Кроме того, сама живая природа видится логическим развитием неживой природы через применение кодированной информации. Поэтому без преувеличения можно сказать, что химический способ представления кодированной 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.
4. История открытия наследственной информации и генетического кода не получила надлежащего продолжения
Самую удивительную неоконченную историю науки биологи связывают с открытием, сделанным Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком в 1953 г., - построением модели ДНК (двойной спирали). Всем стало ясно, что ДНК, - это и есть та, самая главная биомолекула, которая хранит все тайны жизни. «Сенсацией явилось открытие того, что наследственность заключена в линейном сообщении, представляющим собой последовательность четырёх оснований, - последовательность, обеспечивающую практически бесконечное число комбинаций. Возникло понятие кода, потом кодона. Кодон - последовательность, состоящая из трёх оснований. Был расшифрован код, отражающий связь между триплетом оснований и аминокислотой. Последовательность аминокислот в белке, его первичная структура, определяется порядком расположения кодонов. Более того, оказалось, что некоторые кодоны соответствуют не аминокислотам, а «знакам препинания»: они обозначают место начала или окончания последовательности оснований, соответствующей определённому белку. Между тем ДНК не формирует непосредственно белок, а направляет синтез комплементарной ей иРНК, которая служит посредником; эта РНК прикрепляется к рибосоме. К иРНК присоединяются «активированные» аминокислоты. Чтобы соединиться в полипептидную цепь, каждую аминокислоту переносит специфическая, так называемая транспортная РНК» [1]. Таким образом, были открыты и исследованы некоторые фрагменты переноса и преобразования генетической информации. Исключительным сюрпризом для биологов явилось то, что генетическая информация закодирована, а продуктом её расшифровки через посредство информационной РНК является белок. Чрезвычайно важной оказалась и концепция генетического кода, так как именно из неё вытекает представление о целостной системе передачи информации в живых клетках и организмах. Поэтому все последующие годы исследователей занимал вопрос использования информации в живых системах. К сожалению, история открытия наследственной информации и генетического кода не получила надлежащего продолжения. Об этом ясно говорит центральная догма молекулярной биологии: «наследственная информация, закодированная в нуклеотидной последовательности, переводится в аминокислотные последовательности белков. Белковые молекулы представляют своего рода «ловушку» в потоке генетической информации» [5].
Таким образом, сложилось мнение, что в дальнейших биохимических процессах информация не участвует. Поэтому до сегодняшнего дня остаётся живучим положение о том, что: «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 процессами в живых организмах» [6]. Однако эти туманные рассуждения не раскрывают ни сущности, ни механизмов биологических явлений. Потому, что строгое упорядочение и управление процессами при высокой избирательности и производительности не может быть обеспечено химическими катализаторами, какими бы замечательными и уникальными свойствами они не обладали. Забегая вперед, можно сказать, что избирательное управление клеточными процессами может быть обеспечено лишь молекулярными биологическими автоматами с программной биохимической логикой управления, которыми на самом деле и являются - ферменты и другие клеточные белки. Как мы видим, изучение прохождения информации в живых клетках почему-то остановилось на этапе синтеза белковых молекул. В связи с этим, хотя и были исследованы отдельные фрагменты, но не была открыта общая картина прохождения и реализации генетической информации.
5. Конечная цель биохимии, которая заключается в познании тайны жизни во всех её конкретных проявлениях, оказалась для биохимиков непосильной. Культ физико-химической науки в биологии, существующий до настоящего времени, не принёс ожидаемых результатов!
Молекулярные науки до сих пор не могут ответить на вопрос - как, и каким образом, генетическая информация осуществляет управление сложными биохимическими процессами обмена веществ и получения энергии? Как осуществляется информационное управление живой клеткой? Все эти вопросы уже давно попали в список таинственных «мировых загадок» и неразрешимых проблем современного естествознания.
К сожалению, несмотря на усилия естественных наук, в настоящее время существует полный пробел в знаниях о главном: о взаимосвязи между информацией, структурой и функцией в различных биологических процессах. Можно сказать, что конечная цель биохимии, которая заключается в познании тайны жизни во всех её конкретных проявлениях, оказалась для биохимиков непосильной. Культ физико-химической науки в биологии, существующий до настоящего дня, не принёс ожидаемых результатов! Очевидно, что законы физики и химии, действующие в любой живой системе, не отменяются. Однако, как оказалось, их необходимо дополнить новыми биологическими знаниями, - информационного дуализма, функционального триединства (вещества, энергии и информации), закономерностями молекулярной биохимической логики и молекулярной информатики.
Уже давно известно, что клеточный космос биологических молекул, за время своего развития, создал надёжную и универсальную молекулярно-генетическую систему управления. Эта система оснащена наследственной памятью, которая в большинстве случаев имеет феноменальные информационные возможности. Всё это говорит о том, что живые системы уже давно пользуются своими, сугубо специфическими закономерностями молекулярной биохимической логики и информатики и своими молекулярно-биологическими информационными технологиями. То есть, в основе всех биохимических и биологических процессов лежат процессы информационные. Большой неожиданностью для нас оказалось и то, что генетические и информационные молекулярно-биологические технологии правят миром живого уже более 3,5 миллиардов лет! Диктат генетической информационной субстанции подчинил движение потоков вещества и энергии своей воле, а направленность эволюционных процессов оказалась изначально подчинена информации.
Именно эти технологии стали базовой основой эволюционного развития биосферы нашей планеты и ошеломляющего разнообразия жизни. Очевидно, что это и есть тот необъятный массив информационных молекулярно-биологических систем и технологий, который явился причиной движущих сил, порождающих необузданную генерацию жизни. Поэтому, главнейшей сущностью всего живого на Земле стала информация и информационные взаимодействия. А информационная составляющая, кроме своего прямого назначения, стала ещё и интегративным фактором, объединяющим в одно функциональное целое различные характеристики живой формы материи. Но как, ни странно, этот могучий пласт пока неведомых нам природных информационных молекулярно-биологических технологий до сих пор не поддаётся изучению [7].
Наше поколение с конца 20 века переживает большой информационно-технологический бум во всех сферах и областях человеческой деятельности. Однако, как мы теперь узнаём, весь этот бум оказался всего лишь малой верхушкой того великого «айсберга» технологий, который лежит в фундаменте нашего мироздания. Приходится признать, что первый уровень развития живых информационных систем был реализован на молекулярной основе. Основной массив генетических и информационных молекулярно-биологических технологий, применяемый живой природой и приведший к появлению растительного и животного мира и становлению самого человека, - современной науке до настоящего времени практически неведом [7]. А естественные науки до сегодняшнего дня так и не смогли ясно и четко ответить на вопрос - как, и каким образом, генетическая информация участвует в управлении сложными химическими процессами, молекулярными и другими биологическими функциями живой клетки? Поэтому в современной науке о живой материи полностью отсутствует информационная концепция её самоуправления. Создается впечатление, что открытие генетического кода, так же как и матричный синтез белков, ещё не побудили биологов к тщательному исследованию информационных путей управления химическими превращениями и биологическими функциями. Однако уже давно стало очевидным, что живые системы не могут ни существовать, ни развиваться только на физико-химической основе. Между тем, полученные научные сведения уже сейчас позволяют сделать соответствующие обобщения, собрать известные и разыскиваемые фрагменты воедино и ближе подойти к решению многих информационных молекулярно-биологических проблем. Эти задачи решаемы по ряду причин.
Во-первых, мы давно знаем, что, жизнь на нашей планете существует, поддерживается и развивается благодаря использованию наследственной информации. Этот факт, естественно, предполагает наличие в любой живой клетке целостной системы управления и передачи генетической информации. А информационный дуализм и интегративный характер молекулярной информации указывает на то, что лишь она имеет право претендовать на ту особую роль в живой системе, которая раньше приписывалась «таинственной жизненной силе». Во-вторых, только информационная система самоуправления способна поддерживать жизнедеятельность живой клетки, управлять и регулировать её обмен веществ. Лишь только управляющие информационные потоки и сети способны превратить клетку в элементарную основу жизни, в центр по переработке генетической информации, а следовательно, - органического вещества и химической энергии. Поэтому нам остается понять и разобраться: на каких принципах, правилах и механизмах основана работа информационной молекулярно-биологической системы управления? К примеру, считается, что роль вещества в составе клеток и организмов давно уже досконально изучена естественными науками и отражена в различных учебниках по биохимии, биофизике, молекулярной биологии и т. д. Однако это далеко не так.
Беру на себя смелость возразить и напомнить о том, что биоорганическое вещество является не только носителем материальной сущности живых систем. Следовательно, назначение клеточного вещества не исчерпывается уже изученными биохимическими процессами! Потому что, в живой клетке (как и в целостном организме), макромолекулы, в первую очередь, являются носителями химической энергии и молекулярной биологической информации. Кроме физических и химических законов они подчиняются еще и особым принципам и правилам, которые автор статьи назвал закономерностями молекулярной биохимической логики и молекулярной информатики! К сожалению, эта вторая и «таинственная» сторона биоорганического вещества - информационная (по важности не уступающая первой - вещественной), естественными науками оказалась незамеченной и поэтому практически неизученной. Данная статья является попыткой автора обратить внимание исследователей на все эти пробелы и, в меру своих сил и возможностей, рассмотреть и предложить предполагаемые пути их ликвидации.
6. Молекулярный алфавит дискретных химических букв и символов (биологических элементов) для кодирования молекулярной информации
Известно, что построение и функционирование сложных информационных систем базируется на применении типовых унифицированных узлов и элементов. К примеру, все информационные процессы в цифровой технике основаны на использовании типовых логических элементов, выполняющих элементарные логические функции и простейшие действия по преобразованию двоичной информации. Логические элементы служат как для построения электронных схем, так и для переработки двоичной информации. А теоретической основой при анализе переключательных схем являются законы и принципы алгебры логики. В алгебре логики рассматриваются переменные, которые могут принимать только два значения: 1 и 0. В основу типовых структур логических интегральных схем, как правило, закладывают элементы, выполняющие операции - И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ. Все сколь угодно сложные цифровые устройства микроэлектронной техники строятся на базе логических элементов, которые реализуют простейшие логические функции и операции двоичной арифметики. Базовые элементы являются своего рода строительно-функциональными единицами и используются как при проектировании, так и при построении цифровых информационных систем. Они реализуют функционально полный набор логических операций, поэтому при их применении можно получить логическую функцию любой сложности. При этом каждая типовая логическая схема элемента выполнена на основе отдельных дискретных физических компонентов - транзисторов, резисторов, конденсаторов и диодов.
Удивительно, но и при рассмотрении живых молекулярных систем наблюдаются такие же закономерности. Живые молекулярные системы тоже имеют свою унифицированную биологическую (биохимическую) элементную базу. Поэтому и здесь возможен обобщенный подход, основанный на применении простых органических молекул (мономеров), которые играют роль составных элементов различных биологических макромолекул и структур. А «теоретической и технологической» основой применения молекулярной базы служат свои универсальные законы и принципы, которые, по соответствующей аналогии, можно отнести к закономерностям «молекулярной биохимической логики» и «молекулярной информатики». Биохимическая логика предусматривает и такое понятие как «молекулярный биологический элемент». Этот факт лишний раз напоминает нам о том, что любая живая клетка является информационной системой. Поэтому, чтобы понять закономерности её функционирования, - в первую очередь следует разобраться с элементной базой живой материи и принципами и правилами её применения. Известно, что все живые организмы состоят из одних и тех же молекулярных строительных блоков - стандартного набора более чем трёх десятков типовых биохимических (биологических) элементов: нуклеотидов, аминокислот, простых сахаров, жирных кислот и других типовых мономеров. Число этих мономеров невелико, и они имеют одно и то же строение у всех видов организмов. Причем, каждый такой элемент в отдельности также представляет собой простейшую схему, структурными компонентами которой могут быть несколько химических элементов - водород, кислород, углерод, азот, а также фосфор и сера. А наличие тех или иных типовых функциональных атомных групп, боковых групп и атомов в составе каждого элемента позволяет прогнозировать не только его поведение в химических реакциях, но и предвидеть ту структурно-информационную роль, которую элемент будет играть в составе макромолекулы.