Идеи и гипотезы информационного управления на молекулярном уровне живых клеток

Размещено на http://www.allbest.ru/

Статья по теме:

Идеи и гипотезы информационного управления на молекулярном уровне живых клеток

Калашников Юрий Яковлевич

Аннотация

Базовой основой организации биологической формы материи является генетическая информация, биологический (биохимический) алфавит и те закономерности молекулярной биохимической логики и молекулярной информатики, которыми пользуется живая природа при кодировании, передаче, преобразовании и использовании наследственной информации. Автор в этой статье предлагает конкретные идеи, гипотезы и концепции, которые, с его точки зрения, в наибольшей степени определяют информационную сущность биологической формы движения материи, а значит, и природу, и принципы её организации. Возможно, что это и есть тот подход, который заинтересует биологов, ищущих пути к изучению систем обработки и реализации наследственной информации в живых системах.

1. Об информационном дуализме и виртуальности (нематериальности) молекулярной кодированной информации

Для начала разговора об информационном управлении живой материей приведем цитату из статьи лауреата Нобелевской премии А. Львова, написанной в 80-х годах прошлого века, которая, видимо, отражает и современный взгляд биологов на молекулярную генетику - «науку о наследственности», он пишет: «Все знают, что генетический материал, геном, то есть совокупность генов, программирует структуру и функцию каждой клетки, развитие каждого организма и управляет ими. Кроме того, при посредстве генов осуществляется эволюция, которой мы обязаны самим существованием рода человеческого. Ген - в высшей степени интересная структура. Образованный двумя комплементарными нитями, каждая из которых берет на себя формирование, то есть синтез, другой нити, ген является и, вероятно, останется единственной «молекулой», способной «размножаться делением», то есть воспроизводить себя» [1].

Не, хотелось бы, разочаровывать биологов, но согласно информационным представлениям, любой ген (или геном) как материальный субстрат, сам по себе не может программировать, ни структуру, ни функции живой клетки (организма). Их может программировать только та наследственная информации, которая закодирована на этом носителе. Так получается потому, что ДНК, как и другие компоненты живого, по своей сути, представляют собой не только материальную основу живого, но они же, являются еще и носителями нематериальной сущности живого мира, а именно - кодированной молекулярной информации. Поэтому считается, что живая материя представляет собой как бы две неотделимые компоненты (вещество и информацию, если не считать третьей - энергетической), образующие с ней одно целое. Отсюда следует и теоретическое представление о молекулярной биологической информации как дуальной компоненте живой материи. Вследствие этого, любая структура или процесс, протекающий в живой системе, всегда должны рассматриваться с двух точек зрения, - с материальной и информационной, то есть, дуально.

Давно уже пора относиться к молекулярной (наследственной) информации как к самостоятельной дуальной и универсальной нефизической силе, которая является не только главным атрибутом, но и всеобщим свойством биологической формы движения материи. Пора уже признать, что живая материя существует благодаря информационному дуализму и функциональному триединству (триаде) её составляющих - вещества, энергии и информации [11]. Концепции дуализма и принцип триады могут разрешить многовековую проблему живого, так как материальные и нематериальные компоненты существуют в живой материи одновременно, более того они не могут существовать друг без друга. Поэтому «вопрос о приоритете материальной или нематериальной (информационной) сущности живого - это некорректно поставленный вопрос, следствие недопонимания существа живой материи» [2].

«Со времен великих греческих философов - Платона, который считался основоположником объективного идеализма и Демокрита - основателя материализма в европейской философии, в истории человеческой мысли прочно укрепилось два противоположных направления - материализм и идеализм. Материалисты утверждают примат материи над «идеями», идеалисты утверждают обратное. Сами великие основатели двух философских направлений, хотя и жили в одно и то же время, никогда не пытались опровергнуть друг друга, не опускаясь даже до взаимного отрицания. Более того, Платон в своей «Пармениде» развил диалектику «одного» и «иного» [2]. И кто знает, возможно, Платон интуитивно чувствовал, что «одно» и «иное» существуют одновременно, и что «одно», не может существовать без «иного». К примеру, наследственная информация в живой системе определяет биоорганическую структуру и химическую энергию вещества, а биоорганическое вещество является материальным носителем и энергии, и информации. Поэтому любой процесс, протекающий в живом мире - физический, химический, биологический, социальный, должен всегда рассматриваться дуально, то есть не только с материальной, но и с информационной точки зрения.

Этот момент почему-то смущает некоторых читателей, особенно тех «материалистов» которые считают свои догмы превыше фактических данных. Между тем, о наличии наследственной информации наслышан практически любой человек. При этом известно, что каждый триплет ДНК, является кодовым биологическим знаком обозначаемого объекта (в частности, соответствующей аминокислоты), а сам обозначающий объект (триплет нуклеотидов) приобретает двойственное (дуальное) значение, то есть он выполняет (играет) двойную роль, так как одновременно является и материальным компонентом и носителем нематериальной (виртуальной) сущности - кодированной информации.

«При этом «похожесть» обозначаемых и обозначающих объектов, вообще говоря, не прослеживается. Поэтому в рамках действующих физических, химических и логических законов можно закодировать все, что угодно, и всем, чем угодно. В силу этих обстоятельств обозначающий объект всегда реально существует и является сугубо материальным. Однако, очевидно, что кодовый знак не есть сам обозначаемый объект. Сам обозначаемый объект, может являться и реальным, и материальным, существующим параллельно, а может им и не являться. По этой причине сам кодовый знак этого изначального объекта, вполне может быть отнесен к «виртуальному» явлению.

Следовательно, материальный «мир кодовых знаков» уже сам по себе является «виртуальным миром» по отношению к реальным обозначаемым объектам» [3]. Все эти соображения, и главное, нематериальность самой информации, позволяет отнести молекулярную (кодированную) информацию к категории нематериальных, то есть виртуальных явлений живого мира. Виртуальный - синоним слова воображаемый или возможный, то есть реально не существующий, но допускающий формальное рассмотрение как «якобы существующий».

Так как же тогда узнать, закодирована ли информация на материальном носителе, или нет? «Анализ физических и химических свойств носителя здесь оказывается несостоятельным, так как не позволяет однозначно установить - несет ли такой носитель дополнительную нагрузку, содержит ли он, кроме своих физико-химических свойств, еще и кодированную информацию об обозначаемом объекте. Для ответа на такой вопрос необходимо знать язык кодирования либо иметь, хотя бы какие-то сведения об этом языке. В противном случае мы не сможем отличить материальный носитель, содержащий кодированную информацию, от природного образования, сложившегося естественным физико-химическим путем.

Однако существует всеобщий признак «диагностики» наличия кодированной информации на конкретном носителе. Он заключается в том, что в природе обязательно имеются: во-первых, некая система, которая нанесла на носитель код, то есть произвела кодирование; во-вторых, некая система (возможно, та же самая), способная воспринимать свойства этого носителя как код, способная правильно интерпретировать содержащуюся на носителе закодированную информацию» [3]. Опираясь на современные знания, можно утверждать, что каждая из таких систем является функциональным устройством логических (или биологических) элементов или цепью логических (или биологических) элементов.

«Всякий логический элемент включает в себя две части: материальную и логическую. Материальная часть построена из материальных «кирпичиков», физическая природа которых может быть любой. Простейший логический элемент производит, по крайней мере, одну элементарную логическую операцию над кодированной информацией, записанной на определенный материальный носитель на определенном языке кодирования. Логический (биологический) элемент, как и кодированная информация, имеет двойственную (дуальную) природу. С одной стороны, являясь субстанцией материального мира, он полностью подчиняется всем физическим и химическим законам. С другой же стороны, идущие логические (или биологические) процессы подчиняются законам логики» [3] или, в случае живой материи, - закономерностям молекулярной биохимической логики. Из простейших логических элементов строятся логические схемы практически любой сложности и конфигурации, а из биологических (биохимических) элементов живой материи могут быть построены любые биологические структуры и реализованы любые биохимические функции и операции. Логические (или биологические) законы - это существующие в природе и независимые от человека законы. Все что происходило и происходит в живой природе, есть результат проявления информационного дуализма, триединства вещества, энергии и информации и информационного взаимодействия, при котором живая материя использует универсальный язык живого - кодированную молекулярную информацию.

Бесспорно, что самое сложное в существующей проблеме информационного дуализма - это психологическое отношение к вопросам познания биологической формы движения материи. Во-первых, оно требует признания нематериальной (информационной) сущности живого, которая действительно управляет и регулирует всеми процессами живой природы, в том числе и процессами эволюционного развития. «При этом следует понимать, что дуализм отличается от двухстороннего рассмотрения явлений или процессов. При двухстороннем рассмотрении обе стороны рассматриваются независимо одна от другой, в то же время дуальный подход предусматривает и раздельное рассмотрение, и изучение их совместного проявления» [2]. Вещество и информация, слишком разные сущности, чтобы не видеть их присутствия в живой материи. Удивительно только, почему информационный дуализм, столь ярко проявляющийся в живой материи, до сегодняшнего дня не применяется биологами в качестве инструмента для изучения живой природы и принципов её организации?

Во-вторых, с точки же зрения автора статьи, при изучении всех явлений и процессов жизни, их следует рассматривать комплексно, учитывая и информационный дуализм, и всю триаду составляющих живой материи - вещество (материю), энергию и информацию в их структурном и функциональном триединстве (слиянии). Поэтому мировоззренческие основы биологии должны соответствовать не только критериям информационного дуализма живой природы, но и основному закону существования живой материи - триединству (триаде) вещества, энергии и информации в их совместном функциональном проявлении (слиянии). Очевидно, что концепция «дуализма» и принцип «триады» требуют существенного уточнения современных биологических знаний и пересмотра культа физико-химического направления в изучении живой материи. Только при таком подходе биологи могут быстрее ликвидировать те познавательные пробелы в исследовании живой материи, которые возникли в последние десятилетия.

2. Кодированная информация как главный атрибут и всеобщее свойство живой материи

Кодированная информация наряду с материей и энергией является не только основной фундаментальной сущностью нашего мира, но и одним из главных самовоспроизводящихся его ресурсов. Отметим, что по своему положению и природному 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 кодированной 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.

«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 носителями и средствами, тем не менее, всегда выступает в виде автономного виртуального спутника своего носителя, то есть самостоятельного нематериального (абстрактного, умозрительного, дуального) 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». Между тем, анализ закономерностей кодированной информации приводит к твердому убеждению в том, что в основе всех явлений жизни лежит информация как универсальная нефизическая сила, определяющая не только все функциональные и биохимические процессы живого, но и обеспечивающая ведущие силы биологической эволюции живых систем.

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 молекулярной 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.

Особенно поражает в живых системах то, что кодированная (наследственная) информация стала той неуёмной и необузданной силой и 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 внешней среды для существования и позволяет их программа развития. Удивительно, что все мы: люди, животные, растения и даже бактерии являемся лишь материальными оболочками, - биологическими объектами, приспособленными для выживания и дальнейшего воспроизводства этих информационных субстанций! [4]

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, преобразовываться, самообновляться, распространяться, восприниматься, воспроизводиться, декодироваться и т. д. Ясно, что такими способностями сами по себе не обладают ни вещество и ни энергия.

3. Только информация представляет в живой системе тот феномен, который дарит живой материи те биологические характеристики и свойства, которые давно наблюдают биологи

Поэтому, важно констатировать, что процессы размножения никогда не являлись свойством материи (или вещества ДНК) или энергии, они всегда относились только к специфическим свойствам и особенностям самой кодированной информации, вследствие чего, процесс размножения является составной частью информационных процессов в живых системах. Как это происходит? В процессе размножения, то есть в процессе «самовоспроизведения», увеличивается число задействованных кодовых биологических элементов ДНК (обозначающих триплетов), в связи с этим увеличивается и «количество» материального носителя, то есть происходит приумножение обозначающих объектов при неизменном количестве обозначаемых объектов. К примеру, согласно гипотезе Уотсона - Крика, каждая из цепей двойной спирали ДНК служит матрицей для репликации комплементарных дочерних цепей. При этом образуются две дочерние двухцепочечные молекулы ДНК, идентичные родительской ДНК, причем каждая их этих молекул содержит одну неизменную цепь родительской ДНК. Здесь наглядно видно, что благодаря информации родительской ДНК, происходит приумножение информации на дочерних молекулах ДНК с одновременным приумножением вещества - новых дочерних молекул ДНК, выступающих в качестве носителя скопированной, то есть размноженной информации. Причем, сами множительные действия являются составной частью информационных процессов живой клетки. По такой схеме происходит приумножение, как самой информации, так и вещества - её носителя.

«Поэтому, как правило, множительные действия являются составной частью процесса переработки информации. Тем не менее, при определенных обстоятельствах выделение процесса размножения в отдельную операцию не только целесообразно, но и настоятельно необходимо. А сам процесс размножения выполняется путем копирования информации при обязательном наличии экземпляра, «работающего» как оригинал» [3]. Вспомним, например, аналогичные процессы транскрипции или трансляции генетической информации. То есть процесс размножения это чисто информационный процесс, а приумножение вещества-носителя информации является результатом (следствием) или продуктом этого процесса.

Следовательно, ДНК, «по человеческим понятиям», - это не информация, а дезоксирибонуклеиновая кислота, которая в живой природе применяется в качестве носителя наследственной информации. А вот от того, какая наследственная информация закодирована на этом носителе будет зависеть, какой организм будет развиваться на основе этой информации. К примеру, ответ на вопрос, кто вылупится из яйца - цыпленок или змея, страус или крокодил (?) определяет не ДНК, а обуславливает только та молекулярная наследственная информация, которая закодирована в её материальных структурах.

Поэтому самым наглядным примером могущества информационного дуализма, является точное копирование (размножение) генетической информации и передача её от поколения к поколению, следствием которой является процесс репликации - то есть процесс приумножения нуклеиновых кислот как новых носителей информации. Сейчас же этот процесс трактуется биологами довольно просто, как «самовоспроизведение макромолекул нуклеиновых кислот». Между тем, объяснение жизни может базироваться только на общности материальных и информационных закономерностей, которые присущи всем живым системам. Но беда в том, что биологи до сегодняшнего дня не могут разобраться с информационными закономерностями живого, несмотря на то, что в нашу жизнь повсеместно ворвался век технической информатики.

Ясно, что процесс размножения (самовоспроизведения) присущ и практически возможен только для кодированной информации, но не для материи (вещества) или энергии. Только благодаря тому, что кодированная информация является составной частью (триады) живой материи, биологическая форма материи приобретает свойства «самоуправления, саморегулирования и самовоспроизведения». «Общая теория информации утверждает, что смысловым критерием развития живой природы является создание все новых и новых устойчивых, упорядоченных материальных форм, а инструментом этого созидательного процесса является информационный дуализм» [2]. Только информационные ресурсы и закономерности позволяют веществу, энергии и информации в живой системе циркулировать, обновляться, воспроизводиться и создавать новые биологические реальности. Вполне очевидно, что основной причиной движущих сил эволюции, порождающих необузданную генерацию живого, и ошеломляющее разнообразие жизни являются, - ресурсы наследственной кодированной информации [4]

Кодированная 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.

Между тем, кодированная информация, благодаря уникальным способностям к смене своего носителя (например, генетическая), приобретает воистину удивительные способности - «вечности своего существования»! Поэтому можно сказать, что информация, хотя и зависит от многих факторов, однако она способна существовать неограниченно долго, что явно свидетельствует о том, что информация не зависит от времени своего существования. Это еще одно важное подтверждение того, что информация как сущность - нематериальна. Не удержусь от соблазна заметить, что в уникальной способности информации к вечному существованию заложена и потенциальная вероятность продления жизни любого живого существа, в том числе и человека.

Отметим еще одно из замечательных закономерностей кодированной 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, развития 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, отбор 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 и энергии в любой живой системе полностью «закрепощено» информацией и всецело подчинено информационным процессам!

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, отбора 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 также связано с информационными представлениями, позволяющими осуществить отбор более жизнеспособной (наследственной) информации (а значит, и отбор особи). Очевидно, что информация является не только фактором управления (самоуправления) и регулирования, но и причиной размножения и селекции, а, следовательно, и главной движущей силой эволюции живой материи. Ясно, 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 кодированная информация [4].

И ведь, действительно, 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. Нисколько не преувеличивая, со всей ответственностью можно сказать, что кодированная молекулярная информация является не только главным атрибутом, но и всеобщим свойством живого, определяющим в нашем мире движение биологической формы материи. Однако этот факт, к сожалению, до сих пор еще не нашел отражения в молекулярных биологических науках.

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, в силу появления нового фактического материала, в настоящее время 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].

Кроме того, сама живая природа видится логическим развитием неживой природы через применение кодированной информации. Поэтому без преувеличения можно сказать, что химический способ представления кодированной информации стал именно тем гениальным изобретением природы, с помощью которого была подведена черта под химической эволюцией материи, и были открыты необъятные дали и непредсказуемые пути великой эволюции - биологической.

4. История открытия наследственной информации и генетического кода не получила надлежащего продолжения

Самую удивительную неоконченную историю науки биологи связывают с открытием, сделанным Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком в 1953 г., - построением модели ДНК (двойной спирали). Всем стало ясно, что ДНК, - это и есть та, самая главная биомолекула, которая хранит все тайны жизни. «Сенсацией явилось открытие того, что наследственность заключена в линейном сообщении, представляющим собой последовательность четырёх оснований, - последовательность, обеспечивающую практически бесконечное число комбинаций. Возникло понятие кода, потом кодона. Кодон - последовательность, состоящая из трёх оснований. Был расшифрован код, отражающий связь между триплетом оснований и аминокислотой. Последовательность аминокислот в белке, его первичная структура, определяется порядком расположения кодонов. Более того, оказалось, что некоторые кодоны соответствуют не аминокислотам, а «знакам препинания»: они обозначают место начала или окончания последовательности оснований, соответствующей определённому белку. Между тем ДНК не формирует непосредственно белок, а направляет синтез комплементарной ей иРНК, которая служит посредником; эта РНК прикрепляется к рибосоме. К иРНК присоединяются «активированные» аминокислоты. Чтобы соединиться в полипептидную цепь, каждую аминокислоту переносит специфическая, так называемая транспортная РНК» [1]. Таким образом, были открыты и исследованы некоторые фрагменты переноса и преобразования генетической информации. Исключительным сюрпризом для биологов явилось то, что генетическая информация закодирована, а продуктом её расшифровки через посредство информационной РНК является белок. Чрезвычайно важной оказалась и концепция генетического кода, так как именно из неё вытекает представление о целостной системе передачи информации в живых клетках и организмах. Поэтому все последующие годы исследователей занимал вопрос использования информации в живых системах. К сожалению, история открытия наследственной информации и генетического кода не получила надлежащего продолжения. Об этом ясно говорит центральная догма молекулярной биологии: «наследственная информация, закодированная в нуклеотидной последовательности, переводится в аминокислотные последовательности белков. Белковые молекулы представляют своего рода «ловушку» в потоке генетической информации» [5].

Таким образом, сложилось мнение, что в дальнейших биохимических процессах информация не участвует. Поэтому до сегодняшнего дня остаётся живучим положение о том, что: «гены контролируют клеточный метаболизм за счет содержащейся в них информации о структуре ферментов и других клеточных белков, а ферменты выступают в роли биокатализаторов, управляющих всеми процессами в живых организмах» [6]. Однако эти туманные рассуждения не раскрывают ни сущности, ни механизмов биологических явлений. Потому, что строгое упорядочение и управление процессами при высокой избирательности и производительности не может быть обеспечено химическими катализаторами, какими бы замечательными и уникальными свойствами они не обладали. Забегая вперед, можно сказать, что избирательное управление клеточными процессами может быть обеспечено лишь молекулярными биологическими автоматами с программной биохимической логикой управления, которыми на самом деле и являются - ферменты и другие клеточные белки. Как мы видим, изучение прохождения информации в живых клетках почему-то остановилось на этапе синтеза белковых молекул. В связи с этим, хотя и были исследованы отдельные фрагменты, но не была открыта общая картина прохождения и реализации генетической информации.

5. Конечная цель биохимии, которая заключается в познании тайны жизни во всех её конкретных проявлениях, оказалась для биохимиков непосильной. Культ физико-химической науки в биологии, существующий до настоящего времени, не принёс ожидаемых результатов!

Молекулярные науки до сих пор не могут ответить на вопрос - как, и каким образом, генетическая информация осуществляет управление сложными биохимическими процессами обмена веществ и получения энергии? Как осуществляется информационное управление живой клеткой? Все эти вопросы уже давно попали в список таинственных «мировых загадок» и неразрешимых проблем современного естествознания.

К сожалению, несмотря на усилия естественных наук, в настоящее время существует полный пробел в знаниях о главном: о взаимосвязи между информацией, структурой и функцией в различных биологических процессах. Можно сказать, что конечная цель биохимии, которая заключается в познании тайны жизни во всех её конкретных проявлениях, оказалась для биохимиков непосильной. Культ физико-химической науки в биологии, существующий до настоящего дня, не принёс ожидаемых результатов! Очевидно, что законы физики и химии, действующие в любой живой системе, не отменяются. Однако, как оказалось, их необходимо дополнить новыми биологическими знаниями, - информационного дуализма, функционального триединства (вещества, энергии и информации), закономерностями молекулярной биохимической логики и молекулярной информатики.

Уже давно известно, что клеточный космос биологических молекул, за время своего развития, создал надёжную и универсальную молекулярно-генетическую систему управления. Эта система оснащена наследственной памятью, которая в большинстве случаев имеет феноменальные информационные возможности. Всё это говорит о том, что живые системы уже давно пользуются своими, сугубо специфическими закономерностями молекулярной биохимической логики и информатики и своими молекулярно-биологическими информационными технологиями. То есть, в основе всех биохимических и биологических процессов лежат процессы информационные. 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.

Именно эти технологии стали базовой основой эволюционного развития биосферы нашей планеты и ошеломляющего разнообразия жизни. 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. Но как, ни странно, этот могучий пласт пока неведомых нам природных информационных молекулярно-биологических технологий до сих пор не поддаётся изучению [7].

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 малой 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. 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 [7]. А естественные науки до сегодняшнего дня так и не смогли ясно и четко ответить на вопрос - как, и каким образом, генетическая информация участвует в управлении сложными химическими процессами, молекулярными и другими биологическими функциями живой клетки? Поэтому в современной науке о живой материи полностью отсутствует информационная концепция её самоуправления. Создается впечатление, что открытие генетического кода, так же как и матричный синтез белков, ещё не побудили биологов к тщательному исследованию информационных путей управления химическими превращениями и биологическими функциями. Однако уже давно стало очевидным, что живые системы не могут ни существовать, ни развиваться только на физико-химической основе. Между тем, полученные научные сведения уже сейчас позволяют сделать соответствующие обобщения, собрать известные и разыскиваемые фрагменты воедино и ближе подойти к решению многих информационных молекулярно-биологических проблем. Эти задачи решаемы по ряду причин.

Во-первых, мы давно знаем, что, жизнь на нашей планете существует, поддерживается и развивается благодаря использованию наследственной информации. Этот факт, естественно, предполагает наличие в любой живой клетке целостной системы управления и передачи генетической информации. А информационный дуализм и интегративный характер молекулярной информации указывает на то, что лишь она имеет право претендовать на ту особую роль в живой системе, которая раньше приписывалась «таинственной жизненной силе». Во-вторых, только информационная система самоуправления способна поддерживать жизнедеятельность живой клетки, управлять и регулировать её обмен веществ. Лишь только управляющие информационные потоки и сети способны превратить клетку в элементарную основу жизни, в центр по переработке генетической информации, а следовательно, - органического вещества и химической энергии. Поэтому нам остается понять и разобраться: на каких принципах, правилах и механизмах основана работа информационной молекулярно-биологической системы управления? К примеру, считается, что роль вещества в составе клеток и организмов давно уже досконально изучена естественными науками и отражена в различных учебниках по биохимии, биофизике, молекулярной биологии и т. д. Однако это далеко не так.

Беру на себя смелость возразить и напомнить о том, что биоорганическое вещество является не только носителем материальной сущности живых систем. Следовательно, назначение клеточного вещества не исчерпывается уже изученными биохимическими процессами! Потому что, в живой клетке (как и в целостном организме), макромолекулы, в первую очередь, являются носителями химической энергии и молекулярной биологической информации. Кроме физических и химических законов они подчиняются еще и особым принципам и правилам, которые автор статьи назвал закономерностями молекулярной биохимической логики и молекулярной информатики! К сожалению, эта вторая и «таинственная» сторона биоорганического вещества - информационная (по важности не уступающая первой - вещественной), естественными науками оказалась незамеченной и поэтому практически неизученной. Данная статья является попыткой автора обратить внимание исследователей на все эти пробелы и, в меру своих сил и возможностей, рассмотреть и предложить предполагаемые пути их ликвидации.

6. Молекулярный алфавит дискретных химических букв и символов (биологических элементов) для кодирования молекулярной информации

Известно, что построение и функционирование сложных информационных систем базируется на применении типовых унифицированных узлов и элементов. К примеру, все информационные процессы в цифровой технике основаны на использовании типовых логических элементов, выполняющих элементарные логические функции и простейшие действия по преобразованию двоичной информации. Логические элементы служат как для построения электронных схем, так и для переработки двоичной информации. А теоретической основой при анализе переключательных схем являются законы и принципы алгебры логики. В алгебре логики рассматриваются переменные, которые могут принимать только два значения: 1 и 0. В основу типовых структур логических интегральных схем, как правило, закладывают элементы, выполняющие операции - И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ. Все сколь угодно сложные цифровые устройства микроэлектронной техники строятся на базе логических элементов, которые реализуют простейшие логические функции и операции двоичной арифметики. Базовые элементы являются своего рода строительно-функциональными единицами и используются как при проектировании, так и при построении цифровых информационных систем. Они реализуют функционально полный набор логических операций, поэтому при их применении можно получить логическую функцию любой сложности. При этом каждая типовая логическая схема элемента выполнена на основе отдельных дискретных физических компонентов - транзисторов, резисторов, конденсаторов и диодов.

Удивительно, но и при рассмотрении живых молекулярных систем наблюдаются такие же закономерности. Живые молекулярные системы тоже имеют свою унифицированную биологическую (биохимическую) элементную базу. Поэтому и здесь возможен обобщенный подход, основанный на применении простых органических молекул (мономеров), которые играют роль составных элементов различных биологических макромолекул и структур. А «теоретической и технологической» основой применения молекулярной базы служат свои универсальные законы и принципы, которые, по соответствующей аналогии, можно отнести к закономерностям «молекулярной биохимической логики» и «молекулярной информатики». Биохимическая логика предусматривает и такое понятие как «молекулярный биологический элемент». Этот факт лишний раз напоминает нам о том, что любая живая клетка является информационной системой. Поэтому, чтобы понять закономерности её функционирования, - в первую очередь следует разобраться с элементной базой живой материи и принципами и правилами её применения. Известно, что все живые организмы состоят из одних и тех же молекулярных строительных блоков - стандартного набора более чем трёх десятков типовых биохимических (биологических) элементов: нуклеотидов, аминокислот, простых сахаров, жирных кислот и других типовых мономеров. Число этих мономеров невелико, и они имеют одно и то же строение у всех видов организмов. Причем, каждый такой элемент в отдельности также представляет собой простейшую схему, структурными компонентами которой могут быть несколько химических элементов - водород, кислород, углерод, азот, а также фосфор и сера. А наличие тех или иных типовых функциональных атомных групп, боковых групп и атомов в составе каждого элемента позволяет прогнозировать не только его поведение в химических реакциях, но и предвидеть ту структурно-информационную роль, которую элемент будет играть в составе макромолекулы.

Таким образом, живые системы при построении различных биологических макромолекул и структур применяют свои особые, сугубо специфические мономеры - «молекулярные биологические элементы». Эти элементы (в составе живой материи) реализуют функционально полный набор элементарных биохимических функций и операций, поэтому при их использовании живая природа может получить биологическую функцию любой сложности. При этом, естественно, наблюдается как аналогия, так и существенные различия между технической и биологической элементными базами и технологиями их применения. К примеру, микросхемы технических устройств могут состоять из сотен, тысяч и более логических элементов нескольких типов, соединенных между собой соответствующим образом. Биологические макромолекулы также могут состоять из сотен, тысяч и более биологических (биохимических) элементов нескольких типов, которые ковалентно соединяются между собой и размещаются в цепях биомолекул в виде линейной позиционной последовательности. Разница также состоит в том, что живые системы используют свои принципы и методы кодирования, передачи и реализации информации и отличаются от технических систем не только субстратным носителем, но и методами представления кодированной информации. Более того, если логический элемент в цифровой технике является простейшим преобразователем двоичной информации, то каждый биологический элемент в живой системе сам играет роль элементарной структурной и натуральной информационно-функциональной единицы. В технической и биологической системах информационные сообщения осуществляются в различных формах. В технических устройствах используются элементарные сигналы 1 и 0 двоичного кода. То есть для передачи информационных сообщений применяется всего лишь два цифровых символа. Обычно символу 1 соответствует потенциал высокого уровня, символу 0 - низкого. Двоичные коды получили широкое применение главным образом из-за сравнительно простой аппаратурной реализации логических операций и арифметических действий, а также устройств для передачи и запоминания сообщений. Здесь каждый логический элемент служит для простейших преобразований двоичной информации, то есть для преобразования двоичных символов. Таким образом, в технических устройствах применяется аппаратный способ преобразования информации.

Однако в биологических системах, - наряду с аппаратным способом преобразования информации, применяется также и информационный способ построения и преобразования самой аппаратной части. Это - уникальная особенность информационных процессов в живых молекулярных системах. Причем, единицей информации служит сам биохимический элемент, который и является буквой или символом информации. Поэтому при помощи генетической информации и химических букв и символов (биологических элементов) строится аппаратная система клетки и, одновременно, в её структуры записывается программная информация. Отметим, что на первом этапе информационные сообщения передаются фиксированной позиционной последовательностью расположения букв или символов в «линейных» цепях биологических макромолекул.

Следовательно, если в технической системе применяется только аппаратный способ преобразование информации, то в молекулярно-биологической системе, - с помощью генетической информации и элементной базы сначала идёт построение и преобразование различных биомолекул и структур, и только потом эти средства могут участвовать в различных информационных процессах. В связи с этим, аппаратная часть клетки становится носителем и реализатором соответствующей программной и молекулярной (структурной) биологической информации. Получается так, что если в технической системе аппарат является преобразователем информационных символов, то в живой клетке наоборот, - молекулярные буквы и символы, организованные в различные молекулярные последовательности информационных сообщений, сами выступают в роли преобразователей аппаратной части.

Причем, функции биомолекул полностью определяются элементарными функциями составляющих их биологических элементов (букв или символов), - то есть информацией. А каждый элемент в составе биомолекулы всегда взаимодействует с другими биологическими элементами или молекулами воды по особым принципам и правилам, которые вполне можно назвать закономерностями молекулярной биохимической логики. Поэтому биохимические элементы здесь, по-видимому, становятся ещё и теми программными элементами, с помощью которых строятся алгоритмы функционального поведения различных биологических макромолекул и структур. Таким образом, чтобы изменить функциональную направленность деятельности клетки - ей, в определённой мере, с помощью новых информационных сообщений, необходимо частично менять свою аппаратную систему. Смена аппаратной системы, естественно, связана с синтезом новых биомолекул и разрушением старых, которые отслужили свой срок и выполнили свою задачу.

Поэтому, после выполнения своих функций, каждая биомолекула расчленяется на элементарные структурно-информационные единицы (мономеры), которые вновь могут быть вовлечены в информационные процессы. Использованная информация как бы стирается и ликвидируется, а отдельные составляющие её буквы или символы, то есть «молекулярный биологический шрифт» рассыпается для того, чтобы вновь быть использованным в новых информационных сообщениях или других клеточных процессах. Такова основная отличительная особенность информационных передач в молекулярно-биологических системах. Живая клетка экономна во всём. Если вспомнить, что химические буквы и символы (элементы) строятся на базе отдельных атомов и атомных групп, то можно себе представить, какое колоссальное количество информации хранится в генетической памяти и циркулирует в живой клетке, размеры которой в длинy подчас составляют сотые доли миллиметра. К примеру, зигота содержит всю информацию необходимую для развития целостного организма. Для изменения управляющих воздействий, клетке постоянно нужно обновлять информационные сообщения, что, соответственно, приводит и к обновлению аппаратной (управляющей) части клетки. Поэтому в живой клетке идет постоянное движение информации и вещества. С одной стороны идёт процесс переработки и обновление управляющей информации, а значит ферментов и других белковых молекул, с другой - это приводит к изменению химических управляемых процессов, которые осуществляются ферментами. В случае необходимости данные процессы поддерживаются дозовой циркуляцией химической энергии в форме АТФ. Можно убедиться в том, что для построения различных классов высокомолекулярных соединений, таких как нуклеиновые кислоты, белки, полисахариды или липиды, живая клетка использует различные системы (алфавиты) биохимических элементов. Заметим, что с информационной точки зрения, эти классы биологических молекул представляют собой не что иное, как различные виды и формы молекулярной информации. Поэтому в живых клетках, для представления молекулярной информации в различных её видах и формах, существуют системы биологических элементов разных типов:

1) нуклеотиды, - система структурно-функциональных и информационных биохимических элементов ДНК и РНК (алфавит нуклеиновых кислот);

2) аминокислоты, - система структурно-функциональных и информационных элементов белков (алфавит белковых молекул), для которых существует генетический код в виде тройки нуклеотидов;

3) простые сахара, - структурно-функциональные элементы и информационные символы (алфавит) полисахаридов;

4) жирные кислоты, - структурно-функциональные элементы и информационные символы (алфавит) липидов и др. Более четкой идентификацией и классификацией биологических элементов, по всей вероятности, должна заниматься отдельная дисциплина, такая как «Молекулярная биологическая информатика». Наличие в живой клетке систем молекулярных биохимических элементов (мономеров) существенно упрощает процессы построения различных классов макромолекул и структурных компонентов, повышает технологичность их изготовления и, одновременно, расширяет их функциональные и информационные возможности. Как мы видим, каждый типовой набор организован в свою систему элементов, которая обладает общими биохимическими, структурными и технологическими особенностями, образует однотипные связи между элементами, совместимые по своим физико-химическим параметрам. В основном из этих молекулярных элементов в различных сочетаниях, составе и последовательности построены все структурные и функциональные компоненты живой клетки. Следует отметить, что каждая система биохимических элементов в клетке является отдельным алфавитом и характеризуется своим способом кодирования, а также видом и формой представления молекулярной биологической информации. Это, соответственно, и является первопричиной появления различных классов и великого разнообразия биологических молекул в живых системах. Удивительно, но факт, - всё живое на Земле, от ничтожной бактерии до человека, состоит из одинаковых строительных блоков - стандартного набора более чем трёх десятков типовых функциональных биологических (биохимических) элементов. В состав этого уникального набора входят: 1) восемь нуклеотидов, - «четыре из них играют роль кодирующих единиц ДНК, а другие четыре используются для записи информации в структуре РНК» [6]; 2) двадцать различных стандартных аминокислот, которые кодируются в ДНК и служат для матричного построения белковых молекул; 3) несколько жирных кислот, - сравнительно небольшое число стандартных органических молекул, служащих для построения липидов; 4) родоначальниками большинства полисахаридов является несколько простых сахаров (моносахаридов). Все эти элементы были отобраны в процессе эволюции, вследствие их уникальной пригодности к выполнению различных - химических, энергетических, молекулярных, программно-информационных и других биологических функций в живых клетках.