темам может учитывать статистический синтаксический и семантический уровни молекулярной информации

Работа добавлена на сайт samzan.net:

Образование информационных биомолекул

СОДЕРЖАНИЕ

[1] Введение [1.1] 1. Понятие информации на молекулярно-биологическом уровне [1.2] 2. Возникновение биомолекул [1.3] 4. Генетическая память [2] Заключение [3] Библиографический список

Введение

Информационный подход к молекулярным биологическим системам может учитывать статистический, синтаксический и семантический уровни молекулярной информации. Молекулярная информация как некая виртуальная сущность всегда передается с помощью набора химических букв или символов (статистический уровень), упорядоченных использованием кода (синтаксический уровень), для передачи значащего сообщения (семантический уровень), которое вызывает ответную реакцию (цель). Самое главное требование для того, чтобы некая информация могла быть передана от передатчика к приемнику – набор букв или символов. Последовательность букв или символов и синтаксические правила формируют лишь необходимые предпосылки для представления информации. Но основной аспект сообщения, однако же, состоит не в выбранном коде, форме символов или методе передачи (письменных, акустических, электрических, тактильных или обонятельных сигналах), но в его значении (семантике). Именно значение превращает кодовую последовательность букв или символов в информационное сообщение.

Не секрет, что на основе клеточной организации и управленческой деятельности наследственная информация в процессе эволюции формирует и совершенствует все новые и новые биологические объекты, которые вызывают новые циклы захвата и ввода в этот информационный круговорот все новых и новых порций вещества, энергии и информации. Эти процессы являются первопричиной роста, совершенствования, воспроизводства и развития не только отдельных организмов, но и эволюции биосферы в целом.

Об источниках и причинах эволюции живой материи до сих пор продолжаются дискуссии. К примеру, доминирующая в науке теория эволюции Дарвина в своей основе предполагает отбраковку неудачно сконструированных образцов живых организмов, что, якобы, и является движущей силой развития. Однако отделы технологического контроля существуют не только в живой природе и, как мы знаем, не они являются разработчиками и конструкторами годных к применению изделий.

Что же тогда является источником тех могучих движущих сил, которые порождают необузданную генерацию живой материи и ошеломляющее разнообразие жизни?

После того как было установлено, что ДНК является носителем и хранителем наследственной информации, был поставлен вопрос о том, каким образом эта генетическая информация, записанная (зашифрованная) в химической структуре ДНК, трансформируется в фенотипические признаки и функциональные свойства живых организмов, передающиеся по наследству.

В настоящее время можно дать однозначный ответ на этот вопрос: генетическая информация программирует синтез специфических белков, определяющих в свою очередь специфичность структуры и функции клеток, органов и целостного организма. Значительный вклад в современные представления об образовании информационных биомолекул и механизме передачи информации внесли исследования В Лучинина, А. Леска, Ю. Калашникова, А. Ленинджера, Н. Кузнецова и др.

Актуальность работы. Информационный подход проникает во все сферы деятельности человека. Не исключением является и наука о живой материи. Поэтому в ближайшее время самым перспективным направлением в изучении биологической формы движения материи может стать молекулярная биологическая информатика. И, действительно, в настоящее время в некоторых ВУЗах уже открываются новые кафедры со специализацией по информационной биологии, биологической информатике, геномике и т. д. Однако основной упор здесь делается на технические информационные технологии, применяемые для анализа исследовательских данных, моделирования биологических систем и процессов с помощью компьютерной техники. Думается, что основой молекулярной биологической информатики, всё-таки, должен стать не перевод биологической информации на двоичный цифровой язык, а изучение методов хранения, передачи, кодирования, преобразования и использования самой генетической информации при организации биологических молекул, структур и процессов. Именно здесь, несмотря на наличие фрагментарных знаний, имеются обширные пробелы, например, в изучении образования информационных процессов в живых молекулярных системах.

Цель работы: анализ образования информационных биомолекул.

Задачи работы:

1. рассмотреть понятие информации на молекулярно-биологическом  уровне;

2. рассмотреть возникновение биомолекул;

3. обобщить и сформулировать клеточную систему управления, алфавит живой материи;

4. дать характеристику генетической памяти кода и ее информационной основы.

1. Понятие информации на молекулярно-биологическом уровне

Живая клетка – это чрезвычайно мощная информационная управляющая система, представляющая собой универсальный центр по синхронной переработке сразу трёх важнейших составляющих – биоорганического вещества, химической энергии и молекулярной информации1. Она является той элементарной биологической единицей, которая обладает всеми свойствами живого.

“Информация” – это закодированные сведения или данные о любом факте, явлении, объекте или процессе, которые вырабатываются, передаются и воспринимаются той или иной системой2. Здесь информация обозначена как содержательные данные и сведения тех или иных сообщений, которые представлены только в закодированной форме. Как мы видим, любая информация всегда предполагает наличие своей системы, где она способна циркулировать – генерироваться, кодироваться, перерабатываться, передаваться и восприниматься. Информационные процессы всегда непосредственно связаны с отбором нужных сведений и данных, поэтому информация всегда “черпается” из тех источников, которые жизненно необходимы для данной системы.

Никто не будет отрицать, что живая клетка относится к одной из самых древних информационных систем естественного происхождения. Об этом говорит наличие в генах и других клеточных структурах закодированной информации. Об этом говорит наличие в любой живой клетке генетической памяти (ДНК), оперативной памяти (РНК), использование программируемых аппаратных устройств – ферментов, белков и других функциональных макромолекул, наличие молекулярных биопроцессорных систем репликации, транскрипции и трансляции и т. д. Молекулярная информация уже давно стала чрезвычайно распространенной разновидностью информации. Очевидно, что по своему природному статусу, она является праматерью любых других видов информации. Во всем остальном она, как и другие виды кодируемой информации, характеризуется стандартными характеристиками и уровнями существования.

Кодирование сообщений оказалось настолько эффективным способом записи и передачи информации, что первоначально эти принципы были “разработаны” и развиты в молекулярных системах живой природы, а в дальнейшем применены для сложных биологических систем. Закодированная информация в цепочках химических букв и символов биомолекул – это та умозрительная сущность, существование которой мы можем мысленно себе представить, то есть для нас это виртуальная реальность3. Однако для самих биомолекул, это структурная и программная реальность, данная биомолекулам для построения и функционирования. Поэтому виртуальная реальность сейчас определяется как актуальная, событийная реальность, которая реально значима в настоящий момент времени.

Ясно, что кодируемая информация, по всем своим показателям, является гениальным изобретением живой природы. Ведь недаром же она, в результате длительной эволюции, постепенно стала, наряду с веществом и энергией, – основной сущностью нашего мира. Причем, важно отметить, что, несмотря на виртуальность информации, она обладает способностью к селективному отбору, эволюционному разнообразию и подчиняется не физическим законам, а только специфическим закономерностям. Несомненно, информация всегда выступает главной доминантой при управлении различными объектами или процессами.

Можно без преувеличения сказать, что только совокупность всех универсальных свойств информации обеспечила возможность строительства (кодирования и программирования) на основе молекулярных мономеров (химических букв и символов) неограниченного множества различных, по своей конструкции, назначению и функциональным свойствам биологических макромолекул4. А главное, она обеспечила не только потенциальную вероятность зарождения живой материи, но и процессы информационного управления обменом энергии и веществ. Следует также закономерный вывод о том, что многие универсальные свойства, приписываемые сегодня биологической форме движения материи, на самом деле относятся к информации, заключенной в её структурах, но никак не к физико-химическим свойствам её биоорганических носителей! К этим свойствам, в первую очередь, относится способность живой материи к самосборке, саморегуляции, самовоспроизведению, а так же к селективному отбору5. Ясно, что все эти уникальные способности живого обеспечиваются только системной организацией и информацией, существующей на основе биоорганического вещества, но никак не самим веществом, какими бы уникальными физическими или химическими свойствами оно не обладало.

В связи с этим, следует важный вывод о том, что субстанцией наследственности являются не материальные компоненты живого, о чем декларирует молекулярная биология, а его нематериальная (виртуальная) – информационная часть! Похоже, биологи немного поспешили, когда приписали эти фундаментальные свойства – “живой” материи. Очевидно, что все взаимоотношения этих двух категорий следует рассматривать виртуально, то есть в таком их виде, который всегда существовал между информацией и её носителем. Ясно одно, что главнейшей функциональной доминантой в структуре живой материи является – информация! 6

Главная заслуга живой материи, видимо, и заключается в том, что с её “лёгкой руки”, информация, зародившаяся в её недрах, вырвалась как джин из сказочной бутылки! Разве не удивительно, что общие законы и принципы кодирования информации стали не только фундаментальными основами жизни, но и, впоследствии, заново были “открыты” человеком и нашли широкое распространение во многих областях человеческой деятельности: в технике, в науке, в управлении, в экономике, в социальной и общественной сфере и т. д.7 Кодированием стал называться процесс преобразования тех или иных сведений и данных в совокупность букв (символов, цифр или знаков), определяемую кодом. А любой код стал ключом для перевода информации из одной её формы в другую. Поразительно то, что в живых системах информация стала той неуёмной и необузданной силой и субстанцией, которая обладает чрезвычайно высокой способностью (на основе энергии и вещества и системной организации) создавать копии самих себя (реплицироваться), развиваться, совершенствоваться и поэтому вечно существовать во времени и в пространстве. По крайней мере, до тех пор, пока имеются источники энергии и вещества, подходящие условия для существования и позволяет их программа развития. Удивительно, что все мы: люди, животные, растения и даже бактерии являемся лишь оболочками, – биологическими объектами, приспособленными для выживания и дальнейшего воспроизводства этих информационных субстанций.

Вот и получается, что все мы живём под диктатом информации, которая не только окружает нас, но и внедрена и сосредоточена в каждом из нас на генетическом и молекулярно-биологическом уровне! Все мы – люди, по своей сути, и представляем собой высшую форму информационной субстанции, потому что в буквальном смысле состоим из одной информации и подчинены ей на всех уровнях своей сущности: на уровне генов, биологических молекул, на уровне каждой клетки.8 И ничего тут не поделаешь, – просто на Земле живые информационные субстанции существуют в таких видах и формах, которую они формируют на базе своей первичной (генетической и клеточной) информации и имеющейся на Земле материи. Однако чрезвычайная информационная насыщенность живого, к сожалению, биологами до сих пор еще не замечена, не осмыслена и не исследована.

Важным обстоятельством является и то, что перед живой клеткой не возникает проблемы, как передать информацию и, главное, какие материальные средства использовать при строительстве своих аппаратных средств. Информация в живых молекулярных системах записывается с помощью элементарной формы органического вещества – мономеров (то есть био-логических элементов). Следовательно, переносчиком информационных сообщений являются биомолекулы, в структурах которых записывается нужная информация9. При этом обратим внимание на удивительно важные свойства живой материи, которые проявляются повсеместно. А именно: при построении любых биологических молекул и структур используются те же материальные носители, которые применяются для передачи молекулярной информации. Этот факт, пожалуй, может объяснить, почему биомолекулы одновременно подчиняются не только физико-химическим, но и информационным закономерностям.

Известно, что самоуправление и информационный обмен являются самыми существенными характеристиками функционирования живых систем. Поэтому в любых живых клетках феномены кодирования, хранения, перекодирования, передачи, обработки и использования генетической информации являются ключевыми во всех биологических процессах. Именно с кодированием информации связаны многие замечательные свойства живых клеток:

1) возможность хранения, передачи и переработки управляющей генетической информации;

2) реальная возможность структурного (модульного) кодирования и функционального программирования биологических молекул и клеточных структур;

3) совмещение программно-аппаратных средств в структурах ферментов, белков, нуклеиновых кислот и структурах других функциональных биомолекул;

4) возможность обработки сигнальной информации субстратных молекул;

5) способность к переработке трех важнейших составляющих живого – вещества, энергии и информации и т. д10

Поэтому живые клетки одновременно можно рассматривать и как физические, и как химические, и как информационные (буквенно-символьные) системы.11 

В силу этих обстоятельств, молекулярной информацией можно назвать совокупность закодированных в той или иной макромолекуле генетических данных или сведений, определяющих все её структурные, функциональные и информационные характеристики, которые позволят ей программно функционировать и определять её роль, назначение и биологическую судьбу в данной системе. Обратим внимание, что информационные сообщения не могут перемещаться во времени и в пространстве нематериальным способом. Поэтому информация в живой системе – это содержательные данные или сведения в том или ином послании или сообщении генома, которые хранятся, передаются и используются только в закодированной молекулярной форме в виде различных биологических макромолекул. А любой информационный код (и не только генетический) в живой клетке записывается химическим способом с помощью элементарной формы органического вещества (мономеров), поэтому разные кодовые посылки и сообщения могут переноситься в структурах различных макромолекул. 12

Однако заметим, если информация в живой системе не зависит от физических свойств своего носителя, то состав и свойства самого биоорганического вещества полностью зависят от информации. Поэтому можно сказать, что каждое информационное сообщение через элементарный состав и энергию передает своему носителю (биомолекуле) все те биологические качества и свойства, которые определяются генами. К примеру, таким путем происходит трансформация информации и её носителя в определённую структуру белковой макромолекулы со всеми её коммуникативными матрицами, исполнительными органами, механизмами, а так же программным и энергетическим обеспечением. Это позволяет каждой белковой молекуле функционировать в клетке в качестве молекулярного биологического автомата с программным управлением.

Таким образом, живая клетка для реализации, управления и регулирования своих функций и процессов, создаёт свой многочисленный парк молекулярной “робототехники” с программной биохимической логикой управления. В этом, очевидно, и заключается один из секретов молекулярных информационных биотехнологий.

Ясно, что структурное построение и функциональное поведение биологических макромолекул в живых системах подчинено не только известным физическим и химическим законам. Оно подчинено и особым принципам и правилам, которые, по мнению автора статьи, следует отнести к закономерностям молекулярной биохимической логики и информатики! Поэтому, чтобы разобраться в работе информационных систем клетки, в первую очередь, необходимо понять не только принципы и правила их действия, но и осмыслить закономерности применения молекулярной элементной базы.

2. Возникновение биомолекул

Миллиарды лет назад Земля выглядела совсем не так, как сейчас. В атмосфере почти не содержалось кислорода, а озоновый слой, поглощающий жёсткое излучение Солнца, отсутствовал совсем. Вот в таких условиях возникали простейшие органические молекулы (рис. 1).

Рис. 1. Важнейшие классы соединений

Процесс их возникновения можно воспроизвести в лабораторном эксперименте. Если через нагретую смесь воды и газов, например метана СН4, углекислого газа СО2, аммиака NН3 и водорода Н2, пропускать электрический разряд или ультрафиолетовое излучение, из них образуются небольшие, содержащие углерод молекулы.

Но наша планета обладала огромными преимуществами перед учёными: она была (как, впрочем, остаётся и по сей день) очень велика и располагала сотнями миллионов лет.

Что тогда происходило, мы в точности не знаем, и вряд ли когда-нибудь будем знать наверняка. Однако существует модель химической эволюции, которая объясняет происхождение и развитие биомолекул.

Первые органические молекулы (рис.1), образовавшиеся из Н2О, СО2 и NH3, вступали в дальнейшие химические реакции и соединялись в длинные цепочки — полимеры. Они состояли из рядов отдельных молекул, скреплённых химической связью. Среди этих полимеров попадались такие, в молекулах которых могли возникать нековалентные связи, формируя комплексы. Взаимодействие полимеров — раннее проявление изящного и простого принципа комплементарности.13

Для быстрого образования полимеров в реакцию должны «вмешаться» катализаторы. В современной клетке эту функцию выполняют ферменты, которых не могло быть среди первых молекул. Сотни миллионов лет назад катализаторами служили гораздо менее эффективные минералы и ионы металлов. Поэтому процесс синтеза и накопления полимеров шёл чрезвычайно медленно. Такие примитивные системы были прародителями современных согласованных систем биомолекул, способных сами себя регулировать.

Первыми биомолекулами стали молекулы РНК. Дело в том, что их строение позволяет им выполнять множество функций: они могут переносить генетическую информацию, как ДНК, и в то же время, подобно ферментам, способны катализировать химические реакции. Секрет такой универсальности прост. Работать за ДНК молекула РНК может, поскольку в её составе имеются основания, точно так же способные к образованию комплементарных пар, как и основания ДНК.14 А выступать в роли катализатора молекуле РНК позволяет гидроксильная группа углеводного фрагмента, которая отсутствует у ДНК. Эта группа может взаимодействовать с субстратом и повышать его реакционную способность. РНК — мастерица на все руки и первое время обходилась без помощников. Мир РНК — это мир самообслуживания. Но время шло, и появились биомолекулы, более приспособленные для выполнения какой-либо одной определённой функции. Хотя молекулы РНК могут хранить и передавать информацию, с каталитическими функциями они справляются не вполне удовлетворительно: эти молекулы слишком однообразны, чтобы эффективно взаимодействовать с большим количеством разных субстратов. Здесь вне конкуренции молекула белка — полимера, состоящего из различных аминокислотных остатков. Большее разнообразие строительных блоков белка позволяет конструировать молекулы с нужной структурой и свойствами в почти неограниченном количестве. Где уж РНК угнаться за таким мощным катализатором! Но кое в чём РНК тем не менее сохранила своё превосходство. Белки, конечно, демонстрируют блестящее мастерство в катализе, но именно РНК участвует в их синтезе.

Со временем функция хранения информации перешла к другому полимеру. Появилась биомолекула, в точности похожая на РНК, но более устойчивая к гидролизу, —ДНК (рис.2).

Рис. 2. Структура ДНК

Гидроксильная группа РНК, находящаяся у второго атома углерода углеводного остатка, — её преимущество и одновременно недостаток. Эта группа позволяет РНК выполнять каталитические функции, но в то же время из-за неё молекула РНК очень неустойчива. Молекула ДНК лишена гидроксильной группы в этом положении и в результате гораздо более устойчива, а значит, более пригодна для хранения информации. Кроме того, ДНК сущест­вует в форме двойной спирали, что даёт ей возможность легко воспроизводиться и ремонтировать повреждения.

В современном мире у РНК осталась единственная главная функция — участвовать в синтезе белка. Одна часть молекул РНК (информационная или матричная РНК) диктует последовательность аминокислот в белке, другая (рибосомная и транспортная РНК) — способствует соединению аминокислот в белковую цепь.

3. Клеточная система управления: алфавит живой материи

Известно, что если технические информационные системы строятся на базе унифицированных узлов и логических элементов, то всё живое на Земле, от ничтожной бактерии до слона, состоит из одинаковых “строительных блоков” – стандартного набора более чем трёх десятков типовых функциональных био-логических (биохимических) элементов15. Этот типовой набор представляет собой, ничто иное, как унифицированную элементную базу, или общий молекулярный биологический алфавит, который, по мнению автора статьи, служит не только для построения биомолекул, но и для кодирования и программирования молекулярных структур и функций живой материи. В состав этого уникального комплекса элементов входят различные системы биологических элементов (отдельные молекулярные алфавиты):

1) восемь нуклеотидов, – “четыре из них играют роль кодирующих единиц ДНК, а другие четыре используются для записи информации в структуре РНК”16;

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.

Заметим, что каждый типовой биологический элемент (химическая буква или символ) характеризуется наличием своих функциональных атомных групп, которые определяют его химические свойства и служат входными и выходными цепями, с помощью которых элементы могут, с использованием соответствующих молекулярных средств и программ, ковалентно соединяться друг с другом в длинные молекулярные цепи17. И главное, – важно отметить, что каждый элемент (мономер) имеет еще и свою индивидуальную боковую атомную группу (или группы), которая в живой системе, как считает автор статьи, используется в качестве элементарного информационного химического сигнала. Вспомним: сообщение в цепи ДНК или РНК кодируется в виде последовательности нуклеотидов, а носителями генетической информации являются азотистые основания – “боковые” атомные группы нуклеотидов18. Соответственно, и в полипептидной цепи белка это сообщение записывается в виде последовательности аминокислот, где носителями информации (единичными сигналами) являются их боковые R-группы.

Общий алфавит живой материи состоит из более 30 химических букв и символов молекулярного языка живой природы, с помощью которых кодируется биологическая информация. Причем, для “автоматизации” процессов кодирования и перекодирования биологической информации в живой клетке применяются свои молекулярные биопроцессорные системы, такие как аппаратные устройства репликации, транскрипции и трансляции генетической информации. А “теоретической и технологической” основой применения молекулярной базы служат свои универсальные законы и принципы, которые, следует отнести к закономерностям “молекулярной биохимической логики и информатики”

Все химические буквы и символы живой природы являются натуральными дискретными единицами молекулярной информации19. Важно также отметить, что весь этот комплекс элементов обладает функциональной полнотой, так как содержит функционально полный набор био-логических элементов. Именно поэтому живая природа, пользуясь био-логическими элементами, способна к построению и реализации любых биологических структур и функций. Ясно, что для модульного кодирования и функционального программирования биологических молекул и структур в живой клетке широкое применение находят базовые унифицированные биологические элементы. Информация в живой молекулярной системе всегда передается с помощью “набора химических букв или символов (статистический уровень), упорядоченных использованием кода (синтаксический уровень), для передачи значащего сообщения (семантический уровень), которое вызывает ответную реакцию (цель)”20. Интересно, что кроме передачи сообщений все био-логические элементы обладают еще и универсальной природной способностью к выполнению различных – химических, энергетических, программных и других биологических функций.

Невероятно, но все биохимические буквы и символы элементной базы (мономеры) живой материи оказалась наделёнными такими химическими и физическими природными качествами и свойствами, сочетание которых позволяет им в составе биологических молекул одновременно выполнять буквально различные по своей биологической роли элементарные функции и операции:

1) служить в качестве строительных блоков, с помощью которых осуществляется физическое построение различных макромолекул;

2) выполнять роль натуральных информационных единиц – химических букв или символов, с помощью которых в биомолекулы записывается молекулярная информация;

3) служить в качестве элементарных единиц молекулярного кода, с помощью которых идёт кодирование, преобразование, передача, а впоследствии, – воплощение и реализация генетической информации;

4) быть программными элементами, с помощью которых строятся алгоритмы структурного преобразования, а затем и программа функционального поведения различных биологических макромолекул;

5) обуславливать потенциальную и свободную химическую энергию биомолекул и т. д.21 

Только при использовании общего молекулярного алфавита у живой клетки появляется способность хранить, передавать и преобразовывать информационные сообщения. Всё это указывает на то, что информация, загруженная в макромолекулы (с помощью аппаратных средств и молекулярного алфавита), определяет не только их молекулярное содержание, но и их структуру, форму, класс биоорганического соединения, потенциальную и свободную энергию химических связей.22 Кроме того, та программная информация, которая загружена в молекулярные структуры, всегда определяет информационное и функциональное поведение биологических макромолекул в живых системах. Следовательно, вещественный состав живой материи так же, как и все его функциональные свойства полностью зависят от наследственной информации.

Очевидно, что все загадки биологической формы материи кроются не только в системной организации, но и в таком уникальном явлении, как слияние в одно структурно-функциональное целое трёх важнейших её составляющих – органического вещества, химической энергии и молекулярной информации23. Поэтому информация, точно так же, как и химическая энергия, обнаруживает полное сродство с живым веществом на его элементарном уровне. Можно сказать, что триединство вещества, энергии и информации является основным фактором, обеспечивающим существование живой материи. Причем, информация, внедрившаяся в структуру биоорганического вещества, стала той организующей и системной силой, которая гарантировала их функциональное единство и движение по различным ступеням развития. К сожалению, феномен триединства создаёт для исследователя иллюзию того, что в живой материи, кроме вещества, нет ничего. А реально существующие информационные механизмы и процессы, почему-то постоянно “ускальзывают” от нашего внимания. Не потому ли, в изучении биологической формы материи до сих пор господствует лишь только одно физико-химическое направление? Между тем, затянувшееся игнорирование биологами информационной составляющей биомолекул до крайности тормозит изучение и исследование живой материи. Отсюда, как результат наблюдается мировоззренческое отставание и топтание на месте24. По всей вероятности, это следствие господствующего влияния культа физико-химического направления, традиционно доминирующего в молекулярной биологии.

Очевидно, что только химические буквы и символы общего алфавита (био-логические элементы) живой клетки являются натуральными единицами молекулярной биологической информации. И если за единицу информации в технических устройствах принята двоичная единица – бит, то в живых системах каждая буква или символ является элементарной, натуральной и унифицированной единицей молекулярной информации25. Хотя информация, как важнейшая сущность нашего мира, явление, в целом, глобальное и пока неподдающееся философскому определению, однако в молекулярной биологии, как мы видим, это понятие приобретает своё специфическое смысловое и физическое воплощение.

И действительно, мы убеждаемся в том, что элементарный состав биологических макромолекул определяет не только структуру живого вещества, но он же, тождественно, является и эквивалентом информационного генетического сообщения, и средством программного и энергетического обеспечения. Это замечательное свойство живой материи можно назвать тождественностью органического вещества, химической энергии и молекулярной информации. Поэтому, зная основы биохимии и молекулярной биологии, можно констатировать, что принцип единства вещества, энергии и информации – это и есть тот главный и основной закон, который определяет и обуславливает само существование живой формы материи26. А уникальные свойства элементной базы живой материи лишь подтверждают такую гипотезу. При этом информация, – это содержательные сведения генетических сообщений, которые передаются в структурах биологических молекул с помощью молекулярных кодов. Эти коды формируются на основе химических букв и символов (биологических элементов) и служат как для построения различных макромолекул и структур живой клетки, так и для получения различных биохимических, молекулярных и информационных функций, а так же для передачи сигналов управления и оповещения.27 

Макромолекулы и структуры живой системы, состоящие из био-логических элементов (составляющих коды), являются естественными носителями информации и программных средств, поэтому они всё время находятся во взаимодействии друг с другом и с системой управления. В связи с этим, все информационные управляющие процессы в живой клетке, как правило, базируются на применении целостных биохимических элементов. К примеру, при организации процессов репликации, транскрипции или трансляции генетической информации, управляющая система клетки манипулирует целостными элементами – нуклеотидами или аминокислотами, которые играют роль химических букв биологической информации. При построении полисахаридов или липидов она манипулирует уже другими элементами – простыми сахарами и жирными кислотами, которые вполне можно назвать символами молекулярной информации. Значит в действительности молекулярная информация в живой системе вовсе не “миф, а закономерная реальность”. 28

Кроме того, в ступенчатых химических реакциях различные ферменты способны манипулировать и отдельными химическими знаками этих элементов, то есть их составными частями, – боковыми или функциональными атомными группами, отдельными атомами и их химическими связями. Эта способность управляющей системы основана на том, что все биохимические элементы, а значит и биомолекулы клетки, обладают различными типовыми функциональными и боковыми группами и химическими связями, которые свободно узнаются и тестируются соответствующими ферментами. Боковые и функциональные атомные группы и их химические связи – это и есть те опознавательные знаки, благодаря которым управляющая система легко может идентифицировать любой био-логический элемент клетки.

Значит, в живой клетке, кроме молекулярного алфавита различных элементов, существует ещё и свой химический алфавит типовых атомных групп и атомов, манипулируя которыми управляющая система может осуществлять их движение от одного элемента к другому (а, значит, и между молекулами). Поэтому, циркуляция атомных групп и атомов определяет свою субмолекулярную форму движения информации, которая в живой клетке организована в виде управляемых ступенчатых химических реакций. 29

Таким образом, информационные процессы в живой клетке практически затрагивают не только молекулярный уровень организации, но и, что удивительно, субмолекулярный – атомный. Однако следует заметить, – если целостные элементы служат для организации самих аппаратных устройств и управляющих информационных процессов клетки, то их химические знаки используются также и в качестве информационных сигналов для организации управляемых химических процессов. В связи с этим, управляющая система клетки, в целом, способна манипулировать различными химическими “буквами, символами и знаками”, которым предписан определённый биологический и информационный смысл.

Для более четкого восприятия информационной концепции управления, а также для устранения разночтений в тексте, условно можно принять, что30:

1) химическими буквами в клетке являются нуклеотиды и аминокислоты, с помощью которых непосредственно записывается управляющая и структурная информация нуклеиновых кислот и белковых молекул;

2) остальные элементы, например, простые сахара и жирные кислоты, являются химическими структурно-информационными символами, служащими для построения других классов биомолекул (полисахаридов и липидов), а также для записи в их структуру функциональной информации;

3) информационные химические знаки, которыми может манипулировать управляющая система в ступенчатых химических реакциях, – это отдельные структурно-химические части – функциональные или боковые группы и атомы различных биохимических элементов, и их химические связи.

Ступенчатые химические реакции, как правило, характеризуются упорядоченным и целенаправленным движением отдельных химических знаков, переносимых от одного элемента к другому, а, значит, и между молекулами.

Это напрямую подтверждает мысль о том, что как управляющая, так и сигнальная осведомляющая информация в живой клетке хранится, передаётся и циркулирует только в составе различных биологических молекул.

Важно отметить, что живая клетка, точно так же как и любая другая система для “автоматизированной” переработки информации, имеет свою “операционную систему” – набор программ, который формирует, организует и приводит в действие многие аппаратные и программные ресурсы живой клетки.31 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.

Как известно, операционная система – это совокупность важнейших программ, предназначенных для управления процессами считывания генетической информации и трансляции (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 информации из одной системы её кодирования в другую. А для перевода закодированных сообщений используются свои программы-переводчики. 32Поэтому, можно сказать, что операционная система состоит из набора отдельных транскрибирующих и транслирующих программ, обеспечивающих как построение, программирование, 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). 33

В структурной схеме операционная система представлена соответствующим участком генетической памяти, своими ядерными биопроцессорными устройствами (транскрипционный аппарат, блок процессинга и каналы ввода/вывода операционной системы), которые кодируют и программируют синтез рибосомных, транспортных и информационных РНК системы. Далее иРНК, в качестве биомолекул оперативной памяти поступает в операционный блок биопроцессорной системы трансляции (см. в левой части структурной схемы), где осуществляется кодирование и программирование белков и ферментов, которые обеспечивают работу транскрипционного и трансляционного аппаратов клетки.

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 интеграции34. Причем, необходимо обратить внимание на сложность информационных процессов, протекающих в живой клетке, которая обусловлена тем, что многочисленные типовые молекулярные биопроцессорные единицы (например, рибосомы) параллельно работают не только с большим числом программ сразу, но и одновременно находятся в различных по назначению управляющих блоках. Если взглянуть на структурную схему, то там, для наглядности, управляющие биопроцессорные блоки распределены по разным управляющим системам.35

Таким образом, общий принцип работы информационной молекулярно-биологической системы управления сводится к упорядоченному манипулированию различными химическими буквами, символами и знаками, которым предписан определённый информационный смысл. Сам механизм действия системы основан на том, что все операции, связанные с организацией управляющего процесса, производятся над единицами биологической информации – химическими буквами и символами. А операции, связанные с управляемыми процессами производятся над составными частями молекул субстрата – химическими знаками их элементов. Это означает, что все химические и биологические процессы в живых молекулярных системах управляются только информационным путём, а источником управляющей информации является генетическая память. Данный момент трудно переоценить, так как он является ключевым для молекулярной биохимической логики и информатики.

4. Генетическая память

Хранилищем и источником наследственной информации в каждой живой клетке является ДНК хромосом (рис. 3).

Рис. 3. Генетическая память

Генетическая память, как долговременное запоминающее устройство, служит для длительного хранения данных и программ.36 Однако, естественно, всегда надо помнить, что генетическая память хромосом – это понятие несравненно более обширное и более грандиозное, чем, к примеру, память компьютерная. К этой многосложной молекулярной структуре, отождествляющей “спираль жизни”, нельзя относиться без особого уважения и благоговения.

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. Генетическая память имеет: операционную систему; полный набор программных средств для обслуживания ступенчатых процессов катаболизма и энергетического обеспечения; программные средства для обслуживания процессов биосинтеза молекул, систем репарации ДНК, аппаратных устройств ввода молекулярной информации питательных веществ и вывода конечных продуктов обмена веществ и т. д.37 

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. В генетической памяти хранится множество пакетов программ, обеспечивающих те или иные биологические функции и процессы.38 Поэтому “автоматизированное” управление процессами решения различных биологических задач в живой системе осуществляется на основе принципа программного управления. Для программной переработки генетической информации широко применяется принцип микропрограммного управления, когда выполнение одной биологической операции (например, в процессах репликации, транскрипции или трансляции), распадается на последовательность отдельных элементарных операций. А главной задачей программных средств, используемых в живых клетках, является обеспечение оперативного взаимодействия управляющей системы с молекулярными объектами управления (субстратами). Причем, ключ к решению биологических задач, с помощью управляющей системы, лежит не в переборе вариантов при поиске решений.

Программы, загруженные в структуру белковых и других биомолекул, реализуют стереохимические принципы узнавания и динамического взаимодействия, которые гарантируют точность матричного спаривания биологических молекул и проверку их на комплементарное соответствие друг другу.39 То есть, в процессе взаимодействия биомолекул широко используются принципы обратной связи. Этим достигается не только повышенная помехоустойчивость при прохождении управляющей информации, но и высокая достоверность передачи сообщений. В свете рассмотренных идей (молекулярной биохимической логики и информатики), становятся понятными и механизмы 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 клетки40.

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 загруженной в их структуру информации и своим стереохимическим кодовым компонентам, – четко знает свою функциональную роль. 41

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 биологических процессов в живой клетке42.

5. Матричный принцип информационных взаимодействий

Направленный процесс кодирования и передачи информации от источника информации к приемнику называется коммуникацией43. Например,  ряд генов кодирует ферменты пути биосинтеза холестерина и при их активной экспрессии холестерина в клетке нарабатывается много. В кассету генов, регулируемых холестерином, входит также рецептор частиц ЛПНП. При активации экспрессии этого белка активируется поступление холестерина внутрь клетки (рис.4).

 

Рис.4. Кодирование и передачи информации в кассету генов, регулируемых холестерином.

А коммуникативность в живой системе – это способность биологических молекул к обмену информацией через посредство общей системы символов, то есть с помощью их линейных или стереохимических кодовых матриц.

По принципу взаимодополняемости микроматрицы молекулярных партнёров должны комплементарно соответствовать друг другу44.  Биологические функции возникают лишь в процессе адресной встречи и обмена информацией между биомолекулами с помощью их кодовых стереохимических микроматриц, 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.

Можно сказать, что к наиболее изученным информационным взаимодействиям в живой клетке относятся именно матричные процессы. Здесь хорошо просматриваются идеи программного биологического управления, когда случайные беспорядочные столкновения молекул сменяются четко организованными, генетически детерминированными процессами45. Например, последовательность нуклеотидов в одной цепи ДНК автоматически определяет последовательность в другой, комплементарной цепи. В поддержании и закреплении третичной структуры глобулярных белков принимают участие различные типы комплементарных (информационных) сил, связей и взаимодействий между элементами или фрагментами полипептидной цепи: электростатические эффекты, ионные и водородные связи, вандерваальсовы силы и гидрофобные взаимодействия. Во время конформационных преобразований каждый сигнал R-группы полипептидной цепи кооперативно взаимодействует с другими сигнальными элементами, а также с молекулами воды, которая всегда принимает участие в формировании трёхмерной структуры белка46.

При этом стабилизация трёхмерной конформации белковой молекулы и правильное расположение структур определяется сочетанием различных типов комплементарных взаимодействий:        

1) ионными связями между положительно и отрицательно заряженными боковыми группами аминокислот;                                        

2) водородными связями между атомами, несущими частичные положительные и частично отрицательные заряды;                                    

3) гидрофобными взаимодействиями, обусловленными стремлением неполярных боковых R-групп аминокислот объединиться друг с другом, а не смешиваться с окружающей их водной средой;                                        

4) ковалентными связями между атомами серы двух молекул аминокислоты цистеина.47                                            

Таким образом, трёхмерная конформация белка однозначно определяется информацией, которая записана в «линейной» аминокислотной последовательности его полипептидной цепи. Отсюда следует, что любые информационные взаимодействия между фрагментами молекулярной цепи в структуре биомолекулы или же между  биомолекулами клетки могут базироваться только на химической и стерической комплементарности их биохимических матриц, то есть на дополнительности  химических свойств, электрических зарядов и структурных рельефов друг другу.                                           

Естественно возникает вопрос, почему живые молекулярные системы так широко применяют матричный способ рецепции и передачи информации? Заметим, что этот способ одновременно объединяет как структурный, так и химический способ соответствия кодовых компонентов48. Во-первых, при взаимодействии биомолекул при помо-щи кодовых микроматриц большая роль отводится ионным взаимодействиям как наиболее дальнодействующим (до 0,7нм) и включающимся в первую очередь. Затем между молекулами возникают более короткодействующие (на расстоянии до 0,2 нм) связи: водородные, гидрофобные, вандерваальсовы. Однако для того, чтобы эти силы могли возникнуть и действовать, необходимо, прежде всего, стерическое, пространственное соответствие (комплементарность) взаимодействующих поверхностей.49 

Иначе говоря, должна существовать возможность сближения этих поверхностей на короткое расстояние, при котором возможно образование перечисленных связей. Необходима также комплементарность по распределению зарядов противоположного знака (для возникновения электростатических  сил), гидрофобных областей и групп, способных к образованию водородных связей.

Таким образом,  в процессе информационных взаимодействий важнейшую роль играет явление физико-химического кодового «узнавания», то есть  наличие стерической и химической комплементарности. Наличие в структурах макромолекул как внутримолекулярных, так и внешних информационных сил и связей (обусловленных составляющими их элементами), которые сами по себе слабы, но мощны своей многочисленностью и разнообразием, позволяет говорить о том, что внутри и вокруг  макромолекулы образуется специфическое силовое «информационное поле», которое способно влиять как на структуру самой макромолекулы, так и на  её микроокружение. При этом сама макромолекула как бы стабилизируется самосогласованным сжимающим информационным полем, обусловленным кооперативными силами притяжения между боковыми атомными группами и атомами мономеров.50 Эти рассуждения приводят нас к мысли о существовании полей особого типа, которые можно назвать  «информационными полями и сферами» живой материи.

Таким образом, информационная сфера – это состав того информационного поля, которое образуется и окружает конкретную  биологическую молекулу в определённый период времени.  А наложение  информационных сфер друг на друга и создаёт в окружающем пространстве живой клетки общее информационное поле.                                                                 

Можно констатировать, что информационное поле живой материи – это одно из видов полей, которое образуется с помощью различных биологических молекул и клеточных структур, способных к информационному взаимодействию. Молекулярные информационные поля,  по всей вероятности, служат для облегчения дистанционного, а затем, и контактного коммуникативного общения биологических молекул друг с другом. Только в таком поле молекулы, находящиеся в клеточных отсеках, способны быстро находить друг друга, информационно взаимодействовать и  возбуждать при этом биологические функции. Любая молекула может находиться в одной из точек информационного поля, от энергии которого  и зависит её поведение. 51

Информационные взаимодействия, обусловленные кодовыми микроматрицами, состоящими порой из многочисленных боковых атомных групп элементов, достаточно сложны и более грандиозны чем, к примеру, процессы в цифровых системах. Они связаны с меняющейся динамикой взаимодействия и многовариантностью физико-химических сил и связей, определяющих характер молекулярной  биологической информации. Здесь отсутствуют четко тестируемые сигналы определённого типа, как, например, 1 и 0 в цифровых устройствах. Каждый элементарный биологический сигнал боковой группы имеет своё смысловое значение и характеризуется своим набором физико-химических свойств, и своим позиционным расположением в биохимической матрице. От этих параметров, по всей видимости, и зависит функциональная направленность и кооперативность действия каждого индивидуального единичного сигнала, то есть неоднозначность действия отдельного биологического элемента, входящего в состав кодового (микроматричного) сигнала макромолекулы.    

Целью химического и стереохимического кодирования биомолекул является передача адресных информационных сообщений с кодовым разделением различных по своему назначению сигналов52. Более чем наглядно это видно, когда такая программа реализуется в форме белков и ферментов, то есть в виде молекулярных биологических автоматов или манипуляторов.

Поэтому можно сказать, что это – универсальный путь передачи управляющей информации для непосредственного использования её в различных биологических процессах. Очевидно, что по кодовым компонентам полипептидных цепей вполне можно делать предсказания и о трёхмерных пространственных структурах белковых молекул, и об их функциональном и информационном назначении.

Изучение кодовых посылок, линейных и стереохимических кодов и кодовых комбинаций (программных модулей) в структуре биологических молекул, должно стать приоритетным направлением в молекулярной биологической информатике. Аналогичным образом идет трёхмерное преобразование макромолекул полисахаридов или липидов, осуществляемое  кодовыми элементами простых сахаров или жирных кислот. При этом, естественно, эти макромолекулы будут иметь свое функциональное назначение и свои  биологические характеристики.

6. Информационная основа управляемых процессов

Поскольку живая форма материи является высшим единством, связующим в себе в одно целое – вещество, энергию и информацию, то и проблема информационной организации живых систем становится ключевой проблемой молекулярной биологии.53 Для биосинтеза и организации важнейших классов биоорганических соединений (нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов и липидов) и для записи в их структуру информации применяются различные алфавиты – системы биологических элементов. Следовательно, разные алфавиты служат для кодирования различных форм молекулярной биологической информации54. Например, информация в виде последовательности нуклеотидов определяет структуру биомолекул ДНК и РНК. Информационные сообщения в виде последовательности аминокислот кодируют и программируют структурно-функциональную организацию белковых молекул. Информационная последовательность моносахаридов или жирных кислот кодирует структуру и функции полисахаридов и липидов. Всё это подтверждает мысль о том, что различные виды молекулярной информации определяют структурную и функциональную организацию разных классов биологических молекул. Следовательно, молекулярное содержание любой биомолекулы определяется только формой представления информации, то есть её видом.55 Поэтому все виды информационных передач в живой клетке носят чисто биологический характер, так как только они детерминируют построение и функции различных классов биологических молекул и структур.

Следует отметить, что различные виды (формы) молекулярной информации определяют и программируют различные классы биологических молекул. А чтобы перевести информацию из одной её молекулярной формы в другую, живая клетка использует различные биологические коды56. Например, информация, записанная в структуре ДНК и РНК нуклеотидной последовательностью, переводится в аминокислотную последовательность белка с помощью генетического кода. А для того, чтобы перевести аминокислотную последовательность в трёхмерную структуру и информацию белковой молекулы, применяется аминокислотный код. Поэтому в живой клетке используются различные молекулярные биологические коды, а кодирование и преобразование различных видов информации применяется специально для организации информационных процессов, а, следовательно, и для реализации различных биологических функций57. К примеру, коды активного центра гликоген-синтазы несут генетическую информацию о биосинтезе макромолекул гликогена. Значит, эти коды эквивалентны функциональным возможностям фермента.

Очевидно, что информация в живой системе ответственна не только за молекулярное содержание её компонентов, но и выступает в качестве всеобщей взаимосвязи и взаимозависимости её молекулярных объектов. Поэтому информационные взаимодействия различных классов биологических молекул друг с другом осуществляется на трёхмерном уровне их структурной организации, с помощью локальных или поверхностных биохимических матриц. Следовательно, информация в молекулярной биологии не только свойство и содержание биологических молекул и структур, но и средство управления и сигнализации, способное совершать работу. Результатом этой работы является строгая последовательность, упорядоченность и согласованность химических процессов, физико-химических, морфологических и физиологических изменений. Только по этой причине физико-химические процессы в живой системе выходят за свои собственные рамки и вступают в более содержательную область, – область молекулярной биохимической логики, информатики и управления. Поэтому информация в молекулярной биологии не отвлеченное понятие, а само содержание и сущность живой формы материи. А сама биологическая форма материи формируется и "движется" под руководством управляющей системы, благодаря использованию генетической информации и молекулярного алфавита живой материи58. Единство информации со структурой и энергией живого вещества является важной движущей силой и особенностью эволюции живой материи. А консервация информации в субстрате биоорганического вещества, в виде различных биохимических букв и символов, становится характерной чертой даже биотического круговорота. Поэтому в прямом и буквальном смысле можно говорит о том, что каждая живая система обменивается с окружающей средой молекулярной информацией, а значит и веществом, и энергией. Отсюда следует, что назначение информационного подхода к молекулярным биологическим проблемам состоит в том, чтобы понять принципы функционирования живых систем, отправляясь от их структуры и сведений о свойствах их составных элементов, которые являются натуральными единицами молекулярной биологической информации. Загадка жизни, видимо, и кроется в том, что основой её проявления служит генетическая память, а все процессы функционирования осуществляются и поддерживаются информационной молекулярно-биологической системой управления, созданной на базе живой клетки.

Перед живой клеткой не возникает проблемы – как осуществить адресную передачу биологической информации внутри клеточной системы, или вне её. Основным способом передачи информации является транспортировка и адресная доставка биологических молекул, в структурах которых записана нужная информация.59 Доставка информации в соответствующее место осуществляется автоматически. Для этой цели в живой клетке существуют специальные системы автоматической сортировки и адресной доставки сообщений (биомолекул), имеется разветвлённая сеть физических каналов связи, компартментов и отсеков. Причем, как сортировка, так и адресная доставка информации осуществляется на основе специальных кодов сортировки и адресации, которыми снабжаются все биомолекулы при их изготовлении. Информационные сообщения в клеточной системе имеют свои специфические свойства и особенности.60 Во-первых, с одной стороны, сама управляющая система клетки является источником управляющих сообщений, команд и инструкций, передаваемых в виде кодовых передач в структурах белковых молекул по различным каналам на многочисленные биохимические объекты управления (субстраты), которые являются приёмниками управляющей информации. Однако с другой стороны, различные биохимические объекты управления являются источником сигнальной осведомляющей информации для выходных аппаратов управляющей системы (ферментов и белков). Таким образом, потоки управляющей и сигнальной молекулярной биологической информации в живой клетке всегда направлены навстречу друг другу. Поэтому управлением в живых системах, по-видимому, можно назвать передачу и транспортировку на расстояния, с помощью ферментов, команд управления и исполнительных органов, воздействующих на химические кодовые группы молекул субстрата.

Живая клетка относится к системам с распределёнными объектами управления, где применяется адресный способ передачи управляющей информации от центральных устройств к многочисленным локально рассредоточенным объектам управления. А сигнальной осведомляющей и регуляторной информации обратно, от объектов к центральным или местным управляющим устройствам (ферментам и белкам). Причем "запрос" управляющей информации, как правило, осуществляется на основе поступившей в клетку осведомляющей информации субстратов61.

Живая клетка относится к информационной молекулярно-биологической системе управления, извлекающей свободную энергию и сырьевые ресурсы из окружающей среды. Поэтому, для реализации различных биологических функций и химических превращений в живой клетке, применяются и различные категории информационных сообщений, а именно62:

1) молекулярно-биологическое управление – транспортировка и адресная доставка ферментов (белков), а значит, и передача на расстояние их дискретных сигналов, команд, исполнительных органов и механизмов, для непосредственного химического и динамического воздействия на объекты управления (субстраты);

2) структурно-функциональная информация – при передаче кодовых дискретных сообщений о трёхмерной организации биомолекул, выполняющих структурные или иные биологические функции;

3) осведомляющая сигнализация – транспортировка и адресная доставка в нужный компартмент живой клетки молекул субстрата, с целью передачи дискретных сигналов от субстрата к соответствующим ферментам о состоянии объектов управления;

4) сигнальная и регуляторная информация – при передаче дискретных сигналов в виде молекул обратной связи, воздействующих непосредственно на исполнительные органы белков и ферментов, с целью контроля и регуляции химических превращений;

5) безадресная передача регуляторной информации биомолекулам клетки, которая осуществляется путём изменения концентрации ионного состава клеточной микросреды, изменения водородного показателя рН и т. д.

Необходимо отметить, что биологическая информация в живой системе может существовать в различной форме. Наиболее характерными формами существования биологической информации в живой клетке являются: статическая, динамическая и сигнальная осведомляющая. Статическая управляющая информация кодируется в структуре ДНК при помощи нуклеотидов. Генетическая память сама по себе структура инертная и статическая, поэтому первичная биологическая информация существует в кодовой форме записи определённых сведений и сообщений в соответствующих генах ДНК. Динамическая управляющая информация является производной от генетической, она определяется линейной и затем трёхмерной организацией биомолекул, то есть в конечном итоге имеет стереохимическую форму представления. Благодаря стереохимической форме представления молекулярной информации ферменты и белки способны в автоматическом режиме решать ряд биологических задач.

Осведомляющая информация (сигнализация), воспринимаемая управляющей системой клетки, передаётся кодовыми элементами (буквами или символами) молекул субстрата. Ферменты и белки способны специфически (информационно) взаимодействовать с различными биологическими элементами и их химическими знаками63. Поэтому в качестве объектов сигнальной осведомляющей информации в живой клетке могут выступать как отдельные биохимические элементы, так и различные биомолекулы, состоящие из таких элементов, то есть многочисленные молекулы субстратов.

Осведомляющая сигнализация служит для информирования системы о состоянии управляемых биохимических объектов, о ходе химических реакций, об эффективности протекающих процессов и т. д. Управляющая система клетки реагирует только на ту сигнальную информацию, которая свойственна её природе.64 В связи с этим, одним из главных признаков процессов управления в клетке является беспрерывная циркуляция информации, которая заранее загружена в молекулярную структуру биоорганического вещества. При этом, если динамическая управляющая информация непосредственно связана с молекулярными структурами белков (закодирована в них), то сигнальная осведомляющая информация, воспринимаемая белками, заключена в структурной организации их молекулярных партнёров. Поэтому можно констатировать, что биологическая информация в живой клетке может существовать в различной форме и записываться с применением различных химических букв и символов, к примеру:

1) статическая управляющая информация кодируется в структуре ДНК при помощи нуклеотидов;

2) динамическая управляющая информация белковых молекул записывается и реализуется при помощи аминокислот;

3) сигнальная (осведомляющая) биологическая информация может обеспечиваться различными буквами и символами общего алфавита живой материи, а, следовательно, и их химическими знаками65.

Поэтому потоки и циркуляция информации в живой системе тождественно могут быть представлены потоками и циркуляцией различных биологических молекул. В связи с этим появляется необходимость деления информации по форме, видам и категориям, например66:

1) по форме представления – непрерывная (аналоговая) и дискретная;

2) по принципу записи – химическая и стереохимическая;

3) по назначению и характеру действия – управляющая (функциональная) и сигнальная (осведомляющая);

4) по форме существования – статическая и динамическая;

5) по признакам и свойствам – генетическая (наследственная, статическая, определяющая генотип) и биологическая функциональная (производная от генетической, динамическая, определяющая фенотип);

6) по способу существования – вещественная виртуальная (закодированная в макромолекулах) и логическая виртуальная (знание, сознание) и т. д.

Заключение

Удивительный и таинственный микроскопический мир молекулярной информатики любой живой клетки далек от наших повседневных представлений. Живые молекулярные системы обладают невероятной плотностью записи информации, так как её кодирование в структурах биомолекул осуществляется на субмолекулярном уровне, с помощью боковых атомных групп молекулярных биологических элементов – нуклеотидов, аминокислот, простых сахаров, жирных кислот и других мономеров.

Поэтому, историческим первоисточником кодированной информации, со всей очевидностью, следует считать "самые древние” живые молекулярные системы и, несмотря на виртуальность молекулярной информации, она отличается не только повышенной природной помехоустойчивостью и достоверностью при передаче сообщений, но чрезвычайно высокой своей "засекреченностью”.

Следует также отметить, что любая макромолекула в клетке создается для выполнения тех или иных биологических функций, поэтому она всегда встраивается в общую систему управления. После выполнения своих функций любая биомолекула выпадает из общей системы управления и поэтому подлежит разрушению (расщеплению). Это факт содействует непрерывности циркуляции информации.

К исключительным свойствам генетической информации относится её способность бесчисленное количество раз передаваться из поколения в поколение, путём простой смены своих материальных носителей. В силу этих обстоятельств, на первый план в живой системе выступает уникальная способность генетической информации двигать потоками энергии и вещества, но при этом самой оставаться неизменной или почти неизменной. Наследственная информация является фундаментальной основой любой живой системы.  

Важным обстоятельством является и то, что перед живой клеткой не возникает проблемы, как передать информацию от источника к приемнику и, главное, какие материальные средства использовать для строительства своих аппаратных средств. Информация в живых молекулярных системах записывается с помощью элементарной формы органического вещества – мономеров (химических букв и символов). Следовательно, переносчиком информационных сообщений являются биомолекулы, в структурах которых записывается нужная информация. При этом обратим внимание на удивительно важные свойства живой материи, которые проявляются повсеместно. А именно: при построении любых биологических молекул и структур используются те же материальные носители, которые применяются для передачи молекулярной информации. Этот факт говорит об универсальных свойствах молекулярного алфавита, и, пожалуй, может объяснить, почему биомолекулы одновременно подчиняются не только физико-химическим, но и информационным закономерностям.

Как мы видим, живая природа пошла по пути использования как самой информации, так и средств её молекулярных носителей. Посредством оперативной памяти иРНК, молекулярного алфавита и соответствующих аппаратно-программных средств (трансляции) информация загружается в структуру белковых молекул, где она диктует биомолекулам не только структурное содержание, но и правила их поведения.

Таким образом, циркуляция информации в клетке определяет не только структурную, но и программную часть всех компонентов клетки. В связи с этим, все макромолекулы и клеточные компоненты являются программируемыми устройствами, несущими в своих структурах функциональную информацию. Несмотря на то, что материя и энергия неизбежно являются фундаментальными основами жизни, сами по себе они не определяют принципиальной разницы между живыми и неживыми системами. Одной из главных характеристик живых систем является циркуляция в них наследственной информации, которая обеспечивает их жизнедеятельность. При этом заметим, что движение информационных сообщений в живой клетке никогда не может осуществляться без движения их молекулярных носителей. В связи с этим, следует важный вывод о том, что фактором наследственности является не генетический материал, как считают некоторые биологи. Фактором наследственности является только информация, записанная генетическим кодом на этом носителе.

Библиографический список

1.  Зимина Т.М., Лучинин В.В. От сенсоров к микроаналитическим информационным системам. Дополнение к книге Б. Эггинс. Химические и биологические сенсоры. – М.: Техносфера, 2005, с. 302–324.
2.  Калашников Ю. Я. Ферменты и белки – это молекулярные биологические автоматы с программным управлением. – М., 2002.–25с.
3.  Калашников Ю. Я. Концепция информационной молекулярно-биологической системы управления. – М., 2005.– 88с.
4.  Калашников Ю. Я. Биологика информационных взаимодействий в живой клетке. – М., 2002. – 34с.
5.  Кузнецов Н.А. Информационные процессы в технических и живых системах. Информационные процессы. 2001. – Т 1. – С. 1-99
6.  Кузнецов Н.А., Любецкий В.А., Чернавский А.В. О понятии информационного взаимодействия 3: речевой интеллект. Труды международной конференции «Проблемы управления и моделирования в сложных системах». – Самара: РАН, 2002. – С. 7-17
7.  Леск А. Введение в биоинформатику. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. – 318 с.
8.  Лукашов В.В. Молекулярная эволюция и филогенетический анализ. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. – 256 с
9.  Лучинин В.В., Мальцев П.П. Биомолекулы как базис информационных систем будущего // Информационные технологии. 2007. – № 5. – С.9-11
10.  Лучинин В.В. Проблемы обеспечения информационной безопасности на микро- и наноуровнях // Петербургский журнал электроники. -  2006. -  № 3. -  С. 3–9.
11.  Мезенцев В.А. Человек ищет чудо. Живые парадоксы // Естествознание в школе. - 2006. - № 6. - С. 58.
12.  Тимофеева И.Л. Проблема “самоорганизации” и программирование (структур и функций биологических молекул. // Информационные технологии. - 2004. - № 6. - С. 46.
13.  Федорконич А.А. // http://new-idea.kulichki.com
14.  Фомин С.А. Периодические процессы в природе // Естествознание и окружающая среда. - 2007. - № 6. - С. 40.
15.  Шлыгин И.А. Популярная гидрометеорология и судовождение. М.: Транспорт. – 2007. – 116 с.

1 Кузнецов Н.А. Информационные процессы в технических и живых системах. Информационные процессы. 2001. – Т 1. – С. 9

2 Кузнецов Н.А. Информационные процессы в технических и живых системах. Информационные процессы. 2001. – Т 1. – С. 12

3 Калашников Ю. Я. Биологика информационных взаимодействий в живой клетке. – М., 2002. –  С. 17

4 Федорконич А.А.  Алфавиты химических букв, символов и знаков в клеточной системе управления // http://new-idea.kulichki.com

5 Лучинин В.В., Мальцев П.П. Биомолекулы как базис информационных систем будущего // Информационные технологии. 2007. – № 5. – С.9

6 Лучинин В.В., Мальцев П.П. Биомолекулы как базис информационных систем будущего // Информационные технологии. 2007. – № 5. – С.10

7 Калашников Ю. Я. Концепция информационной молекулярно-биологической системы управления. – М., 2005.–  С. 18

8 Калашников Ю. Я. Концепция информационной молекулярно-биологической системы управления. – М., 2005.–  С. 24

9 Калашников Ю. Я. Концепция информационной молекулярно-биологической системы управления. – М., 2005.–  С. 31

10 Калашников Ю. Я. Концепция информационной молекулярно-биологической системы управления. – М., 2005.–  С. 36

11 Федорконич А.А.  Алфавиты химических букв, символов и знаков в клеточной системе управления // http://new-idea.kulichki.com

12 Зимина Т.М., Лучинин В.В. От сенсоров к микроаналитическим информационным системам. Дополнение к книге Б. Эггинс. Химические и биологические сенсоры. – М.: Техносфера, 2005, с. 302

13 Калашников Ю. Я. Биологика информационных взаимодействий в живой клетке. – М., 2002. –  С. 22

14 Калашников Ю. Я. Биологика информационных взаимодействий в живой клетке. – М., 2002. –  С. 27

15 Калашников Ю. Я. Ферменты и белки – это молекулярные биологические автоматы с программным управлением. – М., 2002.– С. 8

16 Лучинин В.В., Мальцев П.П. Биомолекулы как базис информационных систем будущего // Информационные технологии. 2007. – № 5. – С.10

17 Федорконич А.А.  Алфавиты химических букв, символов и знаков в клеточной системе управления // http://new-idea.kulichki.com

18 Федорконич А.А.  Алфавиты химических букв, символов и знаков в клеточной системе управления // http://new-idea.kulichki.com

19 Федорконич А.А.  Алфавиты химических букв, символов и знаков в клеточной системе управления // http://new-idea.kulichki.com

20 Кузнецов Н.А. Информационные процессы в технических и живых системах. Информационные процессы. 2001. – Т 1. – С. 16

21 Федорконич А.А.  Алфавиты химических букв, символов и знаков в клеточной системе управления // http://new-idea.kulichki.com

22 Федорконич А.А.  Алфавиты химических букв, символов и знаков в клеточной системе управления // http://new-idea.kulichki.com

23 Калашников Ю. Я. Биологика информационных взаимодействий в живой клетке. – М., 2002. –  С. 21

24 Калашников Ю. Я. Биологика информационных взаимодействий в живой клетке. – М., 2002. –  С. 23

25 Кузнецов Н.А. Информационные процессы в технических и живых системах. Информационные процессы. 2001. – Т 1. – С.35

26 Кузнецов Н.А. Информационные процессы в технических и живых системах. Информационные процессы. 2001. – Т 1. – С. 19

27 Федорконич А.А.  Алфавиты химических букв, символов и знаков в клеточной системе управления // http://new-idea.kulichki.com

28 Кузнецов Н.А. Информационные процессы в технических и живых системах. Информационные процессы. 2001. – Т 1. – С. 23

29 Лучинин В.В., Мальцев П.П. Биомолекулы как базис информационных систем будущего // Информационные технологии. 2007. – № 5. – С.10

30 Федорконич А.А.  Алфавиты химических букв, символов и знаков в клеточной системе управления // http://new-idea.kulichki.com

31 Кузнецов Н.А. Информационные процессы в технических и живых системах. Информационные процессы. 2001. – Т 1. – С. 44

32 Кузнецов Н.А. Информационные процессы в технических и живых системах. Информационные процессы. 2001. – Т 1. – С. 47

33 Кузнецов Н.А. Информационные процессы в технических и живых системах. Информационные процессы. 2001. – Т 1. – С. 52

34 Кузнецов Н.А., Любецкий В.А., Чернавский А.В. О понятии информационного взаимодействия 3: речевой интеллект. Труды международной конференции «Проблемы управления и моделирования в сложных системах». – Самара: РАН, 2002. – С. 7

35 Кузнецов Н.А., Любецкий В.А., Чернавский А.В. О понятии информационного взаимодействия 3: речевой интеллект. Труды международной конференции «Проблемы управления и моделирования в сложных системах». – Самара: РАН, 2002. – С. 9

36 Лукашов В.В. Молекулярная эволюция и филогенетический анализ. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. – С. 162

37 Леск А. Введение в биоинформатику. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. – С  94

38 Леск А. Введение в биоинформатику. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. – С.108

39 Лукашов В.В. Молекулярная эволюция и филогенетический анализ. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. –  С. 73

40 Лукашов В.В. Молекулярная эволюция и филогенетический анализ. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. – С.79

41 Лукашов В.В. Молекулярная эволюция и филогенетический анализ. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. – С.80

42 Леск А. Введение в биоинформатику. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. – С. 119

43 Кузнецов Н.А., Любецкий В.А., Чернавский А.В. О понятии информационного взаимодействия 3: речевой интеллект. Труды международной конференции «Проблемы управления и моделирования в сложных системах». – Самара: РАН, 2002. – С. 12

44 Кузнецов Н.А., Любецкий В.А., Чернавский А.В. О понятии информационного взаимодействия 3: речевой интеллект. Труды международной конференции «Проблемы управления и моделирования в сложных системах». – Самара: РАН, 2002. – С. 13

45 Кузнецов Н.А. Информационные процессы в технических и живых системах. Информационные процессы. 2001. – Т 1. – С. 67

46 Кузнецов Н.А. Информационные процессы в технических и живых системах. Информационные процессы. 2001. – Т 1. – С. 69

47 Кузнецов Н.А. Информационные процессы в технических и живых системах. Информационные процессы. 2001. – Т 1. – С. 74

48 Кузнецов Н.А. Информационные процессы в технических и живых системах. Информационные процессы. 2001. – Т 1. – С. 81

49 Кузнецов Н.А. Информационные процессы в технических и живых системах. Информационные процессы. 2001. – Т 1. – С. 84

50 Калашников Ю. Я. Биологика информационных взаимодействий в живой клетке. – М., 2002. – С. 28

51 Калашников Ю. Я. Биологика информационных взаимодействий в живой клетке. – М., 2002. – 29

52 Калашников Ю. Я. Биологика информационных взаимодействий в живой клетке. – М., 2002. – 30

53 Леск А. Введение в биоинформатику. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. – С. 216

54 Федорконич А.А.  Алфавиты химических букв, символов и знаков в клеточной системе управления // http://new-idea.kulichki.com

55 Федорконич А.А.  Алфавиты химических букв, символов и знаков в клеточной системе управления // http://new-idea.kulichki.com

56 Лучинин В.В. Проблемы обеспечения информационной безопасности на микро- и наноуровнях // Петербургский журнал электроники. -  2006. -  № 3. -  С. 3

57 Лучинин В.В. Проблемы обеспечения информационной безопасности на микро- и наноуровнях // Петербургский журнал электроники. -  2006. -  № 3. -  С. 4

58 Федорконич А.А.  Алфавиты химических букв, символов и знаков в клеточной системе управления // http://new-idea.kulichki.com

59 Федорконич А.А.  Алфавиты химических букв, символов и знаков в клеточной системе управления // http://new-idea.kulichki.com

60 Лучинин В.В. Проблемы обеспечения информационной безопасности на микро- и наноуровнях // Петербургский журнал электроники. -  2006. -  № 3. -  С. 5

61 Лучинин В.В. Проблемы обеспечения информационной безопасности на микро- и наноуровнях // Петербургский журнал электроники. -  2006. -  № 3. -  С. 6

62 Лучинин В.В. Проблемы обеспечения информационной безопасности на микро- и наноуровнях // Петербургский журнал электроники. -  2006. -  № 3. -  С. 7

63 Лукашов В.В. Молекулярная эволюция и филогенетический анализ. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. – С.203

64 Лукашов В.В. Молекулярная эволюция и филогенетический анализ. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. – С.209

65 Лукашов В.В. Молекулярная эволюция и филогенетический анализ. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. – С.214

66 Кузнецов Н.А., Любецкий В.А., Чернавский А.В. О понятии информационного взаимодействия 3: речевой интеллект. Труды международной конференции «Проблемы управления и моделирования в сложных системах». – Самара: РАН, 2002. – С. 15

1. El Celler de Cn Roc Этот каталонский ресторан расположенный в испанской Жироне был назван лучшим рестораном мира
2. Теория экономического анализа
3. доклада Опубликованы на французском языке в научном сборнике- ИЕРАРХИЯ И ВЛАСТЬ В ИСТОРИИ ЦИВИЛИЗАЦИЙ Сан
4. Экономика и управление на предприятии городское хозяйство Электросталь 2010 год Составите.html
5.  Понятие КП РФ и его место в системе юр
6. тема экономических отношений основанная на взаимодействии спроса и предложения в условиях свободной конкур.
7. Теория фирмы сущность неполный контракт
8.  В термодинам неравнов
9. Дiни экстремизм мен терроризм деп аталатын ма~аламда ха~ дін исламны~ Батыс елдерінде пайда бол~ан ~леумет
10. этнос народ и логос понятие учение
11. Нормативно-правовой контекст инвалидности
12. инновация Инновации и инновационная деятельность традиционно представляются как направление научноте
13. The wy word phrse or sentence sounds is lso vitlly importnt
14. Тайны вокруг нас провела студентка группы 03ФЯ Николаева Ольга
15. Вимоги Під час проведення практики кожен студент веде робочий зошит у якому щоденно записує особисту уча
16. Отечественная история полный курс
17. Клетки сходные по происхождению и выполняемы функциям образуют 1 ткани 2 органы 3 системы о.html
18. Реферат- Финансы и Кредит (Шпаргалка МЭСИ)
19. Реферат- Добровольное страхование от несчастных случаев и заболеваний в Республике Беларусь
20. реферату- Фінансування та кредитування ЗЕД підприємстваРозділ- Міжнародні відносини Фінансування та креди

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе