Відкритий шлях до розуміння інформації та її походження

Размещено на http://www.allbest.ru/

Відкритий шлях до розуміння інформації та її походження

Вишняков Володимир Михайлович

канд. техн. наук, доцент, доцент кафедри кібербезбеки та комп'ютерної інженерії

Київський національний університет будівництва і архітектури, Україна

Анотація

У статті, базуючись на понятті інформаційних систем, розглянуто властивості інформації і показано, що її початкове джерело слід шукати серед живих систем. Розглянуто особливості живих організмів з різними геномами та проаналізовано інформаційні процеси у клітинах живих організмів на прикладі організмів з мінімальним геномом. Показано, що процес розмноження є виконанням інструкцій з молекули ДНК і може відбуватись лише у живих клітинах під час активної стадії життя. Доведено що життя завжди перебуває разом з життєво необхідною інформацією і неможливо створити життя без наявності цієї інформації. Також доведено вічність існування життя разом з інформацією, яка є його необхідною складовою. Це дозволяє позбутись низки протиріч між двома головними філософськими течіями: матеріалізмом та ідеалізмом, оскільки не тільки матерія є вічною, але також вічними є життя з необхідною для його існування інформацією.

Ключові слова: інформаційні системи, властивості інформації, інформаційні процеси у живих клітинах, вічність життя, усунення протиріччя між матеріалізмом і ідеалізмом.

Опис проблеми та мета роботи

Питань про те для чого потрібна матерія чи енергія у нас не виникає, бо все створено та рухається з використанням цих двох складових, які вважаються вічними. Інакше виглядає така філософська категорія, як інформація, що не має жодної фізичної ознаки і не визнається деякими вченими, але ми можемо її купувати і оцінювати іноді дуже дорого. Складним виявилось питання про те, що ж таке інформація? Після відомої заяви Норберта Вінера: "Information is information, not matter or energy" (Інформація є інформацією, а не матерією чи енергією), стало зрозумілим, що не варто очікувати на легкий шлях до її визначення та походження. Оскільки ми живемо не лише у матеріальному світі, але й у інформаційному, то нас може зацікавити питання походження інформації. Якщо виходити з первинності матерії з енергією, вважаючи, що ніякої інформації раніше не було, то виникає питання: звідки і яким чином з'явилась інформація? Проблема полягає в тому, що на це питання немає точної відповіді. Тому пошук шляхів для отримання цієї відповіді є актуальним напрямком досліджень. Крім того відповідь на це питання здатна подолати низку протиріч між головними філософськими течіями: матеріалізмом та ідеалізмом, що є метою даної роботи.

Початкове припущення. У роботі [1] розглянуто питання про те, для чого потрібна інформація, і вказано, що вона потрібна лише для прийняття рішень або реалізації процедури вибору. Наголошено, що від інформації нічого іншого отримати неможливо. Таке припущення одразу набуло беззаперечну підтримку співробітників кафедри. Можна вважати, що це було першим кроком на шляху до розуміння поняття інформації і її походження. Співробітники тоді зробили жартівливий напис на дошці, розмістивши мою цитату після відомого висловлювання Натана Ротшильда, і сфотографували мене біля цього напису, що показано на рис. 1.

Рис. 1. Мене сфотографували біля дошки з жартівливим написом.

геном молекула розмноження

Модель системи для досліджень. Наступним логічним кроком на шляху до розуміння поняття інформації було визначити, що являють собою системи, які здатні приймати рішення чи робити вибір, бо лише для них може бути потрібна інформація. Необхідні властивості таких систем перелічені у табл. 1 [2].

Таблиця 1

Властивості, що необхідні системам для користування інформацією

У роботі [2] запропоновано системи вважати інформаційними, якщо їм притаманні усі чотири перелічені властивості, і наведено таке визначення:

"Тоді і лише тоді структуру можна вважати інформаційною системою, якщо для неї значення M л $ л C л E є істиною." Зауважимо, що у пам'ять M повинна бути закладена інформація системою, яка є володарем цієї інформації.

Також у роботі [2] розглянуто приклади простих штучних інформаційних систем і показано як в них закладається, зберігається, та використовується інформація. Одним з таких прикладів є гребля, що підтримує потрібний рівень води у ставках. Не одразу стає очевидним чому греблю слід вважати інформаційною системою. Через те, що інформація завжди перебуває на носіях, може виникнути помилкове уявлення, нібито інформація належить носіям або є їхньою частиною чи властивістю. Інформація завжди має певне значення, яке закладається у фізичні характеристики носія володарями чи постачальниками інформації. Саме це значення і лише воно є інформацією. У випадку греблі її висота є носієм інформації про рівень води, а закладають цю інформацію ті, хто створюють греблю. В залежності від рівня води у структурі греблі обирається та виконується одна з двох дій: накопичення води або скидання води у разі перевищення заданого рівня. Таким чином, усі необхідні властивості інформаційної системи у структурі греблі є. А саме, інформація про рівень води закладена на фізичному носії у вигляді висоти греблі. Також є чутливість до рівня води і можливість обирати та виконувати одну з двох дій. Головна задача греблі полягає у підтримці потрібного розміру водоймища, а рівень води є носієм інформації про цей розмір.

Основні властивості інформації. Щоб створити будь-яку інформаційну систему, необхідно закласти в неї інформацію. Це може зробити лише система, що володіє інформацією, яку слід закласти. Поняття володіння інформацією означає, що система може поширювати цю інформацію поза своїми межами. Перелік відомих дій, які можна виконувати над інформацією надано у табл. 2.

Таблиця 2

Дії, які можуть виконуватись над інформацією

[авторська розробка]

Хоч немає такої дії, яка б перетворювала матеріальне в інформацію (або навпаки), але все, на що реагує система, може перетворюватись в інформацію завдяки датчикам або чутливим органам. Інформація про характеристики середовища може створюватись лише системами, що мають засоби реагування на ці характеристики та можуть запам'ятати цю інформацію для подальшого використання. Зауважимо, що під час перебування інформації на фізичному носії поза межами інформаційної системи, ніякі дії, крім зберігання інформації, не можуть виконуватись. Лише після потрапляння інформації до інформаційної системи, зможуть виконуватись будь-які з перелічених дій. Оскільки штучні інформаційні системи беруть початок від живих, то пошук перших джерел інформації слід було спрямувати до живих систем.

Місце інформації у живих системах. Всі живі системи, включно з вірусами, за ознаками з табл.1, є інформаційними. Відомо, що існування живих систем забезпечується завдяки розмноженню, яке у всіх випадках вимагає певного часу, а от їх руйнування може відбуватись миттєво. Таким чином, існування життя свідчить про те, що розмноження завжди випереджало руйнування, інакше життя зникло б. Дуже тісно життя зв'язане з інформацією. До кожного живого організму існує набір генетичної інформації, який має назву Genome (геном) [3]. Цей набір зберігається в молекулах ДНК (дезоксирибонуклеїнової кислоти) у клітинах організмів. Два наступні висновки про зв'язок інформації з життям зроблені дослідниками ролі ДНК у живих істотах:

- Молекула ДНК є місцем збереження генетичної інформації, яка являє собою проект побудови та розвитку організму. Це яскраво проілюстровано завдяки клонуванню [4].

- Істоти, що здатні до автономного розмноження, неодмінно мають ДНК.

Оскільки розвиток життя відбувається у напрямку ускладнення, то істота, з якої могло б розпочатись життя на Землі, повинна мати найпростішу (або найменшу) молекулу ДНК та здатність до автономного розмноження. Відомості про розмір ДНК для деяких живих істот наведено у табл. 3 [3].

Таблиця 3 Розмір геному для деяких живих істот

Виходячи з необхідних початкових умов розвитку життя, і, користуючись даними про розміри геномів, бачимо, що істотою, з якої міг би розпочатись розвиток життя на Землі, є бактерія Mycoplasma genitalium. Хоч є віруси та деякі бактерії, які мають менші геноми, але вони розмножуються лише у клітинах організмів зі значно більшими геномами. Відомо, що вік нашої планети становить 4,54 млрд. років, а бактерії з'явились близько 3,5 млрд. років тому. Це означає, що довгий час бактерії були єдиними представниками життя на Землі і

завдяки їх діяльності утворились сприятливі умови для існування інших істот. Зараз приблизна кількість бактерій дорівнює 2*1 030, а їх загальна біомаса поступається лише рослинам. Близько половини кисню, яким ми дихаємо, виробляється бактеріями, крім того вони переробляють різні отруйні та шкідливі речовини у корисні та необхідні для життя [5]. Хоч чимало бактерій є шкідливими для людей, тварин і рослин, але вони є дуже різноманітними і саме їх можна вважати фундаментом всього живого.

Успіхи у вивченні бактерій. Дослідниками інституту JCVI (The J. Craig Venter Institute) у 2010 році у живій бактерії було замінено молекулу ДНК на штучно синтезовану [6]. На початку цих дослідів штучна молекула ДНК була копією природної, але надалі з'явилась можливість внесення в неї будь -яких змін. Наступним досягненням цього інституту було знаходження мінімальної довжини молекули ДНК серед усіх істот, що здатні до автономного розмноження [7]. Ця довжина виявилась близькою до 531 тис. пар нуклеотидів (473 гени). Будь які спроби подальшого скорочення молекули ДНК призводили до втрати здатності розмножуватись, що означає загибель життя. За допомогою сучасних технічних засобів дослідники можуть безпосередньо на рівні молекул вивчати структуру елементів живих клітин. Особлива увага вчених була зосереджена на молекулі ДНК, бо саме там розміщена інформація про всі властивості живого організму. Процедура дослідження структури ДНК отримала назву секвенування, що означає розкриття послідовності з чотирьох нуклеотидів (A - аденін, G - гуанін, C - цитозин, T - тимін) в молекулі ДНК. Аналіз ДНК дозволяє виявляти родинні зв'язки між живими істотами. У кожній живій істоті (особині) всі клітини мають однакову молекулу ДНК за винятком незначної кількості відхилень через випадкові фактори (не більше одного відхилення на мільярд нуклеотидів). Схожість молекул ДНК різних організмів тим більша, чим ближчими є родинні зв'язки між ними. Вигляд результату секвенування ДНК для вірусу Ф-Х174 (близько 5000 пар нуклеотидів), представлено на рис. 2 [3].

Рис. 2. Результат секвенування ДНК для вірусу Ф-Х174.

Отриманих знань про молекулу ДНК виявилось достатнім для створення промислового синтезатора, який зображено на рис. 3.

Рис. 3. Синтезатор олігонуклеотидів MerMade 12 призначений для синтезу олігонуклеотидів (ДНК, РНК)

Завдяки дослідам інституту JCVI експериментально доведена можливість штучної побудови молекули ДНК на основі результату секвенування, який має вигляд послідовності символів A, C, T та G, що схожа з показаною на рис. 2. Після заміни природної ДНК на штучну бактерія продовжила розмножуватись. Це свідчить, що знань вказаної послідовності символів достатньо для побудови повноцінної штучної молекули ДНК. Знаючи, що найважливішою функцією живих істот є розмноження, дослідники вирішили скоротити молекулу ДНК, залишивши лише ті ділянки ДНК (гени), які необхідні для розмноження бактерії. Для цього за методом спроб та помилок з молекули ДНК видалялись ті чи інші гени. Таким чином було практично доведено існування мінімальної кількості генетичної інформації, без якої розмноження живих організмів є неможливим, що означає загибель життя. Було виявлено, що серед мінімальної кількості генів бактерії є такі, що присутні у людей. Усі організми, що здатні до розмноження, мають природну можливість вдосконалюватись методом спроб та помилок. Оскільки під час розмноження можуть виникати помилки, то в деяких випадках через це утворюються мутації (стійкі зміни геному), завдяки чому відбувається еволюція видів живих істот. Поки що невідомо, чи можливо через мутації перетворення бактерії у комаху чи інший тип живих істот.

Розмноження бактерій. З використанням сучасних засобів є можливість на молекулярному рівні бачити те, що відбувається у клітині бактерії протягом її життєвого циклу. Для мінімальної бактерії цей цикл триває близько трьох годин. Крім молекули ДНК у структурі бактерії є низка біологічних механізмів, що є діючими інформаційними системами. Малюнок та пояснювальна схема процесу, з якого починається життєвий цикл бактерії показані на рис. 4 [8].

Рис. 4. Процес копіювання ділянок ДНК (помічена оранжевим) у вигляді РНК (помічена зеленим) за допомогою РНК-полімерази (помічена фіолетовим)

На початкових стадіях дослідження ДНК було виявлено лише її кислотні властивості і не спадало на думку, що ця молекула є інформаційним центром кожної живої істоти. Тоді вважали, що, якщо живі істоти перетворюються у хімічні елементи, то існує хімічне перетворення цих елементів у живі істоти. Про необхідність інформації для створення живого (живі істоти являють собою інформаційні системи, для побудови яких потрібна інформація) раніше не згадувалось, бо розуміння значення інформації з'являлось поступово. РНК- полімеразу розглядали як каталізатор (прискорювач) процесу перетворення ДНК у РНК (рибонуклеїнову кислоту). Але виявилось, що РНК-полімераза виконує копіювання інформації з молекули ДНК у молекули РНК одночасно з синтезом останніх. Дії, які виконує РНК-полімераза, починаючи з моменту появи нової клітини (після поділу), є наступними:

- РНК-полімераза (фіолетовий колір на рис. 4) наближається до молекули ДНК (оранжевий колір) і починає рухатись вздовж молекули ДНК, відшукуючи послідовність нуклеотидів ТАТААТ, яка має назву promoter [9] і є сигналом для початку синтезу РНК;

- після проходження чотирьох нуклеотидів за послідовністю ТАТААТ РНК - полімераза починає синтез ланцюга РНК, приєднуючи кожний черговий нуклеотид, в залежності від типу нуклеотиду у молекулі ДНК, згідно табл. 4;

- РНК-полімераза зупиняє синтез РНК за послідовністю АААА після проходження ще чотирьох нуклеотидів, як показано на рис. 5.

- Остання синтезована послідовність з восьми нуклеотидів UUUUCUGU, що показана червоним на рис. 5, утилізується. Перед нею формується структура, що має назву hairpin (шпилька), яку показано на рис. 6.

Таблиця 4

Відповідність типів нуклеотидів під час синтезу РНК

[авторська розробка]

Рис. 5. Схема формування структури, якою завершується синтез ділянки РНК.

Рис. 6. Вигляд структури, що нагадує шпильку (hairpin).

Ця структура призначена для від'єднання синтезованого ланцюга РНК від механізму РНК-полімерази, бо у цьому механізмі немає власного засобу для відрізання ланцюга. У процесі формування шпильки використовується сила взаємного притягання між комплементарними нуклеотидами, якими є пари GC та UA. Більшу силу має пара GC. Саме з використанням цієї сили відбувається від'єднання ланцюга РНК. Синтезований ланцюг висувається у цитоплазму клітини, яка є колоїдним водним розчином, що затримує частки розміром більше 10-7м. Оскільки розмір нуклеотидів лише 3,4х10-10, то ланцюг може вільно просуватись у цитоплазмі. Швидкість синтезу РНК є обмеженою (не менше 10 і не більше 100 нуклеотидів за секунду). На виході у цитоплазму ланцюг РНК буде просуватись зі швидкістю синтезу, але траєкторія його руху не буде прямою, бо у цитоплазмі живої клітини відбувається постійний рух біологічного матеріалу (метаболізм). Через цей рух ланцюг РНК згинається і, за наявності з різних боків від місця згинання комплементарних нуклеотидів, які тягнуться один до одного, утворюється з'єднання між собою ділянок ланцюга. Швидкість утворення з'єднання буде залежати від кількості комплементарних нуклеотидів на цих ділянках. У разі утворення шпильки ця швидкість буде високою через наявність восьми пар типу GC. Якщо швидкість зближення нуклеотидів перевищить швидкість просування ланцюга РНК у цитоплазму, то виникне сила, що здатна зупинити це просування. В результаті може статись розрив ланцюга поруч зі шпилькою (бо там ця сила буде максимальною) або зміна напрямку руху ланцюга на протилежний (витягання його з цитоплазми). Це залежить від сили інерції ланцюга, яка збільшується з його довжиною. Якщо ланцюг буде коротким, то від'єднання молекули РНК може не відбутись. Щоб такого не сталося передбачено об'єднання коротких молекул РНК у структури, які мають назву оперонів [10]. Кожен оперон має довжину більшу за тисячу нуклеотидів, що гарантує від'єднання ланцюга РНК від РНК-полімерази. Після потрапляння у цитоплазму синтезований ланцюг оперону, розділяється на окремі молекули за допомогою спеціалізованих біологічних механізмів, які мають назву РНКаз (RNase) [11]. Перелік молекул РНК, з яких утворюються найголовніші механізми для підтримки процесу розмноження клітин бактерій, надано у табл. 5.

Таблиця 5

Молекули РНК, з яких утворюються структури, що необхідні для розмноження бактеріальних клітин

У цій таблиці показана мала частина відомих механізмів живої клітини, але саме завдяки їх дослідженню було розкрито роль молекул ДНК та РНК у розмноженні клітин усіх живих істот від бактерій до людей. Важливим результатом цих досліджень є визначення причин та наслідків у побудові нових живих клітин. Для всіх організмів, які здатні до автономного розмноження, ця побудова починається з поділу клітини, що має назву зигота (zygote) [12]. У бактеріях та інших одноклітинних роль зиготи збігається зі всім організмом. На стадії підготовки клітини до поділу відбувається інтенсивне утворення усіх її біологічних механізмів. Аналіз досліджень біологів свідчить, що цей процес є виконанням вказівок з молекули ДНК, де вся генетична інформація надана, як послідовність вказівок. ДНК не є інформаційною системою і тому не може виконувати ніяких дій, крім збереження інформації. Дії механізмів бактерії, протягом її життєвого циклу, виконуються у певному порядку, починаючи з дії РНК-полімерази. Без її діяльності жоден механізм не зможе утворитись, бо вона синтезує ланцюги РНК, завдяки яким утворюються усі без винятку механізми клітини. Завершує життєвий цикл клітини механізм ДНК-полімерази, який утворює копію молекули ДНК. Цей процес показано на рис. 7 [ 13].

Рис. 7. Схема процесу копіювання молекули ДНК.

На схемі з лівого боку показано формування двох однакових молекул ДНК. Після завершення дії ДНК-полімерази у клітині з'являються дві однакові молекули ДНК, які розходяться в різні боки. Навколо кожної з них після поділу сформується нова клітина. До цього у клітині повинно бути синтезовано повний набір біологічних механізмів у такій кількості, щоб їх вистачило на дві нові клітини. Неодмінно у кожній новій клітині повинна бути РНК-полімераза, бо без неї не може розпочатись новий життєвий цикл. Як РНК-полімераза, так і ДНК- полімераза, утворюються зі спеціальних молекул білку, що синтезуються механізмом рибосоми з амінокислот. У рибосому амінокислоти доставляють механізми тРНК, а послідовність амінокислот у білках залежить від мРНК. Спочатку утворюються копії ділянок молекули ДНК у вигляді ланцюгів РНК. Серед них повинні бути молекули рРНК, тРНК та мРНК. Крім того потрібна ще низка РНКаз, які розрізають оперони у потрібних місцях та доповнюють кінці деяких молекул РНК спеціальними структурами. Після цього з певних синтезованих білків утворюються механізми РНК-полімерази та ДНК- полімерази. Схему функціонування механізму рибосоми показано на рис. 8 [14].

Рис. 8. Схема синтезу білків за допомогою механізму рибосоми.

На схемі в нижній частині поверх рибосоми (ribosome) показаний фрагмент молекули мРНК (messenger RNA), у вигляді послідовності з чотирьох нуклеотидів (U - урацил, G - гуанін, A - аденін, C - цитозин). Трійки нуклеотидів в мРНК, іменовані кодонами, є командами на приєднання (однієї з 20) амінокислот до молекули білку. Крім того, є стартовий (AUG) та стопові (UAG, UGA або UAA) кодони для позначення початку та кінця синтезу білка. Доставку амінокислот здійснюють транспортні РНК (tRNA), в нижній частині яких показані трійки нуклеотидів, які називають антикодонами. Завдяки властивості взаємного притягання нуклеотидів U з A, а G з C антикодон кожної tRNA притягується до відповідного кодону. Після приєднання амінокислоти до молекули синтезованого білка, tRNA віддаляється від рибосоми до цитоплазми за черговою молекулою амінокислоти. Пошуком та приєднанням молекул амінокислоти до tRNA займаються спеціальні механізми, які називаються aminoacyl tRNA synthetase [15]. Таких механізмів є 20 типів відповідно до кількості амінокислот. Потреба у механізмах РНКаз обумовлена тим, що усі біологічні механізми поступово руйнуються, а їх залишки заважають нормальному функціонуванню клітини. Завдяки діяльності РНКаз непотрібні залишки РНК, а також цілі молекули мРНК, що виконали свою функцію, руйнуються та перетворюються на матеріал для побудови нових біологічних механізмів.

Порядок виконання інструкцій з молекули ДНК. Інформація у ДНК є послідовністю інструкцій, результати виконання яких можна розглядати, як поодинці, так і в цілому. Значення інформації можна визначити за результатом виконання інструкцій. Інформація у ДНК бактерії в цілому є інструкцією щодо збереження життя її виду шляхом поділу клітини. Не можна вважати, що цієї інформації було б достатньо для побудови бактерії з нуля (за умов відсутності живої бактерії), бо такого не спостерігається. Іншими словами, виконання інструкцій з ДНК бактерії може лише розмножувати її у активній стадії життя. Важливе значення має дослідження окремих інструкції, бо виконання кожної з них є черговим кроком на шляху до отримання загального результату.

Розглянемо процес виконання однієї з найпростіших інструкцій, яка має вигляд у ДНК CGGGCGGCTTTCCGCCCG і означає, що слід розірвати ланцюг РНК у тому місці, де починається ця інструкція. Приблизний вигляд ланцюгу РНК у цитоплазмі після копіювання з ДНК (згідно відповідності, що показана у табл. 4) показано на рис. 9.

На рисунку стрілками показані напрямки притягання комплементарних нуклеотидів (C та G), через яке відбувається їх поступове зближення та з'єднання між собою. Оскільки сила притягання між комплементарними нуклеотидами буде зростати зі зменшенням відстані між ними до моменту їх з'єднання, то з кожною наступною парою сила буде збільшуватись. Ця сила розірве синтезований ланцюг РНК у тому місці, яке помічено символом "Х" червоного кольору. Таким чином інструкцію буде виконано, а утворений одноразовий механізм (у формі шпильки) за допомогою механізмів РНКаз буде перетворено на матеріал для синтезу нових ланцюгів РНК. На цьому дії, щодо даної інструкції будуть завершені.

Рис. 9. Схема виконання інструкції для відривання синтезованого ланцюгу РНК шляхом формування структури у вигляді шпильки.

Розглянемо виконання інструкцій щодо побудови структур тРНК і мРНК, які забезпечують діяльність рибосоми. Кількість типів механізмів тРНК повинна відповідати кількості кодонів, крім трьох стопових. Таких кодонів може бути 61. Хоч кількість амінокислот, які використовуються для побудови білкових молекул, у більшості організмів дорівнює лише 20, але є проблема з побудовою молекул мРНК, яку не можливо вирішити без надлишку кодонів. Задача мРНК полягає у формуванні послідовності амінокислот, від якої залежить структура білкових молекул. Цю послідовність необхідно чітко дотримуватись для забезпечити потрібної функціональності механізмів, які утворюються з білкових молекул. Якщо кожну амінокислоту визначав би тільки один кодон, то не можна було б впливати на розміщення комплементарних нуклеотидів, що могло б

призвести до небажаних утворень у формі шпильок. Таке у мРНК є неприпустимим. Молекула мРНК є лише носієм інформації про структуру білку і вона, крім збереження інформації, ніяких інших дій виконувати не може. Вона не є інформаційною системою або механізмом. Для забезпечення руху молекули мРНК до рибосоми і захисту її від руйнування механізмами РНКаз, спеціальні механізми формують структуру під назвою cap (кепка) [16]. Ця структура утворюється на початку мРНК коли ланцюг тільки починає рух у цитоплазму. Розпізнати початок цього ланцюгу досить просто, бо він завжди починається зі стартового кодону AUG. Результат виконання інструкцій щодо побудови механізмів тРНК продемонстровано на рис. 1 0 [17].

Рис. 10. Структура сполук нуклеотидів у транспортній РНК.

На рисунку показано ланцюг нуклеотидів молекули тРНК після з'єднання комплементарних ділянок у цитоплазмі. Ці ділянки, що скопійовані з ДНК РНК - полімеразою, є інструкціями про те, у яких місцях слід з'єднати між собою, відповідні ділянки молекули тРНК. Процес з'єднання відбувається за технологією, що описана вище (див. рис. 9), але у цьому разі використовують, як пари CG, так і пари AU для зменшення інтенсивності процесу, щоб уникнути розірвання ланцюгу РНК. Процес з'єднання буде починатись з лівої та нижньої гілок, бо вони у цитоплазму потрапляють першими, а останньою буде з'єднуватись верхня гілка. Після завершення з'єднання деякі нуклеотиди потребують перетворень. Наприклад, у лівій гілці нуклеотид U перетворюється у дигідроуридин (D) за допомогою спеціальних механізмів шляхом приєднання двох атомів водню до уридину. У біологічній літературі усі такі перетворення називають дозріванням молекул, але після додаткових досліджень з'ясовується, що кожну дію виконує спеціальний механізм, у який закладено інформацію з ДНК. Значна кількість досліджених механізмів утворюється з молекул білку, у структуру яких інформація з ДНК закладається через мРНК.

Тривимірну модель механізму тРНК показано на рис. 11.

Рис. 11. Тривимірна модель молекули транспортної РНК.

Показану на рисунку форму молекула тРНК набуває через те, що здвоєні ділянки нуклеотидних ланцюгів мають властивість скручуватися (приблизно один оберт на 10,4 пар нуклеотидів). Така ж властивість є у молекул ДНК, які теж складаються з двох ланцюгів. Копіювання інформації з молекули ДНК РНК- полімеразою відбувається з одного ланцюга, який має назву базової або смислової послідовності ("sense" sequence). Другий ланцюг називають анти смисловим ("antisense"). Цей ланцюг є комплементарним до першого і тому не вносить додаткову інформацію. Завдяки наявності двох ланцюгів з однаковою інформацією існує можливість відновлення пошкоджень молекули ДНК. У разі розриву одного з ланцюгів зі втратою деяких нуклеотидів, механізми, які називають ДНК-полімеразами, з використанням цілого ланцюгу, відновлюють ДНК. Цим займається також механізм РНК-полімерази після виконання своєї головної функції. Після з'єднання ділянок ланцюгу тРНК, між ними утворюються петлі, де нуклеотиди проявляють більшу активність у порівнянні зі сполученими комлементарними нуклеотидами. У нижній петлі (див. рис. 10 та рис. 11) є три нуклеотиди (антикодон), які призначені для приєднання до кодону молекули мРНК у рибосомі. Ще існує висока активність на кінці тРНК, який має назву 3' (three prime end), бо лише до цього кінця можуть приєднуватись нуклеотиди під час синтезу. До другого кінця, який має назву 5' (fiveprime end) окремі нуклеотиди не приєднуються. До кінця 3' (див. рис. 10) приєднується група CC A-OH, яка є ознакою місця приєднання амінокислоти механізмом aminoacyl tRNA synthetase [15]. Для виконання дій щодо з'єднання та роз'єднання ланцюгів РНК та ДНК існує низка спеціальних механізмів, що мають назву рибозими [18]. Такі механізми утворюються з РНК молекул за такою ж технологією, як і транспортна РНК. Вигляд структури одного з найбільш досліджених РНК рибозимів показано на рис. 12.

Цей рибозим може роз'єднувати ланцюги РНК у певних місцях.

Вигляд сполук у ланцюгах РНК механізму рибосоми, що є найскладнішим із усіх механізмів клітини, показано на рис. 13.

У ланцюзі рибосомної РНК є три ділянки, які на рисунку позначені 23S, 5S та 16S. їх довжина становить 2904, 120 та 1542 нуклеотидів, відповідно. Менша складова частина призначена для розпізнавання кодонів, а більша - для синтезу білків. Ці частини під час синтезу білків з'єднуються між собою.

Рис. 12. Структура сполук нуклеотидів у рибозимі hammerhead (головка молотка).

Рис. 13. Структура сполук нуклеотидів у двох складових частинах рибосомної РНК. Зліва показані з'єднання у більшій складовій частині рРНК, а праворуч - у меншій.

Таким чином, процес побудови механізмів живих клітин, починаючи від найпростішої "шпильки", до найскладнішої рибосоми, є виключно результатом виконання інструкцій з молекули ДНК. Завдяки дослідженню структур усіх біологічних механізмів виявлено єдиний порядок їх побудови. Досконалість розглянутих механізмів підтверджується значним періодом їх існування на Землі у бактеріях, що сягає більше 3 млрд. років. Крім того, усі ці типи механізмів є у клітинах всіх живих істот, включно з людьми.

Альтернативні погляди щодо можливості виникнення життя. Оскільки відомо, що матерія може існувати без присутності інформації, а інформація завжди перебуває на матеріальних носіях, то є припущення щодо можливості перетворення матерії в інформацію. Вирішальне значення тут займає проблема виникнення життя, бо усі системи, що здатні володіти інформацією, походять від живих. Оскільки у житті спостерігається процес розвитку від простого до більш ускладненого, спадає на думку, що є можливість через фізичні процеси та хімічні реакції випадково створити життя з матерії. Хід думок при цьому починається з того, що є можливість утворення органічних молекул за певних фізичних умов. Припускають, що це може бути молекула РНК, яка здатна до самостійного розмноження. Також існують процеси, які перетворюють РНК у ДНК. Усю цю низку перетворень закінчують створенням молекули ДНК, бо не існує живих істот, здатних до автономного розмноження, без цієї молекули. Припустимо, що вдалось утворити молекулу ДНК. Більш того, таку молекулу вчені отримали штучним шляхом, але це не означає побудову життя. Молекула ДНК є лише носієм генетичної інформації і ніяких інших дій, крім збереження інформації, вона виконувати не здатна. Відомо, що у молекулі ДНК знаходяться інструкції, які можуть бути виконані, але для цього треба, щоб ця молекула потрапила у середовище, де є можливість сприймати і виконувати ці інструкції. Єдиним таким середовищем є жива клітина у стані активного життя. Відомо, що вся сукупність інструкцій у молекулі ДНК кожного конкретного організму надає змогу забезпечити розмноження лише даного типу організмів. Про те, як створити життя за умов відсутності живої істоти у ДНК не виявлено. Оскільки інформація є необхідною складовою процесів розмноження та розвитку життя, то побудувати життя не маючи усієї потрібної інформації неможливо. Можна уявити сценарій для отримання такої інформації з використанням механізмів спороутворення. Під час перебування у вигляді спори, живий організм знаходяться у нерухомому стані. При цьому є гіпотетична можливість розібрати його на молекули і створити інформаційну модель, за допомогою якої можна буде зібрати живий організм. Але виконати такі дії може лише розвинута інформаційна система. Це означає, що для побудови життя (з нуля) і у цьому випадку, без інформації обійтись неможливо.

Вічність необхідної для підтримки життя інформації. Цей результат витікає з проведених досліджень властивостей інформації і умов існування живих організмів. Слід зауважити, що в даній роботі досліджувалась лише можливість первинної появи інформації, а не її подальші перетворення, яких може бути незліченна кількість.

По-перше, з властивостей Інформації витікає, що вона може утворюватись та поширюватись на фізичних носіях лише інформаційними системами, а самі по собі носії нічого, крім збереження інформації, виконувати не можуть.

По-друге, оскільки усі штучні інформаційні системи створюються живими, то першими джерелами інформації можуть бути лише живі системи.

По-третє, необхідною умовою існування живих систем є їх розмноження, яке відбувається виключно у живих клітинах під час активної стаді їх життя з використанням життєво необхідної інформації з молекули ДНК.

Єдиним середовищем збереження інформації, з використанням якого може відбуватись розмноження живих клітин, є молекула ДНК, а єдиним місцем, де може відбуватись це розмноження, є клітина у активній стадії свого життя. Під час розмноження відбувається копіювання життєво необхідної інформації на носії у вигляді молекул ДНК та РНК. Збереження життєво необхідної інформації забезпечується процесом розмноження, без чого інформація, на будь -якому носії, приречена на знищення в умовах матеріального світу. Життя та інформація перебувають завжди разом, а це означає, що їх утворити одне без одного неможливо.

Для створення будь-якої інформаційної системи необхідно закласти в неї інформацію. Оскільки життя є інформаційною системою, то для його побудови необхідно закласти інформацію і саме ту, яка може зберігатись лише у живому організмі завдяки розмноженню. Розмноження є неможливим без інформації, а інформація зберігається лише завдяки розмноженню. Тому єдиною можливістю існування життя є його вічність разом з інформацією, яка є його необхідною складовою. Слід зауважити, що умови вічності життя суттєво відрізняються від умов вічності матерії чи енергії, які фізично неможливо знищити. Володіючи інформацією та маючи на озброєнні метод спроб і помилок, живі системи створюють, розповсюджують та накопичують інформацію. Завдяки цьому вже зараз життя можна переносити між планетами, а надалі накопичення інформації не припиняється.

Отриманий результат дозволяє позбутись низки протиріч між головними філософськими течіями: матеріалізмом та ідеалізмом, оскільки не тільки матерія є вічною, але також вічними є життя з необхідною для його існування інформацією.

Висновок

Показано, що для створення будь-якої інформаційної системи необхідно закласти в неї інформацію. Оскільки життя є інформаційною системою, то для його утворення слід закласти інформацію. Ця інформація є необхідною для розмноження і може зберігатись лише завдяки розмноженню. Розмноження є неможливим без інформації, а ця інформація може зберігатись лише завдяки розмноженню. Тому єдиною можливістю існування життя є його вічність разом з інформацією, яка є його необхідною складовою. Цей результат дозволяє позбутись низки протиріч між головними філософськими течіями: матеріалізмом та ідеалізмом, оскільки не тільки матерія є вічною, але також вічними є життя з необхідною для його існування інформацією.

Список використаних джерел:

[1] Вышняков, В. (2021). Информационные технологии помогают уточнению понятия информации. Grail of Science, (11), 245-253. https://doi.org/10.36074/grail-of-science.24.12.2021.041

[2] Вишняков, В. (2023). Принципи розвитку інформаційних систем. Grail of Science, (27), 347-353. https://doi.org/10.36074/grail-of-science.12.05.2023.054

[3] Genome. From Wikipedia, the free encyclopedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Genome

[4] Вишняков , В. (2023). Штучні інформаційні системи допомагають розкриттю таємниць життя. Grail of Science, (24), 351-363. https://doi.org/10.36074/grail-of- science.17.02.2023.064

[5] Bacteria. From Wikipedia, the free encyclopedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Bacteria

[6] Gibson, D.G., Glass J.I. & et al. (2010). Creation of a bacterial cell controlled by a chemically synthesized genome. Science (New York, N.Y.). 2010-07-02; 329.5987: 52-6. https://www.jcvi.org/publications/creation-bacterial-cell-controlled-chemically- synthesized-genome

[7] Hutchison, C.A., Chuang, R.Y. & et al. (2016). Design and synthesis of a minimal bacterial genome. Science (New York, N.Y.). 2016-03-25; 351.6280: aad6253. https://www.jcvi.org/publications/design-and-synthesis-minimal-bacterial-genome

[8] RNA_polymerase. From Wikipedia, the free encyclopedia.

https://en.wikipedia.org/wiki/RNA_polymerase

[9] Promoter_(genetics). From Wikipedia, the free encyclopedia.

https://en.wikipedia.org/wiki/Promoter_(genetics)

[10] Operon. From Wikipedia, the free encyclopedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Operon

Размещено на Allbest.ru