© Калашников Юрий Яковлевич
Контакт с автором: kalashnikov_mgn@rambler.ru
В основе жизни лежит необъятный и неисследованный мир молекулярно-биологической информатики.
Аннотация
Тайны нашего мироздания безграничны. Разве не удивительно, что самая сокрушительная и смертоносная энергия скрыта на атомном уровне. А основной причиной движущих сил, порождающих необузданную генерацию и ошеломляющее разнообразие жизни, является – информация. Даже сегодня кажется невероятным, что в ничтожном пространстве одной клетки скрыты все основные характеристики живого: феноменальные ресурсы наследственной информации, стремление к четкой структурной и функциональной организации, неуемная жажда активности, размножения и распространения. Можно сказать, что любое живое существо, так же как и сама жизнь – есть высшее творение Вселенной. Поэтому, и раскрыть тайны живого состояния оказалось намного сложнее, чем, к примеру, расщепить энергию атома, освоить космос, создать телевидение, компьютер, Интернет или сконструировать другие чудеса современной техники. Ясно, что живая форма материи до сих пор остается одной из главных мировых загадок и ключевых научных проблем 21 века.
1. Основные понятия
Основными понятиями различных поколений сложных технических информационных систем (в, частности, компьютеров) являются средства аппаратного и программного обеспечения. Причем, принято, что к аппаратным средствам относится всё, что относится к материальной части системы, в том числе и те электронные логические элементы, которые входят в состав микропроцессорных комплектов. Следовательно, к аппаратному обеспечению, в прямом смысле этого слова, относится всё то, что является материальным и имеет отношение к реальной части системы.
Однако для того чтобы логический механизм аппаратного обеспечения заработал и был способен быстро и точно выполнять все указания программ, в его логическую часть должны быть загружены виртуальные компоненты – команды и данные. Иными словами, любая сложная информационная система должна иметь еще и своё программное обеспечение.
Очевидно, что эти понятия имеют тенденцию к развитию. К примеру, возникло новое понятие – программно-аппаратных средств. Здесь имеется в виду возможность схемной реализации программ, выполненных на основе больших интегральных микросхем. Интегральная схема в этом случае представляет собой объединение (слияние) схем и программ в одном электронном блоке. Уровень функциональных возможностей таких схем постоянно возрастает, благодаря интеграции большого количества логических элементов.
Можно сказать, что содержание интегральных микросхем высокого уровня постепенно переходит в новое качество и в своём развитии приближается к производству виртуальных и интеллектуальных систем. С помощью таких средств исследователи надеются осуществить реализацию интеллектуальных функций в технических устройствах. Между тем, имеются две противоположные тенденции в развитии взаимоотношений между аппаратными и программными средствами.
Одна из тенденций, рассмотренная выше, – это объединение материальных и информационных составляющих с тем, чтобы большие интегральные схемы получили новые качественные свойства и более широкие возможности. А другая тенденция, наоборот, – это отделение информационной части от материальной. Очевидно, что эти тенденции зависят от того, в какой из областей науки и техники применяются информационные технологии. Причем разные этапы развития производительных сил характеризуются различными вариантами применения информационных и аппаратных (материальных) средств.
К примеру, отдельные элементы программирования могут быть использованы при создании простых станков-автоматов, поочередно выполняющих заданную последовательность операций. Однако с появлением микропроцессоров производство однооперационных станков постепенно замещается производством универсальных станков с числовым программным управлением.
Иными словами, производство материального (железа) постепенно вытесняется производством программ, то есть производством информационным. Поэтому, если на ранних стадиях автоматизации производства материальная и информационная составляющие были практически не отделены друг от друга, то теперь производство информационной составляющей отделяется от “материальной части”. Очевидно, что процессы, как разделения, так и интеграции информационной и материальной составляющих происходят во многих областях человеческой деятельности.
Однако отметим, что развитие производительных сил в эпоху научно-технической революции и средства производства, содержащиеся в них, требуют единства трёх важнейших составляющих – материальной, энергетической и информационной. Этот факт подтверждается длительным ходом развития производительных сил. И ведь, действительно, в процессе технической эволюции сначала возникли орудия труда, основой которых, как известно, является материальная составляющая. В дальнейшем из орудий труда, путём сложения с энергетической составляющей, возникают различные машины. А затем появляются различного рода и назначения автоматы с важнейшими материальными, энергетическими и информационными составляющими.
Следовательно, чтобы обеспечить возможность дальнейшего развития производительных сил, средства производства должны быть полными автоматами.
Приходится констатировать, что аналогичный эволюционный процесс лежал и в основе развития и становления биологической формы движения материи, когда её составляющими стали органическое вещество, химическая энергия и молекулярная биологическая информация.
Эта триада, по всей вероятности, и явилась тем феноменом, который определил движущие силы постоянного развития и совершенствования живой материи [1].
В связи с этим, белковые макромолекулы клетки представляют собой наиболее характерный и наглядный пример полного слияния программно-аппаратных и энергетических средств в одно структурно-функциональное целое.
Здесь вещественные, энергетические и информационные составляющие достигли такой фазы функционального единства и слияния, отождествление которых может быть осуществлено лишь виртуальным способом [2]. Иными путями эти составляющие вряд ли можно идентифицировать. Видимо, в силу этих обстоятельств, в биологии до сих пор существует культ физико-химического подхода в исследовании живой материи. Биологи просто не видят присутствия информационной составляющей в макромолекулах живой материи.
По мнению автора статьи, сама жизнь, благодаря внедрению и использованию наследственной информации, оказалась явлением эволюционного и функционального перехода вещества, энергии и информации на новый, очень качественный и чрезвычайно высокий уровень их системной организации.
Известно, что клеточный космос биологических молекул, за время своего развития, создал весьма надёжную и универсальную молекулярно-биологическую систему управления с генетической памятью и её феноменальными информационными возможностями.
Именно эти технологии стали базовой основой эволюционного развития биосферы нашей планеты и ошеломляющего разнообразия жизни. Большой неожиданностью для нас оказалось и то, что генетические и информационные молекулярно-биологические технологии правят миром живого уже более 3,5 миллиардов лет!
Диктат генетической информационной субстанции подчинил движение потоков вещества и энергии своей воле, а направленность эволюционных процессов оказалась изначально подчинена информации. Очевидно, что это и есть тот необъятный массив информационных молекулярно-биологических систем и технологий, который явился причиной движущих сил, порождающих необузданную генерацию жизни. Поэтому, главнейшей сущностью всего живого на Земле стала информация и информационные взаимодействия. А информационная составляющая, кроме своего прямого назначения, стала ещё и интегративным фактором, объединяющим в одно функциональное целое различные характеристики живой формы материи [3]. Но, как ни странно, этот могучий пласт пока неведомых нам природных информационных молекулярно-биологических технологий до сих пор не поддаётся изучению.
Наше поколение с конца 20 века переживает большой информационно-технологический бум во всех сферах и областях человеческой деятельности. Однако, как мы теперь узнаём, весь этот бум оказался всего лишь верхушкой того великого “айсберга” технологий, который лежит в фундаменте нашего мироздания. Приходится признать, что первый уровень развития живых информационных систем был реализован на молекулярной основе. А основной массив генетических и информационных молекулярно-биологических технологий, применяемый живой природой и приведший к появлению растительного и животного мира и становлению самого человека, – современной науке до настоящего времени практически неведом.
2. Информационные уровни
“самоорганизации” живой материи
Центральной проблемой молекулярной биологии является процесс “самоорганизации” живой материи. Именно здесь скрыты основные тайны и загадки биологической формы материи. В этом направлении сейчас развернуты дискуссии и идет соревновательный процесс различных идей, концепций и гипотез. Уже давно существует подозрение, что феномен “самоорганизации” непосредственно связан с информационными идеями организации живого. К сожалению, современная наука пока ещё не определила пути прохождения генетической информации и её использования в процессах самоорганизации как белковых, так и других биологических макромолекул.
Например, в молекулярной генетике смысл выявленных информационных фрагментов сводится к тому, что “наследственная информация, закодированная в нуклеотидной последовательности, переводится в аминокислотную последовательность белков…
Белковые молекулы представляют, своего рода “ловушку” в потоке генетической информации…” [4].
Таким образом, в молекулярной биологии и генетике сложилось представление, что в дальнейших биохимических процессах информация не участвует. “Гены контролируют клеточный метаболизм за счет содержащейся в них информации о структуре белков, а ферменты выступают в роли биокатализаторов, управляющих всеми химическими процессами в живых организмах” [4].
Однако эти туманные рассуждения не раскрывают ни сущности, ни механизмов биологических явлений.
В биохимии уже давно господствует ложное представление о том, что управлением химическими процессами в живых клетках занимаются химические катализаторы, но никак не управляющая информация. Такое упрощенное представление явно не соответствует действительности.
Поэтому до сих пор неясно, почему исследование прохождения генетической информации в живых системах остановилось на этапе синтеза белковых макромолекул. Между тем, игнорирование биологами информационной составляющей биомолекул до крайности тормозит изучение и исследование живой материи. Отсюда, как результат, наблюдается мировоззренческое отставание и топтание на месте.
По всей вероятности, это следствие господствующего влияния культа физико-химического направления, традиционно доминирующего в молекулярной биологии. Многие исследователи уже давно интуитивно чувствуют, что без информационной составляющей существование живого немыслимо. Поэтому сейчас в Интернете можно найти различные теории и гипотезы существования информации живого: от синергетической теории – до голографической; 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 переносчика информации, но и определение средств её хранения, обработки (перекодирования), передачи и реализации.
Автор этой статьи уже давно придерживается мнения, что первичная биологическая информация, находящаяся в структурах ДНК живой клетки, представляет собой закодированные генетические сообщения и послания. Поэтому путём транскрипции (переписывания) и трансляции (перекодирования) этих сообщений на аминокислотный код, в полипептидные цепи записываются (загружаются) те текстовые предписания, в которых содержится не только описание алгоритмов структурного преобразования, но и сама программа функционального поведения белковых макромолекул.
Кроме того, автор полагает, что в качестве элементарных сигналов в живых клетках используются химические сигналы различных био-логических элементов – нуклеотидов, аминокислот, простых сахаров, жирных кислот и других типовых мономеров с переносчиком информации в виде их боковых атомных групп.
Отсюда следует, что элементарной единицей информации в биологической макромолекуле является любой биохимический элемент (мономер), входные и выходные цепи (функциональные группы) которого служат для фиксации элемента в молекулярной цепи. А боковая атомная группа (или группы) био-логического элемента как раз и является тем элементарным физико-химическим сигналом, с помощью которого осуществляется воплощение информации, то есть её кодовая форма записи!
Вспомним: сообщение в цепи ДНК или РНК кодируется в виде последовательности нуклеотидов, а переносчиками генетической информации являются азотистые основания – “боковые” атомные группы нуклеотидов. Следовательно, и в полипептидной цепи белка это сообщение записывается в виде последовательности аминокислот, где элементарными переносчиками информации являются их боковые R-группы.
Поэтому важно подчеркнуть, что информация в живых системах имеет молекулярный базис представления и передается так же, как и в любой языковой системе с помощью алфавитного набора букв и символов, упорядоченных использованием кода. Здесь запись и перекодирование информации осуществляется при помощи химических букв или символов (мономеров) общего молекулярного алфавита. Молекулярным кодированием в живой клетке можно назвать процесс представления данных последовательностью химических букв или символов. Причем, информация в клетке передается не только одним генетическим кодом.
В передаче биологической информации участвуют и другие молекулярные коды и кодовые последовательности, основу которых составляет определенный комбинационный набор химических букв или символов. А содержащаяся в молекулярных цепях информация обеспечивает функционирование биологических макромолекул [5].
При этом закодированная последовательность букв или символов любого сообщения передаётся не однократно, а с многократным повторением, что ведёт к повышению помехоустойчивости информационной системы. 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, нуклеотидов и других функциональных биомолекул;
4) возможность обработки сигнальной информации субстратных молекул и т. д.
Поэтому биологические макромолекулы повсеместно несут ту информацию, которая определяет их функциональное поведение в живых системах.
Биологи до сих пор предпочитают говорить только о синтезе биополимерных цепей биологических макромолекул, забывая (или не зная) о том, что это, в первую очередь, – информационные сообщения, записанные химическим способом.
Со всей очевидностью можно констатировать, что для кодирования молекулярной информации в живых клетках широко применяется комбинационный принцип использования химических букв или символов общего алфавита и позиционная система представления информации с фиксированными дискретными данными.
Следует обратить особое внимание на то обстоятельство, что все секреты живой материи оказались напрямую связанными с многофункциональными свойствами типовых мономеров, которые в своей совокупности представляют собой не что иное, как элементную базу или общий молекулярный алфавит живого.
Все био-логические элементы оказались наделенными такими химическими и физическими качествами и свойствами, сочетание которых позволяет им функционировать не только в качестве строительных блоков или кодирующих элементов – химических букв и символов, но еще служить и теми программными элементами, с помощью которых строятся различные алгоритмы программного поведения биологических макромолекул! Следовательно, любая химическая буква (или символ), входящая в состав макромолекулы, является тождественным эквивалентом такой био-логической единицы, которая выполняет роль и типового структурного строительного блока, и единичного информационного сигнала, и программного элемента, и элементарной дискретной функциональной единицы.
Поэтому элементы, входящие в состав биомолекул, определяют не только их нативную конформацию, но и весь широкий спектр их информационной и функциональной деятельности.
А необыкновенная информационная насыщенность биологических макромолекул и клеточных структур является базовой основой их функционального поведения. Сама же биологическая функция возникает путём активации всей совокупности качеств и свойств био-логических элементов, входящих в состав макромолекул.
Поэтому любая программная, информационная и функциональная деятельность биологических макромолекул в клетке осуществляется на основе генетической информации и применения таких био-логических единиц [6].
Со всей очевидностью можно констатировать, что на первом этапе передачи генетических сообщений и программной информации в живых клетках применяется линейный принцип кодирования и программирования биологических молекул. Он основан на комбинационном принципе использования различных химических букв и символов.
Программирование биологических макромолекул и клеточных структур осуществляется автоматически под руководством генетической информации и аппаратных средств, путём ковалентного соединения соответствующих био-логических элементов в длинные молекулярные цепи.
Линейная кодовая последовательность био-логических элементов в составе молекулярной цепи всегда представляет собой запись определенной биологической информации. А линейный принцип молекулярного кодирования в живой системе – это и есть тот первый уровень организации живой материи, который непосредственно ведёт от информации к специфическим характеристикам биологической формы материи [5].
Очевидно, что информация в живой клетке записывается, передаётся и реализуется с помощью тех молекулярных кодов и кодовых посланий, которые загружаются в структуру различных биологических макромолекул.
Например, с информационной точки зрения полезно знать, что любая полипептидная цепь всегда представляет собой пакет кодируемых сообщений генома, который указывает будущие характеристики белковой макромолекулы. Причем, каждое индивидуальное сообщение при передаче информации в полипептидной цепи белка, передается своим индивидуальным сигналом, содержащим определенную кодовую последовательность аминокислот. Поэтому информация в цепи может содержать, как свою “адресную” и “операционную”, так и свою структурную и текстовую (информационную) части.
Заметим, что “линейная” информация цепей всегда содержит конкретный алгоритм стереохимического кодирования и конформационного преобразования биологических маромолекул. Поэтому для компактной упаковки молекулярных цепей, а значит, и информации, в живых клетках повсеместно применяется линейный принцип кодирования и структурного программирования биологических макромолекул.
В результате информационных преобразований, "одномерная" информация цепей "сворачивается, пакуется и сжимается" в трёхмерную информацию биомолекул, которая в таком виде становится пригодной для транспортировки и передачи по различным каналам и непосредственного использования в различных биологических процессах. Поэтому, закодированные в структуре цепи команды и данные являются не только программой “самоорганизации” белковой молекулы, то есть алгоритмом построения внутримолекулярных структур и исполнительных органов и механизмов, но и программой формирования различного рода и на значения локальных или поверхностных стереохимических сигналов. Например, адресных кодов, кодов операции, регуляторных кодов, коммуникативных кодовых микроматриц белковых макромолекул и т. д.
Кодовое разделение линейных химических и стереохимических сигналов, широко применяемое в живых клетках, является базовой основой всех информационных передач генома [6]. Трансформация линейных генетических сообщений в трёхмерную биологическую форму – это важный этап перехода информации из одной её молекулярной формы в другую. Таким способом осуществляется переход живой материи с первого, линейного уровня её структурной организации, на второй, более высокий, стереохимический уровень.
Биологами он воспринимается как процесс “самоорганизации” биологических макромолекул. При этом на локальных и поверхностных участках белковых и других макромолекул возникает такая пространственная упорядоченная (кодовая) организация различных боковых атомных групп элементов, которая в биологической системе играет роль информационных сигналов.
К таким сигналам могут относиться: стереохимические команды управления активного центра фермента (адресный код и код химической операции); коммуникативные и регуляторные сигналы различных биологических макромолекул; локальные и поверхностные кодовые биохимические матрицы белковых макромолекул, служащие для взаимодействия их с молекулярными партнёрами и т. д. Поэтому в живой клетке широкое применение находят именно адресные передачи, где разделение передающих сигналов можно назвать – "стереохимическим кодовым разделением сигналов".
Макромолекулы клетки имеют характерную трёхмерную структуру, определяемую строением их скелета и расположением боковых атомных групп, поэтому молекулярные биологические системы, как правило, используют только стереохимические сигналы с переносчиком информации в виде трёхмерных биомолекул.
А это уже качественно новый скачок в использовании информации, которая в таком виде явно становится одной из основных характеристик биологической формы движения материи [6].
Стереохимическое кодирование в живых клетках служит для программирования функций различных биологических молекул! Оно осуществляется путём пошагового преобразования линейной информации цепей в стереохимическую информацию трёхмерных биомолекул.
Напомним, что все био-логические элементы в составе макромолекул играют также и роль тех программных элементов, с помощью которых строятся алгоритмы их функционального поведения. Это важное обобщение логически связывает между собой структурно-информационную основу биологических макромолекул с их функциональными возможностями.
К примеру, алгоритм конформационного преобразования белка задаётся в виде автоматного описания, заданного комбинационной последовательностью и составом кодирующих элементов (аминокислот) в “линейной” структуре полипептидной цепи. Таким путём идёт программирование не только процесса “самоорганизации” биологических макромолекул, но и их функций. А если учесть, что элементарный состав определяет не только структуру, но и все многочисленные химические связи между элементами, как ковалентные, так и многочисленные слабые нековалентные, то, можно сказать, что молекулярная информация определяет не только функциональное поведение биомолекул, но и их энергетический потенциал.
Таким образом, информационные сообщения генов в молекулярной биологии определяют всё: как структурную организацию, так и химическую энергию макромолекул; как программное обеспечение, так и все их функциональные возможности. Очевидно, что информационные сообщения в молекулярной биологии приобретают смысл через функциональные возможности различных биомолекул, которые строятся и программируются информационным путём.
Следовательно, можно констатировать, что вся технология биологических процессов основана на генетической информации и элементной базе, а все функции возникают и осуществляются только при информационных взаимодействиях биологических молекул друг с другом. Любая активная биомолекула обладает определенным количеством свободной энергии, которая необходима для выполнения её информационных и биологических функций.
Ясно, что информационные и функциональные процессы могут нуждаться в дополнительном источнике энергии. Для этой цели в живой клетке постоянно поддерживается дозовая циркуляция химической энергии в форме АТФ, которая в живой системе играет роль аккумулятора химической энергии.
Каждая активная макромолекула клетки, как биологический программный объект, всегда состоит из функциональных биохимических элементов (данных) и физико-химических алгоритмов, определяемых биохимической логикой взаимодействия этих элементов.
Стереохимические (пространственные) коды, находящиеся в белковых молекулах (и передаваемые по физическим каналам связи), по функциональному назначению могут разделяться на адресные коды, коды операций, регуляторные, информационные, структурные и др. Поэтому процесс описания конкретного функционального алгоритма белковой молекулы на языке "био-логических" команд можно назвать – “программированием в стереохимических кодах”.
Такое стереохимическое кодовое разделение сигналов позволяет белку динамически и информационно взаимодействовать с различными молекулярными партнерами: с коферментами, с транспортными молекулами, с мембранами клетки, с АТФ, с регуляторными молекулами, с партнёрами по агрегатированию и т. д.
Заметим, что генетическим кодом кодируется только первичная – “линейная” структура полипептидной цепи. Однако “конкретная конфигурация (вторичная, третичная и четвертичные структуры) любого белка полностью определяется первичной структурой входящих в его состав полипептидных цепей и зависит от химических свойств боковых групп аминокислотных остатков” [4].
Иными словами, вторичная, третичная и четвертичная структуры белковых макромолекул кодируются и программируются уже другим молекулярным кодом – аминокислотным. Это ведет к представлению, что в живой клетке, кроме генетического кода, применяются и другие молекулярные коды и кодовые последовательности био-логических элементов, предназначенные для передачи тех или иных информационных сигналов.
А аминокислотный код, так же как и различные кодовые последовательности аминокислотных остатков в цепи, обеспечивают не только структурную организацию белковых макромолекул, но и все их функциональные возможности.
Аналогичным образом идет трёхмерное преобразование макромолекул полисахаридов или липидов, осуществляемое кодовыми элементами простых сахаров или жирных кислот. При этом, естественно, эти макромолекулы будут иметь свои биологические характеристики.
Причем, когда “линейная” комбинационная последовательность букв или символов цепи начинает “сворачиваться, группироваться и надлежащим образом упаковываться и сжиматься”, то биологи в этом случае говорят о конформационных преобразованиях молекулярной цепи в трёхмерную структуру. Однако автор данной статьи считает, что это – не что иное, как процесс стереохимического кодирования и программирования структур и функций биологических макромолекул, то есть процесс преобразования линейного информационного сообщения в иную, более высокую – стереохимическую форму.
Поэтому, для управления химическими превращениями и биологическими функциями любая живая клетка использует стереохимические сигналы с переносчиком информации в виде трёхмерных биомолекул. А это уже новый, качественный скачок в использовании и реализации генетической информации, которая в такой форме явно становится основной характеристикой живой материи!
Отсюда, как следствие, вытекает и тот факт, что все клеточные процессы управляются, регулируются и взаимно координируются той программной информацией, которая в данное время "загружена" в аппаратную систему клетки, то есть, перенесена и находится в функциональных биомолекулах и структурах клетки.
Биологические функции возникают в процессе информационных взаимодействий биологических молекул друг с другом. Поэтому все информационные взаимодействия биомолекул являются прелюдией к выполнению функций биологических.
Биологические функции возникают лишь в процессе адресной встречи биомолекул и обмена информацией между ними с помощью их кодовых стереохимических матриц (активных центров), которые должны комплементарно соответствовать друг другу.
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. Важно подчеркнуть, что именно такое матрично-кодовое соответствие является базовой основой информационных взаимодействий в живых молекулярных системах [6].
По мнению автора статьи, именно по такой схеме идёт информационный процесс самоорганизации любых функциональных макромолекул и структур живой клетки, именно таким путём осуществляется их программно-аппаратное, энергетическое и функциональное обеспечение. А сама программа функционирования белковой молекулы коммутируется лабильными физико-химическими взаимодействиями и связями между боковыми R-группами элементов в составе её трёхмерной структуры. Здесь, как мы видим, процесс стереохимического преобразования структуры и информации осуществляется аминокислотным кодом.
Ясно, что ферменты в силу данных обстоятельств, становятся не простыми катализаторами химических процессов, а теми молекулярными биологическими автоматами, с помощью которых осуществляется дистанционное управление химическими превращениями и биологическими функциями живой клетки ( организма) [2].
Состав биомолекул определяется генами, поэтому все аппаратные средства живой клетки – белки, ферменты и др. структуры имеют свою индивидуальную программу функционирования. В связи с этим, управление биохимическими процессами в живых системах осуществляется при помощи "программируемых" молекулярно-аппаратных средств – белков, ферментов и др. функциональных биомолекул и структур.
3. Химические буквы, символы и знаки
Информационные управляющие процессы в клетке, как правило, базируются на применении целостных биохимических (био-логических) элементов – нуклеотидов, аминокислот, простых сахаров, жирных кислот и других типовых мономеров. Однако управляющая система клетки может манипулировать не только отдельными элементами как, например, в процессах репликации, транскрипции или трансляции генетической информации. В ступенчатых химических реакциях она способна манипулировать отдельными химическими знаками био-логических элементов, то есть их составными частями – боковыми или функциональными атомными группами, отдельными атомами и их химическими связями. Поэтому в целом управляющая система клетки способна манипулировать различными химическими "буквами, символами и знаками", которым предписан определённый биологический и информационный смысл.
Для более четкого восприятия информационной концепции управления условно можно принять, что:
1) химическими буквами в клетке являются нуклеотиды и аминокислоты, с помощью которых непосредственно записывается управляющая и структурная информация нуклеиновых кислот и белковых молекул;
2) остальные элементы являются химическими структурно-информационными символами, служащими для построения других классов биомолекул, а также для записи в их структуру функциональной информации;
3) под информационными знаками, которыми может манипулировать управляющая система в ступенчатых химических реакциях, подразумеваются отдельные функциональные или боковые атомные группы и атомы различных биохимических элементов.
Совокупность всех химических букв и символов (элементов), используемых в биологических системах, представляет собой молекулярный алфавит живой материи. С помощью алфавита во время биосинтеза идёт непрерывный и целенаправленный процесс записи информационных сообщений в различные цепи биологических молекул. Символы алфавита в процессе синтеза или расщепления макромолекул также подвержены упорядоченному и непрерывному движению под управлением своих специфических ферментов.
Различные биохимические элементы, а значит, и биомолекулы клетки, обладают различными типовыми функциональными и боковыми группами и атомами, которые свободно узнаются соответствующими ферментами. Следовательно, в живой клетке, кроме молекулярного алфавита химических букв и символов, существует ещё и свой “химический алфавит” типовых атомных групп и атомов, манипулируя которыми управляющая система осуществляет их движение от одного элемента к другому.
В связи с этим, циркуляция типовых атомных групп и атомов определяет свою субмолекулярную форму движения информации, которая в живой клетке организована в виде управляемых ступенчатых химических реакций. Ступенчатые химические реакции характеризуются упорядоченным и целенаправленным движением отдельных химических знаков, переносимых от одного элемента к другому, а значит, и между молекулами. Это напрямую подтверждает мысль о том, что как управляющая, так и сигнальная осведомляющая информация в живой системе хранится, передаётся и циркулирует только в составе различных биологических молекул.
Со всей очевидностью можно констатировать, что информационные процессы в живых клетках практически затрагивают не только молекулярный уровень их системной организации, но и, что удивительно, субмолекулярный – атомный [6].
Живая клетка является сложнейшей информационной биокибернетической системой, выполненной в миниатюре, где все компоненты, структуры и биохимические процессы организованы и упорядочены на молекулярном уровне.
Важно отметить, что принцип работы управляющей системы клетки в некоторой степени аналогичен компьютерному и сводится к упорядоченному манипулированию различными химическими буквами, символами и знаками.
А механизм действия основан на том, что все операции производятся над единицами биологической информации (буквами и символами) или над их составными частями (химическими знаками). Удивительно, но этот факт означает, что все химические и биологические процессы в живых системах управляются только информационным путём.
Важно также отметить, что сущность работы живой клетки сводится к механизму превращения химической формы движения материи в иную, более высокую – информационную форму.
Все эти обстоятельства трудно переоценить, так как они являются ключевыми для молекулярной биологической информатики. Автор данной статьи убеждён, что только молекулярная информатика может стать новым – альтернативным и более высоким уровнем изучения и познания живой формы материи.
4. Жизнь – это или информационная форма движения биоорганического вещества, или молекулярно-биологическая форма движения и циркуляции информации
Все загадки биологической формы материи кроются не только в системной организации, но и в таком уникальном явлении, как слияние в одно структурно-функциональное целое трёх важнейших её составляющих – органического вещества, химической энергии и молекулярной информации. А информация, внедрившаяся в структуру биоорганического вещества, стала той организующей и системной силой, которая гарантировала их функциональное единство и движение по различным ступеням развития [1].
С информационной точки зрения можно сказать, что все свои уникальные свойства биологическая форма материи получила благодаря объединению материальных (аппаратных) и информационных (программных) составляющих в одно структурно-функциональное целое. К сожалению, феномен триединства создаёт для исследователя иллюзию того, что в живой материи, кроме вещества, нет ничего. Возможно, поэтому в изучении биологической формы материи до сих пор господствует лишь одно физико-химическое направление.
Однако истина, как известно, рождается в мировоззренческих дискуссиях. В живой клетке функционируют сотни различных белков и ферментов. Свои специфические функции выполняют полисахариды, липиды, а также другие макромолекулы клетки, которые, как мы убеждаемся, отличаются друг от друга только информационным содержанием, а, значит, и той системой молекулярных элементов (алфавитом), которая применяется для кодирования их информации.
При этом в молекулярных цепях, а затем и в трёхмерных структурах, с помощью букв и символов записывается лишь те информационные сообщения, которые передают гены. Эти молекулярные сообщения являются структурной и программной основой, как для построения, так и для функционального поведения биологических макромолекул. Следовательно, с информационной точки зрения, в молекулярных цепях и в трёхмерных конформациях макромолекул, как правило, нет ничего, кроме структурной и программной молекулярной биологической информации.
Это означает, что все они построены и будут функционировать в соответствии с той программной информацией, которая загружена в их молекулярную структуру. Носителем этого функционального единства, безусловно, является генетическая программная информация, перенесённая и трансформированная в стереохимическую форму функциональных биомолекул и структур живой клетки.
Очевидно, что только информация, загруженная в молекулярные цепи, может определить всё разнообразие трёхмерной организации биологических макромолекул и их биологических функций. Поэтому различные биомолекулы столь разительно отличаются друг от друга не только структурой и формой, но и функциональными способностями и назначением. А белковые молекулы приобретают свойства того “живого состояния”, которое привыкли наблюдать исследователи.
Одна из формулировок философии, определяющая сущность жизни, гласит: “Жизнь есть особая форма движения материи”. Однако уже достаточно давно известно, что без информации и энергии движение биологической формы материи немыслимо. Очевидно, что основную формулировку необходимо приводить в соответствие с новыми воззрениями, учитывая, что естественный ход эволюции жизни на Земле носит характер планетарного информационного явления.
С одной стороны, очевидно, что жизнь, – это особая системная форма движения, воспроизведения и генерации информации, которая осуществляется на базе использования энергии и вещества. Поэтому первый, фундаментальный уровень развития информационных субстанций и их технологий на нашей планете был реализован на молекулярно-биологической основе. С тех пор важнейшей сущностью на Земле стала информационная субстанция, а информация как одна из главных составляющих нашего мира действительно стала основой нашего мироздания [3].
В связи с этим, 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.
Однако, с другой стороны, если принять во внимание, что основным свойством материи являются различные формы движения – физическая, химическая, механическая и иные другие, которые играют фундаментальную роль в её развитии, то вполне можно предположить, что живая материя, также как и сама жизнь – есть системная, информационная форма движения и циркуляции материи (органического вещества). По моему мнению, обе эти формулировки имеют право на существование, потому что они не только дополняют друг друга по смыслу, но и каждая по своему, с разных сторон объясняют уникальную сущность живой материи.
5. Программно-аппаратные средства живой клетки
Генетическая память, молекулярные системы транскрипции, трансляции и их выходное управляющее звено – белки и ферменты являются центральными устройствами, на базе которых построена управляющая система клетки. Гены служат только для хранения программной информации, поэтому её необходимо сначала считывать, а затем определённым образом перерабатывать с тем, чтобы получить форму, приспособленную для непосредственного применения в различных биологических процессах. Для этой цели в клетке используются специальные аппаратные средства транскрипции и трансляции, которые представляют собой не что иное, как молекулярные системы для микропрограммной переработки генетической информации.
Фактически каждая живая клетка для микропрограммной обработки генетической информации применяет такие аппаратные устройства, которые с кибернетической точки зрения вполне эквивалентны молекулярным биологическим процессорам.
Состав и характеристики транскрипционного и трансляционного аппаратов достаточно наглядно отражены в соответствующей биологической литературе. Поэтому можно легко убедиться в том, что эти аппараты, как системы с микропрограммным управлением, имеют все необходимые узлы, компоненты и характеристики, позволяющие их отнести к категории молекулярных биопроцессорных систем управления.
Молекулярные биопроцессорные системы отличаются от управляющих микропроцессорных систем не только вещественно-информационным субстратом или методом обработки информации в управляющие сигналы, но и широким параллелизмом действия их биопроцессорных единиц. Поэтому однотипные биопроцессорные единицы, несмотря на то, что они практически состоят из одних и тех же компонентов, можно легко подразделять как по назначению, так и по характеру выполняемых ими функций.
К примеру, ядерные биопроцессорные устройства верхнего уровня (транскрипционный аппарат) служат для микропрограммного управления процессами считывания генетической информации в оперативную память рибонуклеиновых кислот. Известно, что ДНК и РНК живой клетки построены из одних и тех же мономерных звеньев – нуклеотидов. Однако между этими двумя нуклеиновыми кислотами имеются определённые различия, которые и привели к появлению в живой клетке особой молекулярной биопроцессорной системы, которая предназначена для считывания информации с ДНК-матрицы и переноса её на структуру РНК.
“Этот процесс носит название транскрипции (переписывания). При этом часть двойной спирали ДНК раскручивается, и вдоль одной из её цепей движется особый фермент, который выстраивает нуклеотидные мономеры РНК против их партнёров на цепи ДНК и соединяет эти мономеры друг с другом, так что образуется длинная цепь РНК. На ДНК-матрице образуется три типа РНК: информационная, транспортная и рибосомная” [7].
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.
Основным результатом работы транскрипционной процессорной системы является загрузка в оперативную память иРНК структурной и программной информации, которая необходима для выполнения различных биологических функций живой клетки. Так происходит считывание генетической информации и передача её к другой биопроцессорной системе для трансляции, то есть для перевода информации иРНК в аминокислотную последовательность белковых молекул с помощью генетического кода.
В виде информационной РНК, которая в клеточной системе выполняет роль оперативной памяти, генетические программы по синтезу полипептидов передаются от ДНК к белоксинтезирующему аппарату клетки, то есть к рибосомам. Кратко рассмотрим принцип работы молекулярной биопроцессорной системы трансляции (трансляционный аппарат).
Основным компонентом типовой биопроцессорной единицы является рибосома. Важная регулирующая роль в синтезе белка помимо иРНК принадлежит тРНК. С помощью специального фермента аминоацил-тРНК-синтетазы тРНК присоединяет на одном из своих концов молекулу соответствующей аминокислоты, в результате чего возникает комплекс аминоацил-тРНК. тРНК при участии белковых факторов устройства управления и энергии гуанозинтрифосфата (ГТФ) доставляет аминокислоту в рибосому для включения ее в растущий полипептид.
С помощью своего антикодона тРНК информационно взаимодействует с комплементарным ему кодоном иРНК. 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 микропрограммой заданной иРНК.
Сама рибосома, в частности, обладает каталитической функцией, ответственной за образование пептидных связей в цепи белка. Как мы видим, иРНК в биопроцессоре играет роль матричного модуля оперативной памяти, несущего микропрограмму преобразования генетической информации в структурную и функциональную информацию полипептидной цепи белка. Следовательно, задача по преобразованию генетической информации в линейную структуру белка решается путем выполнения отдельных элементарных микроопераций строго в соответствии с заданной микропрограммой, которая заранее была загружена в оперативную память структуры иРНК. При этом системой реализующей процесс трансляции с известными стадиями инициации, элонгации и терминации является молекулярный биологический процессор [8].
Весь ход процессинга и адресной доставки белка в соответствующий компартмент осуществляется в виде отдельных операций белковыми манипуляторами устройства управления, точно в соответствии с кодовыми компонентами белка. В результате конформационного преобразования и процессинга макромолекула фермента (белка) формирует характерную трехмерную конформацию со своими стереохимическими кодами и, в связи с этим, приобретает свой информационно-кибернетический статус.
Далее, точно в соответствии с функциональным адресным кодом и кодом каталитической операции фермент, действуя как молекулярный биологический автомат, выполняет определенный тип химической реакции. Если фермент является аллостерическим, то на него могут воздействовать регуляторные молекулы обратных связей, влияя, таким образом, на ход химической реакции.
Важно отметить, что подключение объекта управления (молекулы субстрата), через кодовый стереохимический контакт комплементарного сопряжения к ферменту, 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 [2].
Так происходит реализация управляющей генетической информации. Поскольку каждый фермент способен ускорять лишь какую-то одну цепь реакций данного соединения, не влияя на другие возможные реакции, то в отдельно взятом компартменте, одновременно может протекать множество различных химических реакций.
Процесс управления в сложных технических устройствах и в живой клетке, в определённой мере, выполняет одни и те же задачи, хотя есть и существенные различия в информационных субстратах и в организации самих информационных процессов. Кроме того, если информация в технических устройствах есть функция аппаратной системы, то в живых клетках чаще всего наоборот, – информационные сообщения сами являются базовой основой построения или реорганизации аппаратной системы живой клетки (белков, ферментов и других функциональных устройств).
Сердцем управляющей системы живой клетки являются генетическая память и локальные биопроцессорные контуры управления, находящиеся, как в цитоплазме клетки – трансляционный аппарат, так и биопроцессорные системы верхнего уровня, находящиеся в клеточном ядре – транскрипционный аппарат.
Эти аппараты выполняют различные информационные функции. Очевидно, что весь смысл работы молекулярных биопроцессорных систем транскрипции и трансляции заключается в том, чтобы передать структурную и программную информацию белкам и ферментам – выходному управляющему звену биокибернетической системы живой клетки.
Внедрение в клетку молекулярных биопроцессоров и их выходного управляющего звена – белков и ферментов, в своё время оказало колоссальное влияние на развитие биологической формы материи, в частности, на появление многоклеточных сообществ и организмов и вызвало взрывной, революционный процесс “биокибернетизации” живых систем.
Следовательно, можно сказать, что молекулярная информатика – это, прежде всего, информационная молекулярно-биологическая “автоматика”, которая основана не на двоичной арифметике, а на принципах и правилах молекулярной биохимической логики.
Она предназначена для “автоматизированной” переработка как генетической, так и субстратной информации. Это и есть та область, где находят применение различного рода и назначения информационные молекулярно-биологические технологии. А на практике, – это та область и сфера молекулярных информационных технологий, которая оказалась приспособленной не только для обработки информации, но и для переработки вещества и энергии.
Поэтому, если физико-химический подход декларирует о биохимической сущности живого вещества, то с информационной точки зрения вполне можно утверждать, что в живой материи, как правило, нет ничего, кроме молекулярно-биологической программной информации. Здесь все клеточные процессы управляются и взаимно координируются той программной информацией, которая в данное время экспрессирована, перенесена и загружена в молекулярные цепи биологических молекул и структур клетки. А белковые макромолекулы, представляющие собой молекулярные биологические автоматы, образуют различные циклические информационные потоки и сети, контролирующие различные химические и молекулярные функции живой клетки (организма).
Программирование этих потоков и сетей обеспечивается экспрессией десятков и сотен различных генов, объединенных между собой скоординированными управляющими и регуляторными воздействиями [8]. Различные ферментативные системы, состоящие порой из десятков и сотен ферментов (молекулярных автоматов), участвуют в управлении множества различных последовательностей идущих друг за другом простых химических реакций, которые в совокупности составляют клеточный метаболизм. С информационной точки зрения, это процесс целенаправленного и упорядоченного манипулирования различными химическими буквами, символами и знаками. Следовательно, управление химическими процессами и биологическими функциями живой клетки осуществляется молекулярными информационными потоками и сетями “автоматизированного” управления.
Приведённые в статье примеры говорят о том, что молекулярная информатика – это, прежде всего, информационная молекулярно-биологическая “автоматика”, которая основана на использовании генетической информации и применении программируемых молекулярно-аппаратных средств с использованием химических букв, символов и знаков общего молекулярного алфавита.
Заметим, что функционирование молекулярных программно-аппаратных средств живых систем основано не на двоичной арифметике, а на принципах и правилах молекулярной биохимической логики и информатики. Молекулярная информатика предназначена для “автоматизированной” переработки как генетической, так и субстратной информации. А живая форма материи, благодаря внедрению и использованию наследственной информации, также как и сама жизнь оказалась явлением эволюционного и функционального перехода вещества, энергии и информации на качественно новый – информационный уровень их системной организации.
Информационный подход, как известно, это фундаментальный метод научного познания. Предлагая в своих статьях идеи и концепции молекулярной биохимической логики и информатики, автор уверен, что в 21 веке самым перспективным направлением в изучении живой материи станет новая дисциплина, такая, как “Молекулярная биологическая информатика”.
Будем надеяться, что новая, альтернативная область знаний состоится и, наконец-то, откроет биологам путь в неведомый и необъятный мир информационных молекулярно-биологических систем и технологий. В недалеком будущем это направление может стать составной частью новой науки – “Молекулярной и биологической информатики”.
Список литературы
1. Ю. Я. Калашников. Единство вещества, энергии и информации – основной принцип существования живой материи. Дата публикации: 30 июня 2006г., источник: SciTecLibrary.ru 2. Ю. Я. Калашников. Ферменты и белки живой клетки – это молекулярные биологические автоматы с программным управлением. Дата публикации: 30 июня 2006г., источник: SciTecLibrary.ru
3. Ю. Я. Калашников. Информационная концепция эволюции нашего мира. Дата публикации: 26 сентября 2006г., Источник: SciTecLibrary.ru
4. Ф. Айала, Дж. Кайгер. Современная генетика. Пер. с англ. В 3-х томах – М: Мир, 1988
5. Ю. Я. Калашников. Биологика информационных взаимодействий в живой клетке. – М., 2002 – 34с. – Депонир. В ВИНИТИ РАН 6.11.02, №1923-В2002, УДК577.217:681.51
6. Ю. Я. Калашников. Основы молекулярной биологической информатики. – М., 2004. – 66с. – Депонир. В ВИНИТИ РАН 13.04.04, №622-В2004, УДК 577.217:681.51
7. П. Кемп, К. Армс. Введение в биологию. Пер. с англ. – М: Мир, 1988
8. Ю. Я. Калашников. Генетическая память, молекулярные биопроцессоры и их выходное управляющее звено.
Дата публикации: 13 февраля 2007
Источник: SciTecLibrary.ru
Размещено на сайте 12.07.2015
