Реферат: Информационная концепция эволюции нашего мира
Реферат: Информационная концепция эволюции нашего мира
Калашников Юрий Яковлевич
В
живых системах нет ничего более загадочного, чем молекулярная информация. Как
ни странно, но первая закодированная информация появилась на Земле более 3,5
миллиардов лет тому назад. И это была – “буквенно-символьная” информация
биологических макромолекул. Большой неожиданностью для нас оказалось и то, что
генетические и информационные молекулярно-биологические технологии правят миром
живого с самого начала его зарождения. И только наступивший век технических
систем и информационных технологий позволил это заметить и слегка приоткрыть
многочисленные секреты жизни, увидеть закономерность и направленность всех
дальнейших эволюционных событий. Следовательно, основы эволюции, причины
построения и развития нашего мироздания следует искать в направленности
процессов и событий, происходящих на нашей планете, которые обеспечиваются
едиными информационными закономерностями. Поэтому сама биосфера, также как и
ноосфера, техносфера и инфоноосфера являются следствием последовательной
информационно-направленной эволюции нашего мира.
Во
всей Вселенной, видимо, нет более таинственного и более загадочного явления,
чем жизнь. Современное естествознание до сих пор не может объяснить многие
причины и механизмы функционирования живых систем, которые обладают
удивительными природными свойствами самоуправления, самообновления и
самовоспроизведения. Причем, даже отдельная клетка является сложнейшей
биокибернетической системой, выполненной в миниатюре, где все компоненты,
структуры и биохимические процессы упорядочены на молекулярном уровне.
Исследованием живой материи и биомолекул в основном занимается молекулярная
биология и биохимия – химия наиболее организованной материи. Возможно поэтому,
в изучении живой материи до настоящего времени доминирует исключительно
физико-химическое направление. Но, чем глубже ученые внедряются в детализацию
физико-химических процессов, тем больше у них возникает сомнений в
познаваемости живого вещества. Учитывая сложно-зависимые физические, химические
и иные процессы, протекающие в живой системе, многие исследователи и сегодня
пессимистически относятся к реальности познания феномена жизни. И всем
становится ясно, что молекулярные биологические науки зашли в мировоззренческий
тупик. Между тем, уже давно известно, что наряду с вещественной и
энергетической составляющими живой материи имеется ещё одна, не менее важная
составляющая, – информационная, и лишь она в молекулярно-биологических
процессах играет ведущую и организующую роль. Наука показывает, что жизнь на
нашей Земле существует, поддерживается и развивается только благодаря
наследственной информации. Поэтому живые организмы по своей сути не могут ни
функционировать, ни существовать, ни развиваться только лишь на
физико-химической основе. Причем, как нельзя объяснить работу компьютера с
помощью законов электротехники, точно так же нельзя понять и причины
функционирования живых систем с помощью только одних физико-химических
закономерностей. Здесь нужен другой подход, который бы учитывал и
информационную составляющую живого. В силу этих обстоятельств, несмотря на
усилия многих естественных наук, до сих пор существует полный пробел в знаниях
о главном, – о взаимосвязи между информацией, структурой и функцией в различных
биологических процессах. Загадочной остаётся и главная проблема, – что такое
информация, и как она действует в молекулярно-биологической системе? Остаётся
открытым вопрос, – как, и каким образом, генетическая информация участвует в
управлении процессами обмена веществ или получения энергии? До настоящего
времени в естествознании отсутствует концепция информационного управления живой
клеткой. С большим трудом выявлены отдельные фрагменты, но пока не видна общая
картина прохождения и реализации генетической информации. При этом смысл
выявленных информационных фрагментов сводится к тому, что “наследственная
информация, закодированная в нуклеотидной последовательности, переводится в
аминокислотную последовательность белков… Белковые молекулы представляют,
своего рода “ловушку” в потоке генетической информации… Гены контролируют
клеточный метаболизм за счет содержащейся в них информации о структуре
ферментов и других клеточных белков, а ферменты выступают в роли
биокатализаторов, управляющих всеми химическими процессами в живых организмах”
[1,2]. Как мы видим, исследование прохождения генетической информации в живых
системах почему-то остановилось на этапе синтеза белковых молекул. В связи с
этим, в биохимии уже давно господствует ложное представление о том, что
управлением химических процессов в живых системах занимаются химические
катализаторы, но никак не управляющая информация. Такое упрощенное
представление явно не соответствует действительности. Известно, что клеточный
космос биологических молекул, за время своего развития, создал весьма надёжную
и универсальную молекулярно-биологическую систему управления с необычайно
стабильной генетической памятью и её феноменальными информационными
возможностями. Всё это говорит о том, что живые клетки пользуются своей, сугубо
специфической молекулярной информационной технологией. А это означает то, что в
основе всех биохимических и био-логических “технологий” лежат процессы
информационные. Автора данной статьи уже давно волнует вопрос: как, и каким
образом, генетическая информация участвует в управлении сложными биохимическими
процессами, молекулярными и другими биологическими функциями живой клетки и
организма. В связи с этим, все свои предыдущие работы он посвятил проблемам
кодирования, передачи и преобразования генетической информации и использования
её в различных молекулярно-биологических процессах управления и регулирования.
В этих работах были обобщены, сформулированы и предложены те идеи, гипотезы и
концепции, которые, по мнению автора, могут дать первоначальные представления и
элементарные знания об информационных процессах на молекулярно-биологическом
уровне. Последовательно были рассмотрены и обсуждены весьма дискуссионные в
биологии темы. 1. Молекулярная элементная база живой формы материи. 2.
Закономерности молекулярной биохимической логики и информатики. 3. Основные
принципы и механизмы существования живой материи. 4. Ферменты и белки – как
сверхминиатюрные автоматы и манипуляторы с программным управлением. 5.
Молекулярно-биологическая система управления клетки и т. д. Возможно, это и
есть тот подход, который заинтересует исследователей, ищущих пути к изучению
систем обработки и реализации молекулярной информации в живых клетках и
организмах. Поэтому, не исключено, что предложенные в этих статьях
альтернативные идеи могут быть востребованы и использованы для развития нового
в науке направления – “Молекулярной биологической информатики”. По крайней
мере, такую возможность автор не исключает. Данная статья является логическим
продолжением и дальнейшим развитием ранее обозначенных тем.
1.
В биологических молекулах нет ничего более загадочного, чем информация.
Известно, что информационные сообщения не могут перемещаться во времени и в
пространстве нематериальным способом. В связи с этим, автор пришел к выводу,
что информация в живой системе, – это содержательные сведения, заключенные в
том или ином послании или сообщении генома, которые хранятся, передаются и
используются только в закодированной молекулярной форме. А информационный код в
любой живой клетке записывается химическим способом с помощью элементарной
формы органического вещества и поэтому переносится в структурах биологических
молекул. Удивительно, но факт – всё живое на Земле, от ничтожной бактерии до человека,
состоит из одинаковых “строительных блоков” – стандартного набора более чем
трёх десятков типовых функциональных био-логических (биохимических) элементов.
Этот типовой набор представляет собой, ничто иное, как элементную базу, или
общий молекулярный биологический алфавит, который служит для кодирования
информации, построения и программирования молекулярных структур живой материи.
В состав этого уникального набора входят различные системы био-логических
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” [1]; 2) двадцать различных стандартных
аминокислот, которые кодируются в ДНК и служат для матричного построения белковых
молекул; 3) несколько жирных кислот, – сравнительно небольшое число стандартных
органических молекул, служащих для построения липидов; 4) родоначальниками
большинства полисахаридов является несколько простых сахаров (моносахаридов) и
т. д. Все эти химические буквы и символы были отобраны в процессе эволюции.
Поэтому, кроме семантики сообщений они обладают еще и уникальной природной
способностью к выполнению различных – химических, энергетических, молекулярных
и других биологических функций. Как мы видим, живые системы имеют не только
свою письменность, но и пользуются различными молекулярными языками. А основой
каждой системы элементов являются свои индивидуальные молекулярные
био-логические (биохимические) элементы (химические буквы и символы). На базе
различных систем био-логических элементов – молекулярных алфавитов, могут быть
“сконструированы” разнообразные макромолекулы клетки – ДНК, РНК, белки,
полисахариды, липиды и т. д. Поэтому элементная база представляет собой те
системы биохимических элементов, используя которые живая клетка способна
информационным путём строить различные биологические молекулы и структуры,
записывать в них информацию, а затем с помощью этих средств осуществлять любые
биологические функции и химические превращения. И ведь, действительно, – все
биохимические элементы, входящие в состав различных биологических молекул,
представляют собой ту элементарную форму органического вещества, с помощью
которой формируются и передаются биологические коды молекулярной информации.
Следовательно, информация в живой молекулярной системе передаётся с помощью
различных дискретных кодовых сигналов, которые сначала формируются в “линейных”
молекулярных цепях, а затем и в трёхмерных структурах различных биологических
молекул. Поэтому она имеет молекулярный базис представления [3]. Как ни
странно, но первая закодированная информация появилась на Земле более 3,5
миллиардов лет тому назад! И это была буквенно-символьная информация
биологических макромолекул. Можно без преувеличения сказать, что химический
способ представления информации стал именно тем гениальным изобретением
природы, с помощью которого была подведена черта под химической эволюцией
материи, и были открыты необъятные дали и непредсказуемые пути великой эволюции
– биологической. При этом живая природа оказалась настолько искусным
шифровальщиком и применила на молекулярном уровне такие системы кодирования и
программирования, которые гарантировали сохранность тайн живой формы материи
буквально до наших дней. И только в начале второй половины 20 века был открыт
генетический код и сформулирована проблема действия генов как расшифровки
закодированных в них сообщений. Однако среди биологов не оказалось
квалифицированных криптографов, которые могли бы расшифровать остальные коды и
различные линейные и пространственные кодовые комбинации элементов,
используемые в структурах биологических макромолекул. Следовательно, важнейшим
условием, обусловившим возникновение живой материи, явилось наличие совершенной
и качественной молекулярной элементной базы. И только благодаря её
замечательным свойствам, живая природа с большим успехом освоила удивительные
химические методы кодирования информации и уникальные способы переноса и
загрузки программной информации на молекулярные носители – биологические
молекулы. Этот факт подтверждается тем, что различные информационные коды в
молекулярной системе записываются химическим способом и поэтому переносятся
непосредственно в структурах биологических макромолекул. Более того, напомним,
что все 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 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 которого сначала
идёт преобразование, а впоследствии, – воплощение и реализация генетической
информации; 4) быть программными элементам, с помощью которых строятся
алгоритмы структурного преобразования, а затем и программа функционального
поведения различных биологических макромолекул; 5) обуславливать потенциальную
и свободную химическую энергию биомолекул. 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. Кроме того, та программная информация,
которая загружена в молекулярные структуры, всегда определяет информационное и
функциональное поведение биологических макромолекул. При этом, каждый типовой
био-логический 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
ковалентно соединяться друг с другом в длинные молекулярные цепи. И главное, –
важно отметить, что каждый элемент (мономер) имеет еще и свою индивидуальную
боковую атомную группу (или группы), которая в живой системе, как правило,
используется в качестве элементарного информационного химического сигнала!
Наглядный пример: сообщение в цепи ДНК или РНК кодируется в виде
последовательности нуклеотидов, а носителями генетической информации являются
азотистые основания – “боковые” атомные группы нуклеотидов. Соответственно, и в
полипептидной цепи белка это сообщение записывается в виде последовательности аминокислот,
где носителями информации являются их боковые R-группы. При этом различные
химические буквы белкового алфавита (аминокислоты) в полипептидной цепи
оказываются определённым образом сгруппированными в отдельные смысловые
последовательности цепи, кодирующие различные инструкции, команды и сообщения,
то есть всю программную информацию, необходимую для функционирования белковой
молекулы. Как мы видим, гены могут управлять поведением биологических
макромолекул только лишь при помощи программирования их структур и функций!
[3]. Для дискретных сообщений характерно наличие фиксированного набора
элементов, из которых формируются различные кодовые последовательности. К
примеру, информационные сообщения могут кодироваться с помощью 33 букв алфавита
русского языка или букв и символов других алфавитов. При этом различные буквы
соответствующим образом группируются на бумаге (или на другом носителе) в
слова, фразы и предложения. Общий алфавит живой формы материи также состоит из
более 30 химических букв и символов молекулярного языка живой природы, с
помощью которых кодируется биологическая информация. Причем, для
“автоматизации” процессов записи и кодирования информации в живой клетке
применяются специальные системы, такие как аппаратные устройства репликации, транскрипции
и трансляции генетической информации. Химические буквы и символы (мономеры),
как известно, построены на базе отдельных атомов и атомных групп. В связи с
этим, в живых системах была достигнута невероятная плотность записи информации,
так как её кодирование в структурах макромолекул осуществляется на
субмолекулярном уровне с помощью боковых атомных групп молекулярных
био-логических элементов. Можно себе представить, какое колоссальное количество
информации хранится в генетической памяти и циркулирует в биологических
молекулах и структурах единственной клетки, размеры которой в длину подчас
составляют сотые доли миллиметра. Так как информация записывается в линейную
структуру биомолекул химическими буквами и символами (био-логическими
элементами), то это означает лишь одно, – что эта информация, точно так же, как
и химическая энергия обнаруживает полное сродство с живым веществом на его
молекулярном уровне. Иными словами, в любой живой клетке на молекулярном уровне
всегда соблюдается и действует удивительное свойство единства вещества, энергии
и информации. Следовательно, информация в живых системах действительно имеет
молекулярный базис представления. Все живые клетки используют химический
принцип записи информации, а элементарные химические информационные сигналы
определяются соответствующими био-логическими элементами (мономерами),
выступающими в качестве натуральных единиц молекулярной биологической
информации. Здесь мы отметили лишь некоторые из основных направлений применения
общего алфавита живой формы материи. Однако, и из этих примеров ясно, что
различные системы био-логических элементов (различные молекулярные алфавиты)
действительно обладают уникальными многофункциональными природными качествами и
свойствами, которые имеют фундаментальное значение в организации различных
макромолекул, структур и их функций в любых живых клетках. Важно отметить, что
указанные качества и свойства био-логических элементов существуют всегда и
одновременно и поэтому они, по своей сути, являются разными характеристиками
одной и той же элементной базы. Только такое сочетание характеристик позволяет
этим элементам обеспечивать в живой клетке и информационное структурное
построение различных макромолекул, и их энергетическое обеспечение, и
программное управление их биологическими функциями! Ясно, что такая интеграция
различных характеристик осуществляться только на основе и за счет загруженной
молекулярным кодом в различные активные макромолекулы клетки структурной,
программной и функциональной информации. Поэтому, главный вывод, к которому
можно прийти, заключается в том, что информация, циркулирующая в живой клетке,
всегда находится в молекулярных структурах биоорганического вещества. Она имеет
функциональный характер, химическую или стереохимическую форму записи, а также
различные молекулярные виды представления. К примеру, молекулярная
биологическая информация может быть представлена в виде цепей нуклеиновых
кислот, – при записи её нуклеотидами; в виде полипептидных цепей, – при записи
её аминокислотами; в виде линейных или разветвлённых цепей полисахаридов, – при
записи её моносахаридами и т. д. Причем линейная форма записи информации, как
правило, является основой для преобразования её в форму пространственную –
стереохимическую. Следовательно, для решения различных биологических задач,
живая клетка широко пользуется разными молекулярными алфавитами, языками, а
также разнообразными формами и видами представления информации. Как мы видим,
информация в живых клетках может существовать в двух молекулярных формах –
одномерной химической (линейной) и пространственной, стереохимической. Значит,
живая клетка пользуется двумя информационными уровнями организации
биологических молекул – линейным и пространственным. На первом уровне, с
помощью управляющих средств обеспечивается последовательное ковалентное
соединение различных химических букв или символов в длинные молекулярные цепи.
Таким путём производится запись информационных сообщений в первичную,
одномерную (“линейную”) биологическую структуру. Однако, пространственная (стереохимическая)
организация макромолекул и клеточных структур, также как и их функции,
осуществляются при помощи химических связей, значительно более слабых, чем
ковалентные. Это происходит потому, что боковые группы тех био-логических
элементов, которые в цепи связаны ковалентно, способны к информационным
взаимодействиям с другими боковыми группами, как в пределах одной
макромолекулы, так и с боковыми группами близлежащих молекул. К таким
взаимодействиям (их называют слабыми связями) относятся: водородные и ионные
связи, ван-дер-ваальсовы силы, гидрофобные взаимодействия, которые в
совокупности, благодаря их многочисленности и разнообразию, оказываются весьма
сильными. Поэтому они определяют не только степень прочности сложных
макромолекул, – белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов и т. д., но и
обуславливают их информационные и функциональные возможности. Значит, второй
информационный уровень организации макромолекул осуществляется в основном при
помощи слабых нековалентных сил, связей и взаимодействий между боковыми
атомными группами и атомами химических букв или символов. Через посредство этих
сил и связей идёт воплощение линейной молекулярной информации в
стереохимическую структуру и форму. В результате таких преобразований
“одномерная” молекулярная информация цепей “сворачивается, пакуется и
сжимается” в трёхмерную информацию биомолекул, которая в таком виде становится
пригодной для транспортировки, передачи по различным каналам, а затем, и
непосредственного использования в различных биологических процессах. Напомним,
что информационные взаимодействия биологических молекул друг с другом и с
системой управления осуществляются на трёхмерном уровне их структурной
организации с помощью линейных, локальных и стереохимических кодовых матриц,
образованных многочисленными боковыми атомными группами био-логических
элементов [3]. Трансформация линейных генетических сообщений в трёхмерную
структуру и форму различных биомолекул – это важный этап перехода биологической
информации из одной её молекулярной формы в другую. Линейный и пространственный
элементарный состав макромолекул определяется генами, а каждый био-логический
элемент в составе биологической молекулы тождественно может выполнять различные
роли, – как структурной, так и информационной единицы, как функционального, так
и программного элемента. Поэтому все аппаратные средства живой клетки – белки,
ферменты и другие клеточные компоненты обладают строго своей специфической
структурной организацией, имеют своё информационное и функциональное
назначение, а также пользуются своим индивидуальным энергетическим и
программным обеспечением. Только благодаря удивительным многофункциональным
свойствам био-логических элементов, макромолекулы клетки становятся
обладателями настолько многоликих и разносторонних качеств и свойств, что их
можно изучать и рассматривать буквально с разных сторон и различных точек
зрения. Поэтому версии рассмотрения и методы исследования биологических молекул
могут быть разными. Их можно рассматривать со структурной точки зрения, с
физико-химической, с энергетической, с информационной, с функциональной и,
наконец, – с биологической. Если, к примеру, их рассматривать чисто c
информационной точки зрения, то можно констатировать, что в биологических
макромолекулах нет ничего, кроме информации записанной химическими буквами или
символами сначала в линейной последовательности молекулярных цепей, а затем, и
в пространственной стереохимической организации макромолекул. А трёхмерная
структурная информационная основа макромолекулы как раз и описывает те её общие
характеристики, которые в своей совокупности могут дать полное представление о
её биологической сущности. По мнению автора, только информационное содержание
биологической молекулы является фактором интеграции различных характеристик
составляющих её элементов, которые в своей совокупности и представляют всю её
биологическую сущность! Только так, и не иначе, возникают те биологические
качества и свойства молекулярных структур, которые привыкли наблюдать биологи.
Однако заметим, что уникальное свойство единства вещества, энергии и информации
и многофункциональный принцип применения элементной базы привели к удивительной
ситуации в естественных науках. Во-первых, такая ситуация подсказывает, почему
биологическая форма материи не поддаётся объяснению с какой-либо одной из точек
зрения, к примеру, при физико-химическом подходе. Во-вторых, это же
обстоятельство позволяет биологам изучать живую материю буквально с разных
сторон и различных точек зрения. Поэтому, столь разноплановые признаки и
свойства биологической формы материи привели к тому, что в настоящее время её
изучением заняты многочисленные естественные науки – биофизика, биохимия,
генетика, молекулярная биология, биоэнергетика, цитология и многие другие
дисциплины. Однако такой дифференцированный подход больше ведёт к разобщению,
чем к интеграции знаний. Автор уверен, что только альтернативный –
информационный подход может позволить по-иному взглянуть на давно известные
физические и химические закономерности и открыть новые страницы в изучении
живой материи. Только молекулярная информация определяет и структурную
организацию, и функциональное поведение, и энергетику, и все информационные
возможности различных биологических макромолекул и структур. Заметим, что весь
этот многоликий набор удивительных характеристик биомолекул обеспечивается
многофункциональными свойствами био-логических элементов (химических букв и
символов). Поэтому, если биомолекулы рассматривать только чисто с
информационной точки зрения, то обнаруживается, что в них нет ничего, кроме молекулярной
информации (строго определённой фиксированной позиционной последовательности
элементов в молекулярных цепях). Значит, только посредством молекулярного
алфавита, то есть с помощью химических букв и символов, и никак иначе, мы можем
расшифровать сокровенные тайны живой материи и, таким образом, проникнуть в
необъятный мир молекулярной биологической информатики и молекулярных
информационных технологий. Общий молекулярный алфавит, состоящий более чем из
трёх десятков различных химических букв и символов – это ли не тот золотой
ключик, с помощью которого можно разгадать многочисленные секреты живой формы
материи. Наша задача – научиться правильно “прочитывать” и верно расшифровывать
информационные послания и сообщения генома, которые закодированы в различных
биологических макромолекулах и структурах живой клетки и организма.
Страницы: 1, 2
|
|