ИНФОРМАЦИЯ КАК ДВИЖУЩАЯ СИЛА БИОЛОГИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ.
http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/9973.html
© Калашников Юрий Яковлевич
Контакт с автором: kalashnikov_mgn@rambler.ru
Аннотация
Биологические свойства живой материи обуславливаются
совокупными свойствами её составляющих – биоорганического
вещества, химической энергии и молекулярной информации. В связи с
этим живая материя подчиняется не только всем известным
физико-химическим законам, но и закономерностям информационным. Ясно,
что биоорганическое вещество является материальной основой построения
любой живой системы. Кроме того, биологические макромолекулы и
структуры выступают и в качестве носителя молекулярной информации,
поэтому информация в структуре живого имеет химическую форму записи.
Благодаря обработке и циркуляции наследственной информации в процессе
жизнедеятельности осуществляется управление и регулирование
биохимическими и молекулярными процессами, снижается энтропия
(дезорганизация) живой системы. Только информационные ресурсы и
закономерности позволяют веществу, энергии и информации в живой
системе циркулировать, обновляться, воспроизводиться и создавать
новые биологические реальности. А основной причиной движущих сил,
порождающих необузданную генерацию живого и ошеломляющее разнообразие
жизни, является – информация.
________________________________________________________________________
Оглавление
1.
Биологические характеристики живой материи обуславливаются
совокупными свойствами трех её составляющих (вещества, энергии и
информации)
2. Информация и её закономерности
3. Кодированная
информация как главный атрибут живой материи
4. Объяснение жизни
может базироваться только на общности материальных и информационных
(нематериальных) закономерностей, которые присущи всем живым
системам
5. Энергия – важнейший компонент живого
6.
Триада живой материи (вещество, энергия, информация)
7. Основные
закономерности молекулярной информации
8. Принципиальная разница
между живой и неживой материей
9. Информация как движущая сила
развития живой материи, создающая новые биологические реальности
1.Биологические
характеристики живой материи обуславливаются совокупными свойствами
трёх её составляющих (вещества, энергии и информации)
Законы
организации всех живых молекулярных систем идентичны. А разыскиваемые
тайны живой материи, согласно системному представлению о жизни, по
всей вероятности, скрыты в совокупности всех свойств и особенностей
её составляющих частей – биоорганического вещества, химической
энергии и молекулярной информации. Поэтому, чтобы понять общие
закономерности биологических процессов, необходимо предварительно
разобраться в специфических характеристиках и свойствах отдельных её
составляющих. Чем больше мы будем знать о конкретных вкладах
вещества, энергии и информации в структурную и функциональную
организацию живого, тем более результативными окажутся процессы
исследования и познания живой материи.
Неподдельный интерес к
живой материи, и в частности, к принципам и закономерностям её
организации, как правило, всегда сопровождается вопросами. Как
осуществляется взаимосвязь между информацией, структурой и функцией в
различных биологических процессах? В чем заключаются движущие силы
постоянного совершенствования и развития живой материи и
биологических систем в целом? Остается открытым и главный вопрос, как
и каким образом, генетическая информация участвует в управлении
процессами обмена веществ или получения энергии? Чтобы ответить на
эти вопросы, необходимо кратко рассмотреть живую материю, по
отдельности определить и оценить свойства и вклад вещества, энергии и
информации в процессы её организации и развития.
В общем
плане можно сказать, что причины функционирования живой материи
кроются в специфических особенностях и характеристиках её
составляющих:
1) биоорганического вещества, которое одновременно
используется и в качестве материальной основы живого, и в качестве
носителя молекулярной информации и энергии, в связи с чем,
органическое вещество служит не только для построения биологических
макромолекул и структур, но и для записи, хранения, переноса и
реализации молекулярной информации (структурных и функциональных
программ живого);
2) в ресурсах наследственной информации, а,
следовательно, в закономерностях молекулярной биохимической логики и
информатики, применяемой живой природой в качестве инструмента для
формирования живых систем, их функционального поведения и эволюции в
течение более чем 3,5 миллиардов лет;
3) в потенциальной и
свободной химической энергии биологических молекул; в запасенной
химической энергии в виде АТФ, которая служит в живой системе в
качестве аккумулятора энергии.
Ключевая роль биоорганического
вещества в организации живой материи никем не оспаривалась и никогда
не подвергалась сомнению, она всегда считалась естественной и
очевидной. Биоорганическое вещество как основа жизни, уже давно
изучается разными биологическими науками. И ведь, действительно, мы
сейчас знаем, что наследственная информация в клетке имеет дискретную
химическую форму записи, поэтому она заключена в компонентах
биологических макромолекул и структур. А процесс образования энергии
также представляется как синтез ещё одного вещества – АТФ.
Видимо поэтому потребности живой системы (организма) всегда
рассматривались как потребности исключительно в веществах. А
биоорганическому веществу в построении живого всегда отводилось
главное место, поэтому физико-химический подход в исследовании живой
материи всегда считался единственно верным.
В связи с этим до
настоящего времени исследованием живой материи и биомолекул в
основном занимается молекулярная биология и биохимия – химия
наиболее организованной материи. А период изучения химического
состава живой материи и реакций, связанных с обменом веществ, длится
уже, по-видимому, около 200 лет. Возможно, по этим причинам в
изучении живой материи до настоящего времени доминирует исключительно
физико-химическое направление.
Долгое время ученые надеялись
на успехи физико-химической биологии, изучающей состав и основы живой
материи. Однако если тайны живого состояния оказались неподвластны
биохимикам, то многие биохимические реакции, в результате длительного
и кропотливого труда, были тщательно изучены. Поэтому познание
закономерностей синтеза и распада живого вещества, намного продвинуло
биологическую науку вперёд. Между тем, физико-химическое направление
до сих пор преобладает во всех молекулярных биологических науках. Но
чем глубже ученые внедряются в детализацию физико-химических
процессов, тем больше у них возникает сомнений в познаваемости
живого. В силу этих обстоятельств дальнейшее изучение живой материи
заметно приостановилось.
Учитывая сложно-зависимые
физические, химические и иные процессы, идущие в живых системах,
многие исследователи и сегодня пессимистически относятся к реальности
познания феномена жизни. Бесперспективность познания тайн жизни
только физико-химическими методами стала очевидной. Выяснилось, что
мир живого настолько сложен и разнообразен, что его нельзя
обуславливать только физическими и химическими законами. Стало ясно,
что молекулярные биологические науки зашли в мировоззренческий тупик.
Можно сказать, что конечная цель биохимии, которая заключается в
познании тайны жизни во всех её конкретных проявлениях, оказалась для
биохимиков непосильной. А культ физико-химической науки в биологии не
принес ожидаемых результатов! [1]
Между тем, совершенно
очевидно, что законы физики и химии, действующие в любой живой
системе, «не отменяются». Тем не менее, как оказалось, их
необходимо дополнить новыми, пока еще неизвестными знаниями и
закономерностями. Итоги физико-химических изысканий заставили
исследователей по новому взглянуть на достижения биофизики и биохимии
и более целенаправленно искать другие пути и подходы к пониманию
феномена живого состояния материи.
Как мы видим, в биохимии и
молекулярной биологии по сути дела изучается только материальная
часть вклада биоорганического вещества в организацию живого. Поэтому
создается впечатление, что роль вещества в составе клеток и
организмов в основном уже исследована естественными науками и
отражена в различных учебниках по биохимии, биофизике, молекулярной
биологии и т. д. Однако это далеко не так.
Беру на себя
смелость возразить и напомнить о том, что биоорганическое вещество
представляет не только материальную сущность живого. Оно является
также носителем и информационной, и энергетической составляющей части
живого. Поэтому, назначение клеточного вещества не исчерпывается уже
изученными физико-химическими (материальными) процессами!
Кроме
физических и химических законов живая материя подчиняется еще и
особым принципам и правилам, которые автор статьи назвал
закономерностями молекулярной биохимической логики и информатики!
Этот факт может быть обоснован тем, что все макромолекулы и структуры
живой клетки (организма), становятся еще и носителями химической
энергии, и переносчиками молекулярной биологической информации.
Однако, к сожалению, эта вторая и «таинственная» сторона
биоорганического вещества – информационная, по важности не
уступающая первой, – материальной, естественными науками
оказалась, по своей сути, незамеченной и поэтому практически
неисследованной и неизученной. Однако только информационные
характеристики и закономерности, весьма широко используемые
биологической формой движения материи, могут объяснить многие тайны
живого. На этот факт следует обратить особое внимание.
Очевидно,
что биоорганическое вещество подчиняется своим физико-химическим
законам, а информация подчиняется только своим специфическим
закономерностям. Однако при этом следует отметить важное отличие,
которое существует в любой живой системе: информация не зависит от
свойств своего носителя (вещества), а вот судьба вещества полностью
зависит от той информации, которая записана в его структуре. Более
того, все свойства и состав макромолекул полностью зависят от той
информации, которая загружается в их структуру во время биосинтеза.
Следовательно, молекулярная информация не только руководит
структурной организацией вещества, но и использует его
физико-химические свойства для своего молекулярно-биологического
воплощения!
Удивительно, но приходится констатировать, что
наши материальные тела, по своей сути, созданы из тех же вещественных
носителей информации, которые были использованы для переноса
наследственной информации. Информация в любой макромолекуле указывает
не только направление движения, но и её информационное и
функциональное поведение в клеточной среде, а значит, определяет всю
её биологическую судьбу. Все эти процессы обеспечиваются энергией и
информацией, а само вещество (т. е. сам носитель информации) при этом
преобразуется в молекулярные механизмы для выполнения тех или иных
биологических функций. После выполнения своих биологических функций
любая макромолекула заменяется на другую, способную выполнить те
функции, которые необходимы живой клетке в данное время и в данном
месте. По такому поразительному сценарию живая клетка не только
передает информацию, но и одновременно снабжает себя
материально-энергетическими компонентами и функциональными
механизмами. Но, как ни странно, биологи наблюдают только
материальную часть этого процесса, не замечая главного –
передачи программной наследственной информации.
Очевидно, что
естественные науки сегодняшнего дня уже не имеют права игнорировать
те информационные явления на молекулярном и биологическом уровнях,
которые не только существуют в живых системах, но и являются
ключевыми движущими силами всех жизненных процессов. Только на основе
изучения и исследования информационных основ биохимических и
молекулярных процессов, и никак иначе, мы можем познать общую картину
информационных отношений живой материи. А виртуальная сущность
кодированной информации дает нам возможность проникнуть в неведомый и
таинственный нематериальный мир живого и определить его организующее
и созидающее начало. Очевидно, что здесь на первый план выступает
наследственная информация, которая обеспечивает не только структурную
(вещественно-энергетическую) организацию живых систем, но и
выполнение всех их биологических функций. Значит, организация живых
систем осуществляется не только на базе вещественно-энергетических
взаимодействий материального мира, но и, что особенно поражает наше
воображение, так это то, что первопричиной организации живой системы
является не материальная, а прежде всего, её нематериальная –
информационная (виртуальная) часть [5].
2.
Информация и её закономерности
Информация
наряду с материей и энергией в нашем мире является не только основной
фундаментальной сущностью, но и одним из главных его ресурсов.
Отметим, что по своему положению и статусу она является самой
таинственной из этих трёх слагаемых. Информацию следует считать
особым видом ресурса. При этом имеется в виду трактовка «ресурса»
как запаса необходимых знаний и сведений о материальных предметах или
энергетических, структурных или каких-либо других характеристик
объектов, процессов или явлений. С информацией человек встречается на
каждом шагу: в информационных технологиях, системах связи, в
компьютерных технологиях, системах управления, в информационных
системах живых клеток и т. д. В общем виде можно сказать, что
«Информация – это закодированные данные или сведения о
любом факте, явлении, объекте или процессе, которые вырабатываются,
передаются, и воспринимаются той или иной системой». Здесь
информация обозначена как содержательные данные и сведения, которые
представлены только в закодированной форме. Чтобы разобраться с
проблемами молекулярной информатики, необходимо вспомнить основные
представления, связанные с общим понятием «информация».
1) «Информация» не является физической величиной,
несмотря на то, что лежит в основе самой жизни и играет роль одной из
ключевых субстанций нашего мира. Она, хотя и пользуется для своего
воплощения различными материально-энергетическими переносчиками, тем
не менее, всегда выступает в виде автономного виртуального спутника
своего носителя, то есть отдельного нематериального (абстрактного,
умозрительного) природного явления. Поэтому кодированная информация
является нематериальной (виртуальной) сущностью. Вспомним обобщение
Норберта Винера, который в свое время недвусмысленно отметил, что:
«Информация – есть информация, а не материя и не энергия.
Тот материализм, который не признает этого, не может быть
жизнеспособным в настоящее время».
В понятии
«информация» всегда возникает необходимость при описании
процессов управления в сложных системах, при передаче различного рода
сообщений, при исследовании процессов жизнедеятельности живой клетки
и т. д. Удивительно, но на этом понятии держится не только весь багаж
мировых знаний, но и любая область человеческой деятельности. С
понятием «информация» напрямую связаны не только феномены
жизни, но и все сложные технические, биологические и общественные
уровни её организации. Этот факт закономерно обнаруживается при
внимательном рассмотрении и анализе удивительных свойств и
закономерностей «информации» [2].
2) Несмотря на
то, что «информация» является нематериальной категорией,
однако существовать и воспроизводиться она может только на базе
системной организации и на основе тех или иных
материально-энергетических средств и носителей. Для накопления и
передачи (переноса) информации требуются материальные носители.
Поэтому информация всегда передается по каналам связи в виде
материальных или энергетических кодовых сигналов, имеющих
определенное смысловое значение. Информация всегда предполагает
наличие той или иной системы, где она может кодироваться,
перекодироваться и декодироваться.
3) Информация в системе
всегда выступает как отдельное и самостоятельное явление, имеющее
виртуальный (умозрительный) характер.
– При этом
«кодирование информации, как правило, представляет собой
действие, осуществляющее преобразование: «материальная сущность
(вещество, энергия) a код», В процессе кодирования обозначаемые
предметы, процессы, явления или свойства, по сути, отождествляются с
обозначающими предметами, процессами, явлениями или свойствами.
Кодирование обеспечивает восприятие информационной системой
практически любых физических и химических сущностей. Кроме
кодирования, других путей для того, чтобы хоть какие-то сведения о
«физическом мире» стали известны «в мире кодов»,
просто не существует. Кодирование информации позволяет представлять
одно и то же смысловое содержание в самом различном физическом виде.
При этом информация сохраняет свое значение в неизменном виде пока
остается в неизменном виде её носитель.
– Перекодирование
информации представляет собой действие, осуществляющее
преобразование: «код a код». Именно перекодирование
позволяет перейти информации с одного носителя на другой.
Перекодирование обеспечивает существование одной и той же информации
в разных информационных системах.
– Декодирование информации
представляет собой действие, осуществляющее преобразование: «код
a материальная сущность (вещество, энергия)». Кодированная
информация обязательно реализует себя в материальном мире. Подобная
реализация выполняется за счет декодирования, которое преобразует код
в вещественно-энергетическое воздействие, способное запустить
соответствующую физико-химическую систему. Фактически декодирование
согласует код с тем конкретным исполнительным механизмом, который он
активизирует во внешней среде» [3].
4) «Если
операции кодирования, перекодирования и декодирования имеют, в
какой-то мере, служебный характер, то операции восприятия (в биологии
– рецепции), переработки и реализации информации следует
считать главными. Фактически именно эти операции определяют сущность
информационных процессов.
– Восприятие кодированной
информации заключается в том, что код и материальный носитель, на
котором он существует, перемещается из внешней среды «внутрь»
системы; перемещение может сопровождаться перекодированием и сменой
материального носителя.
– Переработка кодированной
информации – осуществляется над кодами, находящимися «внутри»
системы. Так выполняются логические или био-логические
(биохимические) операции.
– Логическая реализация
кодированной информации – код и материальный носитель, на
котором он существует внутри системы, выставляются «наружу»,
то есть перемещаются во внешнюю среду. Перемещение может
сопровождаться перекодированием и сменой материального носителя.
–
Вещественно-энергетическая реализация кодированной информации –
посредством декодирования код преобразуется в вещество и (или)
энергию и это вещество и (или) энергия из системы перемещается во
внешнюю среду, фактически являясь активизатором какого-либо
исполнительного механизма, имеющего физико-химическую природу. В
части последней операции отметим, что иногда горят: «информация
– это управление». Действительно, при решении многих
задач информационные проблемы рассматриваются совместно с проблемами
управления и регулирования.
5) Следует остановиться на таких
специфических особенностях информации, как её передача, хранение и
размножение.
– Если в процессе перемещения над кодами не
производятся логические операции, а само перемещение превышает
некоторые пространственные и временные пороги, то эти действия
принято трактовать как передачу информации и хранение информации.
–
Процесс размножение информации выполняется путем: копирования
информации, при обязательном наличии экземпляра, работающего как
оригинал или тиражирования информации, когда все экземпляры полностью
идентичны, а оригинал отсутствует» [3]. Заметим, что как для
накопления информации, так и для её хранения и перемещения, как
правило, требуется не только своя кодовая система, но и свои
материальные носители. Указанные процессы и характеристики
кодированной информации наиболее широко применяются в живых
молекулярных системах.
6) Очевидно, что кодированная
информация, по своей природе, сущность не материальная, а
виртуальная. То есть она и не вещество, и не энергия, а что-то
другое, данное живой (материи) природе и нам в представление. Причем,
важно отметить, что информация подчиняется не физическим законам, а
только своим специфическим принципам и правилам (закономерностям
информатики). Информация при кодировании становится виртуальным
спутником материи или энергии, однако она является совершенно
самостоятельной сущностью, хотя и зависимой от существования
носителя, но независимой от его материальных или энергетических
свойств. Следовательно, информация не может относиться к неотъемлемым
свойствам материи даже тогда, когда информация закодирована в её
структурах.
7) Кроме того, информация – это «многоликий
Янус»: она может кодироваться на разных языках; записываться
различными буквами, цифрами, знаками или химическими био-логическими
элементами. Информация способна иметь множество разнообразнейших
форм, видов и категорий и передаваться по разным физическим каналам
различными кодами и способами.
8) Весьма загадочной остаётся
способность одной и той же информации находиться и существовать в
различных её видах и формах, передаваться (кодироваться) при помощи
различных языков и записываться с помощью разных алфавитов. То есть
одна и та же информация может храниться на различных физических
носителях и передаваться от источника к приемнику по каналам, разным
по своей природе. Причем, это одно из ключевых и фундаментальных
свойств информации.
9) Информация, сохраняемая в любой записи,
может считываться и передаваться на расстояние, записываться и вновь
воспроизводиться без потерь, то есть формы её существования могут
переходить одна в другую многократно. Информация, записанная любым
способом на носителе, с течением времени может разрушаться под
действием коррозии носителя и других физико-химических факторов.
Потери информации также могут происходить при её передаче под
действием помех и т. д. Информация сохраняет свое значение в
неизменном виде, пока остается в неизменном виде носитель информации
– память. Однако в природе нет памяти с бесконечным временем
существования, поэтому срок «жизни» носителя (памяти),
как правило, и определяет время существование информации.
10)
Между тем, информация, благодаря уникальным способностям к смене
своего носителя (например, генетической), приобретает воистину
удивительные способности – «вечности своего
существования»! Поэтому можно сказать, что информация, хотя и
зависит от многих факторов, однако она способна существовать
неограниченно долго, что явно свидетельствует о том, что информация
не зависит от времени своего существования. Это еще одно важное
подтверждение того, что информация как сущность –
нематериальна. Не удержусь от соблазна заметить, что в уникальной
способности информации к вечному существованию заложена и
потенциальная вероятность продления жизни любого живого организма, в
том числе и человека. Сейчас в нашей стране проводятся подобные опыты
на мышах с использованием уникальных свойств реликтовых бактерий.
Судя по телевизионным новостям, уже достигнуты впечатляющие
результаты.
11) Отметим еще одно из замечательных
закономерностей информации. А именно: информационным ресурсам всегда
характерно постоянное движение, воспроизводство и обновление. Поэтому
процессы размножения живых систем непосредственно связаны с
удивительной способностью ресурсов наследственной информации к
процессам самообновления, самовоспроизведения и размножения. Очень
важно, что только эти процессы обуславливают способность живых
существ к продолжению рода в дочерних системах (в новых поколениях),
путем применения новых материальных носителей для информации.
Очевидно, что удивительные свойства обновления и размножения присущи
только информации, но не материи (веществу) или энергии. Поскольку
движение, обновление и воспроизводство информации в живой системе
всегда нуждается в новых вещественных носителях, то это, естественно,
приводит к движению и воспроизводству вещества, тем самым определяя
движение и воспроизводство самой живой материи. Таким образом,
получается, что вещество, как носитель информации в любой живой
системе полностью «закрепощено» информацией и всецело
подчинено информационным процессам!
12) Только информация (а
не материя или энергия) способна обусловить информацию, – это
одно из замечательных свойств (закономерностей) информации. Только
информация способна воспроизвести, породить, обновить, исправить,
копировать или размножить информацию. А удивительные свойства
передачи, хранения, копирования и размножения (самообновления и
самовоспроизведения) информации представляют в живой системе тот
феномен, который дарит живой материи те биологические характеристики
и свойства, которые давно наблюдают биологи. К слову сказать, что
такое понятие как селекция так же связано с информационными
представлениями, позволяющими осуществить отбор более жизнеспособной
(наследственной) информации (а значит, и отбор особи). Очевидно, что
информация является не только фактором управления (самоуправления) и
регулирования, но и причиной размножения и селекции, а,
следовательно, и главной движущей силой развития живой материи.
Очевидно, что всей необъятной биосферой нашей планеты правит не
какая-то сверхъестественная сила, а такая удивительная, простая и в
то же время чрезвычайно сложная и таинственная сущность нашего мира,
как информация.
13) 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.
14) 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).
15) 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.
16) 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.
17) Здесь мы
затронули, по всей вероятности, лишь некоторую часть удивительных
свойств понятия «Информация». Однако, пользуясь
отмеченными фактами и представлениями, прежде всего, необходимо
видеть огромнейшую понятийную разницу между самими
материально-энергетические объектами и физическими процессами нашего
мира, которые порой бывают чрезвычайно грандиозными по своим
масштабам, и той информацией, которая о них передаётся. Любой процесс
или объект косной природы обладает лишь своими физическими (или
химическими) характеристиками, однако информация о них – это,
увы, сущность совершенно другой природы!
Одно дело наличие и
реальность материального мира и совсем другое – получение о его
характеристиках информации, весь процесс которого связан не только с
отбором нужных сведений и данных, но и с их переработкой – с
процессами кодирования, преобразования и передачей сообщений.
Природные материальные и физические процессы подчиняются только своим
фундаментальным законам, изучением которых занимаются соответствующие
науки. Информация же, исходя из общего понятия, не зависит ни от
физических, ни от энергетических свойств своего носителя, она
подчиняется только своим закономерностям, принципам и правилам.
18)
Поэтому одним из основных характерных свойств кодированной информации
является функция замещения. То есть информация – это никогда не
сами исследуемые объекты, явления или процессы, – они
замещаются закодированными сообщениями, состоящими из
последовательностей букв, символов или знаков. В связи с чем,
материальные объекты, явления или процессы сами по себе информацией
никогда не являются.
19) «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.
3.
Кодированная информация как главный атрибут живой материи
Живые
системы обладают удивительными природными свойствами самоуправления,
самообновления и самовоспроизведения. Причем, даже отдельная клетка
является сложнейшей биокибернетической системой, выполненной в
миниатюре, где все компоненты, структуры и биохимические процессы
упорядочены и функционируют на недосягаемом нано и молекулярном
уровне. Наука показывает, что жизнь на нашей Земле существует,
поддерживается и развивается благодаря наследственной информации.
Поэтому живые организмы по своей сути не могут ни функционировать, ни
существовать, ни развиваться только лишь на физико-химической
основе.
Никто не будет отрицать, что живая клетка относится к
одной из самых древних информационных систем естественного
происхождения. Об этом говорит наличие в генах и других клеточных
структурах закодированной информации. Об этом говорит наличие в любой
живой клетке генетической памяти (ДНК), оперативной памяти (РНК),
использование программируемых аппаратных устройств – ферментов,
белков и других функциональных макромолекул, наличие молекулярных
биопроцессорных систем репликации, транскрипции и трансляции
генетической информации и т. д. Молекулярная информация уже давно
стала чрезвычайно распространенной разновидностью кодированной
информации. Очевидно, что по своему природному статусу, она является
праматерью любых других видов информации. Во всем остальном она, как
и другие виды кодируемой информации, характеризуется стандартными
характеристиками и уровнями существования [2].
Кодирование
сообщений оказалось настолько эффективным способом записи и передачи
информации, что первоначально эти принципы были «разработаны»
и развиты в молекулярных системах живой природы, а в дальнейшем
применены для сложных биологических систем. Закодированная информация
в цепочках химических букв и символов биологических макромолекул –
это та умозрительная сущность, которую мы можем мысленно себе
представить, то есть для нас это виртуальная реальность. Однако для
самих биомолекул, это структурная и программная реальность, данная
биомолекулам для построения и функционирования. Поэтому виртуальная
реальность сейчас определяется как актуальная, событийная реальность,
которая реально значима в настоящий момент времени.
Ясно, что
кодированная информация, по всем своим показателям, является
гениальным изобретением живой природы. Ведь недаром же она, в
результате длительной эволюции, постепенно стала, наряду с материей и
энергией, – основной сущностью нашего мира. Причем, еще раз
важно отметить, что, несмотря на виртуальность кодированной
информации, она способна к управлению, самообновлению, селективному
отбору, эволюционному разнообразию и подчиняется не физическим
законам, а только своим специфическим закономерностям. Движение
наследственной информации всегда является сущностью процессов
управления, регулирования и движения живой материи (как своего
носителя). Информация всегда выступает главной доминантой при
управлении различными объектами или процессами.
Можно без
преувеличения сказать, что только совокупность всех универсальных
свойств информации обеспечила возможность строительства (кодирования
и программирования) на основе молекулярных мономеров (дискретных
химических букв и символов) неограниченного множества различных, по
своей конструкции, назначению и функциональным свойствам
биологических макромолекул и структур. А главное, она обеспечила не
только потенциальную вероятность зарождения живой материи, но и
процессы информационного управления обменом энергии и веществ.
Одна
из основных заслуг живой материи, видимо, и заключается в том, что с
её «лёгкой руки», информация, зародившаяся в её недрах,
вырвалась как джин из сказочной бутылки! Разве не удивительно, что
общие законы и принципы кодирования информации стали не только
фундаментальными основами жизни, но и, впоследствии заново были
«открыты» человеком и нашли самое широкое распространение
во многих областях человеческой деятельности: в технике, в науке, в
управлении, в экономике, в социальной и общественной сфере и т. д.
Кодированием стал называться процесс преобразования тех или иных
сведений и данных в совокупность букв (символов, цифр или знаков),
определяемую кодом. А любой код стал ключом для перевода информации
из одной её формы в другую.
Поразительно то, что в живых
системах информация стала той неуёмной и необузданной силой и той
неукротимой субстанцией, которая обладает чрезвычайно высокой
способностью (на основе энергии и вещества и системной организации)
создавать копии самих себя (реплицироваться), развиваться,
совершенствоваться и поэтому вечно существовать во времени и в
пространстве. По крайней мере, до тех пор, пока имеются источники
энергии и вещества, подходящие условия для существования и позволяет
их программа развития. Удивительно, что все мы: люди, животные,
растения и даже бактерии являемся лишь оболочками, –
биологическими объектами, приспособленными для выживания и
дальнейшего воспроизводства этих информационных субстанций!
Вот и
получается, что все мы живём под диктатом информации, которая не
только окружает нас, но и внедрена и сосредоточена в каждом из нас на
генетическом и молекулярно-биологическом уровне! Все мы – люди,
по своей сути, и представляем собой высшую форму информационной
субстанции, потому что в буквальном смысле состоим из одной
информации и подчинены ей на всех уровнях своего существования: на
уровне генов, биологических молекул, на уровне каждой клетки. И
ничего тут не поделаешь, – просто на Земле живые информационные
субстанции существуют в таких видах и формах, которую они формируют
на базе своей первичной (генетической и клеточной) информации и
имеющейся на Земле материи. Однако чрезвычайная информационная
насыщенность живого, к сожалению, биологами до сих пор еще не
замечена, не осмыслена и не исследована. Важным обстоятельством
является и то, что перед живой клеткой не возникает проблемы, как
передать информацию и, главное, какие материальные средства
использовать при строительстве своих аппаратных средств. Информация в
живых молекулярных системах записывается с помощью элементарной формы
органического вещества – мономеров (нуклеотидов, аминокислот,
простых сахаров, жирных кислот и других «био-логических»
элементов). Следовательно, переносчиком информационных сообщений
являются биомолекулы, в структурах которых записывается нужная
информация. При этом обратим внимание на удивительно важные свойства
живой материи, которые проявляются повсеместно. А именно: при
построении любых биологических макромолекул и структур применяются те
же материальные носители, которые используются для передачи
молекулярной информации. Этот факт, пожалуй, может объяснить, почему
биомолекулы одновременно подчиняются не только физико-химическим, но
и информационным закономерностям [5].
Известно, что
самоуправление и информационный обмен являются самыми существенными
характеристиками функционирования живых систем. Поэтому в любых живых
клетках феномены кодирования, хранения, перекодирования, передачи,
обработки и использования генетической информации являются ключевыми
для всех биологических процессов. Именно с кодированием информации
связаны многие замечательные свойства живых клеток
Молекулярная
форма управления и передачи информации для нас привлекательна именно
тем, что позволяет управлять биохимическими процессами живых клеток
на недосягаемом для других технологий уровне, – на уровне малых
молекул, их атомных групп и отдельных атомов! К своему удивлению мы
только сейчас узнаем, что в основе жизни лежит необъятный и
практически неисследованный мир молекулярно-биологической информатики
и мир естественных информационных биохимических нанотехнологий. Здесь
для записи информации применяются мономеры – химические буквы и
символы (био-логические элементы) – нуклеотиды, аминокислоты,
жирные кислоты, простые сахара и другие мономеры, имеющие размер в
диаметре всего от 0,5 до 0,7 нм.
4.
Объяснение жизни может базироваться только на общности материальных и
информационных (нематериальных) закономерностей, которые присущи всем
живым системам
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 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 более лабильных 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 элементарные молекулярные сигналы
живой природы всегда существуют именно в таком физико-химическом
воплощении.
Важен тот факт, что в процессе эволюции живой
материи, естественные субмолекулярные и молекулярные лабильные силы и
связи постепенно превращались в сигнально-информационный фактор,
который стал использоваться в процессах управления и сигнализации
живых молекулярных систем [6]. Первоначально эти факторы явились
физической предпосылкой к формированию кодовых сигналов, а затем, и
информационной основой молекулярных форм самоорганизации и
самоуправления.
В живом веществе, как оказалось, заключены не
только ковалентные и нековалентные силы и связи, определяющие
характер биохимических взаимодействий, но также и те внутренние
информационные силы саморазвития, которые делают возможным
возникновение большого числа различных вариантов и позволяют дать им
оценку в окружающей среде, то есть позволяют осуществить процесс
селекции. Однако эти удивительные явления не могут быть объяснены
физико-химическими свойствами самой материи (вещества), они могут
быть обусловлены только характеристиками молекулярной информации,
которая заключена в структурах живой материи.
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. Можно предположить, что любая живая клетка
представляет собой открытую обособленную информационную систему
взаимосвязанных и взаимодействующих между собой молекулярных
био-логических аппаратных средств, устройств и элементов,
представляющих собой микроскопическую, непрерывно изменяющуюся
сложную структурно-функциональную сеть, наполненную циркулирующей
кодированной информацией. 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.
Например, 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» [6] в
процессах молекулярного 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)
[7].
Любопытно, что возникновение кодирования молекулярной
информации напрямую связано именно с этими лабильными
микроскопическими физико-химическими силами, связями и эффектами.
Сейчас в живых системах они повсеместно используются для воплощения
молекулярной 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. Как мы видим, только информация, из трех
составляющих живой материи, наделена чрезвычайно активной
способностью проявлять себя (на основе энергии, вещества и системной
организации)) – перемещаться (передаваться), размножаться
(воспроизводиться), преобразовываться, самообновляться,
распространяться, восприниматься, декодироваться и т. д. Ясно, что
такими способностями сами по себе не обладают ни вещество и ни
энергия.
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
функциональное поведение, 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.
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 [4].
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, разного назначения и различной структурной
организации.
Ясно, что в основе организации всех живых систем
лежат не только материальные (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.
5.
Энергия – важнейший компонент живого
Энергия
в любой системе связана со способностью совершать работу. «Различают
потенциальную энергию, зависящую от положения или состояния тела, и
кинетическую энергию, то есть энергию движения. В живых системах
потенциальная энергия представлена главным образом в форме химической
энергии связей между атомами в молекулах биоорганических соединений.
Потенциальная энергия химических связей обусловлена расположением
валентных электронов на орбиталях с высоким энергетическим уровнем,
куда они попадают при образовании молекул биоорганических соединений
в процессе химических реакций.
При метаболических
превращениях электроны образующие химические связи в молекулах
первичных веществ, переходят с более высокого на более низкий
энергетический уровень. Кинетическая энергия потоков электронов,
скатывающихся по энергетическим уровням, в дальнейшем может быть
использована для образования новых химических связей или же с помощью
специальных биологических преобразователей превратиться в другие виды
кинетической энергии» [8].
Первичным источником энергии
для живых систем является солнечная энергия, которая при фотосинтезе
используется для образования органических соединений. Для
фотосинтезирующих клеток источником энергии служит улавливаемая ими
энергия солнечного света. Для гетеротрофных клеток источником
свободной энергии, получаемой в химической форме, служит процесс
расщепления, или катаболизм, пищевых молекул. Поэтому главным
связующим звеном между клеточными реакциями, идущими с выделением и с
потреблением энергии, служит аденозинтрифосфат (АТФ).
В
процессе биологического окисления при расщеплении органических
молекул эта энергия освобождается и аккумулируется в фосфатных связях
АТФ. Для энергетических нужд в живой клетке постоянно поддерживается
дозовая циркуляция энергии в форме АТФ к «потребителю», а
АДФ и фосфата – к митохондриям, для нового восстановления их до
АТФ. Как ни удивительно, энергия в живой системе всегда находится в
структурах биоорганического вещества.
Поток электронов,
движущийся по ступеням биологического окисления, – это не что
иное, как слабый электрический ток. В свое время это позволило
известному биохимику А. Сент-Дьерди утверждать, что «жизнью
движут небольшие электрические токи, поддерживаемые солнечным
светом». Таким образом, все энергетические процессы в живых
системах связаны с движением электронов, то есть с наличием
электрического тока, пусть даже слабого, но «говорящего»
о том, что для энергетического обеспечения живого используются те же
физические принципы, которые применяются и для технических
систем.
Правда, если технические устройства подключаются к
источнику питания «по постоянной схеме», то в живой
клетке используется и применяется «дозовая циркуляция»
энергии в виде молекул АТФ. АТФ – это своего рода «гибкий»
источник энергии, позволяющий получить нужные дозы её для
использования в нужном месте. Поэтому, при недостатке свободной
энергии макромолекула, к примеру, белка, способна адресно
(информационно) связываться молекулой АТФ, которая в живой системе
играет роль аккумулятора химической энергии.
Ясно, что без
энергетических процессов не может идти речи ни о каких информационных
взаимодействиях, тем более, ни о каких функциональных биологических
процессах. Энергия необходима для механической работы при сокращении
мышц, для электрической работы – при генерации и передаче
импульсов, для химической работы – при образовании новых
химических связей между атомами в процессах биосинтеза сложных
органических соединений и т. д. Все процессы катаболизма и анаболизма
управляются информационным путем, следовательно, и процессы получения
и использования энергии в клеточной системе так же управляются и
регулируются информацией. Таким образом, циркуляция информации в
живой клетке определяет движение, как вещества, так и энергии. Причем
только вещество является переносчиком и энергии, и информации.
6.
Триада живой материи (вещество, энергия, информация) [1]
В
настоящее время триединство вещества, энергии и информации в
молекулярных системах для исследователей живой материи становится всё
более и более очевидным. И ведь, действительно, эта триада
составляющих способна обеспечить в клетке не только все её
биологические свойства, но и сам феномен живого состояния. Вопрос о
сущности и причинах живого состояния до сих пор остаётся мировой
загадкой. Ясно лишь одно, что жизнь построена на системной
организации и совокупности свойств биоорганического вещества,
химической энергии и молекулярной информации.
Биоорганическое
вещество, по мнению автора статьи, является не только материальной
сущностью живого, – в первую очередь, оно является носителем
химической энергии и молекулярной информации. Поэтому, назначение
клеточного вещества не исчерпывается уже изученными
физико-химическими (материальными) процессами! Известно, что состав и
функционирование биоорганического вещества в живой системе полностью
зависит от генетической информации. Следовательно, вещество в живой
системе занимает, увы, не главную (как декларирует наука), а
подчиненную роль, зависимую от наследственной информации.
Информация, хотя и проявляется в виде виртуального спутника
материи (вещества) или энергии, но она является полностью независимой
и совершенно самостоятельной величиной. Информация наряду с материей
и энергией является не только третьей фундаментальной сущностью, но и
важнейшим ресурсом нашего мира. Заметим, что информационные ресурсы,
в отличие от материальных, энергетических и других видов ресурсов,
тем быстрее растут, чем больше их расходуют. Это уникальное свойство
делает информационные ресурсы, пожалуй, единственными
самообновляемыми и самовоспроизводимыми ресурсами нашего мира. Важно
напомнить, что исключительно это свойство информации (в биологических
структурах) служит основой для реализации процессов самообновления и
самовоспроизведения живой материи. Со всей очевидностью можно
сказать, что исследование сущности жизни может быть осуществлено
только лишь на основе понимания информации и закономерностей её
существования в структурах живой материи!
7.
Основные закономерности молекулярной информации [9]
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 материи.
С точки зрения
автора статьи, 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. Запись информации в живых молекулярных системах
осуществляется так же, как и при любой письменности –
комбинационной последовательностью соответствующих букв или символов.
Для этой цели применяется общий молекулярный биологический алфавит,
содержащий более 30 букв и символов. Молекулярные буквы и символы
отличаются друг от друга содержанием функциональных и боковых атомных
групп и атомов, входящих в состав каждого элемента, их различными
химическими, структурными и функциональными свойствами. Поэтому все
биохимические элементы – нуклеотиды, аминокислоты, простые
сахара, жирные кислоты и другие мономеры являются натуральными
дискретными информационными единицами – химическими буквами или
символами, служащими для представления биологической информации в
различных её молекулярных видах и формах.
Ясно, что 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. Каждый элемент характеризуется наличием своих
функциональных групп, с помощью которых элементы могут ковалентно
соединяться друг с другом в длинные молекулярные цепи. А их боковые
атомные группы играют роль тех элементарных физико-химических
сигналов, с помощью которых в молекулярных цепях осуществляется
воплощение информации, то есть – кодовая форма записи различных
сообщений. Наглядный пример: сообщение в цепи ДНК или РНК кодируется
в виде последовательности нуклеотидов, а носителями генетической
информации являются азотистые основания – «боковые»
атомные группы нуклеотидов. Соответственно, и в полипептидной цепи
белка это сообщение записывается в виде последовательности
аминокислот, где носителями информации являются их боковые R-группы.
Таким образом, живые молекулярные системы используют
химический принцип записи информации. При этом каждый элемент в
составе биомолекулы может иметь различное смысловое значение, которое
зависит от его позиционной фиксации в молекулярной цепи, а затем и в
трёхмерной структуре. Такая система представления информации
называется позиционной. Следовательно, для кодирования молекулярной
биологической информации в живых клетках широко применяется
комбинационный принцип использования химических букв и символов
общего алфавита и позиционная система представления информации с
фиксированными дискретными данными. Это, на мой взгляд, один из
основных принципов молекулярной биохимической логики и информатики.
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.
Очевидно,
что молекулярная информация точно так же как и другие виды
кодированной информации подчиняется общим принципам и правилам. Она
образуется сочленением химических букв, символов (мономеров) 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 носители использовать для передачи.
Главным
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 (программных 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.
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. Отметим, что, несмотря на виртуальность молекулярной
информации, она отличается не только повышенной природной
помехоустойчивостью и достоверностью при передаче сообщений, но и
чрезвычайно высокой своей «засекреченностью».
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. Формирование
структур живой материи невозможно без притока веществ, как
строительных материалов и энергоносителей. При этом важно отметить,
что химический состав формируемых структур живой системы определяется
не поступающими извне веществами, а наследственной информацией.
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.
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 (как материальный носитель информации) подлежит
разрушению (расщеплению). Этот факт содействует непрерывности
циркуляции (движению) информации. В противном случае клетка могла бы
погрузиться не только в информационный хаос, но и превратиться в
материальный склад своих метаболических отходов. Очевидно, что только
движение информации характеризует сущность процессов управления и в
то же время определяет движение биоорганического вещества как своего
носителя. А информационный способ формирования биологических
макромолекул, структур и их функций определяет необходимость
поступления извне питательных веществ и энергии.
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!
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 помощи этих мономеров. При этом
обратим внимание на удивительно важные свойства живой материи,
которые проявляются повсеместно. А именно: при построении любых
биологических макромолекул 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.
Как мы видим, живая природа пошла по пути
использования, как самой информации, так и средств её молекулярных
носителей. Посредством оперативной памяти и РНК, 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.
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 макромолекул 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.
Между тем, если
внимательнее приглядеться, то можно убедиться в том, что человек даже
в области технической информатики идет по стопам живой природы. Об
этом говорят убедительные примеры и факты:
1) Информация в живых
и сложных технических системах имеет материально-энергетический базис
представления и передается так же, как и в любой языковой системе с
помощью алфавитного набора букв, символов или знаков, упорядоченных
использованием кода. 2) Имеются убедительные основания полагать, что
общие законы и принципы кодирования информации стали не только
фундаментальными основами жизни, но и впоследствии были «заново»
открыты человеком и, как мы видим, нашли широкое распространение не
только в технике, но и во многих областях человеческой деятельности.
Поэтому неудивительно, что процессы кодирования, передачи, хранения и
преобразования сообщений в технических информационных системах имеют
много общего с аналогичными процессами в живых биологических
системах. 3) Для реализации логических (или био-логических) функций в
информационных устройствах используются свои системы логических
(био-логических) типовых элементов; иными словами как техническая,
так и биологическая системы имеют свою специфическую технологическую
элементную базу.
4) Все элементы в составе тех или иных систем
реализуют функционально полный набор элементарных логических (или
био-логических) функций и операций, поэтому при их использовании
технические системы могут получить логическую (а живые –
биохимическую) функцию любой сложности. При этом, естественно,
наблюдается как аналогия, так и существенные различия между
технической и биологической элементными базами и технологиями их
применения.
5) Трехмерные стереохимические структуры хромосом,
макромолекул и других клеточных компонентов оказались настолько
идеальным вместилищем информации, что её плотность стала оцениваться
астрономическими цифрами. Поэтому информационная насыщенность
клеточных компонентов такова, что её нам трудно не только определить,
но даже представить. 6) Для хранения, передачи и преобразования
информации в живых и технических системах применятся устройства,
имеющие одинаковое назначение: постоянная память (ДНК), оперативная
память (РНК), микропроцессорные устройства (молекулярные
биопроцессорные устройства репликации, транскрипции, трансляции
генетической информации), преобразователи, дешифраторы, автоматы
(белки – ферменты) и т. д.
8.
Принципиальная разница между живой и неживой материей
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 (движение) в них наследственной
информации и, соответственно, вещества как своего носителя и
источника энергии, чем, собственно, и обеспечивается их
жизнедеятельность. Информационный уровень развития и функционирования
живой материи (вещества) 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.
При этом заметим, что
движение информационных сообщений в живой клетке никогда не может
осуществляться без энергии и 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 энергией и 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.
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 кодированной
информацией, существующей на основе биоорганического вещества, но
никак не самим веществом, какими бы уникальными физическими или
химическими свойствами оно не обладало [4].
Только
информационные ресурсы тем быстрее растут, чем больше их расходуют.
Поэтому информация в отличие от материи или энергии, пожалуй,
единственный самообновляемый ресурс нашего мира. Мы мало обращаем
внимания на это замечательное свойство информации. Однако только
информация, входя в состав живой материи, благодаря своим уникальным
свойствам, дарит живой материи универсальные свойства самоуправления,
самообновления и инициирует самовоспроизведение. Эти процессы
обеспечивают преемственность между сменяющими друг друга генерациями
живых систем, связанные с потоками вещества, энергии и информации.
Биологическая форма движения материи приобретает свойства живого
состояния только благодаря совокупным свойствам его составляющих, –
биоорганического вещества, химической энергии и молекулярной
информации. Очевидно, что как самовоспроизведение, так и селективный
отбор являются важнейшими характеристиками информации, но не материи
или энергии. Биологам следовало бы внести соответствующие коррективы
В связи с этим, напрашивается важный вывод о том, что
субстанцией наследственности являются не материальные компоненты
живого (гены), о чем декларирует молекулярная биология, а их
нематериальная (виртуальная) – информационная часть! Похоже,
биологи немного поспешили, когда приписали эти фундаментальные
свойства биологической материи. Фактором наследственности является
только информация, записанная генетическим кодом на этом носителе
(ДНК). 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
составляющих 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!
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.
9.
Информация как движущая сила развития живой материи, создающая новые
биологические реальности
О
причинах и движущих силах эволюции до сих пор продолжаются дискуссии.
К примеру, доминирующая в науке теория эволюции Дарвина в своей
основе предполагает отбраковку неудачно сконструированных образцов
живых организмов, что, якобы, и является движущей силой развития.
Однако отделы технологического контроля существуют не только в живой
природе и, как мы знаем, не они являются разработчиками и
конструкторами годных к применению изделий. Что же тогда является
источником тех могучих движущих сил, которые порождают необузданную
генерацию живой материи и ошеломляющее разнообразие жизни?
Ответ
на этот вопрос должен быть однозначным, так как только наследственная
информация в живых системах является той неуёмной и необузданной
силой и субстанцией, которая обладает чрезвычайно высокой
способностью (на основе вещества, энергии и 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.
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.
А сама Жизнь, благодаря внедрению и использованию
наследственной информации, оказалась явлением эволюционного и
функционального перехода вещества и энергии на качественно новый –
информационный уровень их системной организации. Диктат
информационной субстанции подчинил движение потоков вещества и
энергии своей воле, а направленность эволюционных процессов оказалась
изначально подчинена информации. Одной из предпосылок эволюции, то
есть более высокого развития, является вариантность в качестве
принципиального явления бытия. Другой же необходимой предпосылкой
эволюции является существование возможности отбора (селекции). Только
селекция из большого числа вариантов форм существования обеспечивает
автономность процесса эволюции». Однако заметим, что
вариантность, отбор вариантов (селекция) – это характерис
1.
Ю.Я.Калашников. «Триада жизни (вещество, энергия, информация)».
Дата публикации 29 ноября 2007г., источник: SciTecLibrary.ru;
Сайт: http://new-idea.kulichki.com/
,
философия, дата публикации: 14.08.2007г.
2. Ю. Я. Калашников.
«Информация – гениальное изобретение живой материи».
Дата публикации: 13 июля 2007г., источник: SciTecLibrary.ru; Сайт:
http://new-idea.kulichki.com/
,
философия, дата публикации: 05.05.2007г
3. С. Е. Здор. «Об
информационной сущности жизни и разума». – М: «Спутник»,
2008г.
4. 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
5. Ю.Я.Калашников. «Молекулярная
информатика – новый уровень познания живой материи». Дата
публикации: 22. 12. 2008г., источник: SciTecLibrary.ru
6.
Библиотека РГИУ. Философия информационной цивилизации. Интернет.
7.
Ю.Я. Калашников. «Информационный микромир живой клетки (идеи,
концепции, гипотезы). Дата публикации: 11 марта 2009г., источник:
SciTecLibrary.ru
8. Биохимия. Учебник для институтов
физической культуры. Под редакцией В. В. Меньшикова, Н.И. Волкова –
М: Изд. «Физкультура и спорт, 1986г.
9. Ю.Я.Калашников.
«Аспекты молекулярной биохимической логики и информатики».
Дата публикации: 29.11.2007г., источник: SciTecLibrary.ru; Дата
публикации: 05.12.2006г., источник: http://new-idea.kulichki.com/
,
философия.
Дата
публикации: 22
октября 2009
Источник:
SciTecLibrary.ru
