Единство вещества, энергии и информации – основной принцип существования живой материи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Единство вещества, энергии и информации - основной принцип существования живой материи

Известно, что материя, энергия и информация - это три важнейшие сущности нашего мироздания. Мы живём в чрезвычайно богатом по форме и разнообразию окружающем нас материальном мире. Наука уже достаточно давно исследует различные формы материи, в ряду которых живой материи отводится особое место. Однако определенные нюансы возникают с понятием информации. К примеру, хотя она и является одной из главных слагаемых нашего мира, но до сих пор не имеет общепринятого научного определения. Между тем, этот факт не мешает успешно применять понятие «информации» в различных областях науки, техники и человеческой деятельности.

Поэтому «информация» также может классифицироваться на различные виды и категории и характеризоваться различными формами существования, сферами применения и назначением.

Тем не менее, этот термин продолжает вызывать различного рода дискуссии, которые особенно заметно проявляются в молекулярной биологии. К сожалению, это происходит на фоне общепринятой и четко сформулированной центральной догмы молекулярной генетики, «которая определяет три главных этапа в обработке генетической информации.

Первый этап - репликация, то есть копирование родительской ДНК с образованием дочерних молекул ДНК, нуклеотидная последовательность которых комплементарна нуклеотидной последовательности родительской ДНК и однозначно определяется ею.

Второй этап - транскрипция, процесс, в ходе которого часть генетической информации переписывается в форме рибонуклеиновой кислоты (РНК).

И, наконец, третий этап - трансляция, в процессе которой генетическая информация, записанная при помощи четырёхбуквенного кода в РНК, переводится в рибосомах на двадцатибуквенный код белковой структуры» [1]. Однако и здесь, как мы видим, изучение и исследование прохождения генетической информации, почему-то, остановилось на этапе синтеза белковых молекул.

Хотя уже давно стало очевидным, что живые системы в принципе не могут ни существовать, ни функционировать, ни развиваться только лишь на физико-химической основе. Ясно, что в этих процессах ведущую роль может играть только наследственная молекулярная (генетическая) информация. Поэтому изучением общих свойств и структур молекулярной информации, а также закономерностей и принципов её создания, преобразования, передачи и использования в различных биологических процессах должна, по всей вероятности, заниматься специализированная дисциплина, такая как «Молекулярная биологическая информатика».

1. Роль молекулярной информации в биологических системах

Наука показывает, что благодаря использованию наследственной информации, жизнь на нашей планете существует и развивается уже более 3,5 миллиардов лет. Поэтому большинство исследователей считает, что понятие информации, в широком смысле этого слова, в биологии столь же необходимо, как и понятия органического вещества и химической энергии. И, действительно, ведь только информация может нести ту высокую меру определённости, которая существует в сложно-зависимых взаимодействиях биологических молекул друг с другом и с системой управления. Если вещество и энергия живого являются его материальным наполнителем, то информация в структуре живого вещества является руководством к действию, а значит, и критерием управления всех химических, молекулярных, энергетических и других биологических процессов. Можно сказать, что информация в живой системе выполняет ту руководящую роль, которая раньше приписывалась «таинственной жизненной силе». Не вдаваясь в философские обоснования термина «информация», в данной статье мы будем придерживаться общепринятых идей и концепций, которые применяются к сложным системам управления и связи при передаче информационных кодов и сигналов управления. А живая клетка, как элементарная основа жизни, тоже является сложнейшей самоуправляемой биокибернетической системой, выполненной в миниатюре и функционирующей на почти недосягаемом для изучения - молекулярном уровне. «Информация в сложных системах, как известно, - это содержательные сведения, заключенные в том или ином сообщении. А сообщением может быть какой-либо текст, передаваемые данные о структурной организации или каком-либо процессе, значение контролируемого параметра, команда управления и т. д. Причем, сообщение может иметь форму, неприспособленную для передачи, хранения и других информационных процессов. В связи с этим применяются различные способы преобразования сообщения, такие, как дискретизации и кодирование с целью получения оптимального сигнала. Сигналом называется средство передачи (переносчик) сообщения. В общем виде сигнал - это однозначное отображение сообщения, всегда существующее в некотором физическом воплощении» [2]. Естественно, что и в живой молекулярной системе информация передаётся с помощью различных дискретных кодовых сигналов, которые формируются в «линейных» цепях, а затем и в трёхмерных структурах различных классов биологических молекул [3]. Об этом мы говорили в предыдущих статьях: «Молекулярная элементная база живой материи» и «Аспекты молекулярной биохимической логики и информатики». Вообще-то существуют разнообразнейшие виды информации, в том числе - логическая смысловая, метрическая, исчисляемая в битах и другие. Молекулярной био-логической информации в этом ряду должно отводиться своё особое место. И, действительно, информация в живой молекулярной системе имеет свой специфический смысл, чрезвычайно высокий статус и своё материальное наполнение. Она также характеризуется различными видами, формами и категориями и используется живой системой в виде передач и преобразований молекулярных биологических кодов управления и сигнализации. Поэтому и не удивительно, что с кодированием информации связано одно из замечательных свойств живой клетки - возможность хранить, передавать и обрабатывать генетические сообщения. Информация в живой системе может передаваться и преобразовываться с помощью биологических кодов и алфавитов из одного её молекулярного вида в другой, из одной её молекулярной формы (линейной, химической) в другую (пространственную, стереохимическую). Вследствие этого, кодирование молекулярной информации в живой клетке применяется как для структурной организации различных классов биологических молекул, так и для информационного управления различными химическими превращениями, энергетическими процессами и другими био-логическими функциями. Сам же информационный код в молекулярной системе записывается химическим способом с помощью элементарной формы органического вещества и поэтому переносится в структурах биологических молекул. Для биосинтеза и организации важнейших классов биоорганических соединений (нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов и липидов) и для записи в их структуру информации применяются различные алфавиты - системы био-логических элементов (нуклеотиды, аминокислоты, простые сахара, жирные кислоты и др.) [3]. Следовательно, разные алфавиты служат для кодирования различных видов и форм молекулярной биологической информации. Информация, заключенная в последовательности нуклеотидов, определяет структуру и функции макромолекул ДНК и РНК. Информационные сообщения в виде последовательности аминокислот в полипептидных цепях кодируют и программируют структурно-функциональную организацию белковых молекул. А информационная последовательность моносахаридов или жирных кислот кодирует структуру и функции полисахаридов и липидов. Всё это подтверждает мысль о том, что различные виды и формы молекулярной информации определяют индивидуальную структурную и функциональную организацию, присущую различным классам биологических молекул. Следовательно, элементарное содержание любой макромолекулы определяется видом и формой представления молекулярной информации. Поэтому все виды и формы информационных передач в живой клетке носят чисто биологический характер. Чтобы перевести информацию из одного её молекулярного вида в другой, или из одной формы в другую, живая клетка использует различные биологические коды. Например, информация, записанная в структуре ДНК и РНК в виде нуклеотидной последовательности, переводится в аминокислотную последовательность белка с помощью генетического кода, то есть таким способом информация преобразуется из одного её молекулярного вида в другой. А для того, чтобы трансформировать аминокислотную последовательность в трёхмерную структуру и форму белковой молекулы, применяется аминокислотный код. Следовательно, здесь информация преобразуется из одной её молекулярной формы - линейной, в другую форму - пространственную, стереохимическую. В связи с этим, в живой клетке используются различные биологические коды, где кодирование и преобразование различных видов и форм молекулярной информации применяется для структурной организации разных классов биологических молекул, предназначенных для реализации соответствующих биологических функций и процессов. К примеру, если коды активного центра гликоген-синтазы несут генетическую информацию о биосинтезе макромолекул гликогена, значит, эти коды эквивалентны функциональным возможностям фермента. Здесь пространственные кодовые комбинации боковых R-групп элементов активного центра фермента (адресный код и код операции) выступают в роли ключа для перевода генетической информации в кодовую последовательность молекулярной цепи гликогена. А фермент при этом является преобразователем одной формы молекулярной информации в другую. Значит молекулярные коды соответствий, также, как и средства их рецепции и реализации, действительно существуют в любой живой клетке. Важно отметить, что информация в живой системе ответственна не только за молекулярное содержание её компонентов, она выступает и в качестве всеобщей взаимосвязи и взаимозависимости и является критерием управления молекулярных объектов. А информационные взаимодействия различных классов биологических молекул друг с другом осуществляются на трёхмерном уровне их структурной организации с помощью их локальных или поверхностных биохимических матриц. Следовательно, информация в молекулярной системе не только свойство и содержание биологических молекул и структур, но и средство управления и сигнализации, способное совершать работу. Результатом этой работы является строгая последовательность, упорядоченность и согласованность химических процессов, морфологических и физиологических изменений. Только по этой причине все физико-химические процессы в живой системе выходят за свои собственные рамки и вступают в более содержательную область, - область молекулярной биохимической логики, информатики и управления. Поэтому информация в молекулярной биологии не отвлеченное понятие, а само содержание и сущность живой материи. В связи с этим, живая материя формируется и «движется» под руководством управляющей системы, благодаря использованию генетической информации и общего молекулярного алфавита. А многофункциональные свойства элементной базы являются ключевым критерием единства вещества, энергии и информации, которое всегда обнаруживается в различных биологических молекулах [4]. Единство информации со структурой и энергией живого вещества является важной движущей силой и особенностью эволюции живой материи. А консервация информации в субстрате биоорганического вещества, в виде различных химических букв и символов, становится характерной чертой даже биотического круговорота. Поэтому в прямом и буквальном смысле можно говорить о том, что каждая живая система обменивается с окружающей средой молекулярной информацией, то есть веществом и энергией. Следовательно, назначение информационного подхода к молекулярным биологическим проблемам состоит в том, чтобы понять принципы функционирования живых систем, отправляясь от их структуры и сведений о свойствах их составляющих элементов, которые всегда являются натуральными единицами молекулярной информации. Загадка жизни, видимо, и кроется в том, что основой её проявления служит генетическая память, а все процессы функционирования осуществляются и поддерживаются информационной молекулярно-биологической системой управления, созданной на базе живой клетки. Перед живой клеткой не возникает проблемы - как осуществить адресную передачу молекулярной информации внутри клеточной системы, или вне её. Основным способом передачи информации является транспортировка и адресная доставка биологических молекул, в структурах которых записана нужная информация. Доставка информации в соответствующее место осуществляется автоматически. Для этой цели в живой клетке существуют специальные системы автоматической сортировки и адресной доставки сообщений (биомолекул), имеется разветвлённая сеть физических каналов связи, компартментов и отсеков. Причем, как сортировка, так и адресная доставка информационных сообщений осуществляется на основе специальных кодов сортировки и адресации, которыми снабжаются все биомолекулы при их изготовлении. Информационные сообщения в клеточной системе имеют свои специфические свойства и особенности. Во-первых, с одной стороны, сама управляющая система клетки является источником управляющих сообщений, команд и инструкций, передаваемых в виде кодовых передач в структурах белковых молекул по различным каналам на многочисленные биохимические объекты управления (субстраты), которые являются приёмниками управляющей информации. Однако с другой стороны, различные биохимические объекты управления являются источником сигнальной осведомляющей информации для выходных аппаратов управляющей системы (ферментов и белков). Таким образом, потоки управляющей и сигнальной молекулярной биологической информации в живой клетке всегда направлены навстречу друг другу. Поэтому управлением в живых системах, по-видимому, можно назвать передачу и транспортировку на расстояния, с помощью ферментов, команд управления и исполнительных органов и механизмов, могущих воздействовать на химические кодовые группы молекул субстрата. Живая клетка относится к системам с распределёнными объектами управления, где применяется адресный способ передачи управляющей информации от центральных устройств к многочисленным локально рассредоточенным объектам управления (субстратам). А сигнальной осведомляющей и регуляторной информации обратно, от объектов к центральным или местным управляющим устройствам (ферментам и белкам). Причем, «запрос» управляющей информации, как правило, осуществляется на основе поступившей в клетку осведомляющей информации субстратов. Живая клетка является информационной молекулярно-биологической системой управления, извлекающей свободную энергию и сырьевые ресурсы из окружающей среды. Поэтому, для реализации различных биологических функций и химических превращений, в клетке применяются и различные категории информационных сообщений, а именно: 1) молекулярно-биологическое управление - транспортировка и адресная доставка ферментов (белков), а значит, и передача на расстояние их дискретных сигналов, кодовых команд управления, исполнительных органов и механизмов, для непосредственного химического и динамического воздействия на объекты управления (субстраты); 2) структурно-функциональная информация - при передаче кодовых дискретных сообщений о трёхмерной организации биомолекул, выполняющих структурные или иные биологические функции; 3) осведомляющая сигнализация - транспортировка и адресная доставка в нужный компартмент живой клетки молекул субстрата, с целью передачи дискретных сигналов от субстратов к соответствующим ферментам о состоянии объектов управления; 4) сигнальная и регуляторная информация - при передаче дискретных сигналов в виде молекул обратной связи, воздействующих непосредственно на исполнительные органы белков и ферментов, с целью контроля и регуляции химических превращений; 5) безадресная передача регуляторной информации биомолекулам клетки, которая осуществляется путём изменения концентрации ионного состава клеточной микросреды, изменения водородного показателя рН и т. д. Необходимо отметить, что молекулярная биологическая информация в живой системе имеет различные формы существования. Наиболее характерными формами существования информации в живой клетке являются: статическая, динамическая (управляющие) и сигнальная осведомляющая. Статическая управляющая информация кодируется в структуре ДНК при помощи нуклеотидов. Генетическая память сама по себе структура инертная и статическая, поэтому первичная биологическая информация существует в кодовой форме записи определённых сведений и сообщений в соответствующих генах ДНК. Динамическая управляющая информация - является производной от генетической, она определяется линейной, а затем и трёхмерной организацией биомолекул, то есть, в конечном итоге, имеет стереохимическую форму представления. Благодаря стереохимической форме представления информации, - ферменты, белки и другие функциональные макромолекулы, надмолекулярные комплексы и ансамбли клетки способны в автоматическом режиме решать ряд биологических задач. Осведомляющая информация (сигнализация), воспринимаемая управляющей системой клетки, передаётся кодовыми элементами (буквами, символами или знаками) молекул субстрата. Ферменты и белки способны специфически (информационно) взаимодействовать с различными био-логическими элементами и их химическими знаками. Поэтому в качестве объектов сигнальной осведомляющей информации в живой клетке могут выступать как отдельные биохимические элементы, так и различные биомолекулы, состоящие из таких элементов, то есть многочисленные молекулы субстратов. Осведомляющая сигнализация служит для информирования системы о состоянии управляемых биохимических объектов, о ходе химических реакций, об эффективности протекающих процессов и т. д. Управляющая система клетки реагирует только на ту сигнальную информацию, которая свойственна её природе. В связи с этим, одним из главных признаков процессов управления в клетке является беспрерывная циркуляция информации, которая всегда находится в молекулярных структурах биоорганического вещества. Различные биомолекулы, после выполнения своих функций, как правило, разрушаются до их составляющих - мономеров (био-логических элементов), которые затем вновь могут быть вовлечены в информационные или другие биологические процессы. При этом если динамическая управляющая информация непосредственно связана с молекулярными структурами белков (закодирована в них), то сигнальная осведомляющая информация, воспринимаемая ферментами (белками), заключена в структурной организации их молекулярных партнёров. Поэтому можно констатировать, что молекулярная биологическая информация в живой клетке имеет различные формы существования и может записываться различными химическими буквами и символами. К примеру, статическая управляющая информация кодируется в структуре ДНК при помощи нуклеотидов. Динамическая управляющая информация белковых молекул записывается и реализуется при помощи аминокислот. Сигнальная (осведомляющая) молекулярная информация может обеспечиваться разными буквами и символами общего алфавита живой материи, а, следовательно, и их различными химическими знаками. Поэтому потоки и циркуляция информации в живой системе тождественно могут быть представлены потоками и циркуляцией различных биологических молекул. В связи с этим появляется необходимость деления информации по формам, видам и категориям, например: 1) по форме представления - непрерывная (аналоговая) и дискретная; 2) по принципу и форме записи - химическая и стереохимическая; 3) по видам представления - в виде макромолекул нуклеиновых кислот или белков, в виде макромолекул полисахаридов или липидов и т. д.; 4) по форме существования - статическая и динамическая; 5) по назначению и характеру действия - управляющая (функциональная) и сигнальная (осведомляющая); 6) по признакам и свойствам - генетическая (наследственная, статическая, определяющая генотип) и биологическая функциональная (производная от генетической, динамическая, определяющая фенотип); 7) по способу существования - вещественная (молекулярная) и виртуальная (знание, сознание) [4]. . В живой клетке для представления (кодирования) информации используются разные молекулярные алфавиты, которые содержат свои химические буквы или символы. Представление биологической информации разными алфавитами ведёт к тому, что информация в живой системе может записываться разными био-логическими элементами, которые и определяют различное содержание биологических молекул и, соответственно, различный её молекулярный вид и форму. В связи с этим: 1) одномерная - линейная форма наследственной информации в живой системе кодируется в структуре ДНК и РНК в виде последовательности нуклеотидов; 2) «линейная» и пространственная (стереохимическая) форма программной информации ферментов записывается аминокислотным кодом в виде полипептидных цепей и трёхмерных белковых молекул; 3) линейная и пространственная структурная и функциональная информация полисахаридов кодируется моносахаридами (простыми сахарами); 4) линейная и пространственная структурная и функциональная молекулярная информация липидов кодируется мономерами жирных кислот и т. д. Живая форма материи отличается от других форм тем, что её структура и функции кодируются и программируются той молекулярной информацией, которая с помощью элементной базы заранее была загружена в её молекулярные цепи и трёхмерные структуры. Поэтому всё разнообразие биологических молекул живой клетки формируется только на основе управляющих средств, с помощью генетической информации и использования различных молекулярных алфавитов.

2. Матричный, комплементарный принцип информационных взаимодействий

Отметим, что в живой системе для организации информационных процессов наиболее широко используется комплементарный принцип взаимодействия биологических молекул друг с другом с помощью их линейных, локальных, рельефных или поверхностных биохимических кодовых матриц. Информационные взаимодействия биомолекул, обусловленные кодовыми микроматрицами, состоящими порой из многочисленных боковых атомных групп элементов, достаточно сложны и более грандиозны чем, к примеру, процессы в цифровых системах. Они связаны с меняющейся динамикой взаимодействий и многовариантностью физико-химических сил и связей, определяющих характер молекулярной биологической информации. Здесь отсутствуют четко тестируемые сигналы определённого типа, такие как, например, 1 и 0 в цифровых устройствах.

Каждый элементарный биологический сигнал боковой группы имеет своё смысловое значение и характеризуется своим набором физико-химических свойств и своим позиционным расположением в биохимической матрице. От этих параметров и зависит функциональная направленность и кооперативность действия каждого индивидуального сигнала, то есть неоднозначность действия отдельного биологического элемента, входящего в состав биомолекулы. Можно сказать, что к наиболее изученным информационным взаимодействиям в живой клетке относятся, именно, матричные процессы. Здесь хорошо просматриваются идеи программного биологического управления, когда случайные беспорядочные столкновения молекул сменяются четко организованными, генетически детерминированными процессами. Например, последовательность нуклеотидов в одной цепи ДНК автоматически определяет последовательность в другой, комплементарной цепи. В поддержании и закреплении третичной структуры глобулярных белков принимают участие различные типы комплементарных (информационных) сил, связей и взаимодействий между элементами или фрагментами полипептидной цепи: электростатические эффекты, ионные и водородные связи, вандерваальсовы силы и гидрофобные взаимодействия. Во время конформационных преобразований каждый сигнал R-группы полипептидной цепи кооперативно взаимодействует с другими сигнальными элементами, а также с молекулами воды, которая всегда принимает участие в формировании трёхмерной структуры белка. При этом стабилизация трёхмерной конформации белковой молекулы и правильное расположение структур определяется сочетанием различных типов комплементарных взаимодействий: «1) ионными связями между положительно и отрицательно заряженными боковыми группами аминокислот; 2) водородными связями между атомами, несущими частичные положительные и частично отрицательные заряды; 3) гидрофобными взаимодействиями, обусловленными стремлением неполярных боковых R-групп аминокислот объединиться друг с другом, а не смешиваться с окружающей их водной средой; 4) ковалентными связями между атомами серы двух молекул аминокислоты цистеина» [5].

Таким образом, трёхмерная конформация белка однозначно определяется информацией, которая записана в «линейной» аминокислотной последовательности его полипептидной цепи. Отсюда следует, что любые информационные взаимодействия между фрагментами молекулярной цепи в структуре биомолекулы, или же между биомолекулами клетки могут базироваться только на химической и стерической комплементарности их биохимических матриц, то есть на взаимодополняемости химических свойств, электрических зарядов и структурных рельефов друг другу. Если же теперь обобщить различные наблюдения и факты, то оказывается, что комплементарный матричный (информационный) принцип «подгонки» действует в совершенно различных, казалось бы, по своей биологической роли процессах: 1) при репликации, транскрипции и трансляции генетической информации; 2) при биосинтезе или расщеплении «неинформационных» биомолекул клетки, когда локальные стереохимические кодовые группы активного центра фермента взаимодействуют с молекулой (или молекулами) субстрата по матричному принципу; 3) при свертывании белковой (как, впрочем, и любой другой) молекулы, когда отдельные фрагменты полипептидной цепи «отыскивают» друг друга, комплементарно взаимодействуют и «застёгиваются» между собой с помощью линейных матричных взаимодействий боковых атомных R-групп по принципу застёжки-молнии; 4) при объединении между собой отдельных субъединиц олигомерного белка с помощью рельефных матричных взаимодействий в четвертичной структуре белка, когда комплементарная «подгонка» осуществляется при взаимодействии биохимических матриц, образованных многочисленными R-группами, координатно расположенными на поверхности субъединиц олигомерного белка; 5) рельефные поверхностные биохимические матрицы играют ведущую роль в процессах самосборки или разборки надмолекулярных комплексов и ансамблей, состоящих из различных белковых и других молекул.

К примеру, точное взаиморасположение молекулярных компонентов рибосом, включая белки, возможно только за счет комплементарного взаимодействия их поверхностных биохимических матриц. А регуляторами, включающими или выключающими процессы их самосборки является наличие или отсутствие иРНК, а также соответствующие ионные, или другие условия, влияющие на перераспределение комплементарных матричных сил и связей. Все эти факторы и ведут или к взаимному ориентированному притяжению и самосборке биомолекул в целостную рибосому, или же, наоборот, к их отталкиванию и разборке.

Здесь мы наблюдаем один из основных механизмов функционального и регуляторного действия, лежащий в основе информационных взаимодействий между биомолекулами клетки. Рибосома ведет себя как молекулярная автоматическая система, которая отзывается на сигнальные и регуляторные воздействия и функционирует строго в соответствии с загруженной в её компоненты программной информацией. По аналогии совершаются и другие информационные взаимодействия, которые, как мы видим, характерны только для живой молекулярной системы. Ясно, что матричный принцип соответствия является основой информационных взаимодействий биологических молекул друг с другом [4].

3. Информационные поля и сферы живой формы материи

Живое вещество, в отличие от твёрдого, кристаллического, жидкого или газообразного, имеет свои строго определённые структурные особенности и свойства. Оно отличается от других веществ удивительной способностью целенаправленно выполнять определенные биологические функции. Макромолекулы живой клетки характеризуются строгой упорядоченностью молекулярных цепей в пространственной решётке и специфическим конденсированным состоянием, поэтому к ним вполне приемлемо редко применяемое, но достаточно точное название - «кристаллоиды». Кристаллоиды обладают и другими уникальными качествами и свойствами. Наличие в структурах макромолекул как внутримолекулярных, так и внешних информационных сил и связей (обусловленных составляющими их элементами), которые сами по себе слабы, но мощны своей многочисленностью и разнообразием, позволяет говорить о том, что внутри и вокруг кристаллоида образуется специфическое силовое «информационное поле», которое способно влиять как на структуру самого кристаллоида, так и на его микроокружение. При этом сама макромолекула как бы стабилизируется самосогласованным сжимающим информационным полем, обусловленным кооперативными силами притяжения между боковыми атомными группами и атомами мономеров. Эти рассуждения приводят нас к мысли о существовании новых полей особого типа, которые можно назвать «информационными полями и сферами» живой формы материи. Информационная сфера - это состав того информационного поля, которое образуется и окружает конкретную биологическую молекулу в определённый период времени. А наложение информационных сфер друг на друга и создаёт в окружающем пространстве живой клетки общее информационное поле. Можно констатировать, что информационное поле - это одно из видов полей, которое образуется с помощью различных биологических молекул и клеточных структур, способных к информационному взаимодействию. Молекулярные информационные поля, по всей видимости, служат для организации дистанционного, а затем, и контактного коммуникативного общения биологических молекул друг с другом. Только в таком поле молекулы, находящиеся в клеточных отсеках, способны быстро находить друг друга, информационно взаимодействовать и возбуждать при этом биологические функции. Любая молекула может находиться в одной из точек информационного поля, от энергии которого и зависит её поведение. Известно, что большинство макромолекул биоорганических соединений имеют «огромные размеры», которые определяют их чрезвычайно важные в биологическом и информационном отношении свойства. Во-первых, большие размеры благоприятны для динамических и функциональных характеристик, которыми обладают эти молекулы. Во-вторых, секрет больших молекул заключается в их особых электрических и других удивительных свойствах, которые строго специфичны для их молекулярных структур и поверхностных профилей. Если небольшие молекулы, представляющие собой постоянные или временные диполи, создают вокруг себя электрические поля небольшого радиуса действия, обуславливающие ван-дер-ваальсовы взаимодействия, то крупные полярные молекулы создают дисперсионные силы, которые являются электрическими силами «большого радиуса действия».

За счет них большие молекулы способны притягивать, отталкивать и ориентировать другие молекулы. Чем больше размер кристаллоида, тем больше радиус действия его силового поля и, следовательно, тем больше сфера его влияния. А «буквенная мозаика» на поверхностных участках, в виде различного рода центров и биохимических матриц, определяет ту часть информационной сферы, которая непосредственно отвечает за комплементарные контактные (матричные) взаимодействия макромолекулы с её молекулярными партнёрами. Ясно, что информационные молекулярные поля и сферы подвержены влиянию не только клеточной микросреды, но и возмущению известных и неизвестных нам полей космоса и окружающего нас мира. Изучение информационных полей живого вещества и сфер биологических макромолекул-кристаллоидов может дать дополнительные сведения о природе и принципах организации живой формы материи.

4. Единство вещества, энергии и информации - основной принцип существования живой формы материи

Вещество, энергия и информация являются важнейшими сущностями нашего мира и главнейшими его составляющими. Они могут существовать в различных видах, формах и качествах, и в различных сочетаниях между собой. А когда путём пошагового объединения они слагаются между собой, то возникает новое качественное состояние. К примеру, таким путём идёт развитие производительных сил: сначала возникли орудия труда, затем из орудия труда, - путём объединения с энергетической составляющей, возникают машины, а затем и автоматы с важнейшими составляющими - вещества, энергии и информации. Аналогичный процесс развития лежал и в основе становления биологической формы движения материи, когда её составляющими стали органическое вещество, химическая энергия и молекулярная биологическая информация. Эта триада, по-видимому, и явилась тем феноменом, который определил движущие силы постоянного развития и совершенствования живой материи. В живом веществе, как оказалось, заключены не только валентные и невалентные химические силы и связи, определяющие характер биохимических и информационных взаимодействий, но также и те элементарные внутренние силы саморазвития, которые делают возможным возникновение большого числа различных вариантов форм, позволяющих осуществить процесс селекции. А основной функцией живой материи стала системная организация и интеграция в её структуре органического вещества, химической энергии и молекулярной биологической информации. Их совокупность, видимо, и обеспечила движение и развитие биологической формы материи. Это - ключевой момент в становлении живого, и не ясно только, почему ему биологи не уделяют должного внимания. Причем, информация, точно так же, как и химическая энергия, обнаруживает полное сродство с живым веществом на его элементарном уровне. И действительно, ведь все биохимические элементы биологических молекул представляют собой ту элементарную форму органического вещества, с помощью которой формируются и передаются биологические коды молекулярной информация. Поэтому можно сказать, что триединство вещества, энергии и информации является фундаментальной основой существования живой формы материи. Хотя информация, в философском смысле, не есть ни вещество и ни энергия - она является лишь свойством материи, однако, в молекулярной биологии она приобретает своё воплощение и смысл уже на уровне молекулярных единиц биологической информации (букв или символов), которые в живой клетке используются для кодирования и программирования биологических молекул. Отсюда следует, что информация в молекулярной биологии не отвлеченное понятие, а объективное свойство и, более того, - само содержание и сущность живой материи. Биологические молекулы и структуры, как носители генетической информации в различных её видах и формах, всё время находятся в информационном взаимодействии друг с другом и системой управления. Поэтому все они вполне могут быть признаны информационными «образованиями». Благодаря информационным взаимодействиям и системной организации живая форма материи никогда не стояла на месте в своём развитии, причем, эти процессы всегда имели закономерный характер. Здесь, видимо, и следует искать ключ к разгадке великой тайны живого состояния и развития. «Закон триединства», если им правильно воспользоваться, по-видимому, может решить многие проблемы молекулярной биологии. Приведём соответствующие факты и аргументы. Прежде всего, обратим внимание на то, что этот принцип начинает действовать уже на элементарном уровне, то есть на уровне биохимических букв и символов алфавита живой формы материи. Био-логические элементы нельзя мыслить и воспринимать без их многофункциональных качеств и свойств. Все они тождественно и эквивалентно выполняют роль структурных, физико-химических, информационных и функциональных единиц, а также программных элементов живой формы материи. А принцип многофункциональности позволяет рассматривать элементную базу буквально с разных стон и различных точек зрения. Сначала остановимся на информационных аспектах применения таких элементов. Точно так же, как мы свободно узнаём любую букву русского алфавита по её очертаниям, так и управляющая система живой клетки легко тестирует и узнаёт любой биохимический элемент по составу его функциональных и боковых атомных групп, их строению, форме и химическим свойствам. Кроме отличительных химических свойств каждая буква или символ биологического алфавита обладает ещё и своим структурным и стерическим рельефом, который как бы дополняет его химическую информационную составляющую. Получается так, что если, к примеру, информация в структурном рельефе обыкновенного ключа является его основной характеристикой, то информация биохимических элементов состоит и слагается из разных составляющих - структурной и химической.

А эти компоненты, как известно, играют ведущую роль при комплементарных - информационных взаимодействиях. То есть, как структурная, так и физико-химическая составляющие каждого элемента являются его информационными параметрами. Иными словами, в основе представления молекулярной биологической информации лежит принцип эквивалентности структурно-химических и информационных компонентов. Это свойство можно назвать принципом тождественности вещества и информации. «Формула тождественности» говорит о том, что все биологические структуры и процессы в частности, можно рассматривать с любой из двух точек зрения - или с физико-химической (вещественной), или же с информационной. Это как две стороны одной медали.

, все биологические элементы в живой системе, с одной стороны, могут играть роль строительных блоков, а с другой - кодирующих и функциональных единиц молекулярной информации. То есть уже на этом уровне наглядно соблюдаются условия единства вещества и информации. Потенциальная энергия в клетке представлена главным образом в форме химической энергии связей между атомами в молекулах органических соединений. А центральная роль в биоэнергетике клеток животных принадлежит дыхательному обмену. Он, как известно, включает в себя реакции расщепления сахаров, жирных кислот, аминокислот и использования выделяемой энергии для синтеза химической энергии в виде АТФ. Иными словами, все биохимические элементы вносят свой существенный вклад и в энергетику живой клетки. Кроме того, элементарный состав биологических молекул, то есть молекулярная информация, определяет не только структуру, но и все многочисленные химические валентные и нековалентные связи между элементами, а, значит, и потенциальную, и свободную химическую энергию биомолекул. Заметим, что все основные характеристики био-логических элементов наиболее ярко проявляются только в составе биологических молекул. А многофункциональные свойства элементной базы становятся ключевым критерием того «триединства», которое обнаруживается в различных биологических макромолекулах и структурах, обладающих интегративными свойствами составляющих их элементов. Следовательно, «принцип триединства вещества, энергии и информации» в живой системе, который обнаруживается на элементарном уровне, распространяется и на все биологические молекулы и структуры живой материи. В связи с этим, можно сказать, что генетическая информация определяет не только структуру, но и энергетический, и функциональный потенциал биологических молекул [4]. Принцип триединства показывает, как многолик образ живой формы материи. Поэтому, когда в молекулярной биологии мы говорим - «информационное сообщение», то должны подразумевать и ту «молекулярную биологическую структуру», которую оно определяет. А когда говорим - «молекулярная структура», то, естественно, должны иметь в виду и ту «информацию», и ту энергетическую составляющую, которые представлены в биомолекуле на её элементарном уровне.

5. Различные подходы к молекулярным биологическим проблемам

Как мы видим, уникальное свойство единства вещества, энергии и информации и многофункциональный принцип применения элементной базы, привели к удивительной ситуации в биологических науках. Во-первых, такая ситуация подсказывает, почему биологическая форма материи не поддаётся объяснению с какой-либо одной из точек зрения, к примеру, при физико-химическом подходе. Во-вторых, это же обстоятельство позволяет биологам изучать живую материю буквально с разных сторон и различных точек зрения. Поэтому любую биомолекулу, например, белка, можно исследовать: 1) с информационной точки зрения, так как никаких особых компонентов, кроме информационных, белок не содержит; 2) с физико-химической, - так как белок является веществом живой материи и подчиняется всем известным физическим и химическим законам; 3) с энергетической, - так как в химических ковалентных и нековалентных связях биомолекулы содержится химическая энергия, а при недостатке свободной энергии макромолекула белка способна адресно связываться и взаимодействовать с молекулой АТФ, которая в живой клетке играет роль аккумулятора химической энергии и т. д. Причем количество вещества, энергии и информации в различных классах биологических молекул варьирует. К примеру, биомолекулы белков несут в своей структуре значительное количество информации, но обладают небольшим запасом свободной химической энергии, поэтому часто нуждаются в дополнительной энергии в форме АТФ. А биомолекулы полисахаридов, наоборот, при значительных запасах энергии в их химических связях, обладают небольшим количеством информации. Однако, используя даже один или два информационных символа, при построении полисахаридов или липидов, живая клетка, всё-таки, закладывает в их структуру то необходимое количество информации, которое достаточно для осуществления их биологических функций. Поэтому в любой отдельно взятой биологически активной молекуле - вещество неотделимо от структурной информации и химической энергии, а молекулярная информация и энергия как раз и являются теми составляющими, которые обуславливают структурную организацию вещества. Это и есть «принцип тождественности информации, энергии и вещества», который является основным в молекулярной биологии и позволяет, при рассмотрении живой материи, осуществлять разные подходы. Как мы видим, образ любой биологически активной молекулы многолик.

Однако, заметим, что информация в этой триаде, всё-таки, играет первую «скрипку», так как она определяет и трёхмерную структуру биомолекулы, и её энергетику, и её биологические функции. Наличие «закона триединства» привело к тому, что в настоящее время все биологические проблемы оказались в фокусе интересов различных естественных наук. Эти проблемы рассматриваются с различных сторон и изучаются разными дисциплинами.

Современная наука вынуждена интенсивно искать и использовать разные подходы и пути к исследованию феномена жизни. Поэтому изучением живой формы материи заняты различные биологические дисциплины: 1) биофизика - исследует наиболее простые физические взаимодействия, лежащие в основе биологических явлений; 2) биохимия - изучает различные биохимические процессы и дает объяснение биологическим функциям и жизненным явлениям с использованием данных физико-химических исследований; 3) молекулярные основы наследственности остаются основной темой современной генетики; 4) молекулярная биология - изучает молекулярную структуру живого вещества, механизмы воспроизведения генетической информации в поколениях клеток и организмов и механизмы реализации генетической информации через биосинтез белков. Этот список значителен, и его можно продолжить.

Однако, к сожалению, самый большой и существенный круг информационных проблем, всё-таки, оказался за бортом биологических наук. К примеру, не рассмотрены: 1) принципы и правила прохождения управляющей и сигнальной (осведомляющей) информации в живой клетке; 2) закономерности молекулярной биохимической логики; 3) принципы и правила кодирования и программирования биологических молекул; 4) использование программной информации в управлении биологическими функциями и химическими превращениями и т. д. Не изучены:1) принципы работы молекулярных биологических средств с программным управлением (например, белков и ферментов); 2) принципы работы молекулярных биопроцессорных систем управления (репликации, транскрипции и трансляции генетической информации) с информационной точки зрения; 3) биокибернетическая система живой клетки и принципы её работы; 4) программные средства клетки и многое другое. Эти реально существующие информационные механизмы и процессы, почему-то, постоянно «ускальзывают» от нашего внимания. Видимо потому, что для нас информационные взаимодействия в живой клетке обладают умозрительной, виртуальной реальностью. Хотя для клетки они носят вполне реальный, вещественный (биологический) характер. Поэтому и подход, определяющий характер изучения живой формы материи, в первую очередь, должен быть - информационно-кибернетическим. Поскольку биологическая форма материи является высшим единством, связующим в себе в одно целое - вещество, энергию и информацию, то и проблема информационной организации живого становится ключевой проблемой молекулярной биологии [6].