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 биоорганического вещества, а значит, и химической энергии, и молекулярной биологической информации.
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 функций.
Это важное обобщение говорит об информационной сущности всего живого. Очевидно, что живые клетки уже давно пользуются своей, сугубо специфической молекулярной информационной технологией. А это означает то, что в основе всех биохимических и биологических «технологий» лежат процессы информационные. Именно такие информационные молекулярно-биологические технологии стали базовой основой эволюционного развития биосферы нашей планеты и привели к великому разнообразию живого мира. Но, как ни странно, этот могучий природный пласт пока неведомых нам информационных технологий до сих пор не поддаётся изучению!? Наше поколение с конца 20 века переживает большой информационно-технологический бум во всех сферах и областях человеческой деятельности. Однако этот бум, как мы теперь узнаём, оказался всего лишь малой верхушкой того великого «айсберга» информационных технологий, который лежит в фундаменте нашего мироздания.
Поэтому основной массив информационных технологий, применяемый живой природой и приведший к появлению растительного и животного мира и становлению самого человека, - современной науке до настоящего времени практически неизвестен. Только необыкновенное разнообразие живых систем и их длительное информационно-вещественное взаимодействие с окружающей средой и друг с другом стало фундаментальной основой всех дальнейших эволюционных событий.
Как мы видим, - наше мироздание построено на различных видах и формах материи, энергии и информации и великом разнообразии информационных технологий. Вещество, энергия и информация стали важнейшими сущностями нашего мира, главнейшими его составляющими. Однако пальму первенства из этой триады, в любых созидательных процессах, мы должны отдать только информации. В связи с этим, можно надеяться, что естественные науки сегодняшнего дня стоят на пороге открытия одной из важнейших основ нашего существования и бытия - необъятного мира пока неизвестных нам информационных молекулярно-биологических субстанций и технологий.
Поэтому в ближайшее время самым перспективным направлением в изучении живой формы материи должна стать новая дисциплина, наука будущего - «Молекулярная и биологическая информатика», наука о преобразовании молекулярной и других видов и форм биологической информации, базирующаяся на изучении живых клеток и организмов. Только она может определить и исследовать информационную модель биологической формы движения материи. Это необходимо, прежде всего, для получения знаний о методах и способах организации молекулярных биологических систем, принципах и механизмах их функционального поведения, которые осуществляются с помощью генетических информационных технологий. К сожалению, такого направления в биологической науке до сих пор не существует.
А исследование прохождения генетической информации в живой клетке почему-то остановилось на этапе синтеза белковых молекул ещё в середине 20-го века, о чём говорит центральная догма молекулярной биологии. И это несмотря на то, что генетические и информационные молекулярно-биологические технологии правят миром живого уже более 3,5 миллиардов лет.
2. Живые системы - это самовоспроизводящиеся информационные субстанции
интеллектуальный автомат репликация транскрипция
Если вспомнить, что химические буквы и символы (биологические элементы) строятся на базе отдельных атомов и атомных групп, то можно себе представить, какое колоссальное количество информации хранится в генетической памяти и циркулирует в одной-единственной клетке, размеры которой порой составляю сотые доли миллиметра. Информация в структуре живого вещества кодируется и записывается с помощью химических букв и символов.
При этом любая буква или символ информации является тождественным эквивалентом такой биологической единицы, которая в живой системе играет роль и типового строительного блока, и элементарного информационного сигнала, и функциональной единицы, и программного элемента [3,5]. Иными словами, - сама генетическая информация, для своего физического воплощения, использует элементарную форму органической материи! К примеру, можно утверждать, что куриное яйцо и выведенный из него цыпленок состоят из одного и того же набора и количества биологических элементов - молекулярных мономеров. Однако, в первом случае, яйцо представляет собой оплодотворённую яйцеклетку с полным комплектом генетической и клеточной наследственной информации и запасом питательных веществ, содержащих нужное и достаточное количество пластического материала и энергии, необходимых для развития целостного организма. Во втором же случае, в процессе морфогенеза уже была осуществлена реализация определенной части наследственной информации за счет информационной переработки запасенных материалов и энергии в молекулярно-биологические структуры цыплёнка. Таким способом осуществляется преобразование питательных веществ (составляющих их элементов) в программно-функциональную и молекулярную информацию биологических структур цыплёнка. Следовательно, органическое вещество и химическая энергия с помощью управляющей системы могут трансформироваться в молекулярную информационно-биологическую субстанцию.
Поэтому, если физико-химический подход декларирует о биохимической сущности живого вещества, то с информационной точки зрения вполне можно утверждать, что в живой материи нет ничего, кроме молекулярно-биологической программной и структурной информации. К примеру, известно, что гусеница и бабочка, в которую она превращается, содержат абсолютно одинаковые наборы генов. Получается, что одна и та же наследственная информация, в зависимости от характера переключения генов и способов её преобразования, может существовать и реализовываться в различных её молекулярно-биологических видах и формах. При этом информация отдельных генов может быть переписана со структуры ДНК на нуклеотидные цепи РНК, затем со структуры иРНК она может быть преобразована в информацию полипептидных цепей белковых молекул. Заметим, что преобразование информации при этом осуществляется из одного её молекулярного вида в другой. Затем эта же информация трансформируется из «линейной» её молекулярной формы в пространственную - стереохимическую форму.
Поэтому, в результате стереохимического кодирования и программирования белков, информация полипептидных цепей трансформируется в пространственную информацию белковых молекул и т. д. О чем это говорит? Да о том, что любые биомолекулы, структуры и компоненты живого, - это всего лишь различные виды, формы и категории информации, которые в живой системе формируются и существует только в молекулярно-биологическом виде. При этом заметим, что здесь первичная генетическая информация - одна, а виды и формы её реализации могут быть разными, в зависимости от того, какие гены и какой молекулярный алфавит (система биологических элементов) будут использованы для перекодировки информации. Таким образом, в живой системе могут быть экспрессированы различные гены, а одна и та же информация может быть представлена разными алфавитами (химическими буквами или символами), а значит, и разными молекулярными языками и кодами.
То есть информация в живой системе существует в различных её молекулярных видах и формах. В связи с этим, мы приходим к заключению, что если в изучении живого имеет право на существование чисто физико-химический подход, то, несомненно, такое же право имеет и альтернативный - чисто информационный подход. Поэтому с альтернативной точки зрения можно сказать, что необъятным миром живого уже миллиарды лет правит некая информационная субстанция, проникшая и внедрившаяся в его молекулярный биологический компонент! И поскольку ни вещество, ни энергия, сами по себе, не могут претендовать на самоуправление и самовоспроизведение, то в этих явлениях приходится признать примат только одной информации [5]. Иными словами, в клетках заключена некая информационная сущность, которая представляет собой как бы «живую» самовоспроизводящуюся информационную субстанцию!
Автор настолько уверен в этой необычной идее, что теперь его не покидает ощущение, что живые системы - это высококонцентрированные сгустки или сферы самоорганизующейся информации, находящиеся на высокой ступени своего развития - некие дискретные информационные субстанции, которые могут самостоятельно формироваться, существовать, развиваться и самовоспроизводиться на базе вещества и энергии! Причем, мы их воспринимаем в виде живых существ. Эти информационные субстанции обладают чрезвычайно высокой способностью к самоорганизации и самовоспроизведению, обладают неуемной жаждой активности, размножения и распространения. Все они обладают удивительной способностью на основе энергии и вещества создавать копии самих себя, развиваться и 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.
Эти субстанции с начальных времён своего возникновения и существования отыскали и открыли универсальные способы кодирования и представления своей наследственной информации, её декодирования, преобразования и использования в различных молекулярно-биологических процессах; нашли способы улавливания и преобразования энергии, обрели способность к развитию и самосовершенствованию. Они нашли универсальные информационные способы взаимодействия друг с другом и с окружающей средой, репликативные методы размножения во времени и в пространстве, механизмы продолжения своего существования и эволюционного развития. Все мы: люди, животные, растения и даже бактерии представляем собой, ничто иное, как информационные субстанции в молекулярно-биологическом исполнении. И ничего тут не поделаешь, - просто на Земле информационные субстанции существует в таких видах и формах, которую они формируют на базе своей первичной (генетической и клеточной) информации и имеющейся на Земле материи. Причем, каждая оплодотворённая яйцеклетка - зигота, это уже и есть та, до предела сжатая и сконцентрированная информационная субстанция, которая упакована во всех генах, молекулах и структурах клетки. Зигота содержит феноменальное количество информации, которое необходимо и достаточно для построения и развития целостного организма. Однако для реализации этого мощного сгустка информации нужны потоки энергии и вещества, которые в системе будут трансформированы и воплощены в различные виды и формы молекулярно-биологической информации, необходимые для построения, функционирования и развития целостного организма. Вечный круговорот этих информационных субстанций и их удивительная способность к саморазвитию и самовоспроизведению явились причиной их необъятного распространения и фантастического разнообразия в виде различных живых форм и видов.