоуправления.

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. В связи с этим, процесс описания конкретного функционального алгоритма белковой молекулы на языке “стереохимических кодовых команд” можно было бы назвать – “программированием в стереохимических кодах”.

Стереохимический принцип кодирования и программирования функций биологических молекул – это и есть тот путь, который непосредственно ведёт от молекулярной информации к биологическим характеристикам живой материи. Причем, различные буквенно-символьные кодовые последовательности в цепях применяются не только для передачи сообщений о структурной организации биологических молекул, но используются и для передачи независимых команд, сообщений, адресных сигналов и инструкций. Как мы видим, в живой системе широкое применение находят именно адресные передачи, где разделение передающих сигналов (в структуре биомолекул) можно назвать химическим и “стереохимическим” кодовым разделением сигналов. Нам до сих пор неясен и непонятен этот древнейший язык живой природы, который, по всей вероятности, является не только средством молекулярного “общения”, но и формой выражения биологической сущности живой материи.

Стереохимические коды активных центров построены на основе аминокислотного кода, поэтому ферменты могут адресно взаимодействовать с молекулой субстрата и быстро находить нужную им химическую связь и связывающую группу. Кодовые компоненты активных центров ферментов могут комплементарно взаимодействовать с доступными для них функциональными или боковыми атомными группами и атомами молекулы субстрата. Как полагают 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. Поэтому все субстраты для своих ферментов являются сигнальными молекулами, несущими осведомляющую стереохимическую информацию. На этих принципах основана биохимическая логика информационных взаимодействий между ферментами и их субстратами. Субстраты – это тот химический и информационный материал, который обрабатывается управляющей системой клетки.

Таким образом, молекулярные биологические системы наиболее широко используют стереохимические кодовые сигналы с переносчиком информации в виде трёхмерных биомолекул. А это уже качественно новый скачок в использовании молекулярной информации, которая в такой форме явно становится основной характеристикой живой материи. Стереохимическое кодирование в живых молекулярных системах служит для программирования функций различных биомолекул. Биохимическая логика информационных взаимодействий, в частности, предопределяет и протекание химических реакций, так как она основана на явлениях стереохимического кодового “узнавания” соответствующими ферментами различных био-логических элементов или их функциональных и боковых атомных групп и их химических связей, то есть различных химических букв, символов и знаков биологических молекул субстрата. Если для компактной трёхмерной упаковки молекулярных цепей, а, следовательно, и информации, в живых системах применяется линейный принцип кодирования, то стереохимический принцип кодирования служит для программирования самих функций биологических молекул. В силу этих обстоятельств информация в молекулярной биологии приобретает смысл только через функцию, которую она кодирует. Биологические функции возникают в процессе информационного взаимодействия биологических молекул друг с другом.

Поэтому все информационные взаимодействия биомолекул являются прелюдией к выполнению функций биологических. Заметим, что стереохимическими сигналами активного центра кодируются не только адресный код молекулы субстрата, но и те функции, которые должен осуществить фермент. К примеру, код операции указывает характер химического превращения, которую должен осуществить фермент с молекулой (или молекулами) субстрата. Поэтому стереохимическими кодами (адресными кодами и кодами операций) соответствующих ферментов программируются разные биологические функции, в том числе и функции управления различными ступенчатыми химическими реакциями – окисления, восстановления, расщепления, межмолекулярного переноса атомных групп и т. д. Таким образом, оказывается, что все химические реакции в живых системах управляются только информационным путём.

6. Матричный (комплементарный) принцип информационных взаимодействий

Направленный процесс кодирования и передачи информации от источника информации к приемнику называется коммуникацией. А коммуникативность в живой системе – это способность биологических молекул к обмену информацией через посредство общей системы символов, то есть с помощью их линейных или стереохимических кодовых матриц. По принципу взаимодополняемости микроматрицы молекулярных партнёров должны комплементарно соответствовать друг другу. Биологические функции возникают лишь в процессе адресной встречи и обмена информацией между биомолекулами с помощью их кодовых стереохимических микроматриц, которые должны комплементарно соответствовать друг другу. А соответствие молекулярных кодов в живых системах строится по принципу их структурной (стерической) и химической комплементарности, то есть на основе взаимодополняемости их связей, структур и функций. Можно сказать, что к наиболее изученным информационным взаимодействиям в живой клетке относятся именно матричные процессы. Здесь хорошо просматриваются идеи программного био-логического управления, когда случайные беспорядочные столкновения молекул сменяются четко организованными, генетически детерминированными процессами. Например, последовательность нуклеотидов в одной цепи ДНК автоматически определяет последовательность в другой, комплементарной цепи. В поддержании и закреплении третичной структуры глобулярных белков принимают участие различные типы комплементарных (информационных) сил, связей и взаимодействий между элементами или фрагментами полипептидной цепи: электростатические эффекты, ионные и водородные связи, вандерваальсовы силы и гидрофобные взаимодействия. Во время конформационных преобразований каждый сигнал R-группы полипептидной цепи кооперативно взаимодействует с другими сигнальными элементами, а также с молекулами воды, которая всегда принимает участие в формировании трёхмерной структуры белка.

При этом стабилизация трёхмерной конформации белковой молекулы и правильное расположение структур определяется сочетанием различных типов комплементарных взаимодействий:

“1) ионными связями между положительно и отрицательно заряженными боковыми группами аминокислот;

2) водородными связями между атомами, несущими частичные положительные и частично отрицательные заряды;

3) гидрофобными взаимодействиями, обусловленными стремлением неполярных боковых R-групп аминокислот объединиться друг с другом, а не смешиваться с окружающей их водной средой;

4) ковалентными связями между атомами серы двух молекул аминокислоты цистеина” [7].

Таким образом, трёхмерная конформация белка однозначно определяется информацией, которая записана в “линейной” аминокислотной последовательности его полипептидной цепи.

Отсюда следует, что любые информационные взаимодействия между фрагментами молекулярной цепи в структуре биомолекулы или же между биомолекулами клетки могут базироваться только на химической и стерической комплементарности их биохимических матриц, то есть на дополнительности химических свойств, электрических зарядов и структурных рельефов друг другу.

Естественно возникает вопрос, почему живые молекулярные системы так широко применяют матричный способ рецепции и передачи информации? Заметим, что этот способ одновременно объединяет как структурный, так и химический способ соответствия кодовых компонентов. Во-первых, при взаимодействии биомолекул при помощи кодовых микроматриц большая роль отводится ионным взаимодействиям как наиболее дальнодействующим (до 0,7нм) и включающимся в первую очередь. Затем между молекулами возникают более короткодействующие (на расстоянии до 0,2 нм) связи: водородные, гидрофобные, ван-дер-ваальсовы.

Однако для того, чтобы эти силы могли возникнуть и действовать, необходимо, прежде всего, стерическое, пространственное соответствие (комплементарность) взаимодействующих поверхностей. Иначе говоря, должна существовать возможность сближения этих поверхностей на короткое расстояние, при котором возможно образование перечисленных связей. Необходима также комплементарность по распределению зарядов противоположного знака (для возникновения электростатических сил), гидрофобных областей и групп, способных к образованию водородных связей.

Таким образом, в процессе информационных взаимодействий важнейшую роль играет явление физико-химического кодового “узнавания”, то есть наличие стерической и химической комплементарности [10]. Наличие в структурах макромолекул как внутримолекулярных, так и внешних информационных сил и связей (обусловленных составляющими их элементами), 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”, которое способно влиять как на структуру самой макромолекулы, так и на её микроокружение.

При этом сама макромолекула как бы стабилизируется самосогласованным сжимающим информационным полем, обусловленным кооперативными силами притяжения между боковыми атомными группами и атомами мономеров. Эти рассуждения приводят нас к мысли о существовании полей особого типа, которые можно назвать “информационными полями и сферами” живой материи. Информационная сфера – это состав того информационного поля, которое образуется и окружает конкретную биологическую молекулу в определённый период времени. А наложение информационных сфер друг на друга и создаёт в окружающем пространстве живой клетки общее информационное поле. Можно констатировать, что информационное поле живой материи – это одно из видов полей, которое образуется с помощью различных биологических молекул и клеточных структур, способных к информационному взаимодействию. Молекулярные информационные поля, по всей вероятности, служат для облегчения дистанционного, а затем, и контактного коммуникативного общения биологических молекул друг с другом.

Только в таком поле молекулы, находящиеся в клеточных отсеках, способны быстро находить друг друга, информационно взаимодействовать и возбуждать при этом биологические функции. Любая молекула может находиться в одной из точек информационного поля, от энергии которого и зависит её поведение. Информационные взаимодействия, обусловленные кодовыми микроматрицами, состоящими порой из многочисленных боковых атомных групп элементов, достаточно сложны и более грандиозны чем, к примеру, процессы в цифровых системах. Они связаны с меняющейся динамикой взаимодействия и многовариантностью физико-химических сил и связей, определяющих характер молекулярной биологической информации. Здесь отсутствуют четко тестируемые сигналы определённого типа, как, например, 1 и 0 в цифровых устройствах. Каждый элементарный био-логический сигнал боковой группы имеет своё смысловое значение и характеризуется своим набором физико-химических свойств, и своим позиционным расположением в биохимической матрице. От этих параметров, по всей видимости, и зависит функциональная направленность и кооперативность действия каждого индивидуального единичного сигнала, то есть неоднозначность действия отдельного био-логического элемента, входящего в состав кодового (микроматричного) сигнала макромолекулы. Целью химического и стереохимического кодирования биомолекул является передача адресных информационных сообщений с кодовым разделением различных по своему назначению сигналов. Более чем наглядно это видно, когда такая программа реализуется в форме белков и ферментов, то есть в виде молекулярных биологических автоматов или манипуляторов [9].

Поэтому можно сказать, что это – универсальный путь передачи управляющей информации для непосредственного использования её в различных биологических процессах. Очевидно, что по кодовым компонентам полипептидных цепей вполне можно делать предсказания и о трёхмерных пространственных структурах белковых молекул, и об их функциональном и информационном назначении. Изучение кодовых посылок, линейных и стереохимических кодов и кодовых комбинаций (программных модулей) в структуре биологических молекул, должно стать приоритетным направлением в молекулярной биологической информатике. Аналогичным образом идет трёхмерное преобразование макромолекул полисахаридов или липидов, осуществляемое кодовыми элементами простых сахаров или жирных кислот. При этом, естественно, эти макромолекулы будут иметь свое функциональное назначение и свои биологические характеристики.

7. Три основных потока информации в клетке

“Сама по себе генетическая информация инертна. Её реализация в основные компоненты клеточной структуры требуют строительных материалов (элементной базы) и притока энергии. Ни того, ни другого молекула ДНК не содержит. Все это поступает в клетку из окружающей среды и с помощью белков подвергается соответствующим превращениям. Поэтому в клетке можно выделить три основных потока информации, которые лежат в основе жизнедеятельности. Эти потоки относительно независимы, но вместе с тем и взаимосвязаны, так как в своей сумме они наделяют совокупность молекул, составляющих клетку, свойствами живого.

1. Передача генетической информации по наследству, осуществляемая с помощью механизма репликации ДНК.

2. Выражение генетической информации, закодированной в геноме, то есть её реализация с помощью белоксинтезирующей системы в индивидуальные белки, катализирующие биохимические процессы, с помощью которых синтезируются компоненты клеточной структуры и осуществляются функции данной клетки.

3. Непрерывное поступление в клетку из окружающей среды питательных веществ, являющихся источником строительных материалов и энергии, необходимых для обеспечения обоих потоков генетической информации, то есть осуществления жизнедеятельности клетки” [11].

Живые клетки следует рассматривать и как физические, и как химические, и как информационные (буквенно-символьные) системы. Поэтому живые клетки для информатики и кибернетики являются самыми перспективными объектами изучения и исследования. С одной стороны, это – физические, материальные объекты, которые подчиняются всем физическим и химическим законам.

С другой стороны – управление и информационные процессы являются виртуальной (нематериальной) частью живого и поэтому подчиняются своим специфическим закономерностям (информатики, теории связи и управления). В связи с этим, важнейшими характеристиками живой системы являются самоуправление и информационный обмен. Обсуждение клеточных процессов управления должно начинаться с важнейших условий, необходимых для поддержания жизнедеятельности любых клеток.

1. Во-первых, для поддержания жизни любых клеток (микробных, растительных и животных) необходима циркуляция наследственной информации, которая основана на использовании генетической информации, применении управляющих средств, химической энергии и элементной базы живой материи. Заметим, что только циркуляция информации формирует, организует и приводит в действие все управляющие аппаратные системы клетки, обеспечивает их структурное построение, реконструкцию и загрузку в их компоненты программной функциональной информации. Загруженная информация в структуре живой материи является руководством к действию, а значит, и критерием управления и регуляции всех химических, молекулярных, энергетических и других биологических функций и процессов. По этой причине все физико-химические процессы живой системы выходят за свои собственные рамки и вступают в более содержательную область – область молекулярной биохимической логики, информатики и управления.

2. Во-вторых, все химические буквы и символы молекулярного алфавита – нуклеотиды, аминокислоты, простые сахара и жирные кислоты (и другие био-логические элементы) представляют собой ту элементарную форму органического вещества, с помощью которой формируются и передаются молекулярные коды наследственной информации. Поэтому молекулярная информация точно так же, как и химическая энергия, обнаруживает полное сродство с живым веществом на его элементарном уровне! В связи с этим основной функцией живой материи стала системная организация и интеграция в её структуре органического вещества, химической энергии и молекулярной информации. Очевидно, что триединство вещества, энергии и информации является фундаментальной основой существования биологической формы материи. Эта триада, по-видимому, и явилась тем феноменом, который определил движущие силы постоянного развития и совершенствования живой материи [5].

3. Живая клетка обладает всеми программными и молекулярными аппаратными средствами для “автоматизированной” переработки биоорганического вещества, химической энергии и молекулярной информации. Поэтому вся многосложная “паутина” целенаправленных и упорядоченных химических превращений в клетке формируется не сама по себе, а является результатом действия весьма сложной управляющей системы 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! Этим задачам, по всей вероятности, подчинены все управляемые обменные процессы живой клетки, то есть, таким образом, наследственная информация в живой системе занимается материальным и энергетическим самообеспечением. Следовательно, третьим условием поддержания жизнедеятельности клеток является наличие энергии, запасенной в форме АТФ и наличие исходной элементной базы (молекулярного алфавита), необходимых для процессов кодирования и программирования биологических макромолекул и клеточных структур (то есть для циркуляции информации).

4. Только при использовании общего алфавита у живой клетки появляется способность хранить, передавать, и преобразовывать информационные сообщения. Именно с кодированием связаны многие замечательные свойства живых клеток:

1) возможность хранения, передачи и переработки управляющей генетической информации;
2) возможность структурно-функционального программирования биологических молекул и клеточных структур;
3) совмещение программно-аппаратных средств в структурах белков, нуклеиновых кислот и других функциональных биомолекулах;
4) возможность обработки сигнальной информации субстратных молекул и т. д.

В связи с тем, что информация в клеточной системе записывается с помощью элементарной формы органического вещества (химических букв и символов), – нам всегда следует помнить, что кодирование информации в живой клетке постоянно и неизменно сопряжено с построением определённых молекулярных цепей и биологических структур! Молекулярное содержание этих цепей и структур напрямую зависит от той информации, которая в них загружается. Следовательно, любую макромолекулу можно рассматривать с двух различных точек зрения: или со структурной (физико-химической), или же с чисто информационной точки зрения. Это следует из принципа единства вещества, энергии и информации живой материи.

5. Все биологические функции и химические превращения в клетке поддерживаются и осуществляются управляющей системой под руководством генетической информации. Следовательно, живая клетка самоуправляется и “реконструируется” информационным путем. Это свойство является основным фактором, определяющим движение клетки по пути клеточных циклов развития и самовоспроизведения. Поэтому основной задачей наследственной информации является структурная и функциональная организация биологических объектов (живых существ).

8. Клетка как сверхминиатюрная система управления

В структурах живой клетки мы не найдем привычной начинки информационных технических систем с четким разделением материальных и программных средств. В клетках функционируют только те программируемые биологические макромолекулы, структуры и компоненты, которые после “биосинтеза” сами по себе становятся материально-энергетическими и программно-аппаратными средствами управления. Все они встраиваются в общую управляющую систему для выполнения тех или иных биологических функций и информационных операций! Благодаря этому, биомолекулы и структуры клетки всё время находятся в процессе постоянного и непрерывного движения, обновления, расщепления и информационного взаимодействия друг с другом, который и называется жизнью. Никто не будет отрицать, что живая клетка относится к одной из самых древних информационных систем естественного происхождения. Система управления каждой живой клетки, несмотря на их различную специализацию, имеет типовую структурную организацию и стандартный функциональный принцип действия. Во-первых, она имеет свою генетическую память, в которой заключена (закодирована) наследственная информация, достаточная для того, чтобы был воспроизведен целостный организм.

Поэтому каждая клетка является миниатюрным носителем жизни. А ДНК как сверхминиатюрное вместилище информации, закручена в двойную молекулярную спираль с шагом 3,4 нм и диаметром всего 2 нм. Каждая спираль содержит десять нуклеотидов, чем достигается высочайшая плотность записи информации. Профессор информатики Вернер Гитт (Германия) по этому поводу приводит впечатляющие примеры: “Информационная емкость ДНК как носителя информации живых существ, в 4,5x10 в тринадцатой степени раз выше, чем у мегачипа!

Общая сумма информации, собранной во всех библиотеках мира, оценивается в 10 в восемнадцатой степени бит. Если бы эта информация была бы записана в молекуле ДНК, для нее хватило бы одного процента объема булавочной головки. Если бы эта информация была бы записана с помощью мегачипов, то высота их, сложенных в стопку, была бы больше расстояния от Земли до Луны. Эффективность ДНК так высока потому, что ДНК – трехмерная молекула, а чип – двумерное хранилище информации. Кроме того, в чипе возможна лишь двухвариантная коммутация, что ведет к двоичному коду, а ДНК, с четырьмя различными нуклеотидами, имеет четверичный код, при котором одно состояние уже представляет два бита. Кроме того, даже самая продвинутая технология сверхвысокого уровня интеграции не дает нам возможности управлять чем-либо на уровне единичной молекулы” [2].

В данной ситуации традиционные подходы пасуют перед сложностью информационных процессов живых молекулярных систем. Ситуация осложняется еще и их микроскопическими размерами, выходящими за рамки обычных объектов и понятий. Молекулярный уровень управления и передачи информации для нас чрезвычайно интересен именно тем, что позволят управлять биохимическими процессами на недосягаемом для других технологий уровне, – на уровне малых молекул их атомных групп и отдельных атомов!

Кроме того, живая материя отличается преемственностью и неразрывностью линии жизни, общностью протекающих биохимических и структурных процессов, которые основаны на циркуляции генетической и клеточной информации. Причем, циркуляция наследственной информации, являясь руководством к управлению биохимическими процессами, программирует не только структуры, но и функции биоорганического вещества, Так как структура, так и функции отдельных молекулярных устройств кодируются и программируются с помощью генетической информации и элементной базы (общего молекулярного алфавита), то все аппаратно-управляющие устройства живой клетки являются программируемыми устройствами. Причем, для кодирования и программирования биологических макромолекул часто применяются довольно сложные аппаратные устройства, например, молекулярные биопроцессорные системы трансляции. Управление и информационный обмен являются важнейшими характеристиками поведения живых систем. Причем, все компоненты живых клеток, макромолекулы, структуры, каналы передачи молекулярных сигналов можно рассматривать как “конструируемые” объекты, которые изготавливаются на основе элементной базы по соответствующим текстам информационных сообщений. Причем, “конструирование” и “реконструкция” молекулярных объектов являются основной характеристикой живых систем.

Все биохимические процессы клетки также подчиняются управляющим воздействиям. К примеру, “сотни протекающих в клетке химических реакций, управляемых ферментами, организованы в виде множества различных последовательностей идущих друг за другом реакций. Такие последовательности могут состоять из нескольких реакций – от 2 до 20 и более. Одни из этих последовательностей ферментативных реакций приводят к расщеплению органических пищевых продуктов на более простые соединения, причем в процессе такого расщепления из них извлекается химическая энергия. Другие последовательности реакций, требующие затраты энергии, начинаются с малых молекул-предшественников, которые постоянно соединяются друг с другом и образуют крупные и сложные макромолекулы. Все эти цепи взаимосвязанных ферментативных реакций, в своей совокупности составляют клеточный метаболизм. Обратим внимание, что общий принцип работы информационной молекулярно-биологической системы управления живой клетки (так же как и в компьютере) сводится к упорядоченному манипулированию различными буквами, символами и знаками (молекулярными мономерами, их атомными группами и атомами), которым предписан определенный информационный и биологический смысл. Причем, применяемые для записи информации химические буквы и символы, – нуклеотиды, аминокислоты, жирные кислоты, простые сахара и т. д. имеют размер в диаметре всего от 0,5 до 0,7 нм, а для физико-химического воплощения молекулярной информации используют те же природные силы, связи и взаимодействия, которые произвольно существуют и в микроструктурах любых неорганических форм материи.

В принципе любая живая клетка является “автоматизированной” биологической системой управления, представляющая собой комплекс, состоящий из генетической памяти, молекулярных биопроцессорных систем, средств сбора, ввода-вывода, передачи и обработки биоорганического вещества, химической энергии и молекулярной информации. Поэтому живые клетки следует рассматривать и как физические, и как химические, и как информационные (буквенно-символьные) системы. Так как генетическая память живой клетки содержит всю информацию, необходимую для жизнедеятельности, развития и воспроизведения целостного организма, то информационная проблема биологической формы материи приобретает первостепенное значение. Известно, что в цифровых технических устройствах для передачи информации широко применяются цифровые коды. В основу правил соответствия кодовых комбинаций числам цифровых кодов положены математические системы счисления. В зависимости от значения основания кода, коды называются двоичными, троичными, десятичными и т. д.

Однако, компьютеры обрабатывают не только числовую, но и различную алфавитно-цифровую информацию, содержащую помимо цифр, буквенные, синтаксические и математические символы. Совокупность всех этих символов образует алфавит входного языка машины. Поэтому необходимость ввода, обработки и вывода алфавитно-цифровой информации требует выбора определённой системы кодирования. Наибольшее распространение в компьютерах получило кодирование алфавитно-цифровых символов 8-разрядными байтами. Информация, как известно, определяет поведение системы, повышает её организацию и понижает энтропию (дезорганизацию). Для того чтобы понять информацию, необходимо знать код, – то есть способ её представления. В молекулярной биологии в настоящее время утвердилось представление о применении такого кода только в случае генетического кода. Однако для кодирования различных видов и форм молекулярной информации клетка использует разные системы элементов общего алфавита, поэтому запись информации может осуществляться различными буквами и символами. В живой клетке используются как трехпозиционные (генетический код), так и многопозиционные коды (например, аминокислотный код). Для кодирования и программирования различных классов биологических молекул используются разные системы (алфавиты) био-логических элементов – нуклеотиды, аминокислоты, простые сахара, жирные кислоты и другие мономеры. А различные буквенно-символьные кодовые последовательности в цепях применяются не только для передачи сообщений о структурной организации биологических молекул, но используются и для передачи независимых команд, сообщений, адресных сигналов и инструкций. Как мы видим, в живой системе широкое применение находят именно адресные передачи, где разделение передающих сигналов (в структуре биомолекул) можно назвать химическим и “стереохимическим” кодовым разделением сигналов.

Очевидно, что использование клеткой разных систем био-логических элементов также приводит к необходимости кодирования одних химических букв, символов или знаков через алфавитную систему других. Ясно, что в живой клетке используются свои специфические коды. Причем, автор данной статьи считает, что кодирование живой материи начинается с самого низкого – субмолекулярного уровня её организации, затем поднимается до уровня биологических макромолекул и клеточных структур, и далее выходит на другие уровни организации живого. Наша задача рассмотреть субмолекулярные и молекулярные уровни организации, так как только они являются фундаментальными основами биологической формы движения материи. К примеру, для идентификации химических знаков – типовых атомных групп и атомов био-логических элементов имеются свои стереохимические коды, образованные пространственной организацией аминокислот, встроенных в активные центры соответствующих ферментов. При этом в основу правил соответствия кодов активного центра различным символам или их знакам (типовым атомным группам и атомам), также положена их химическая и стерическая комплементарность. Очевидно, что если путём манипуляции атомные группы одних элементов переносятся на другие элементы, то следует считать, что это не что иное, как процесс перекодирования био-логических элементов.

Таким способом живая клетка регулирует и восполняет резервы нужных элементов. А сами био-логические элементы (химические буквы и символы) становятся теми молекулярными единицами, с помощью которых кодируется структурная организация биологических молекул. Поэтому, точно так же, как с помощью химических знаков кодируется структурная организация (построение) различных химических букв и символов, точно по такому же принципу, с помощью букв и символов, кодируются различные цепи биологических молекул. Для того чтобы понять информацию, необходимо знать код – то есть способ её представления. Поэтому любой код является ключом для перевода одного вида информации в другой, или одной формы в другую. Со всей очевидностью, следует констатировать, что каждая буква или символ (био-логический элемент) и каждый химический знак био-логического элемента в живой клетке (по аналогии с кодированием букв, символов и знаков в компьютере) получает своё кодированное обозначение! К примеру, генетическим кодом (тройкой нуклеотидов в иРНК, а значит, и в ДНК) кодируется каждая из 20 типовых аминокислот белковых молекул.

В живой клетке повсеместно применяются стереохимические коды и принципы кодового соответствия информационных компонентов. Здесь так же, как и в технических системах применяются как сложные, так и простые коды. Рассмотрим пример кодирования моносахаридов, жирных кислот и других символов общего алфавита живой материи. Если каждая аминокислота кодируется своим триплетом – кодовой комбинацией трёх нуклеотидов в цепи иРНК, следовательно, и символы простого биологического кода должны как-то кодироваться? И действительно, для идентификации и обозначения каждого типового символа используется своя стереохимическая кодовая комбинация аминокислотных остатков, которая располагается в активном центре соответствующего фермента (адресный код и код операции). А в основу правил соответствия тех кодовых комбинаций аминокислотных остатков, которые эквивалентны определенным символам, также положена их химическая и стерическая комплементарность, то есть взаимодополняемость химических и структурных взаимодействующих поверхностей, слабых энергетических сил и связей кодовых компонентов. В данном случае это и есть подтверждение того, что в живой клетке перевод информации, записанной в одной системе элементов в другую, осуществляется посредством кодирования (перекодирования). Любой фермент, как правило, выступает в качестве молекулярного преобразователя информации. Здесь кодирование (или перекодирование) информации также осуществляется совокупностью дискретных сигналов, сопоставляемых по определенному алгоритму с конечным множеством сообщений. Очевидно, что по кодовым компонентам активных центров различных ферментов можно иметь представление об их информационных соответствиях и их функциональном назначении. Значит, молекулярные коды соответствий, и средства их передачи существуют не только для важнейших систем 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.

Очевидно, что для информационного манипулирования различными химическими буквами, символами и знаками живая клетка применяет свои специфические химические или стереохимические молекулярные коды. Специалистам лишь следует научиться их правильно выявлять и идентифицировать. Микромир живой клетки сильно отличается от окружающего нас макроскопического мира. Поэтому вполне понятен наш интерес к тем физико-химическим явлениям, силам и взаимодействиям, которые лежат в основе информационных процессов живых систем. Дело в том, что те микроскопические явления, которые слабо проявляются при привычных технологиях, в информационных живых нанотехнологиях приобретают новые свойства и становятся намного значительнее и весомее. А все совокупные признаки и особенности биологических макромолекул зависят от информации, загруженной в их структуру, то есть от интегративных физико-химических свойств, состава и линейной позиционной последовательности их биологических элементов.

Заметим, что в живой клетке как и в компьютере, решаемая задача любой сложности всегда разбивается на ряд мелких элементарных шагов, которые реализуются в виде последовательности отдельных элементарных управляемых операций (химических реакций). Поэтому теории коммуникации, управления и информационного потока между устройствами одной системы, применяемые в технических системах вполне применимы и для молекулярных систем управления. Такое заимствование понятий и представлений вполне оправдано, так как позволяет лучше понять и объяснить явления информационного управления в живых системах. Молекулярная информатика вполне приемлема для исследования живых систем и их управляющих и регулирующих механизмов. А классическая (кодируемая генетическая) информация позволяет исследовать приемы её кодирования и перекодирования в передатчике и декодирования в приемнике, позволяет исследовать пропускную способность канала связи между ними, изучать помехоустойчивость информационных сообщений, достоверность передачи информационных кодовых сигналов и т. д. Ясно, что кодируемая на всех молекулярных уровнях информация связана с работой генов, самосборкой клеточных структур, мембранным транспортом, внутриклеточной и межклеточной коммуникациями – процессами, лежащими в основе жизнедеятельности и развития живых систем. Сложное поведение живых молекулярных систем должно получить причинно-следственные объяснения.

9. Принцип действия и структура управляющей системы живой клетки

В первую очередь живая клетка представляет собой очень мощную, чрезвычайно миниатюрную и весьма универсальную “автоматизированную” систему управления процессами обработки биоорганического вещества, химической энергии и молекулярной информации. В основе “автоматизации” управления биохимическими процессами клетки лежит принцип программного управления, заключающийся в том, что управляющая система клетки, “автоматически” решает поставленную биологическую задачу, если в виде программы ей задана последовательность выполняемых действий. К примеру, в процессе транскрипции или трансляции программа указывает управляющей системе клетки на то, какие операции ей необходимо выполнить, над какими данными и в какой последовательности. Программа из генетической памяти, состоящая из отдельных команд заранее транскрибируется (переписывается) на структуру иРНК, выполняющую роль оперативной памяти, а затем транслируется (перекодируется) на структуру белковых молекул.

Таким образом, исходные биологические задачи, представленные различными генетическими программами в виде иРНК, преобразуются в искомый результат путем выполнения определенной последовательности элементарных микроопераций – сначала ковалентного типа сочленения аминокислот в длинные полипептидные цепи, а затем, и нековалентного типа их соединения в трехмерную структуру белковых макромолекул, которые потом применяются для управления различными биохимическими процессами: окисления, восстановления, расщепления, межмолекулярного переноса атомных групп и атомов и т. д. Иными словами, создаваемые таким образом, многочисленные белки и ферменты по существу и представляют собой тот программно-управляемый “машинный парк” молекулярной “робототехники”, который работает во всех устройствах управления (УУ) клетки. Это именно он организует и координирует автоматическое взаимодействие всех клеточных устройств в процессе решения тех или иных биологических задач.

С помощью стереохимических кодовых сигналов (субмолекулярных микроматриц) обеспечивается согласованное взаимодействие белков и ферментов УУ. Очевидно, что эти белки и ферменты представляют собой выходное управляющее звено молекулярных биопроцессорных систем транскрипции и трансляции. Кстати, одной из основных задач УУ является выборка из генетической памяти кодов команд (в виде оперативной памяти иРНК) и их преобразование в необходимые кодовые последовательности полипептидной цепи белковых молекул.

Живые клетки с их программным обеспечением следует отнести к наиболее сложным системам, которые когда-либо существовали в природе. Их сложность определяется чрезвычайной миниатюризацией “изготовления”, многочисленностью входящих в их состав био-логических элементов, бесчисленным количеством ковалентных и нековалентных химических связей между элементами и неопределенностью законов функционирования и преобразования информации. И, кажется, что нет никакой практической возможности разобраться во всей многосложности протекающих здесь биохимических процессах и био-логических функций. Однако заметим, что вся эта сложность всегда сводится к относительно простым закономерностям молекулярной биохимической логики и информатики и простым принципам и правилам использования элементной базы! Сначала отметим, что принципы действия управляющей системы клетки относительно просты, хотя при этом могут быть задействованы весьма сложные молекулярные программно-аппаратные устройства управления. 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. Кроме того, в ступенчатых химических реакциях различные ферменты способны манипулировать и отдельными химическими знаками этих элементов, то есть их составными частями. Эта способность управляющей системы основана на том, что все типовые биохимические элементы, а значит и биомолекулы клетки, обладают различными типовыми функциональными и боковыми группами, атомами и их химическими связями, которые свободно узнаются и тестируются соответствующими ферментами. Боковые и функциональные атомные группы, атомы и их химические связи – это и есть те опознавательные знаки, благодаря которым управляющая система легко может идентифицировать любой био-логический элемент клетки! Таким образом, общий принцип действия информационной молекулярно-биологической системы управления живой клетки (так же как и в компьютере) сводится к упорядоченному манипулированию различными буквами, символами и знаками, которым предписан определённый информационный 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, в основном, производятся над составными частями молекул субстрата – химическими знаками их элементов. Это подтверждает предположение, 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.

При управлении ступенчатыми реакциями, все биохимические процессы (катаболизма или анаболизма) любой сложности также разбиваются на определенную последовательность типовых химических реакций. Заметим, что простота типовых (элементарных) операций управления достигается и обеспечивается применением типовых информационных молекулярных кодов, сформированных в активных центрах соответствующих ферментов. Эти коды эквивалентно соответствуют тем типовым химическим буквам, символам или знакам, с которыми в данный момент работают ферменты! Таким образом, управляющая система клетки работает с биомолекулами так, что воспринимает их и как химические, и как информационные компоненты субстратов! [12]. Достоинствами управляющей системы клетки являются относительно высокая скорость выполнения химических и био-логических операций за счет их широкого параллелизма действия, возможность хранения в генетической памяти чрезвычайно большого объема информации, высочайшая плотность записи информации, высокая помехоустойчивость и точность передачи молекулярной информации, а так же универсальность её применения для решения различных био-логических задач. Однако в первую очередь, управляющая система является универсальным средством автоматизированной обработки информации, представленной в дискретной молекулярной форме.

9.1 Генетическая память

Методами генетики было установлено, что ген – это дискретный фактор наследственности, часть хромосомы, и что он переходит от родителя к потомству. Еще в 1945 году Шрёдингер, рассматривая свойства генетического материала с точки зрения физики, писал: “Невероятно маленькая группа атомов, слишком маленькая, чтобы к ней можно было применить законы статистики, играет доминирующую роль в очень упорядоченных и регламентированных событиях, происходящих в живом организме... Ген слишком мал… чтобы передаваемая им способность к упорядоченному и регламентированному поведению происходила на основании законов физики”. Никто не сомневался, что ген подчиняется тем законам физики, которые уже известны, но при этом думали, что изучение его свойств может привести к открытию новых законов.

Очевидно, исследователи были по-своему правы, потому, что дальнейшие события привели к понятию информационной сущности живой материи. А законы информатики – это уже, увы, не физические законы, потому что они подчиняются совершенно другим принципам и правилам. Поэтому фактором наследственности следует считать не ген, который по существу является лишь материальным носителем, а только ту информацию, которая заключена в кодовых последовательностях его структуры. Недаром же в последнее время многие исследователи склоняются к мысли, что не только живая материя, но и сама жизнь во всех её многообразных проявлениях, и сам разум являются продуктом эволюции кодированной информации [13,14]. Хранилищем и источником наследственной информации в каждой живой клетке является ДНК хромосом.

Генетическая память, как долговременное запоминающее устройство, служит для длительного хранения данных и программ. Однако, естественно, всегда надо помнить, что генетическая память хромосом – это понятие несравненно более обширное и более грандиозное, чем, к примеру, память компьютерная. К этой многосложной молекулярной структуре, отождествляющей “спираль жизни”, нельзя относиться без особой доли уважения и благоговения. Генетическая память обладает феноменальными информационными возможностями. И, действительно, в последовательности оснований внутри двойной спирали ДНК закодирована вся необходимая информация для осуществления жизнедеятельности, развития и самовоспроизведения живой системы. Генетическая память имеет: операционную систему; полный набор программных средств для обслуживания ступенчатых процессов катаболизма и энергетического обеспечения; матричных процессов реализации генетической информации, программных средств для обслуживания процессов биосинтеза макромолекул, систем репарации ДНК, аппаратных устройств ввода молекулярной информации питательных веществ и вывода конечных продуктов обмена веществ и т. д. Генетическая память живой клетки имеет пакет программ, кодирующих и программирующих молекулярные средства и механизмы самовоспроизведения, которые начинают синтезироваться и действовать строго в соответствии с общей программой развития. А программирование самой генетической памяти осуществляется особым репликативным аппаратом живой клетки в S-период её развития, и дочерние клетки получают полный дубликат генетического материала. Этот аппарат является молекулярной биопроцессорной системой репликации.

Программное обеспечение клетки – это важнейший проблемный вопрос молекулярной биологической информатики. В генетической памяти хранится множество пакетов программ, обеспечивающих те или иные биологические функции и процессы. Поэтому “автоматизированное” управление процессами решения различных биологических задач в живой системе осуществляется на основе принципа программного управления. Для программной переработки генетической информации широко применяется принцип микропрограммного управления, когда выполнение одной биологической операции (например, в процессах репликации, транскрипции или трансляции), распадается на последовательность отдельных элементарных операций. Но, все-таки, главной задачей программных средств, используемых в живых клетках, является обеспечение оперативного взаимодействия её управляющей системы с молекулярными объектами управления (субстратами). Причем, ключ к решению биологических задач, с помощью управляющей системы, лежит не в переборе вариантов при поиске решений.

Программы, загруженные в структуру белковых и других макромолекул, реализуют стереохимические принципы кодового узнавания и динамического взаимодействия, которые гарантируют точность матричного спаривания биологических молекул и проверку их кодов на комплементарное соответствие друг другу. То есть в процессе взаимодействия биомолекул широко используются принципы обратной связи. Этим достигается не только повышенная помехоустойчивость при прохождении управляющей информации, но и высокая достоверность передачи сообщений. В свете рассмотренных идей (молекулярной биохимической логики и информатики), становятся понятными и механизмы организации доступа к информации генетической памяти. Хромосомы ядра, благодаря присутствию в них структурных и регуляторных белков, а также “малых” двухцепочечных РНК, являются чрезвычайно активными динамическими компонентами клетки. Гибкость ДНК в составе хромосом позволяет регуляторным белкам и РНК информационно связываться с различными её участками и влиять на транскрипцию генов. При этом каждый из этих управляющих белков и “малых” РНК, благодаря загруженной в их структуру информации и своим стереохимическим кодовым компонентам, – четко знает свою функциональную роль.

Согласованность действия различных управляющих, а также регуляторных белков и “малых” РНК достигается за счет генетической информации, которая заранее была загружена в их структуру. А загруженные в их структуру программы являются составляющими того пакета программ, который предназначен как для организации автоматического доступа к генам ДНК, так и для управления и регуляции процессами транскрипции генетического материала. В силу этих обстоятельств отдельные домены хроматина в хромосомах в процессе функционирования разворачиваются, а после окончания считывания информации с генов ДНК вновь упаковываются. Поэтому сами хромосомы представляют собой активные динамические структуры, в разных участках которых идут процессы считывания информации с ДНК. Доступ к генетической памяти основан на тех же правилах информационного стереохимического управления и тех же принципах динамического взаимодействия биологических молекул друг с другом, которые являются основой управляющих био-логических процессов в живой клетке [12]. Нам остаётся лишь научиться расшифровывать и понимать эту информацию.

Все управляемые “биохимические процессы, происходящие в клетке и организме можно разделить на две категории: ступенчатые и матричные Ступенчатые процессы – это синтез и деградация низкомолекулярных соединений: аминокислот, нуклеотидов, оснований, сахаров и др. Матричные – это синтез макромолекул: ДНК, РНК, белков… Очевидно, что воспроизведение генов и реализация генетической информации непосредственно связаны с матричными процессами и в первую очередь с синтезом белка. Поэтому современная теория гена – всецело опирается на успехи биохимии в изучении матричных процессов. С другой стороны, метод генетического анализа вносит существенный вклад в изучение матричных процессов, которые, так же как и ступенчатые, находятся под генетическим контролем” [15]. Одни группы генов контролируют посредством транскрипции и трансляции структуру белков, участвующих в ступенчатых процессах. Другие группы генов ответственны за все матричные процессы. Последние подразделяются на две подгруппы, одна из них отвечает за синтез рибосомных и транспортных РНК, которые обслуживают процесс трансляции. Другая подгруппа контролирует структуру белков-ферментов и структурных белков, обеспечивающих матричные процессы, то есть воспроизведение (репликацию) и реализацию генетической информации (транскрипцию и трансляцию). Таким образом, вторые группы генов являются фактором интеграции генотипа, то есть контролируют воспроизведение и проявление всех генов клетки.

9.2 Операционная система клетки.

Важно отметить, что живая клетка, точно так же как и любая другая система для “автоматизированной” переработки информации, имеет свою “операционную систему” – набор программ, который формирует, организует и приводит в действие многие аппаратные и программные ресурсы живой клетки. Операционная система является важнейшей центральной частью программного обеспечения клетки, в которую входят программные средства для эффективного управления всеми матричными процессами клетки.

В первую очередь, операционная система клетки 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 трансляции (перевода) текста программ с языка нуклеиновых кислот на аминокислотный язык белковых молекул, то есть, в конечном итоге, на стереохимический язык трёхмерных биомолекул и структур. Значит, операционная система клетки имеет соответствующие программы-переводчики и программы-трансляторы, которые содержит встроенные функции перекодировки информации из одной системы её кодирования в другую. Поэтому, можно сказать, что операционная система состоит из набора отдельных транскрибирующих и транслирующих программ, обеспечивающих как структурное построение, так и программирование, то есть функциональное поведение основных биопроцессорных компонентов живой клетки. Определённые группы генов кодируют и программируют синтез рибосомных и транспортных РНК, другие группы генов (программ) контролируют биосинтез белков и ферментов, обеспечивающих работу транскрипционного и трансляционного аппаратов (биопроцессорных систем). В структурной схеме (см. схему в конце статьи) операционная система представлена соответствующим участком генетической памяти, своими ядерными биопроцессорными устройствами (транскрипционный аппарат, блок процессинга и каналы ввода/вывода операционной системы), которые кодируют и программируют синтез рибосомных, транспортных и информационных РНК системы. Далее иРНК, в качестве модулей оперативной памяти поступает в операционный блок биопроцессорной системы трансляции (см. в левой части структурной схемы), где осуществляется кодирование и программирование белков и ферментов, которые обеспечивают работу транскрипционного и трансляционного аппаратов клетки.

Таким образом, операционная система создаёт и предоставляет аппаратные средства и функциональные услуги для выполнения всех генетических программ живой клетки! Она контролирует проявление всех структурных генов клетки и соответственно является одним из основных факторов клеточной интеграции [12]. Причем, необходимо обратить внимание на сложность информационных процессов, протекающих в живой клетке, которая обусловлена тем, что многочисленные типовые молекулярные биопроцессорные единицы (например, рибосомы) параллельно работают не только с большим числом программ сразу, но и одновременно находятся в различных по назначению управляющих блоках. Если взглянуть на структурную схему, то там, для наглядности, управляющие биопроцессорные блоки распределены по разным управляющим системам.

9.3 Молекулярные биопроцессорные системы для программной обработки генетической информации

Гены служат только для хранения информации, поэтому её необходимо сначала считывать, а затем определённым образом перерабатывать с тем, чтобы получить форму, приспособленную для непосредственного применения в различных биологических процессах. Вот для этой цели в клетке и применяются аппаратные средства транскрипции и трансляции, которые представляют собой не что иное, как молекулярные системы для программной переработки генетической информации. Поэтому каждая живая клетка для программной обработки генетической информации применяет такие аппаратные устройства, которые с кибернетической точки зрения представляют собой молекулярные биологические процессоры.

Известно, что ДНК и РНК живой клетки построены из типовых мономерных звеньев – нуклеотидов. Однако между этими двумя нуклеиновыми кислотами имеются существенные структурные и функциональные различия, которые привели к появлению в живой клетке особой молекулярной биопроцессорной системы транскрипции, которая предназначена для считывания информации с ДНК-матрицы и переноса её на структуру РНК. Синтез РНК включает стадии инициации транскрипции, элонгации цепи РНК и терминации (прекращение роста). “Синтез одноцепочечной иРНК на ДНК носит название транскрипции (переписывания). При этом часть двойной спирали ДНК раскручивается, и вдоль одной из её цепей движется особый фермент РНК-полимераза, который выстраивает нуклеотидные мономеры РНК против их партнёров на цепи ДНК и соединяет эти мономеры друг с другом, так что образуется длинная цепь РНК. При этом к цепи присоединяются те рибонуклеотиды, которые обеспечивают правильное спаривание с цепью ДНК. Движущийся вдоль ДНК фермент РНК-полимераза действует подобно застежке-молнии, “раскрывая” двойную спираль, которая замыкается позади фермента по мере того, как соответствующие основания РНК спариваются с основаниями ДНК в цепи. “Раскрытая” ферментом область простирается только на несколько пар оснований. Естественно, что в этих процессах принимают участие специализированные ферменты и химическая энергия в виде АТФ. На ДНК-матрице образуется три типа РНК: информационная (иРНК), транспортная (тРНК) и рибосомная (рРНК)” [7].

Вспомним, 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. Известно, что первичный транскрипт РНК в клетках эукариот – это точная копия гена, содержащая как экзоны (кодирующие последовательности транскрипта), так и интроны (некодирующие последовательности), которые должны быть удалены. В блоке процессинга “последовательности интронов вырезаются из середины транскрипта РНК, в результате чего образуется молекула иРНК, непосредственно кодирующая белок. Поскольку кодирующие последовательности с обеих сторон интрона после его удаления соединяются друг с другом, эту реакцию назвали сплайсингом РНК. Сплайсинг РНК протекает в клеточном ядре вдали от рибосом, и РНК переносится в цитоплазму только после завершения этого процесса”. Процесс вырезания интронов и сплайсинг РНК относится к малоисследованным информационным процессам, который, видимо, связан с позиционной перестановкой и перемещением программных модулей РНК.

Таким образом, задача по считыванию генетической информации в оперативную память структуры РНК решается путем выполнения отдельных микроопераций строго в соответствии с программой того участка ДНК, который определяется структурным геном. А сама генетическая память, транскрипционный аппарат, блок процессинга и каналы ввода/вывода информации представляют собой такое множество сложных молекулярных устройств, совокупность которых действительно представляет собой ядерную биопроцессорную систему управления. Результатом работы транскрипционной процессорной системы является формирование транспортных и рибосомных РНК, и главное, – загрузка в оперативную память иРНК структурной и программной информации, которая необходима для выполнения различных биологических функций живой клетки. Поэтому основной смысл действия ядерных биопроцессорных систем транскрипции сводится к тому, чтобы передать программную информацию ДНК в оперативную память модульной структуры РНК. Так происходит считывание генетической информации и передача её к другой биопроцессорной системе для трансляции.

В виде информационной РНК, которая в клеточной системе играет роль оперативной памяти, генетические программы по синтезу полипептидных цепей передаются к белоксинтезирующему аппарату клетки, то есть к рибосомам. Отметим, что все биопроцессорные системы трансляции генетической информации действуют по одному и тому же принципу, хотя и задействованы в различных управляющих блоках, которые указаны в структурной схеме (блоки катаболизма, биосинтеза элементной базы или биосинтеза различных макромолекул клетки). Разница заключается в различном программном обеспечении этих блоков при помощи оперативной памяти структуры иРНК. Далее, в цитоплазме, программная информация переводится (транслируется) с оперативной памяти 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 аминокислотной системы элементов строятся и программируются линейные структуры различных ферментов и других клеточных белков. 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. Благодаря этой функции тРНК дешифрует генетический код в иРНК-матрице и переводит его в биологический код аминокислотной последовательности белка.

Таким образом, обеспечивается необходимая последовательность микроопераций включения аминокислот в синтезируемую полипептидную цепь, строго в соответствии с программой заданной в структуре иРНК. Поэтому функционирование биопроцессорной единицы (рибосомы) в основном состоит из повторяющихся рабочих циклов, каждый из которых соответствует выполнению одной микрокоманды программы иРНК. Рабочий цикл содержит в общем случае последовательность определенных этапов, которые наглядно отражены в соответствующей биологической литературе. Сама рибосома, в частности, обладает каталитической функцией, ответственной за образование пептидных связей в цепи белка. Как мы видим, иРНК в биопроцессоре играет роль матричной модульной структуры оперативной памяти, несущей программу преобразования структурной генетической информации в структурную и функциональную информацию полипептидной цепи белка. Следовательно, задача по преобразованию генетической информации в линейную структуру белка решается путем выполнения отдельных элементарных микроопераций строго в соответствии с заданной программой, 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 трансляции.

Так как молекулярные биопроцессорные единицы (рибосомы) трансляционного аппарата локально рассредоточены по различным блокам и компартментам, то клеточная система управления процессами строится в виде набора единичных процессоров, для которых, как правило, предусматривается своя локальная оперативная память в виде иРНК. Множество подобных молекулярных процессорных единиц обычно соединяются каналами связи, образуя сеть. Итак, все ядерные биопроцессорные системы различных управляющих систем (катаболизма, биосинтеза элементной базы, биосинтеза макромолекул клетки и т. д., см. структурную схему) обеспечивают транскрипцию (считывание) программной информации с соответствующих участков структуры ДНК и осуществляют загрузку и размещение её в оперативной памяти структур РНК. Далее программная информация оперативной памяти иРНК становится основой работы биопроцессорных систем трансляции, то есть служит для перевода текста программ с языка нуклеиновых кислот на полипептидный язык белковых молекул. При этом осуществляется не только перевод программы с одного языка на другой, но и загрузка программ и данных в структуру белковых молекул. Таким образом, осуществляется перекодирование информации, записанной генетическим кодом и перевод её в программную информацию, записанную кодом аминокислотным. Заметим, что 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. Причем, если генетический код служит для переноса и трансляции генетической программной информации на “линейную” структуру белка, то аминокислотный код является тем молекулярным кодом, с помощью которого осуществляется сначала преобразование, а затем, и, через деятельность белков, – воплощение и реализация генетической информации. Очевидно, что генетическим кодом кодируется только первичная, – “линейная” структура полипептидной цепи. Однако “конкретная конформация (вторичная, третичная и четвертичная структуры) любого белка полностью определяется первичной структурой входящих в его состав полипептидных цепей и зависит от химических свойств боковых групп аминокислотных остатков” [3].

Следовательно, вторичная, третичная и четвертичная структуры белковых молекул кодируются и программируются уже другим молекулярным кодом – аминокислотным. В результате конформационных преобразований и процессинга макромолекула фермента (белка) формирует характерную трехмерную конформацию со своими стереохимическими кодами и, в связи с этим, приобретает свой информационно-кибернетический статус. Весь ход процессинга и адресной доставки фермента в соответствующий операционный блок осуществляется в виде отдельных операций манипуляторами устройства управления, точно в соответствии с кодовыми компонентами белка. Каждый фермент или другой белок клетки по своим индивидуальным кодам адресации доставляется в свой операционный блок. В операционном блоке, точно в соответствии с функциональным адресным кодом и кодом каталитической операции фермент, действуя как молекулярный биологический автомат, выполняет определенный тип химической реакции. 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 решают 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.

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 [12]. 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. Способность белка индуцированно возбуждаться и адекватно отвечать на сигнальную информацию изменением своей конформации является специфической особенностью. Конформация фермента меняется при взаимодействии его с субстратом, молекула гемоглобина – при соединении с кислородом, конформационные изменения обеспечивают функционирование сократительных белков и т. д.

Способность ферментов и других белков клетки автоматически отвечать на слабые информационные воздействия, довольно мощными обратимыми конформационными изменениями, используется клеткой практически для всех биологических функций. А этап фермент-субстратного взаимодействия является заключительным фрагментом биокибернетического управления. По всей вероятности, это и есть те, пока недостающие и разыскиваемые фрагменты информационного управления, указывающие на единство процессов управления и информации в каждой живой клетке! 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. Как мы видим, – для управления всеми химическими и молекулярными процессами живая клетка создает свой парк молекулярной “робототехники”. Здесь мы рассмотрели работу управляющей подсистемы клетки, действие которой непосредственно связано с программной информацией генетической памяти. Очевидно, что нет никаких причин сомневаться в информационной основе рассмотренных выше процессов управления. Теперь нам важно понять сущность управляемых клеточных процессов и убедиться в том, что, несмотря на химическую основу, они также носят информационный характер!

9.4. Информационная основа управляемых процессов

Одна из отличительных особенностей клеточной системы управления заключается в том, что она информационно взаимодействует с молекулярными объектами управления. Вспомним, – все объекты управления (субстраты), точно так же, как и сама система управления, состоят не только из типовых био-логических элементов (и химических знаков), но и построены по одним и тем же типовым закономерностям. Этот факт позволяет живой клетке не только осуществлять управление превращениями субстратов (или пищевых продуктов), но и осуществлять самоуправление своими же биологическими компонентами. Очевидно, что все биохимические элементы, а значит и биомолекулы клетки (в том числе и молекулы субстратов), обладают разными типовыми функциональными и боковыми группами, атомами и их химическими связями, которые свободно узнаются и тестируются соответствующими ферментами. Боковые и функциональные атомные группы, атомы и их химические связи – это и есть те опознавательные знаки, благодаря которым управляющая система легко может идентифицировать любой био-логический элемент клетки. Поэтому 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! [12]. Таким образом, информационные процессы в живой клетке практически затрагивают не только молекулярный уровень организации, но и, что удивительно, субмолекулярный – атомный! Однако следует отметить, – если целостные элементы в основном служат для организации самих аппаратных устройств и управляющих процессов клетки, то отдельные химические знаки используются не только в качестве информационных сигналов для организации управляемых химических процессов, но применяются и для построения или реорганизации (перекодировки) самих био-логических элементов. В связи с этим, управляющая система клетки, в целом, способна манипулировать различными химическими буквами, символами и знаками, которым предписан определённый биологический и информационный смысл [4].

Очевидно, что все управляемые процессы представляют собой не что иное, как те ступенчатые химические реакции, которые определяют пути клеточного метаболизма. Только, в ступенчатых химических реакциях различные ферменты способны манипулировать отдельными химическими знаками био-логических элементов. Эта способность управляющей системы основана на том, что при фермент-субстратных взаимодействиях, адресные и операционные коды определенных ферментов соответствуют тем или иным боковым или функциональным атомным группам или атомам и их химическим связям. 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. Очевидно, что для информационного манипулирования различными химическими буквами, символами и знаками живая клетка применяет свои специфические химические или стереохимические молекулярные коды. Специалистам лишь следует научиться их правильно выявлять и идентифицировать.
Кодовые компоненты активных центров ферментов могут специфически (стереохимически и комплементарно) взаимодействовать с доступными для них атомными группами и химическими связями биомолекул (субстратов). Поэтому все субстраты для своих ферментов являются сигнальными молекулами, несущими осведомляющую стереохимическую информацию! На этом основана молекулярная биохимическая логика информационных взаимодействий между ферментами и их субстратами.

В ходе каждой химической реакции, которая управляется своим ферментом, обычно происходит лишь небольшое химическое изменение, например, удаление, перенос или присоединение какого-нибудь атома, боковой или функциональной группы или отдельного биохимического элемента. Иными словами, часть выходного звена управляющего аппарата должна координировать в пространстве и во времени совокупность огромного числа ступенчатых реакций: окисления, восстановления, расщепления, межмолекулярного переноса атомных групп и т. д. Поэтому в качестве объектов управления в клетке могут выступать как отдельные био-логические элементы (нуклеотиды, аминокислоты, простые сахара и жирные кислоты), так и различные биологические молекулы, состоящие из этих элементов, – то есть многочисленные молекулы субстратов. Каждый объект управления (субстрат) является носителем в “законсервированном” виде определённой структурной биологической информации и химической энергии, накопленной в его химических связях. Поэтому все органические питательные вещества, поступающие в живую систему, представляют собой молекулярные информационно-энергетические субстраты, которые поставляют в клетку необходимые структурные, информационные и энергетические компоненты. И всё это клетка получает в результате информационной переработки субстратов (данных).

Благодаря стереохимической форме представления информации, сигнальными элементами субстратов для управляющей системы являются лишь те элементы, к которым она в данный момент имеет доступ. Другие же сигнальные элементы (буквы, символы или знаки) временно маскируются в трёхмерной структуре субстрата. Поэтому информационное преобразование молекулы субстрата, при обработке её различными ферментами, осуществляется последовательно, шаг за шагом (программно), в виде отдельных единичных каталитических операций. Таким образом, все биологические процессы управления и химического превращения веществ в клетке сопряжены с процессами преобразования, как управляющей, так и осведомляющей молекулярной информации. Поскольку каждый фермент способен управлять лишь какую-то одну цепь реакций данного соединения, не влияя на другие возможные реакции, то в отдельно взятом компартменте (операционном блоке) 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).

9.5 Операционные блоки ступенчатых процессов

Ступенчатые биохимические процессы – это деградация или синтез различных простых органических соединений. Это именно тот, программно управляемый биохимический “генератор жизни”, который осуществляет вечное движение органического вещества и энергии и поддерживает баланс разрушительных и созидательных процессов в живой клетке. Очевидно, что управляющая система клетки, по своему назначению, является той информационной системой, которая служит для управления молекулярными биологическими объектами (субстратами). На структурной схеме показаны операционные блоки катаболических и амфиболических (центральных) путей. Важнейшие из них – гликолиз, b -окисление жирных кислот, цикл трикарбоновых кислот и пути распада аминокислот обеспечивают поступление электронов и протонов в электрон-транспортную систему и образование углеродсодержащих соединений (около десяти веществ). Как видно из структурной схемы, каждый операционный блок содержит свою управляющую и управляемую части. Поступление в блок молекулярных автоматов или манипуляторов – выходного звена управления биопроцессоров, показано жирными черными стрелками. Управляемые потоки вещества, тождественно представляющие потоки сигнальной (осведомляющей) информации субстратов, показаны в виде серых стрелок. Каждый операционный блок предназначен для переработки своей субстратной информации, или, с точки зрения биохимии, для осуществления определенных биохимических реакций. К примеру, блок амфиболических путей обеспечивает не только поступление в блок синтеза элементной базы соответствующих углеродсодержащих соединений, но и осуществляет энергообеспечение живой клетки в форме АТФ. “Благодаря разной локализации ферментов катаболизма и анаболизма эти противоположные метаболические процессы протекают в клетке одновременно. Их связывают центральные, или амфиболические процессы. Примером служит цикл трикарбоновых кислот. Тесная связь между анаболизмом и катаболизмом проявляется на трех уровнях:

1) на уровне источников углерода: продукты катаболизма могут быть исходными субстратами анаболических реакций;

2) на энергетическом уровне: в процессе катаболизма образуются АТФ и другие высокоэнергетические соединения; анаболические процессы протекают с их потреблением;

3) на уровне восстановительных эквивалентов: реакции катаболизма являются в основном окислительными; процессы анаболизма, наоборот, потребляют восстановительные эквиваленты” [12].

Все ступенчатые процессы находятся под генетическим контролем. Сотни протекающих в операционных блоках химических реакций программно организованы с помощью ферментов – молекулярных автоматов, в виде множества различных последовательностей идущих друг за другом операций (реакций). В блоке синтеза молекулярной элементной базы с использованием предшественников идут управляемые процессы биосинтеза аминокислот, нуклеотидов, простых сахаров и жирных кислот. Из структурной схемы видно, что живая клетка способна сама создавать молекулярную элементную базу для построения своих систем или получать ее из внешней среды. Аминокислоты и нуклеотиды в основном используются в матричных процессах биосинтеза белков и нуклеиновых кислот. В блоке синтеза структурных и функциональных макромолекул клетки под управлением своих программ идут процессы биосинтеза и процессинга сложных макромолекул белков, ферментов, компонентов мембран и органелл и т. п., которые, после транспортировки, войдут составной частью в клеточные ансамбли, и будут работать в разных клеточных структурах. А создаваемые различными биопроцессорными системами информационные компоненты (рРНК, тРНК, иРНК, белки, ферменты т. д.) – это, по существу, и есть тот программно-аппаратный парк, который работает в различных по своему назначению операционных блоках. Живая клетка на любом отрезке своего развития всегда имеет необходимый и достаточный набор программных и программируемых молекулярно-аппаратных средств, необходимый для обеспечения управления всеми своими химическими процессами и биологическими функциями. Поэтому главной задачей генетической памяти состоит в том, чтобы передать необходимые данные и программную информацию биологическим молекулам и структурам клетки. А загруженная в биомолекулы структурная и программная информация является основой их информационного и функционального поведения в общей системе управления живой клетки.

В связи с этим, все белковые и другие биомолекулы клетки 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. Ясно, что живая клетка повсеместно пользуется мультипрограммным режимом работы, при котором одновременно выполняются несколько программ или независимые участки одной программы, например, для применения мультиферментных систем. 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. 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 находится в функциональных биомолекулах и структурах клетки! Каждая из управляющих систем клетки (операционная система, управляющие системы катаболизма, биосинтеза элементной базы, биосинтеза макромолекул клетки и т. д.), состоящая из генетической памяти, комплекса локальных биопроцессорных устройств и выходного управляющего звена – молекулярных биологических автоматов и манипуляторов, воспринимает информацию о ходе химических превращений, об эффективности протекающих процессов, об изменении внешних и внутренних физических и химических факторов и, в зависимости от результата, корректирует управляющие воздействия. Системы запрограммированы на четкое взаимодействие управляющих и управляемых подсистем (и друг с другом), на оптимальное прохождение всех биохимических и энергетических процессов. Живая клетка в любое время имеет необходимый и достаточный набор программных, энергетических и функциональных средств для поддержания и обновления своих структур, обеспечения процессов развития и жизнедеятельности. В настоящее время накоплен огромнейший экспериментальный и теоретический материал по изучению живой материи, который рассредоточен по различным областям и дисциплинам молекулярных биологических наук.

Теперь уже стало очевидным, что чрезвычайная детализация изучаемых биохимических процессов ведёт только к бесконечной лавине все новых и новых проблем и вопросов. Это не приводит ни к осознанию сущности живой материи, ни к пониманию причин и механизмов её функционирования. По мнению автора статьи, в молекулярной биологии наступила пора переосмысления имеющихся знаний и сведений в пользу новой, альтернативной науки – молекулярной биологической информатики. О необходимости такого шага свидетельствует вся история возникновении и развития жизни на Земле, которая повсеместно связана с наследственной информацией и действующей на её основе универсальной мультипроцессорной молекулярно-биологической системы управления живой клетки.

Литература.

1. Библиотека РГИУ. Философия информационной цивилизации. Интернет.
2. Вернер Гитт. “Информация: третья фундаментальная величина”. Интернет.

3. А. Ленинджер. Основы биохимии. Пер. с англ. в 3-х томах – М: Мир, 1985.
4. Ю. Я. Калашников. Кодирование и программирование биологических молекул. Дата публикации: 01.01.2007г., источник: http://new-idea.kulichki.com/
5. Ю. Я. Калашников. 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.

6. Ю. Я. Калашников. Жизнь – это бесценный дар материального и виртуального мира. Дата публикации: 24 января 2008г., источник: SciTecLibrary.ru; Сайт: http://new-idea.kulichki.com/, дата публикации: 09.01.2008г.

7. П. Кемп, К. Армс. Введению в биологию. Пер. с англ. – М: “Мир”, 1988.

8. Программирование в математике и реальном мире. Интернет.
9. Ю. Я. Калашников. Ферменты и белки живой клетки – это молекулярные биологические автоматы с программным управлением. Дата публикации: 30 июня 2006г., источник: SciTecLibrary.ru; Сайт: http://new-idea.kulichki.com/, дата публикации: 13.12.2006г.
10. А. А. Анисимов, А. Л. Леонтьева и др. Основы биохимии. – М: “Высш. шк.”, 1986г.
11. А. И. Коротяев, Н. Н. Лищенко. Молекулярная биология и медицина. – М: “Медицина”, 1987г.
12. Ю. Я. Калашников. “Информационное управление клеточными процессами”. Дата публикации: 05.03.2007г., источник: SciTecLibrary.ru; Сайт: http://new-idea.kulichki.com/ , дата публикации: 22.02. 2007г

13. Ю. Я. Калашников. Информация – гениальное изобретение живой природы. Дата публикации: 13 июля 2007г., источник: SciTecLibrary.ru; Сайт: http://new-idea.kulichki.com/ , дата публикации: 05.05. 2007г

14. С. Е. Здор. Об информационной сущности жизни и разума. – М: “Спутник”, 2008г.
15. М. Д. Тер-Аванесян, С. Г. Инге-Вечтомов. Генетический контроль синтеза белка. – Л: “ Изд-во Ленингр. ун-та”,1988г.

Дата публикации: 11 марта 2009
Источник: SciTecLibrary.ru

Статьи других авторов

На главную