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

6. «От генетической информации, через молекулярную структуру и информационные взаимодействия, к биологическим функциям и управлению»

В молекулярных цепях и трёхмерных структурах биологических молекул не содержится никаких компонентов, в которых были бы скрыты особые жизненные силы. Мы имеем лишь определённую комбинационную последовательность или пространственную кодовую организацию химических букв или символов (программных элементов), соединённых между собой ковалентными связями и слабыми (информационными) физико-химическими силами и взаимодействиями в трёхмерной структуре. Причем, порядок чередования, последовательность и состав биохимических элементов в различных цепях, а затем, их координатная организация в биологической структуре (пространственной решетке) определяется генами, то есть информацией. Следовательно, можно сказать, что различные биологические молекулы отличаются друг от друга только информационным содержанием, то есть специфическим способом организации информационных биохимических единиц, входящих в состав их структуры. Вначале информация (через элементарный состав) загружается в структуру макромолекулы, определяя её трёхмерную организацию и все её биологические свойства, затем, при информационных взаимодействиях биомолекул друг с другом, возбуждаются сами биологические функции. Поэтому проблема понимания информации, структуры и функции в молекулярной биологии заключается в том, что они не могут существовать друг без друга. Этот факт обеспечивается и многофункциональными характеристиками элементной базы, и закодированными информационными сообщениями генома, и различными классами биологических молекул, в структурах которых загружена программная информация. Поэтому в живых системах нет структуры вне информации, так же как и нет функции без структуры и информации. А все биологические характеристики живой материи обеспечиваются интегративными свойствами молекулярной элементной базы. Такой вывод напрашивается из того факта, что возникновение любых биологических структур связано с молекулярной элементной базой, генетической информацией и функциями других структур. К примеру, все белковые молекулы содержат ту информацию, которая определяет их функции. А информация, действующая в системе, как известно, всегда возбуждает функцию. Есть информация - осуществляется функция, нет информации - функция отсутствует. Не потому ли белковые молекулы, как обладатели и реализаторы генетической программной информации, специфически способны к выполнению великого разнообразия биологических функций? Эти функции возникают лишь в процессе молекулярного взаимодействия, то есть в результате адресной встречи и обмена информацией между биомолекулами с помощью их кодовых биохимических матриц. А носителем этого функционального единства, безусловно, является генетическая программная информация, перенесённая и трансформированная в стереохимическую форму функциональных биомолекул и структур живой клетки. Таким образом, только информация, загруженная в молекулярные цепи, может определить всё разнообразие трёхмерной организации биологических молекул и их биологических функций. Поэтому различные биомолекулы столь разительно отличаются друг от друга не только структурой и формой, но и их функциональными способностями и назначением. А белковые молекулы приобретают свойства того «живого состояния», которое наблюдают исследователи. В живой клетке функционируют сотни различных белков и ферментов. Свои специфические функции выполняют полисахариды, липиды, а также другие макромолекулы клетки, которые, как мы убедились, отличаются друг от друга только информационным содержанием, а, значит, и той системой молекулярных элементов (алфавитом), которая применяется для кодирования их информации. При этом в молекулярных цепях, а затем и в трёхмерных структурах, с помощью букв и символов записывается лишь те информационные сообщения, которые передают гены. Эти молекулярные сообщения являются структурной и программной основой, как для построения, так и для функционального поведения биологических молекул. Значит, с информационной точки зрения, в молекулярных цепях и в трёхмерных конформациях макромолекул нет ничего, кроме структурной и программной молекулярной биологической информации. А это означает лишь одно, что все они построены и будут работать с помощью той информации, которая загружена в их структуру. Напомним, что все био-логические элементы в составе макромолекул играют также роль и тех программных элементов, с помощью которых строятся алгоритмы функционального поведения. Это важное обобщение логически связывает между собой структурно-информационную основу биологических молекул с их функциональными возможностями. А если учесть, что элементарный состав определяет не только структуру, но и все многочисленные химические связи между элементами, как ковалентные, так и многочисленные слабые нековалентные, то, можно сказать, что молекулярная информация определяет не только функциональное поведение биомолекул, но и их энергетический потенциал. Таким образом, информационные сообщения генов в молекулярной биологии определяют всё: как структурную организацию, так и химическую энергию макромолекул; как программное обеспечение, так и все их функциональные возможности. Следовательно, в итоге, информационные сообщения в молекулярной биологии приобретают смысл через функциональные возможности различных биомолекул, которые строятся и программируются информационным путём. Следовательно, можно констатировать, что вся технология биологических процессов основана на генетической информации и элементной базе, а все функции возникают и осуществляются только при информационных взаимодействиях биологических молекул друг с другом. Любая активная биологическая молекула обладает определенным количеством свободной энергии, которая необходима для выполнения её информационных и биологических функций. Ясно, что информационные и функциональные процессы могут нуждаться в дополнительном источнике энергии. Для этой цели в живой клетке постоянно поддерживается дозовая циркуляция химической энергии в форме АТФ к «потребителю», а АДФ и фосфата - к митохондриям, для нового восстановления их до АТФ. АТФ - «гибкий» источник энергии, позволяющий получить нужные дозы её для непосредственного использования в нужном месте. Поэтому, при недостатке свободной энергии макромолекула, к примеру, белка, способна адресно (информационно) связываться с молекулой АТФ, которая в живой системе играет роль аккумулятора химической энергии. В итоге преобразований любое генетическое сообщение приобретает смысл через структуру и функцию, которые оно кодируют, а сам носитель информации - макромолекула, при этом, формирует все необходимые ей информационные сигналы, а также исполнительные молекулярные органы и механизмы. Только таким путём информация определяет биологические характеристики живой формы материи. А биологические структуры и функции упорядочиваются на молекулярном уровне. Все эти рассуждения подводят нас к определённым обобщениям и показывают, где скрыта та разыскиваемая неразрывная связь между главными действующими факторами биологических процессов - информацией, энергией, структурой и функцией. В связи с этим, можно сказать, что в молекулярной биологии действует ещё один «важный закон», распределяющий «права и обязанности» в иерархической лестнице взаимообусловленности и взаимозависимости структурных свойств и особенностей биомолекул от генетической информации, а биологической функции и энергии от молекулярной структуры, а, значит, тоже от информации. И если формула единства вещества, энергии и информации показывает и определяет базисную основу существования живой формы материи, то вторая формула «от генетической информации, через молекулярную структуру и информационные взаимодействия, к биологическим функциям и управлению», в своей последовательности, указывает порядок и взаимообусловленность био-логических событий в живой системе на молекулярном уровне. Можно сказать, что эти две формулировки в наибольшей степени определяют сущность биологической формы движения материи, а, значит, и природу, и принципы её организации [6]. Поэтому, по мнению автора статьи, иерархический принцип взаимообусловленности и подчинения мог бы быть вторым основополагающим принципом молекулярной биохимической логики, а, следовательно, молекулярной биологии и биологической информатики. Этот закон устанавливает иерархию отношений и взаимообусловленности между информацией, структурой, энергией и функцией в молекулярных биологических процессах. Как мы убеждаемся, биологическая форма материи подчиняется ещё одному закону, по которому генетические сообщения преобразуются и загружаются в специфическую структуру биомолекул, а стереохимическая информация, при комплементарных (информационных) взаимодействиях биомолекул, возбуждает биологическую функцию, а, следовательно, и процессы управления. Поэтому все биологические функции в живой системе возникают и формируются только информационным путём, а вся «технология» построения и функционального поведения биологических молекул определяется соответствующими аппаратными средствами, генетической информацией и удивительными природными свойствами стандартных био-логических элементов (химических букв и символов общего молекулярного алфавита). . Предлагаемые здесь для рассмотрения и обсуждения идеи и концепции, по мнению автора, в наибольшей степени определяют сущность биологической формы движения материи, а значит, и природу, и принципы её организации. В настоящее время в молекулярной биологии такие подходы и концепции отсутствуют. Автор данной статьи, конечно, понимает, что сегодня очень рискованно предсказывать, какие именно принципы и правила молекулярной биохимической логики и информатики лежат в основе живых систем и какие закономерности и теории станут фундаментом нового научного направления - «Молекулярной биологической информатики». Единственно, в чем автор вряд ли ошибается, так это в том, что необходимость изучения и исследования информационных проблем живого уже давным-давно назрела, а потребность в новой, альтернативной области знаний, при нынешнем состоянии дел в науке о живой материи, явно ощущается.

Список литературы

вещество энергия информация

1. А. Ленинджер. Основы биохимии. Пер. с англ. в 3-х томах - М: «Мир», 1985.

2. В. А. Ильин. Телеуправление и телеизмерение. - М: «Энергоиздат», 1982.

3. Ю. Я. Калашников. Биологика информационных взаимодействий в живой клетке. - М., 2002. - 34с.- Депонир. в ВИНИТИ РАН 6.11.02, №1923-В2002, УДК 577.217:681.51

4. Ю. Я. Калашников. Основы молекулярной биологической информатики. - М., 2004. -66с. - Депонир. в ВИНИТИ РАН 13.04.04, №622-В2004, УДК 577.217:681.51

5. П. Кемп, К. Армс. Введение в биологию. Пер. с англ. - М: «Мир», 1988.

6. Ю. Я. Калашников. Концепция информационной молекулярно-биологической системы управления. - М., 2005. -88с. - Депонир. в ВИНИТИ РАН 14. 04. 05, № 505-В2005, УДК 577. 217:681.51

Размещено на Allbest.ru