Очевидно, что «Молекулярная и биологическая информатика» должна изучать, тот необъятный и мало исследованный информационный мир, который является причиной функционирования живых систем и лежит в основе живой природы и сущности самой жизни. Все, что происходило и происходит в живой природе, есть результат проявления информационного дуализма, принципа «триады» и информационного взаимодействия, при которых живая материя использует универсальный язык живой природы - кодированную информацию.
В общем виде можно сказать, что «Информация - это закодированные данные или сведения о любом факте, явлении, объекте или процессе, которые вырабатываются, передаются, и воспринимаются той или иной системой. Здесь информация обозначена как содержательные данные и сведения, 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. Причем, источник информации передает её, а приемник - принимает. Такая модель вполне справедлива и для молекулярной биологической информации. Все эти процессы являются фундаментальными для любой живой системы, поэтому информация здесь тоже имеет свой семантический смысл и становится эффективной управляющей силой.
«Управление в живой клетке (организме) - это особый вид энергоинформационного взаимодействия, в процессе которого на основании имеющегося опыта, накопленного в ходе движения (развития, эволюции) системы, в виде закодированной информации, хранящейся в памяти системы, осуществляется изменение характеристик движения или формы указанной системы, то есть величины скорости (энергии) и направленности движения (информации). Сложность данной формулировки объясняется сложностью этого вида информационного взаимодействия.
В нем надо четко выделить три основных постулата: 1) Всякое управление есть управлением движением. 2) Всякое управление основано на информации, хранящейся в памяти системы. Без памяти нет управления. (Это означает, что управление может осуществляться только на основе прошлого опыта). 3) Всякое управление имеет как минимум два канала, два органа управления - орган управления скоростью движения (энергией) и орган управления направленностью движения (информацией).
При этом информационный канал осуществляет собственно управление, то есть управляет направленностью движения, а энергетический осуществляет регулирование энергии под воздействием информации. Таким образом, управление всегда включает в себя собственно управление (управление направленностью движения) и регулирование (энергией) - два канала, которые автономны и связаны, ибо не могут существовать друг без друга. Управление как информационное взаимодействие тоже непрерывно развивается вместе с развитием материи и вытекающим из этого развитием информации. И в этом развитии живая природа нашла очень интересный прием эволюции, ведущий к усложнению создаваемых структур с целью их лучшего приспособления к окружающей среде, уменьшению диссипации энергии и повышению стабильности существования.
Этот прием называется иерархическим построением сложных систем на базе более простых элементов и конструкций, с сохранением структуры, морфогенеза удачных простых систем, способных к выполнению многообразных функций. При этом теория управления показывает, что в любой сложной системе управления функционируют три уровня иерархии. Первый уровень - уровень простых систем, называется программным управлением, или тактическим управлением в военной терминологии. Второй уровень - уровень координационного управления, или оперативного управления в военной терминологии.
Третий уровень - уровень системного управления, или, как его часто называют по тому же военному образу - стратегическое управление. Таким образом, любая сложная иерархическая система управления может быть представлена в виде простых двухканальных систем при этом в сложной системе оптимально должно быть не более трех уровней управления. Живая природа искала это оптимальное соотношение уровней иерархии миллионы лет»» [2].
Генетическая память, сама по себе, структура инертная и статическая, она не может напрямую, лишь на основе законов физики и химии, передавать и регламентировать способность биологических молекул к упорядоченному поведению. Для этой цели в ДНК имеется только необходимая информация. Кроме того, ДНК, по молекулярным меркам, находится далеко от объектов управления (субстратов). Поэтому всё, что могут сделать гены, так это заранее передать ферментам и другим белкам клетки нужные сведения об их структурно-функциональной организации и программную информацию, для того, чтобы после доставки на место белки и ферменты могли действовать автоматически и самостоятельно. То есть живая клетка, для дистанционного управления процессами, сама «проектирует», изготавливает и транспортирует на рабочее место «программируемые» молекулярно-аппаратные средства, которые и служат в качестве выходного управляющего звена её биокибернетической системы.
Таким образом, любая живая клетка, для «автоматизации» своих процессов, действительно применяет целый арсенал различных молекулярных биологических автоматов, манипуляторов и агрегатов с программной биохимической логикой управления [15]. А разобраться во всех тонкостях информационного управления живой материей может, по-видимому, только специализированная наука - «Молекулярная биологическая информатика», которая в будущем должна стать основой общей «Биологической информатики».
Информатикой называют новую область научно-технической деятельности человека, которая занимается изучением методов автоматизированной переработки информации. К её сфере деятельности может относиться не только применение компьютеров, но также и исследование информационных систем вне техники, например, изучение информационных процессов живой клетки. В этом случае автоматизированную переработку генетической и субстратной информации более справедливо назвать молекулярной биологической информатикой.
Действие выходного управляющего звена молекулярных биопроцессоров - ферментов и других клеточных белков основано не на переборе вариантов при поиске решений. Теперь мы знаем, что ферменты, как молекулярные биологические автоматы, реализуют стереохимические принципы узнавания и динамического взаимодействия, которые гарантируют точность матричного спаривания биологических молекул и проверку их на информационное комплементарное соответствие друг другу с помощью их кодовых стереохимических матриц (микроматриц). Этим достигается не только повышенная помехоустойчивость при прохождении управляющей информации, но и высокая достоверность передачи информационных сообщений.
С появлением ферментов и белков, выполняющих роль молекулярных биологических автоматов с программной биохимической логикой управления, живая клетка получила целый комплекс уникальных средств, для дистанционной «автоматизированной» переработки, как управляющей, так и сигнальной, осведомляющей информации (молекул субстратов и пищевых веществ). Поэтому, в целом, можно констатировать, что управление всеми химическими и биологическими функциями живой клетки осуществляется молекулярными информационными потоками и сетями «автоматизированного» управления [4].
Внедрение в клетку молекулярных биопроцессоров и их выходного управляющего звена - белков и ферментов, оказало колоссальное влияние на дальнейшее развитие биологической формы материи, в частности, на появление многоклеточных сообществ и организмов и вызвало взрывной, революционный процесс «биокибернетизации» живых систем.
Следовательно, можно сказать, что молекулярная информатика - это, прежде всего, информационная молекулярно-биологическая «автоматика», которая основана не на двоичной арифметике, а на принципах и правилах молекулярной биохимической логики. Она предназначена для «автоматизированной» переработки как генетической, так и субстратной информации. Это и есть одна из тех областей, где находят применение различного рода и назначения информационные молекулярно-биологические технологии.
А на практике - это та область и сфера молекулярных информационных технологий, которая оказалась приспособленной не только для обработки информации, но и для переработки вещества и энергии. И это должно нами восприниматься как нормальное явление, так как информация, точно так же, как и химическая энергия, обнаруживает полное сродство с живым веществом на его молекулярном уровне. Поэтому можно констатировать, что единство вещества, энергии и информации является основным и фундаментальным принципом существования живой формы материи!
А живая клетка, как элементарная основа жизни, как раз и становится тем центром, который предназначен для «автоматизированной» переработки молекулярной биологической информации, а, следовательно, биоорганического вещества (как своего носителя) и химической энергии. Эволюционное развитие клетки как мультипроцессорной системы для «автоматизированной» переработки генетической и субстратной информации означало начало революции в областях накопления, передачи и обработки различных форм и видов молекулярной информации в живых биологических системах. Поэтому важно отметить, что каждая живая клетка, точно так же, как и любая другая сложная информационная система, в первую очередь, - это универсальная система для «автоматизированной» переработки информации. Для этой цели она имеет все необходимые программные, аппаратные и энергетические молекулярные средства.
Появление клетки означало и начало эволюционного взрыва в областях накопления наследственной информации, её обработки, использования и передачи в бесчисленных поколениях дочерних клеток. Эти процессы характеризуются также становлением и унификацией молекулярной элементной базы живой формы материи и этапом форсированного овладения живыми системами вещества, энергии и информации.
Особое значение клеток как раз и состоит в том, что с их появлением живая природа получила:
1) феноменальную генетическую (ДНК) и уникальную оперативную (РНК) память;
2) целый комплекс удивительных молекулярных биопроцессорных систем репликации, транскрипции и трансляции генетической информации;
3) выходное управляющее звено в виде белков и ферментов, выполняющих в клеточной системе роль молекулярных биологических автоматов с программной биохимической логикой управления;
4) собственные универсальные АТФ-генерирующие «станции» и т. д. [4].
Все сведения о живой системе, необходимые сообщения, генетические инструкции, директивы, команды управления и другая информация находится в клетке в закодированной форме в виде последовательности нуклеотидов в структуре ДНК (или РНК). Генетическая память имеет потрясающие информационные возможности, но по молекулярным меркам находится далеко от объектов управления (субстратов). Поэтому она вынуждена все необходимые сведения о структуре и функциях биомолекул передавать в виде закодированных циклических посланий (сообщений), которые сначала записываются в оперативной памяти иРНК, а затем транслируются на полипептидные цепи белковых молекул. Именно с кодированием связано одно из замечательных свойств живой клетки - возможность хранить, передавать и обрабатывать генетические сообщения.
Естественно, что клетка вынуждена постоянно пользоваться той наследственной информацией, которая хранится в её генетической памяти. Поэтому вся управляющая информация в живой клетке хранится, передаётся и реализуется только в молекулярной форме, в виде кодируемых сообщений, имеющих свою адресную, операционную, структурную и текстовую части. Как мы видим, гены управляют поведением биологических молекул не непосредственно, а только путём программирования их биологических структур и функций. Это важное обобщение говорит об информационной сущности всего живого.
13. Программное обеспечение клетки
Биологические процессы, как мы выяснили, не ограничены одними физико-химическими законами, - они подчиняются и закономерностям молекулярной биохимической логики, и молекулярной информатике, и генетической программной информации. На основании этих закономерностей и программной информации в живой клетке постоянно возбуждаются биологические алгоритмы, или совокупность процедур и операций, определяющих характер поведения биологических молекул и молекулярных систем. Генетическая память обладает феноменальными информационными возможностями. И, действительно, в последовательности оснований внутри двойной спирали ДНК закодирована вся необходимая информация для осуществления жизнедеятельности, развития и самовоспроизведения живой системы. А главной задачей программных средств, используемых в клетке, является обеспечение оперативного взаимодействия управляющего звена - белков и ферментов с биохимическими объектами управления.
Поэтому все клеточные процессы и функции координируются той программной информацией, которая в данное время перенесена (загружена при помощи биопроцессорных систем или соответствующих ферментов) и находится в функциональных биомолекулах и структурах живой клетки. Важно отметить, что живая клетка, точно так же, как и любая другая система для автоматизированной переработки информации, имеет свою «операционную систему» - набор программ, который организует и приводит в действие многие аппаратные и программные ресурсы живой клетки. В первую очередь, операционная система клетки обеспечивает построение и функционирование основных компонентов молекулярных биопроцессорных систем - транскрипционного и трансляционного аппаратов. То есть тех средств, которые предоставляют услуги для выполнения различных клеточных программ.
Операционная система - это совокупность важнейших программ, предназначенных для управления процессами считывания генетической информации и перевода текста программ с языка нуклеиновых кислот на аминокислотный язык белковых молекул, то есть, в конечном итоге, на стереохимический язык трёхмерных биомолекул и структур. Значит, операционная система клетки содержит встроенные функции перекодировки из одной системы кодирования в другую. А для перевода закодированных сообщений используются свои программы-переводчики. Поэтому, можно сказать, что операционная система состоит из набора отдельных транскрибирующих и транслирующих программ, обеспечивающих как построение, так и функциональное поведение основных биопроцессорных комплексов живой клетки.