Идеи и гипотезы информационного управления на молекулярном уровне живых клеток

Третий уровень - уровень системного управления, или, как его часто называют по тому же военному образу - стратегическое управление. Таким образом, любая сложная иерархическая система управления может быть представлена в виде простых двухканальных систем при этом в сложной системе оптимально должно быть не более трех уровней управления. Живая природа искала это оптимальное соотношение уровней иерархии миллионы лет»» [2].

Генетическая память, сама по себе, структура инертная и статическая, она не может напрямую, лишь на основе законов физики и химии, передавать и регламентировать способность биологических молекул к упорядоченному поведению. Для этой цели в ДНК имеется только необходимая информация. Кроме того, ДНК, по молекулярным меркам, находится далеко от объектов управления (субстратов). Поэтому всё, что могут сделать гены, так это заранее передать ферментам и другим белкам клетки нужные сведения об их структурно-функциональной организации и программную информацию, для того, чтобы после доставки на место белки и ферменты могли действовать автоматически и самостоятельно. То есть живая клетка, для дистанционного управления процессами, сама «проектирует», изготавливает и транспортирует на рабочее место «программируемые» молекулярно-аппаратные средства, которые и служат в качестве выходного управляющего звена её биокибернетической системы.

Таким образом, любая живая клетка, для «автоматизации» своих процессов, действительно применяет целый арсенал различных молекулярных биологических автоматов, манипуляторов и агрегатов с программной биохимической логикой управления [15]. А разобраться во всех тонкостях информационного управления живой материей может, по-видимому, только специализированная наука - «Молекулярная биологическая информатика», которая в будущем должна стать основой общей «Биологической информатики».

Информатикой называют новую область научно-технической деятельности человека, которая занимается изучением методов автоматизированной переработки информации. К её сфере деятельности может относиться не только применение компьютеров, но также и исследование информационных систем вне техники, например, изучение информационных процессов живой клетки. В этом случае автоматизированную переработку генетической и субстратной информации более справедливо назвать молекулярной биологической информатикой.

Действие выходного управляющего звена молекулярных биопроцессоров - ферментов и других клеточных белков основано не на переборе вариантов при поиске решений. Теперь мы знаем, что ферменты, как молекулярные биологические автоматы, реализуют стереохимические принципы узнавания и динамического взаимодействия, которые гарантируют точность матричного спаривания биологических молекул и проверку их на информационное комплементарное соответствие друг другу с помощью их кодовых стереохимических матриц (микроматриц). Этим достигается не только повышенная помехоустойчивость при прохождении управляющей информации, но и высокая достоверность передачи информационных сообщений.

С появлением ферментов и белков, выполняющих роль молекулярных биологических автоматов с программной биохимической логикой управления, живая клетка получила целый комплекс уникальных средств, для дистанционной «автоматизированной» переработки, как управляющей, так и сигнальной, осведомляющей информации (молекул субстратов и пищевых веществ). Поэтому, в целом, можно констатировать, что управление всеми химическими и биологическими функциями живой клетки осуществляется молекулярными информационными потоками и сетями «автоматизированного» управления [4].

Внедрение в клетку молекулярных биопроцессоров и их выходного управляющего звена - белков и ферментов, оказало колоссальное влияние на дальнейшее развитие биологической формы материи, в частности, на появление многоклеточных сообществ и организмов и вызвало взрывной, революционный процесс «биокибернетизации» живых систем.

Следовательно, можно сказать, что молекулярная информатика - это, прежде всего, информационная молекулярно-биологическая «автоматика», которая основана не на двоичной арифметике, а на принципах и правилах молекулярной биохимической логики. Она предназначена для «автоматизированной» переработки как генетической, так и субстратной информации. Это и есть одна из тех областей, где находят применение различного рода и назначения информационные молекулярно-биологические технологии.

А на практике - это та область и сфера молекулярных информационных технологий, которая оказалась приспособленной не только для обработки информации, но и для переработки вещества и энергии. И это должно нами восприниматься как нормальное явление, так как информация, точно так же, как и химическая энергия, обнаруживает полное сродство с живым веществом на его молекулярном уровне. Поэтому можно констатировать, что единство вещества, энергии и информации является основным и фундаментальным принципом существования живой формы материи!

А живая клетка, как элементарная основа жизни, как раз и становится тем центром, который предназначен для «автоматизированной» переработки молекулярной биологической информации, а, следовательно, биоорганического вещества (как своего носителя) и химической энергии. Эволюционное развитие клетки как мультипроцессорной системы для «автоматизированной» переработки генетической и субстратной информации означало начало революции в областях накопления, передачи и обработки различных форм и видов молекулярной информации в живых биологических системах. Поэтому важно отметить, что каждая живая клетка, точно так же, как и любая другая сложная информационная система, в первую очередь, - это универсальная система для «автоматизированной» переработки информации. Для этой цели она имеет все необходимые программные, аппаратные и энергетические молекулярные средства.

Появление клетки означало и начало эволюционного взрыва в областях накопления наследственной информации, её обработки, использования и передачи в бесчисленных поколениях дочерних клеток. Эти процессы характеризуются также становлением и унификацией молекулярной элементной базы живой формы материи и этапом форсированного овладения живыми системами вещества, энергии и информации.

Особое значение клеток как раз и состоит в том, что с их появлением живая природа получила:

1) феноменальную генетическую (ДНК) и уникальную оперативную (РНК) память;

2) целый комплекс удивительных молекулярных биопроцессорных систем репликации, транскрипции и трансляции генетической информации;

3) выходное управляющее звено в виде белков и ферментов, выполняющих в клеточной системе роль молекулярных биологических автоматов с программной биохимической логикой управления;

4) собственные универсальные АТФ-генерирующие «станции» и т. д. [4].

Все сведения о живой системе, необходимые сообщения, генетические инструкции, директивы, команды управления и другая информация находится в клетке в закодированной форме в виде последовательности нуклеотидов в структуре ДНК (или РНК). Генетическая память имеет потрясающие информационные возможности, но по молекулярным меркам находится далеко от объектов управления (субстратов). Поэтому она вынуждена все необходимые сведения о структуре и функциях биомолекул передавать в виде закодированных циклических посланий (сообщений), которые сначала записываются в оперативной памяти иРНК, а затем транслируются на полипептидные цепи белковых молекул. Именно с кодированием связано одно из замечательных свойств живой клетки - возможность хранить, передавать и обрабатывать генетические сообщения.

Естественно, что клетка вынуждена постоянно пользоваться той наследственной информацией, которая хранится в её генетической памяти. Поэтому вся управляющая информация в живой клетке хранится, передаётся и реализуется только в молекулярной форме, в виде кодируемых сообщений, имеющих свою адресную, операционную, структурную и текстовую части. Как мы видим, гены управляют поведением биологических молекул не непосредственно, а только путём программирования их биологических структур и функций. Это важное обобщение говорит об информационной сущности всего живого.

13. Программное обеспечение клетки

Биологические процессы, как мы выяснили, не ограничены одними физико-химическими законами, - они подчиняются и закономерностям молекулярной биохимической логики, и молекулярной информатике, и генетической программной информации. На основании этих закономерностей и программной информации в живой клетке постоянно возбуждаются биологические алгоритмы, или совокупность процедур и операций, определяющих характер поведения биологических молекул и молекулярных систем. Генетическая память обладает феноменальными информационными возможностями. И, действительно, в последовательности оснований внутри двойной спирали ДНК закодирована вся необходимая информация для осуществления жизнедеятельности, развития и самовоспроизведения живой системы. А главной задачей программных средств, используемых в клетке, является обеспечение оперативного взаимодействия управляющего звена - белков и ферментов с биохимическими объектами управления.

Поэтому все клеточные процессы и функции координируются той программной информацией, которая в данное время перенесена (загружена при помощи биопроцессорных систем или соответствующих ферментов) и находится в функциональных биомолекулах и структурах живой клетки. Важно отметить, что живая клетка, точно так же, как и любая другая система для автоматизированной переработки информации, имеет свою «операционную систему» - набор программ, который организует и приводит в действие многие аппаратные и программные ресурсы живой клетки. В первую очередь, операционная система клетки обеспечивает построение и функционирование основных компонентов молекулярных биопроцессорных систем - транскрипционного и трансляционного аппаратов. То есть тех средств, которые предоставляют услуги для выполнения различных клеточных программ.

Операционная система - это совокупность важнейших программ, предназначенных для управления процессами считывания генетической информации и перевода текста программ с языка нуклеиновых кислот на аминокислотный язык белковых молекул, то есть, в конечном итоге, на стереохимический язык трёхмерных биомолекул и структур. Значит, операционная система клетки содержит встроенные функции перекодировки из одной системы кодирования в другую. А для перевода закодированных сообщений используются свои программы-переводчики. Поэтому, можно сказать, что операционная система состоит из набора отдельных транскрибирующих и транслирующих программ, обеспечивающих как построение, так и функциональное поведение основных биопроцессорных комплексов живой клетки.

Определённые группы генов кодируют и программируют синтез рибосомных и транспортных РНК, другие группы генов (программ) контролируют биосинтез белков и ферментов, обеспечивающих работу транскрипционного и трансляционного аппаратов (биопроцессорных систем). Таким образом, операционная система создаёт и предоставляет аппаратные средства и функциональные услуги для выполнения всех генетических программ живой клетки. Она контролирует проявление всех структурных генов клетки и соответственно является одним из основных факторов клеточной интеграции. В генетической памяти клетки существует значительное количество различных пакетов программ, решающих различные биологические задачи. Причем, ключ к решению биологических задач, с помощью управляющей системы, лежит не в переборе вариантов при поиске решений.

Программы реализуют стереохимические принципы узнавания и динамического взаимодействия, которые гарантируют точность матричного спаривания биологических молекул и проверку их на контактное, комплементарное соответствие друг другу. Этим достигается не только повышенная помехоустойчивость при прохождении управляющей информации, но и высокая достоверность передачи сообщений. В свете рассмотренных идей становятся понятными и принципы организации доступа к информации генетической памяти. Хромосомы ядра, благодаря присутствию в них структурных и регуляторных белков, а также «малых» двухцепочечных РНК, являются чрезвычайно активными динамическими компонентами клетки. Гибкость ДНК в составе хромосом позволяет регуляторным белкам и РНК информационно связываться с различными её участками и влиять на транскрипцию генов.

При этом каждый из этих управляющих белков и «малых» РНК, благодаря программной информации и своим стереохимическим кодовым компонентам, четко знает свою функциональную роль. Согласованность действия различных управляющих, а также регуляторных белков и «малых» РНК достигается за счет генетической информации, которая заранее была загружена в их структуру. А загруженные в их структуру программы являются составляющими того пакета программ, который предназначен как для организации автоматического доступа к генам ДНК, так и для управления и регуляции процессами транскрипции генетического материала. В силу этих обстоятельств отдельные домены хроматина в хромосомах в процессе функционирования разворачиваются, а после окончания считывания информации с генов ДНК вновь упаковываются. Поэтому сами хромосомы представляют собой активные динамические структуры, в разных участках которых идут процессы считывания информации с ДНК.

Доступ к генетической памяти основан на тех же правилах информационного стереохимического управления и тех же принципах динамического взаимодействия биологических молекул друг с другом, которые являются основой управляющих био-логических процессов в живой клетке [15]. Нам остаётся лишь научиться расшифровывать и понимать эту информацию. Функциональные программы, хранящиеся в генетической памяти, считываются по запросу или по мере необходимости транскрипционным аппаратом хромосом в оперативную память живой клетки, роль которой выполняют биомолекулы РНК. Генетическая память имеет полный набор программных средств для обслуживания ступенчатых процессов катаболизма и энергетического обеспечения, для обслуживания процессов биосинтеза молекул, систем репарации ДНК, аппаратных устройств ввода молекулярной информации питательных веществ и вывода конечных продуктов обмена веществ и т. д.

Генетическая память живой клетки имеет пакет программ, кодирующих и программирующих молекулярные средства и механизмы самовоспроизведения, которые начинают синтезироваться и действовать строго в соответствии с общей программой развития. А программирование самой генетической памяти осуществляется особым репликативным аппаратом живой клетки в S-период её развития, и дочерние клетки получают полный дубликат генетического материала. Этот аппарат является молекулярной биопроцессорной системой репликации. Программное обеспечение клетки - это важнейший проблемный вопрос молекулярной биологической информатики. Автор статьи давно убеждён, что только альтернативный информационный подход к молекулярным биологическим проблемам может позволить по-иному взглянуть на давно известные биофизические и биохимические закономерности и открыть новые страницы в изучении биологической формы движения материи. Кроме того, информационный подход мог бы послужить еще и стимулом к объединению усилий различных биологических наук и дисциплин, изучающих сущность живого.

Литература

1. Генетика и наследственность. Сборник статей. Введение. Перевод с французского - М: Мир, 1987.

2. А. И. Демин. «Информация как всеобщее свойство материи». Интернет.

3. С. Е. Здор. Об информационной сущности жизни и разума - М: Издательство «Спутник +», 2008.

4. Ю. Я. Калашников. Информация как движущая сила биологической эволюции. Дата публикации 22.10.09г., источник: SciTecLibrary.ru

5. Ф. Айала, Дж. Кайгер. Современная генетика. Пер. с англ. - М: Мир, 1988.

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

7. Ю. Я. Калашников. В основе жизни лежит необъятный и неисследованный мир молекулярно-биологической информатики. Дата публикации: 14 февраля июля 2007г., источник: SciTecLibrary.ru; Сайт: http://new-idea.kulichki.com/, дата публикации: 21.12.2006г.

8. Ю. Я. Калашников. Биологика информационных взаимодействий в живой клетке. - М., 2002. - 34с. - Депонир. в ВИНИТИ РАН 6.11.02, №1923-В2002, УДК577.217:681.51

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

10. В. А. Ильин. Телеуправление и телеизмерение. - М: Энергоиздат, 1982

11. Ю. Я. Калашников. Единство вещества, энергии и информации - основной принцип существования живой материи. Дата публикации: 30 июня 2006г., источник: SciTecLibrary.ru

12. Ю. Я. Калашников. Ферменты и белки - это молекулярные биологические автоматы с программным управлением. - М., 2002.-25с. - Депонир. в ВИНИТИ РАН 21.05.02, №899-В2002, УДК 577.217:681.51

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

14. А. И. Коротяев, Н. Н. Лищенко. Молекулярная биология и медицина. - М: “Мед”. 1987.

15. Ю. Я. Калашников. Концепция информационной молекулярно-биологической системы управления. - М., 2005.- 88с. - Депонир. в ВИНИТИ РАН 14.04.05, №505-В2005

Размещено на Allbest.ru