Молекулярная информация – миф или виртуальная реальность

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Информация» входит в круг самых удивительных явлений и таинственных сущностей нашего мира. С ней напрямую связаны не только феномены живого состояния материи, но и многие сложно организованные процессы, определяющие развитие биосферы, техносферы и ноосферы. Вопрос о том, что же стоит за понятием «Информация», обсуждается уже давно. Суть и значение этого слова трудно объяснить одной формулировкой. Между тем, этот термин уверенно вошел в нашу жизнь и широко применяется в науке, технике и на бытовом уровне. Информация имеет большое значение для каждого человека и общества в целом. Однако её восприятие обычно сопровождается особыми нюансами и иллюзиями. И, действительно, термин «Информация» является настолько расплывчатым и неоднозначным, что мы постоянно испытываем затруднения с определением его смыслового значения. Оказывается, не только мы, но даже отцы-основатели подхода к «Информации» как к обще-планетарному явлению, не смогли оставить нам ясных и четких формулировок.

В частности, широкую известность получила фраза Норберта Винера о том, что: «Информация - есть информация, а не материя и не энергия. Тот материализм, который не признаёт этого, не может быть жизнеспособным в настоящее время». С тех пор многое изменилось в нашем мире. Теперь мы знаем, что, несмотря на нечеткость определения, а порой и на явное неприятие, «Информация» во всеоружии осуществляет планетарный диктат и правит не только молекулярно-биологическими системами, но и широко применяется в управлении обществом, на производстве, в технике, в управлении различными информационными устройствами и технологиями. Информация стала одной из главнейших составляющих и сущностей нашей жизни. Ясно, что это понятие слишком ёмкое и обширное, оно имеет различные виды и формы представления, категории и области применения. Информация классифицируется по сферам применения (живой мир, человеческое общество, техническая) и назначению (научная, производственно-технологическая и др.); по форме существования (статическая, динамическая) и способу организации информационных процессов. Она отличается способами хранения и передачи, формами передающих сигналов, способами преобразования (кодирования) и т. д. В общем виде трудно охарактеризовать понятие «Информация», «она и понимается по-разному.

Одни считают её свойством материи, другие признают существование информации только в системе управления [3]. Поэтому и нам, учитывая вышеизложенные обстоятельства, следует разбираться только с теми её видами и категориями, которые нас больше всего интересуют. В общепринятом виде, «информация - это содержательные сведения (данные), заключенные в том или ином сообщении. Сообщением может быть телеграмма, какой-либо текст, значение контролируемого параметра, команда управления и т. п.» [4]. Информационные сообщения могут быть записаны при помощи разных алфавитов, выражены различными языками или могут быть закодированы и переданы при помощи разнообразных материальных или энергетических средств. Информацию мы способны воспринимать - видеть, слышать или осязать. Органы чувств даны нам для ввода внешней информации.

Посредством различных сообщений информация попадает в человеческий мозг, где «она записывается, преобразуется» и становится способной воздействовать на наш разум, сознание и поведение. Она становится той реальностью, которая через человеческий язык способна приводить человека сначала к размышлению, а затем и к действию. Следовательно, информация является такой сущностью, которая способна через сигнальную форму представления, привести любую сложную систему (в том числе и живой организм) к функциональному управлению.

Очевидно, что информация не может передаваться «сама по себе», но, внедрившись посредством информационных передач (сообщений), к примеру, в структуру ДНК, она уже становится тем смысловым и программным содержанием живой системы, от которого зависит развитие, построение и функциональное поведение целостного организма. Важно отметить, что «сообщение может иметь форму, не приспособленную для передачи, хранения и других информационных процессов в автоматизированных системах. В связи с этим применяются различные способы преобразования сообщения, такие, как дискретизация, кодирование, модуляция 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 [4].

Информационные сообщения могут быть записаны при помощи разных алфавитов, выражены различными языками или могут быть закодированы и переданы при помощи разнообразных материальных или энергетических средств. Следовательно, информация, через информационные сообщения и сигнальную форму представления, способна циркулировать и действовать в обществе, в биологических и сложных технических системах управления. А её путь и движение можно проследить при помощи информационных сообщений. К сожалению, мы до сих пор воспринимаем существование информации только на интуитивном уровне, как нечто неосязаемое, но способное играть большую роль во всех областях человеческой деятельности.

Поэтому, даже в наш просвещенный век некоторые исследователи пытаются оспорить реальность существования информации на том основании, что она нематериальна, или пытаются определить её сущность через влияние «Высшего разума». В связи с этим, роль информации как реально значимой субстанции или принимается и учитывается (к примеру, в технических системах), или отрицается (например, в биохимических процессах), или же, наоборот, воспринимается, однако, в роли какой-то необъяснимой мистической сущности.

Кодирование информации, передача, хранение, переработка и другие информационные процессы лежат в основе работы всех сложных систем, в том числе устройств контроля и управления, используемых не только в технике, но и в биологических системах. Именно с кодированием связано одно из замечательных свойств живой клетки, - возможность хранить, передавать и обрабатывать генетические сообщения. Заметим, что «информация обнаруживает сходство с энергией: последняя выражает не свойства носителя самого по себе, а его способность совершать работу, то есть отношения, внешние для носителей» [3].

Аналогичные отношения существуют между информацией и материально-энергетическими субстратами её записи, хранения и передачи. Известно, что кодируемая информация в любых сообщениях всегда записывается материальными или энергетическими средствами. При этом она формируется и существует как бы отдельной, хотя и виртуальной составляющей, но вполне самостоятельной субстанцией. Информация независима от физико-химических или энергетических свойств носителя, но «телесно» неотделима от своего переносчика. Ясно, что информация здесь становится виртуальным спутником своего носителя, поэтому при исчезновении переносчика исчезает и сама информация. «Информация, разумеется, не вещественна и не существует отдельно от вещественно-энергетического субстрата как своего носителя; однако, через субстрат она воздействует на органы чувств и через ощущение вызывает мысли и чувства. Если мы допустим, что информация не существует, то будем обязаны принять, что несуществующее воздействует на материальный мир» [3].

Это очень важное замечание, потому, что нашей бедой, по-видимому, является тот факт, что мы привыкли рассматривать информацию как некую «бестелесную» и абстрактную, почти «одухотворённую» субстанцию, существующую как бы отдельно от своего материального или энергетического носителя. Мы забываем о том, что нельзя получить информацию без материально-энергетических средств её записи, хранения, преобразования и передачи.

Интересно, что информация в закодированном виде всегда имеет виртуальную сущность, то есть она физически неотделима от своего носителя, а в восприятии реально значима только для «посвященных» (потребителей информации). К примеру, информация в данной статье кодируется с помощью 33 букв алфавита русского языка и должна быть понятна человеку, владеющему русским языком. А чтобы эта информация стала реальной и понятной, допустим, для китайца, её следует перекодировать, то есть перевести на китайский язык и записать иероглифами. В этом, видимо, и заключается особое свойство закодированной информации как виртуальной реальности. Виртуальная информация циркулирует в средствах массовой информации, и мы получаем сведения о реальных событиях. Поэтому виртуальная реальность сейчас определяется как актуальная, событийная реальность, которая реально значима в настоящий момент времени.

Виртуальность - это не только та виртуальная реальность, которая создается компьютерными технологиями. Пребывая в виртуальном мире интересной книги, мы порой и не задумываемся о том, что такую возможность дарит нам кодируемая информация. Человек научился обманывать свои ощущения, свою сенсорную систему, погружая себя в пространство виртуальной реальности. Сейчас можно только догадываться о перспективах развития информационных технологий, позволяющих создавать феномены и эффекты виртуальной реальности, когда окружающая обстановка виртуальна, а ощущения, которые мы испытываем, вполне реальны. Молекулярная информация не исключение, она, как и любая другая кодируемая информация обладает свойствами виртуальности.

Однако здесь информация кодируется при помощи элементарной формы органического вещества (нуклеотидов, аминокислот и других мономеров), поэтому записывается в линейные и трёхмерные структуры биологических молекул и реально существует только в молекулярно-биологическом воплощении. А живая материя - это уже объективная реальность, данная нам в ощущениях. Отсюда следует, что реальность молекулярной информации может быть доказана. Важно отметить, что виртуальная реальность здесь - это реальность и значимость отдельного дискретного (биологического) объекта, которая обусловлена эффектом сложения (слияния) трёх активных составляющих живого: вещества, энергии и информации [6]. Биологи не могут определиться с понятием «молекулярная информация» по ряду причин. Одна из причин, видимо, заключается в том, что для своих потребителей закодированная информация всегда ясна, реальна и значима, а для непосвященных она не имеет никакой ценности, поэтому и воспринимается как случайный набор букв, иероглифов или знаков. Только тогда информация для нас существенна и реальна, когда мы понимаем её смысл и содержание.

Мы еще не посвящены в сферу информационных отношений живой материи, поэтому и не видим реальности существования молекулярной информации. В настоящее время наукой определены лишь некоторые фрагменты, подтверждающие существование генетической информации и управляющей системы живой клетки. Очевидно, что когда исследователи расшифруют весь спектр кодовых посылок и смыслового содержания различных молекулярных сообщений, передаваемых геномом, то тогда и для нас молекулярная и биологическая информация станет реально значимой сущностью.

Особое свойство закодированной (виртуальной) информации, видимо, и заключается в том, что она способна быть действующей силой только в той системе, которая воспринимает её как смысловую сущность, то есть, где она становится реальностью. Работа живых и сложных технических систем может быть обеспечена потоками и циркуляцией той информации, которая реально значима и дееспособна в данной системе. Поэтому любая сложная система способна пользоваться только той информацией, которая свойственна её природе. К примеру, информация биомолекул одного организма, как правило, не тождественна информации биомолекул другого организма, поэтому биомолекулы могут участвовать в информационных процессах только своих организмов.

Очевидно, что информация в закодированном виде - это та виртуальная реальность, которая как сущность может восприниматься, воспроизводиться и генерироваться только живыми субстанциями: в одних случаях клетками (молекулярная информация), в других - живыми существами (например, пчелами) и в, особенности, - человеческим мозгом. Поэтому, можно считать, что древними прародителями кодируемой информации как виртуальной реальности, являются первые живые молекулярно-биологические системы. Только живая система и, в частности, человек, воспринимает информацию как реальную движущую силу, способную управлять объектами, структурами и процессами. Ясно, что функционирование живых и сложных технических систем, в первую очередь, обеспечивается потоками и циркуляцией информации. К примеру, клетка без источника информации (ДНК) и её циркуляции быстро теряет свою жизнеспособность.

Это происходит потому, что для клетки информация является реально необходимой и весьма значимой сущностью. А человек сам является конструктором и создателем различных сложных технических устройств, «вдохнувшим» виртуальную реальность (в виде программного обеспечения) в структуру этих систем. Поэтому без соответствующего обслуживания технические системы также теряют способность к функционированию и через некоторое время превращаются в груду ненужного металлолома и косного хлама. Информационные передачи всегда предусматривают наличие источника информации и её потребителей, они предусматривают и сигнальный способ передачи сообщений, содержательные сведения которых принято называть информацией.

Прослеживая пути и движение различных сообщений всегда можно проследить путь и движение информации. Поэтому следует признать, что в чистом виде, голой информации, без её фиксации, в природе не существует. Как правило, в живой природе, в обществе, на производстве и в технике информационные сообщения существуют только в виде тех сведений и тех данных, которые хранятся, передаются и записываются в сигнальной форме представления, всегда существующей в некотором физическом воплощении. При этом, информация может быть перекодирована без потери её содержания и смысла не только с одного языка на другой, но и из одного её сигнального вида в другой вид, из одной её формы представления в другую форму. «Сигнал может нести информацию о событии, то есть однозначно находиться в соответствии с ним. При определенных условиях сигнал может быть преобразован и восстановлен без потери информации. В информационных технических системах наиболее широко используются электрические сигналы, с переносчиком в виде синусоидального или импульсного тока и напряжения» [4].

В живых молекулярно-биологических системах элементарные переносчики, также как и сами носители информации считаются пока еще невыявленными и неопределёнными. Между тем, игнорирование биологами информационной составляющей биомолекул до крайности тормозит изучение и исследование живой материи. Отсюда, как следствие, наблюдается мировоззренческое отставание молекулярной биологии и топтание на месте. По всей вероятности, это следствие господствующего влияния культа физико-химического направления, традиционно доминирующего в молекулярной биологии. Многие исследователи уже давно интуитивно чувствуют, что без информационной составляющей существование живого немыслимо.

Поэтому сейчас в Интернет можно найти различные теории и гипотезы существования информации живого: от синергической теории - до голографической концепции; от лазерной, квантовой, волновой и до обычной двоичной, шифруемой единицами и нулями. И не удивительно, что актуальной задачей в молекулярной биологии становится поиск и определение, как переносчика информации, так и средств её записи, хранения, обработки (перекодирования), передачи и реализации. Автор этой статьи, сам того не замечая, тоже включился в гонку идей и концепций об информационной сущности живой материи. Он полагает, что в качестве элементарных сигналов в живых клетках используются химические сигналы различных биологических элементов - нуклеотидов, аминокислот, простых сахаров, жирных кислот и других мономеров с переносчиком информации в виде их боковых атомных групп. Отсюда следует, что элементарной единицей информации в биологической макромолекуле является любой биологический элемент (типовой мономер), входные и выходные цепи (функциональные группы) которого служат для фиксации элемента в молекулярной цепи. А боковая атомная группа (или группы) биологического элемента как раз и является тем элементарным физико-химическим сигналом, с помощью которого осуществляется воплощение информации, то есть кодовая форма записи информации! Наглядный пример: сообщение в цепи ДНК или РНК кодируется в виде последовательности нуклеотидов, а переносчиками генетической информации являются азотистые основания - «боковые» атомные группы нуклеотидов.

Соответственно, и в полипептидной цепи белка это сообщение записывается в виде последовательности аминокислот, где элементарными переносчиками информации являются их боковые R-группы. Этот пример показывает, что различного рода сообщения в живой клетке записываются и переносятся только в структурах биологических молекул. А биологические молекулы повсеместно несут ту информацию, которая определяет их функциональное поведение в живых системах.

Таким образом, живые молекулярные системы применяют химический принцип записи информации, а для кодирования используют элементарную форму органического вещества (мономеры). Поэтому элементарные химические сигналы определяются соответствующими биологическими элементами, выступающими в качестве единиц молекулярной информации. К примеру, каждая из 20 типовых аминокислот, - кодирующих единиц белковых молекул, характеризуется своим индивидуальным набором структурных и химических свойств. Причем, аминокислоты отличаются друг от друга только вариабельными боковыми цепями - R-группами. Они подразделяются в зависимости от структурной конфигурации боковых атомных групп, их химических свойств и особенностей. По характеру заряженности боковых R-групп и их полярности, аминокислоты классифицируются: «на полярные или гидрофобные; полярные, но незаряженные; полярные с отрицательным зарядом; полярные с положительным зарядом.

Внутри каждого класса имеется определённая градация по полярности, размерам и форме R-групп» [5]. Поэтому в живой системе для представления информации применяется широкий спектр физико-химических свойств и структурных особенностей различных биологических элементов. В связи с этим, отдельно необходимо подчеркнуть, что широкий диапазон природных свойств и качеств различных элементов является базовой основой сигнальной формы представления молекулярной биологической информации! Носителями единичной информации в биологических молекулах являются биохимические элементы (типовые мономеры), а их специфические боковые атомные группы - это и есть те элементарные химические сигналы, при помощи которых осуществляется кодирование, передача, а также воплощение и реализация информации в различных биологических процессах! Все химические буквы и символы общего алфавита живой материи являются кодирующими единицами молекулярной информации. Поэтому для кодирования информации в живых клетках широко применяется комбинационный принцип использования химических букв и символов общего алфавита и позиционная система представления с фиксированными дискретными данными.

Как мы видим, - первая закодированная информация появилась на Земле более 3,5 миллиардов лет тому назад! И это была «буквенно-символьная» информация биологических макромолекул. Можно без преувеличения сказать, что химический способ представления 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. При этом живая природа оказалась настолько искусным шифровальщиком и применила на молекулярном уровне такие системы кодирования и программирования, которые гарантировали сохранность тайн живой формы материи буквально до наших дней. И только в начале второй половины 20 века был открыт генетический код, и была сформулирована проблема действия генов как расшифровки закодированных в них сообщений.

К сожалению, среди биологов не оказалось квалифицированных криптографов, которые могли бы расшифровать остальные коды и различные линейные и пространственные кодовые комбинации молекулярных биологических элементов (мономеров), используемые в структурах биологических макромолекул для передачи информационных сообщений. Следовательно, первым важнейшим условием, обусловившим возникновение живой материи, явилось наличие совершенной и качественной молекулярной элементной базы, которая, как известно, состоит и формируется более чем из 30 типовых молекулярных мономеров.

Только благодаря наличию элементной базы, живая природа с большим успехом освоила удивительные химические методы кодирования молекулярной информации и уникальные способы переноса и загрузки программной информации на молекулярные носители - биологические молекулы. Ясно, что различные информационные коды в молекулярной системе записываются химическим способом и поэтому переносятся непосредственно в структурах биологических макромолекул. Всё это стало возможным благодаря замечательным свойствам применяемых биологических (биохимических) элементов. Очевидно, что размещение биологических элементов в пространственной решетке трёхмерных биологических макромолекул является более совершенным способом их организации, чем размещение логических элементов на плоской поверхности микросхем.

Размещение биологических элементов в трёхмерных структурах макромолекул, как известно, осуществляется стереохимическим способом, поэтому сами элементы оказываются как бы упакованными «горизонтальными слоями на вертикальных уровнях». Таким образом, в живой материи была достигнута невероятная плотность записи как линейной, так и стереохимической информации, так как её кодирование в структурах макромолекул осуществляется на субмолекулярном уровне, с помощью боковых атомных групп молекулярных биологических элементов - нуклеотидов, аминокислот, простых сахаров, жирных кислот и других мономеров.

Информация, как самостоятельная категория, по мнению автора, возникла так же давно, как и сама живая материя. Можно сказать, что информация, в первую очередь, стала главной сущностью живой природы, а появилась она на свет вместе со способностью биологических молекул кодировать и передавать информационные сообщения. Очевидно, что только замечательная триада - молекулярная информация, химическая энергия и органическое вещество могла обеспечить появление, существование и развитие живой материи. А молекулярный носитель информации положил начало молекулярно-биологической технологии переработки информации, а значит, и соответствующим преобразованиям тех молекулярных компонентов биоорганического вещества, в структурах которых осуществлена запись информации [6, 7].

Обратим внимание, что сегодня понятие «Информация» рассматривается в контексте с возможностью её хранения, передачи и вероятностью её автоматизированной переработки. В первую очередь, с этим понятием связана новая область научно-технической деятельности человека - «Информатика», наука о преобразовании информации, базирующаяся на применении современной компьютерной техники. Информатика, в частности, занимается и методами разработки информационного обеспечения ходом управления не только материальными объектами, но и процессами любой природы, вплоть до интеллектуальных и виртуальных процессов.

Видимо в силу этих обстоятельств и молекулярные биологи пытаются перевести четырехбуквенный язык ДНК и двадцатибуквенный язык белковых молекул на двоичный цифровой язык. При этом они забывают, что появление самого цифрового двоичного языка было обусловлено лишь техническими возможностями логических элементов, которые применяются в микросхемах компьютеров. Известно, что двоичные коды получили широкое распространение главным образом из-за простой аппаратурной реализации логических операций, двоичных арифметических действий, а также из-за простоты изготовления переключающих и аппаратных устройств для записи, передачи и запоминания сообщений. Кроме того, к моменту применения цифровых устройств были хорошо разработаны и теоретические основы алгебры логики, где рассматриваются двоичные переменные. Кроме того, важнейшим условием, обеспечившим бурное развитие и широкое распространение различных цифровых систем и компьютеров, стало появление микропроцессоров и больших интегральных логических схем, содержащих значительное количество логических элементов. Возможно, поэтому мы теперь подвержены соблазну всё и вся исследовать и моделировать с помощью компьютерных технологий, в том числе структуру и функциональное поведение биологических молекул.

При этом мы забываем о том, что живые системы уже миллиарды лет пользуются своей специфической программной биохимической логикой управления, а в основе их функционирования лежит своя собственная молекулярная биологическая информатика. Для решения информационных и функциональных проблем, живые клетки имеют собственное программное и энергетическое обеспечение. Они обладают своими сложными молекулярными биологическими аппаратными и биопроцессорными устройствами и применяют свои специфические молекулярные биологические элементы, которые реализуют элементарные функции молекулярной биохимической логики и информатики. Мы забываем о том, что живые системы уже давно и успешно пользуются своими генетическими и молекулярно-биологическими информационными системами и технологиями. А тот развернувшийся информационно-технологический бум, который наблюдается в начале 21 века, является лишь малой верхушкой того великого айсберга информационных систем и технологий, который лежит в основе фундамента нашего мироздания. Поэтому нам, видимо, легче будет перестроить технические информационные системы на «новую» биологическую элементную базу и молекулярно-биологические принципы функционирования, чем понять сущность живых систем с помощью компьютерных технологий. 2. Элементная база живой материи 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 биохимических элементов.

В состав этого уникального набора входят различные системы (алфавиты) биологических элементов: 1) восемь нуклеотидов, «четыре из них играют роль кодирующих единиц ДНК, а другие четыре используются для записи информации в структуре РНК» [5]; 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) и т. д. Все эти химические буквы и символы (мономеры) были отобраны в процессе эволюции. Поэтому, кроме семантики сообщений они обладают ещё и уникальной способностью к выполнению различных - химических, энергетических, молекулярных и иных биологических функций. Как мы видим, живые клетки имеют не только свои алфавиты, свою письменность, но и пользуются различными молекулярными языками.

Основой каждой системы является свой типовой набор (алфавит) индивидуальных молекулярных биологических (биохимических) элементов Наличие в живой клетке систем молекулярных биохимических элементов 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. Унификация конструктивно-функциональной элементной базы живой формы материи проходила в течение чрезвычайно длительного времени и, по всей вероятности, формировалась параллельно биологическим эволюционным процессам. Многие секреты живого состояния материи оказались напрямую связанными с уникальными свойствами тех молекулярных элементов (мономеров), которые применяются живой природой для построения биологических молекул и структур.

Функции молекулярных биологических элементов.

Уже давно известно, что все биохимические мономеры - нуклеотиды, аминокислоты, простые сахара, жирные кислоты и др. являются теми универсальными и унифицированными стандартными «строительными блоками», при помощи которых во всех живых клетках осуществляется физическое построение любых других, более крупных биологических молекул и структур (нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, липидов и т. д.). Образовавшиеся при этом большие макромолекулы приобретают необходимую и достаточную структурную жесткость и получают способность к выполнению определённых биологических функций. Однако это уже достигается за счет других удивительных свойств типовых «строительных блоков» (мономеров). К сожалению, в молекулярной биологии до сих пор держится представление о молекулярных мономерах только лишь как «строительных блоках» биоорганического вещества. Между тем, они являются многофункциональными элементами и, благодаря своим уникальным природным свойствам, играют фундаментальную роль буквально в различных биологически процессах: структурных, физико-химических, энергетических, функциональных и информационных. Во-первых, все они являются теми простыми биологическими элементами, которые выполняют в живых системах элементарные функции молекулярной биохимической логики и информатики. Если вспомнить, что все сколь угодно сложные цифровые устройства микроэлектронной техники строятся на базе логических элементов, реализующих основные функции алгебры логики и операции двоичной арифметики, то, по аналогии, можно прийти к выводу, что все информационные проблемы в живой клетке тоже решаются с помощью своих молекулярных биологических элементов. Можно эту аналогию продолжить. Любой логический элемент представляет собой простейшую схему, структурными составляющими которой могут быть несколько дискретных компонентов: транзистор, резистор, конденсатор и диод.

Любой биологический элемент также представляет собой простейшую «схему» (только на молекулярном уровне), структурными компонентами которой могут быть несколько химических элементов: водород, кислород, углерод, азот, а также фосфор и сера. Различные атомы типового биологического элемента соединены между собой ковалентными связями, образуя углеводородный скелет, а также отдельные функциональные и боковые атомные группы. Наличие тех или иных функциональных и боковых атомных групп и атомов в составе каждого биологического элемента позволяет прогнозировать не только его поведение в химических реакциях, но и предвидеть ту структурно-информационную роль, которую элемент будет играть в составе макромолекулы. При этом заметим, что если за единицу информации в технических устройствах принята двоичная единица - бит, то в живых системах каждый биологический элемент сам играет роль элементарной и натуральной единицы молекулярной информации. Во-вторых. Можно сказать, что элементная база представляет собой ничто иное, как тот общий молекулярный алфавит живой материи, с помощью которого во время биосинтеза макромолекул ведётся непрерывная запись информации в их молекулярные цепи. А отдельные элементы, при этом, играют роль различных химических букв или символов, с помощью которых во время записи идёт физико-химическое воплощение молекулярной биологической информации. Входя в состав биомолекул, они определяют не только их нативную конформацию, но и обуславливают весь широкий спектр их функциональной и информационной деятельности.

При помощи различных биохимических букв и символов строится молекулярная аппаратная система клетки, то есть таким способом в её структуры и макромолекулы записывается (загружается) биологическая информация. Ясно, что информационная концепция построения и функционального поведения биомолекул может базироваться только на специфических свойствах и правилах применения таких биохимических единиц. В-третьих, - хранение, передача, преобразование (перекодирование) и реализация генетической информации в клетке осуществляются только на основе и с помощью различных систем биологических элементов, представляющих собой общий алфавит живой формы матери. А отдельные буквы и символы каждого алфавита (нуклеинового, белкового, липидного и др.) являются теми дискретными элементами, при помощи которых осуществляется кодирование и преобразование различных видов и форм молекулярной биологической информации.

Причем, каждая система биохимических элементов характеризуется своим способом кодирования, видом и формой представления информации. Поэтому при решении различных биологических задач живая клетка пользуется различными молекулярными кодами, видами и формами представления информации. Молекулярным кодированием в живой системе можно назвать процесс представления данных комбинационной последовательностью химических букв или символов. Информация в клетке передается в форме молекулярного кода, основу которого составляет определённый набор химических букв или символов. При этом, закодированная последовательность букв или символов любого сообщения, как правило, передаётся не однократно, а с многократным повторением, что ведет к повышению помехоустойчивости информационной системы. Информация в живой системе может быть преобразована с помощью биологических кодов и алфавитов из одного её молекулярного вида в другой, из одной её молекулярной формы (линейной, химической) в другую (пространственную, стереохимическую).

К примеру, информация, представленная генетическим кодом в виде молекул иРНК, транслируется в информацию полипептидных цепей, которая записывается уже другим кодом - аминокислотным и поэтому имеет совершенно другой молекулярный вид. А линейная информация, записанная в форме полипептидных цепей, преобразуется в трёхмерную информацию белковых молекул, то есть в совершенно другую молекулярную форму (пространственную, стереохимическую). В-четвертых, - нуклеотиды, аминокислоты, простые сахара и жирные кислоты, как известно, играют фундаментальную роль также и в энергетическом обмене живой клетки. В-пятых, мы еще не отметили, возможно, наиболее важное назначение элементной базы.

Все биологические элементы оказались наделёнными такими природными химическими и физическими признаками и свойствами, сочетание которых позволяет им функционировать не только в качестве строительных блоков или химических букв и символов, но ещё и служить теми программными элементами, с помощью которых строятся различные алгоритмы программного поведения биологических молекул. То есть все элементы в составе биологических молекул могут взаимодействовать друг с другом и с молекулами воды по особым специфическим принципам и правилам, которые вполне можно назвать закономерностями молекулярной биохимической логики. Вследствие этого они «автоматически» становятся теми программными элементами, при помощи которых сначала строится алгоритм конформационного преобразования, а затем и программа функционального поведения отдельной биологической молекулы. Под алгоритмом следует понимать последовательность операций, которые выполняются биологическими элементами в составе молекулярной цепи, сначала во время конформационного преобразования, а затем и во время функционального поведения макромолекулы.

Таким образом, программирование функций биологических молекул и структур в клеточной среде также осуществляется с помощью элементной базы и генетической информации! Важно отметить, что все указанные качества и свойства биологических элементов существуют всегда и одновременно и поэтому они, по своей сути, являются разными характеристиками одной и той же элементной базы. Только такое сочетание характеристик позволяет биологическим элементам обеспечивать в живой клетке и информационное построение различных молекул и структур, и программное управление их биологическими функциями. Причем, естественно, что разные системы (алфавиты) элементов имеют своё специфическое назначение - структурное, информационное, программное и функциональное. К примеру, все биологические элементы каждой системы применяются в качестве типовых строительных блоков, поэтому каждый из элементов имеет свою специфическую форму, структуру и конфигурацию, предназначенную для построения своего класса биологических молекул. Если же их рассматривать как программные элементы, то одни из них, - нуклеотиды, в основном служат для записи, хранения и передачи программной информации, а другие - аминокислоты, простые сахара и др., благодаря своим уникальным свойствам, служат для реализации программной информации. В итоге мы приходим к заключению, что любая химическая буква (или символ), входящая в состав биомолекулы, является тождественным эквивалентом такой биологической единицы, которая выполняет роль и типового структурного строительного блока, и единичного информационного сигнала, и программного элемента, и элементарной дискретной функциональной единицы. Сама же биологическая функция возникает путём активации всей совокупности качеств и свойств биологических элементов, входящих в состав биологических молекул. Поэтому программная, информационная и функциональная деятельность биологических молекул в клетке осуществляется благодаря применению таких биологических единиц.

Причем, активация функций биологических молекул возникает только на основе их информационного взаимодействия друг с другом с помощью линейных или стереохимических кодовых матриц, расположенных в структурах биомолекул [7]. Важно отметить, что указанные качества и свойства стали неотъемлемыми спутниками всех типовых биологических элементов, они являются разными сторонами одной и той же молекулярной базы. А сочетание разных характеристик молекулярных элементов оказалось идеально приспособленным для выполнения различных биологических функций в живых клетках. Все без исключения биологические свойства и качества макромолекул оказались напрямую связанными с многофункциональными особенностями составляющих их биологических элементов. Поэтому, при рассмотрении живой материи, всегда необходимо учитывать не только информационный состав различных биомолекул, но и функциональную взаимозависимость и взаимодополняемость различных характеристик составляющих их элементов.

Только такое единство и «слияние» различных характеристик биологических элементов в одно функциональное целое и их информационное содержание, делает возможным проявление тех биологических черт и признаков макромолекул, которые привыкли наблюдать биологи [6].

Правила применения биологических элементов. Вспомним, что каждый логический элемент микроэлектронной техники, перед тем как выполнить свои функции, должен быть подключен к источнику питания и к соответствующим цепям общей схемы. Для этой цели каждый элемент имеет свои входные и выходные цепи. Определённая аналогия наблюдается и при подключении биохимических элементов к цепям биологических молекул. Например, каждая аминокислота, как элемент, состоит из двух частей - константной, одинаковой для всех аминокислот части, к которой относится углеводородный скелет и его функциональные группы (аминогруппа и карбоксильная группа), и вариабельной - боковой цепи (или R-группы), которая имеет в каждой аминокислоте присущие только ей природные свойства и структурные отличия. В связи с этим аминокислоты различаются между собой только боковыми R-группами, посредством которых в полипептидной цепи белка осуществляется физико-химическое воплощение молекулярной биологической информации. Для включения аминокислоты в общую полипептидную цепь используется только константная часть элемента. «Ковалентная пептидная связь образуется путём отщепления компонентов воды от аминогруппы свободной аминокислоты и карбоксильного конца пептида, поэтому аминокислотные звенья, входящие в состав полипептида, обычно называют остатками» [5].

В результате длинная ковалентная цепь состоит из монотонно чередующихся остатков константных частей биологических элементов (аминокислот), а к каждому углеродному атому основной цепи присоединены вариабельные части аминокислотных остатков - боковые R-группы. Таков принцип записи молекулярной биологической информации в полипептидной цепи белка в процессе трансляции генетической информации. Каждая из боковых R-групп основного остова цепи имеет одно из двадцати кодовых (смысловых) значений, поэтому аминокислотные звенья белка являются материальными переносчиками информации. Кратко рассмотрим пример записи информации в молекулярных цепях ДНК или РНК с помощью другой системы элементов - нуклеотидов. Каждый нуклеотид как биологический элемент, также состоит из двух частей - константной, к которой относится пятиуглеродный сахар и фосфорная кислота, и вариабельной - азотистого основания, при помощи которого, как известно, кодируется и передаётся генетическая информация. Следующие друг за другом нуклеотиды соединяются с помощью фосфодиэфирной связи, поэтому ковалентные остовы цепей нуклеиновых кислот состоят из монотонно чередующихся константных частей биохимических элементов (нуклеотидов) - фосфатных и пентозных групп, а азотистые основания «можно рассматривать как боковые группы, присоединённые к остову на равных расстояниях друг от друга» [5].

Здесь тоже наглядно видно, что длинный остов молекулярной цепи выполняет роль носителя информации, на котором в виде различных вариабельных групп (азотистых оснований) записана генетическая информация. Фиксированный порядок следования нуклеотидов в ДНК содержит всю генетическую информацию, которой располагает живая клетка. Следовательно, линейная последовательность любых биохимических элементов в молекулярной цепи всегда представляет собой химическую запись определённой биологической информации. Примеры говорят о существовании общих закономерностей молекулярной биохимической логики и информатики и о наличии общих принципов и правил применения в живых системах различных биологических элементов (химических букв и символов).

Два информационных уровня организации биологических молекул. Главный вывод, к которому можно прийти, заключается в том, что информация, циркулирующая в живой клетке, всегда находится в молекулярных структурах биоорганического вещества. Она имеет функциональный характер, химическую или стереохимическую форму записи, а также различные молекулярные виды представления. К примеру, молекулярная биологическая информация может быть представлена в виде цепей нуклеиновых кислот, - при записи её нуклеотидами. В виде полипептидных цепей, - при записи её аминокислотами; в виде линейных или разветвлённых цепей полисахаридов, - при записи её моносахаридами и т. д. Причем линейная форма записи информации, как правило, является основой для преобразования её в форму пространственную - стереохимическую. Следовательно, для решения различных биологических задач, живая клетка широко пользуется различными молекулярными алфавитами, языками, а также видами и формами записи (кодирования) информации. Как мы видим, информационные сообщения в живых клетках могут существовать в двух молекулярных формах - одномерной химической (линейной) и пространственной, стереохимической. Значит, живая клетка пользуется двумя информационными уровнями организации биологических молекул - линейным и пространственным. На первом уровне, автоматически, с помощью управляющих средств обеспечивается последовательное ковалентное соединение различных химических букв или символов в длинные молекулярные цепи.

Таким путём производится запись информационных сообщений в первичную, одномерную («линейную») биологическую структуру. Однако, пространственная организация макромолекул и клеточных структур, так же как и реализации их функций, осуществляются при помощи химических связей, значительно более слабых, чем ковалентные. Это происходит потому, что боковые группы тех биологических элементов, которые в цепи связаны ковалентно, способны к информационным взаимодействиям с другими боковыми группами, как в пределах одной макромолекулы, так и с боковыми группами близлежащих молекул. К таким взаимодействиям (их называют слабыми связями) относятся: водородные и ионные связи, ван-дер-ваальсовы силы, гидрофобные взаимодействия, которые в совокупности, благодаря их многочисленности и разнообразию, оказываются весьма сильными. Поэтому они определяют не только степень прочности сложных макромолекул, - белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов и т. д., но и обуславливают их информационные и функциональные возможности.

Следовательно, второй информационный уровень организации макромолекул осуществляется в основном при помощи слабых нековалентных сил, связей и взаимодействий между боковыми атомными группами и атомами химических букв или символов. Через посредство этих сил и связей идёт воплощение линейной молекулярной информации в стереохимическую структуру и форму. В результате таких преобразований «одномерная» молекулярная информация цепей «сворачивается, пакуется и сжимается» в трёхмерную информацию макромолекул, которая в таком виде становится пригодной для транспортировки, передачи по различным каналам, а затем, и для непосредственного использования в различных биологических процессах. Трансформация линейных генетических сообщений в трёхмерную структуру и форму различных биомолекул - это важный этап перехода биологической информации из одной её молекулярной формы в другую. К примеру, белковая макромолекула, представляет собой ничто иное, как трехмерную лабильную информационную субстанцию (молекулярный автомат), на поверхностных участках или в углублениях которой, для передачи сообщений, формируются разнообразные информационные матрицы (активные центры), состоящие из трехмерной кодовой комбинации различных биологических элементов (аминокислот). Эти биохимические матрицы служат для информационной коммуникации белка с его молекулярными партнерами. Поэтому в основе молекулярных информационных процессов лежит способность биологических молекул взаимодействовать друг с другом с помощью линейных, локальных или рельефных биохимических матриц.

Во время комплементарного взаимодействия биомолекул осуществляется процесс рецепции кодовых компонентов молекулярных партнеров и проверка их на функциональное соответствие друг другу. Поэтому все информационные взаимодействия биомолекул являются прелюдией к выполнению функций биологических. Биологические функции возникают лишь в процессе адресной встречи и обмена информацией между биомолекулами с помощью их кодовых стереохимических матриц, которые должны комплементарно соответствовать друг другу. А соответствие молекулярных кодов в живых системах строится по принципу их структурной (стерической) и химической комплементарности, то есть на основе взаимодополняемости их связей, структур и функций [7].

Линейный и пространственный элементарный состав макромолекул определяется генами, а каждый биологический элемент в составе биологической молекулы тождественно может выполнять различные роли, - как структурной, так и информационной единицы, как функционального, так и программного элемента. Поэтому все аппаратные средства живой клетки - белки, ферменты и другие клеточные компоненты обладают строго своей специфической структурной организацией, имеют своё информационное и функциональное назначение, а также пользуются своим индивидуальным энергетическим и программным обеспечением. Это ведет к представлению, что ферменты и другие клеточные белки являются не простыми катализаторами химических процессов, а выполняют роль молекулярных биологических автоматов или манипуляторов с программной биохимической логикой управления [8].

Только благодаря удивительным многофункциональным свойствам биологических элементов, макромолекулы клетки становятся обладателями настолько многоликих и разносторонних качеств и свойств, что их можно изучать и рассматривать буквально с разных сторон и различных точек зрения. К примеру, их можно исследовать - с физико-химической, со структурной, с энергетической, с функциональной, с биологической, с информационной и других точек зрения. Столь разноплановые признаки и свойства биологической формы материи привели к тому, что в настоящее время её изучением заняты многочисленные естественные науки - биофизика, биохимия, генетика, молекулярная биология, биоэнергетика, цитология и многие другие дисциплины. Однако такой дифференцированный подход больше ведёт к разобщению, чем к интеграции знаний. Только альтернативный - информационный подход может позволить гораздо шире взглянуть на давно известные физические и химические закономерности и помочь открыть новые страницы в изучении живой материи. А для того, чтобы молекулярная информация могла стать для биологов реальной смысловой категорией, необходимо, прежде всего, приступить к исследованию сферы информационных отношений биологических молекул друг с другом, к изучению принципов и правил молекулярной биохимической логики и информатики, которые лежат в основе необъятного мира генетических и молекулярно-биологических информационных систем и технологий.

Список литературы

биологический виртуальный макромолекула

1. Вадим Репин. Молекулярная информация: миф или реальность? Полемика с Александром Викоруком. («НГ-наука», №2, 16 февраля 2000г). - Интернет «НГ-наука», №06 (42) 20 июня 2001г.

2. Александр Викорук. Метафоры вместо информации. Полемика с Вадимом Репиным. («НГ-наука», №3, 17марта 1999г. и №9, 20 октября 1999г.). - Интернет «НГ-наука», №06 (42) 20 июня 2001г.

3. Н.А. Заренков. Теоретическая биология. - Изд. Московского университета, 1988.

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

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

6. Ю.Я. Калашников. Триединство вещества, энергии и информации - основной принцип существования живой материи. Дата публикации: 30. 06. 2006г.

7. Ю.Я. Калашников. Основы молекулярной биологической информатики. - М., 2004. - 66с.

8. Ю.Я. Калашников. Ферменты и белки живой клетки - это молекулярные биологические автоматы с программным управлением. Дата публикации: 30 июня 2006г.

Размещено на Allbest.ru