Статья по теме:
Информационная концепция эволюции нашего мира
Калашников Юрий Яковлевич
Аннотация
Большой неожиданностью для нас оказалось то, что генетические и информационные молекулярно-биологические технологии правят миром живого уже миллиарды лет. И только наступивший век технических систем и информационных технологий позволил это заметить и слегка приоткрыть многочисленные секреты жизни, увидеть закономерность и направленность эволюционных событий. Оказывается, - все мы живём под диктатом информации, которая не только окружает нас, но и внедрена, сосредоточена и циркулирует в каждом из нас на генетическом и молекулярно-биологическом уровне. Даже появление самой биосферы обязано только тем разнообразнейшим информационным молекулярно-биологическим технологиям, которые используются живой природой для поддержания своего существования, развития и воспроизведения. Очевидно, что основы эволюции, причины построения и развития нашего мироздания следует искать в направленности процессов и событий, происходящих на нашей планете, которые обеспечиваются общими информационными закономерностями. При этом, сама биосфера, также как и ноосфера, техносфера и инфоноосфера являются следствием последовательной информационно-направленной эволюции нашего мира.
Информационный подход проникает во все сферы человеческой деятельности. Не исключением является и наука о живой материи. Это естественно, так как концепция генетического кода предполагает и наличие в любой живой клетке целостной системы управления, передачи и обработки генетической информации.
Известно, что в живых системах нет ничего более загадочного, чем молекулярная информация. Недаром ученые до сих пор спорят, что такое «молекулярная информация - миф или реальность?» Между тем, напомним, что первая закодированная информация появилась на Земле более 3,5 миллиардов лет тому назад! Это была «буквенно-символьная» информация биологических макромолекул. Большой неожиданностью для нас оказалось и то, что генетическая информация 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 разгадать некоторые тайны жизни. Наука показывает, что только благодаря наследственной молекулярной информации, жизнь на нашей планете существует и развивается уже многие сотни миллионов лет. Однако, основной массив информационных технологий, применяемый живой природой и приведший к появлению и распространению растительного и животного мира, а также становлению самого человека, - современной науке до настоящего времени практически неведом. Это и есть то неохватное «целинное поле», которое самой природой предназначено для развития нового в науке направления - «Молекулярной и биологической информатики». Все биологические макромолекулы, структуры живой клетки и организма должны рассматриваться с информационно-кибернетической точки зрения как носители и реализаторы генетической информации.
В этом контексте должны даваться и общие представления о теории молекулярной информации и биологической информатике. Сейчас же «Биологической информатикой» почему-то называют науку, изучающую живую материю с помощью средств технической информатики, что явно не соответствует не только смыслу названия, но и самой сути информационной биологической науки. 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 природы и сущности самой жизни.
Сравнительно недавно в технических устройствах для программной переработки информации стали применяться микропроцессоры. Известно, что процессор в технической системе осуществляет процессы автоматического выполнения последовательности команд в соответствии с принципами программного управления. На основе микропроцессоров строятся различные устройства, способные перерабатывать любую информацию.
Это чудо техники прошлого века, способное к программному управлению, внесло большой вклад в развитие современных информационных систем и технологий, компьютеров, управляющих устройств и т. д. Тем не менее, обратим внимание на то обстоятельство, что первые процессоры, встроенные в клетку, были применены живой природой ещё миллиарды лет тому назад! В первую очередь, - это молекулярные биопроцесcорные системы репликации, транскрипции и трансляции генетической информации. Живая клетка должна постоянно пользоваться той информацией, которая хранится в её генетической памяти. Поэтому каждая клетка имеет все необходимые программные, аппаратные и энергетические средства для «автоматизированной» переработки генетической информации. Обработанная и загруженная в различные биологические молекулы управляющая информация нужна как для взаимодействия биомолекул друг с другом, так и для их функционального поведения.
Кроме того, эта же информация нужна и для управления молекулярными объектами - разного рода и назначения субстратами. Наука и техника всегда перенимали и копировали опыт великих достижений живой природы. Поэтому в настоящее время более детально и пристально изучаются и исследуются «творческие» пути, причины и механизмы живого состояния материи. Достаточно сказать, что ведутся разработки по микроминиатюризации различного рода технических средств по переработке информации. Изучаются принципы и методы обработки и использования генетической информации живыми клетками. Делаются попытки построения логико-вычислительных систем и интеллектуальных автоматов на принципах, которые присущи живым организмам.
Очевидно, что особое внимание науке следует уделить универсальной во всех отношениях молекулярной элементной базе, применяемой в живых системах. Как известно, эта база состоит более чем из 30 типовых молекулярных мономеров (химических букв и символов) - нуклеотидов, аминокислот, жирных кислот, простых сахаров и других типовых «биологических» элементов. Эту элементную базу уже не нужно разрабатывать, её можно получать в любых количествах, а по своим непревзойденным свойствам и качествам она не имеет себе аналогов и успешно используется живой природой в течение миллиардов лет! [1,2].
Ясно, что живая природа - это бездонный кладезь новых идей, принципов и механизмов. Она обладает надежно сконструированными и эффективно действующими молекулярными аппаратными устройствами, автоматами, манипуляторами, биопроцессорными системами и т. д. Поэтому апробированная миллионолетиями молекулярная технология химических, энергетических и информационных процессов должна стать достоянием науки сегодняшнего дня.
1. Молекулярная биологическая информатика
Обратим внимание, что первым важнейшим условием, обусловившим возникновение живой материи, явилось наличие совершенной и качественной молекулярной элементной базы. Как известно, эта база представляет собой молекулярный алфавит живой материи и состоит более чем из 30 молекулярных мономеров (химических букв и символов). Благодаря наличию такого алфавита, живая природа с большим успехом освоила удивительные химические методы кодирования молекулярной информации и уникальные способы переноса и загрузки программной информации на молекулярные носители - биологические молекулы.
Поэтому не случайно различные информационные коды в молекулярной системе записываются химическим способом с помощью молекулярных букв и символов и переносятся непосредственно в структурах биологических макромолекул. Только таким путём была достигнута невероятная плотность записи информации, так как её кодирование в структурах макромолекул осуществляется на субмолекулярном уровне с помощью боковых атомных групп молекулярных биологических элементов - нуклеотидов, аминокислот, простых сахаров, жирных кислот и других мономеров. Вспомним старый пример: сообщение в цепи ДНК или РНК кодируется в виде последовательности нуклеотидов, а носителями генетической информации являются азотистые основания - «боковые» атомные группы нуклеотидов [1].
Соответственно, и в полипептидной цепи белка это сообщение записывается в виде последовательности аминокислот, где носителями информации являются их боковые R-группы. 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 успешно начатое исследование прохождения генетической информации почему-то остановилось на этапе синтеза белковых молекул. И это довольно странно, так как известно, что генетические и информационные молекулярно-биологические технологии правят миром живого уже миллиарды лет! Видимо среди биологов не нашлось квалифицированных криптографов, которые могли бы расшифровать многочисленные молекулярные коды и различные линейные и пространственные кодовые комбинации молекулярных биологических элементов (мономеров), используемые в структурах биологических макромолекул. С большим трудом были открыты и исследованы всего лишь некоторые фрагменты кодирования и передачи генетической информации.
К сожалению, даже сегодня мы можем только предполагать, какие закономерности молекулярной биохимической логики и информатики лежат в основе жизненных процессов. Попробуем кратко рассмотреть и обобщить некоторые известные и предполагаемые информационные основы.
Во-первых, мы уже отметили, что первым важнейшим условием, обусловившим возникновение живой формы материи, явилось наличие совершенной и качественной молекулярной элементной базы. Следовательно, в живой природе только молекулярный носитель информации мог положить начало молекулярно-биологической технологии переработки информации, а, стало быть, и соответствующим преобразованиям тех молекулярных компонентов биоорганического вещества, в структурах которых осуществлена запись информации [3].
При этом заметим, если вещество и энергия живой материи являются её материальными наполнителями, то информация в структуре живого вещества, по своей сути, является руководством к действию, а значит, и критерием управления всех химических, молекулярных, энергетических и других биологических процессов.
Во-вторых, была достигнута необыкновенная стабильность хранения информации на генетическом носителе и высокая помехоустойчивость передачи её в бесчисленных поколениях клеток и организмов, которая обусловлена не только структурной комплементарностью цепей ДНК, но и применением надёжных систем репарации и репликации.
В-третьих, любой живой клетке, для реализации функциональных и информационных процессов, постоянно нужна энергия. Растения, к примеру, путём фотосинтеза запасают энергию солнечного света в виде химической энергии в молекулах питательных веществ. А организмы, в процессе клеточного дыхания, извлекают эту энергию, расщепляя питательные вещества. Энергия митохондриального окисления в виде АТФ используется значительной частью живого мира. Поэтому одним из главных этапов эволюционного развития живого стал факт внедрения в клеточную систему уникальных генераторов химической энергии - митохондрий - АТФ-генерирующих установок. Живая клетка должна постоянно поддерживать дозовую циркуляцию химической энергии в виде АТФ к «потребителю», а АДФ и фосфата - к митохондриям, для нового восстановления их до АТФ. АТФ в клетке - это гибкий источник энергии, позволяющий получить нужные дозы её в нужном месте. Поэтому при недостатке свободной энергии любая биомолекула, к примеру, белка, способна адресно (информационно) связываться с молекулой АТФ, которая в живой системе играет роль аккумулятора химической энергии.
В-четвёртых, следует отметить особое значение биопроцессорных систем репликации, транскрипции и трансляции, которое заключается в том, что с их появлением живая клетка получила целый комплекс различных молекулярных биопроцессорных единиц, предназначенных для «автоматизированной» переработки и передачи генетической информации. При этом достаточно высокая эффективность и производительность биопроцессорных систем транскрипции и трансляции, а также большая скорость передачи данных стала обуславливаться широким параллелизмом их действия на молекулярном уровне. Весь смысл работы этих биопроцессорных систем состоит в том, чтобы передать генетическую программную информацию ферментам и другим белкам клетки - выходному звену управления. Это явление, по своей значимости, можно сравнить только с изобретением микропроцессорных систем для автоматизированной переработки информации, которые были реализованы и внедрены в наше время. В-пятых, действие выходного управляющего звена молекулярных биопроцессоров - ферментов и других клеточных белков было 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.