В живых молекулярно-биологических системах элементарные переносчики, также как и сами носители информации считаются пока еще невыявленными и неопределёнными. Между тем, игнорирование биологами информационной составляющей биомолекул до крайности тормозит изучение и исследование живой материи. Отсюда, как следствие, наблюдается мировоззренческое отставание молекулярной биологии и топтание на месте. По всей вероятности, это следствие господствующего влияния культа физико-химического направления, традиционно доминирующего в молекулярной биологии. Многие исследователи уже давно интуитивно чувствуют, что без информационной составляющей существование живого немыслимо.
Поэтому сейчас в Интернет можно найти различные теории и гипотезы существования информации живого: от синергической теории - до голографической концепции; от лазерной, квантовой, волновой и до обычной двоичной, шифруемой единицами и нулями. И не удивительно, что актуальной задачей в молекулярной биологии становится поиск и определение, как переносчика информации, так и средств её записи, хранения, обработки (перекодирования), передачи и реализации. Автор этой статьи, сам того не замечая, тоже включился в гонку идей и концепций об информационной сущности живой материи. Он полагает, что в качестве элементарных сигналов в живых клетках используются химические сигналы различных биологических элементов - нуклеотидов, аминокислот, простых сахаров, жирных кислот и других мономеров с переносчиком информации в виде их боковых атомных групп. Отсюда следует, что элементарной единицей информации в биологической макромолекуле является любой биологический элемент (типовой мономер), входные и выходные цепи (функциональные группы) которого служат для фиксации элемента в молекулярной цепи. А боковая атомная группа (или группы) биологического элемента как раз и является тем элементарным физико-химическим сигналом, с помощью которого осуществляется воплощение информации, то есть кодовая форма записи информации! Наглядный пример: сообщение в цепи ДНК или РНК кодируется в виде последовательности нуклеотидов, а переносчиками генетической информации являются азотистые основания - «боковые» атомные группы нуклеотидов.
Соответственно, и в полипептидной цепи белка это сообщение записывается в виде последовательности аминокислот, где элементарными переносчиками информации являются их боковые R-группы. Этот пример показывает, что различного рода сообщения в живой клетке записываются и переносятся только в структурах биологических молекул. А биологические молекулы повсеместно несут ту информацию, которая определяет их функциональное поведение в живых системах.
Таким образом, живые молекулярные системы применяют химический принцип записи информации, а для кодирования используют элементарную форму органического вещества (мономеры). Поэтому элементарные химические сигналы определяются соответствующими биологическими элементами, выступающими в качестве единиц молекулярной информации. К примеру, каждая из 20 типовых аминокислот, - кодирующих единиц белковых молекул, характеризуется своим индивидуальным набором структурных и химических свойств. Причем, аминокислоты отличаются друг от друга только вариабельными боковыми цепями - R-группами. Они подразделяются в зависимости от структурной конфигурации боковых атомных групп, их химических свойств и особенностей. По характеру заряженности боковых R-групп и их полярности, аминокислоты классифицируются: «на полярные или гидрофобные; полярные, но незаряженные; полярные с отрицательным зарядом; полярные с положительным зарядом.
Внутри каждого класса имеется определённая градация по полярности, размерам и форме R-групп» [5]. Поэтому в живой системе для представления информации применяется широкий спектр физико-химических свойств и структурных особенностей различных биологических элементов. В связи с этим, отдельно необходимо подчеркнуть, что широкий диапазон природных свойств и качеств различных элементов является базовой основой сигнальной формы представления молекулярной биологической информации! Носителями единичной информации в биологических молекулах являются биохимические элементы (типовые мономеры), а их специфические боковые атомные группы - это и есть те элементарные химические сигналы, при помощи которых осуществляется кодирование, передача, а также воплощение и реализация информации в различных биологических процессах! Все химические буквы и символы общего алфавита живой материи являются кодирующими единицами молекулярной информации. Поэтому для кодирования информации в живых клетках широко применяется комбинационный принцип использования химических букв и символов общего алфавита и позиционная система представления с фиксированными дискретными данными.
Как мы видим, - 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 была сформулирована проблема действия генов как расшифровки закодированных в них сообщений.
К сожалению, среди биологов не оказалось квалифицированных криптографов, которые могли бы расшифровать остальные коды и различные линейные и пространственные кодовые комбинации молекулярных биологических элементов (мономеров), используемые в структурах биологических макромолекул для передачи информационных сообщений. Следовательно, первым важнейшим условием, обусловившим возникновение живой материи, явилось наличие совершенной и качественной молекулярной элементной базы, которая, как известно, состоит и формируется более чем из 30 типовых молекулярных мономеров.
Только благодаря наличию элементной базы, 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. Ясно, что различные информационные коды в молекулярной системе записываются химическим способом и поэтому переносятся непосредственно в структурах биологических макромолекул. Всё это стало возможным благодаря замечательным свойствам применяемых биологических (биохимических) элементов. Очевидно, что размещение биологических элементов в пространственной решетке трёхмерных биологических макромолекул является более совершенным способом их организации, чем размещение логических элементов на плоской поверхности микросхем.
Размещение биологических элементов в трёхмерных структурах макромолекул, как известно, осуществляется стереохимическим способом, поэтому сами элементы оказываются как бы упакованными «горизонтальными слоями на вертикальных уровнях». Таким образом, в живой материи была достигнута невероятная плотность записи как линейной, так и стереохимической 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.
Информация, как самостоятельная категория, по мнению автора, возникла так же давно, как и сама живая материя. Можно сказать, что информация, в первую очередь, стала главной сущностью живой природы, а появилась она на свет вместе со способностью биологических молекул кодировать и передавать информационные сообщения. Очевидно, что только замечательная триада - молекулярная информация, химическая энергия и органическое вещество могла обеспечить появление, существование и развитие живой материи. А молекулярный носитель информации положил начало молекулярно-биологической технологии переработки информации, а значит, и соответствующим преобразованиям тех молекулярных компонентов биоорганического вещества, в структурах которых осуществлена запись информации [6, 7].
Обратим внимание, что сегодня понятие «Информация» рассматривается в контексте с возможностью её хранения, передачи и вероятностью её автоматизированной переработки. В первую очередь, с этим понятием связана новая область научно-технической деятельности человека - «Информатика», наука о преобразовании информации, базирующаяся на применении современной компьютерной техники. Информатика, в частности, занимается и методами разработки информационного обеспечения ходом управления не только материальными объектами, но и процессами любой природы, вплоть до интеллектуальных и виртуальных процессов.
Видимо в силу этих обстоятельств и молекулярные биологи пытаются перевести четырехбуквенный язык ДНК и двадцатибуквенный язык белковых молекул на двоичный цифровой язык. При этом они забывают, что появление самого цифрового двоичного языка было обусловлено лишь техническими возможностями логических элементов, которые применяются в микросхемах компьютеров. Известно, что двоичные коды получили широкое распространение главным образом из-за простой аппаратурной реализации логических операций, двоичных арифметических действий, а также из-за простоты изготовления переключающих и аппаратных устройств для записи, передачи и запоминания сообщений. Кроме того, к моменту применения цифровых устройств были хорошо разработаны и теоретические основы алгебры логики, где рассматриваются двоичные переменные. Кроме того, важнейшим условием, обеспечившим бурное развитие и широкое распространение различных цифровых систем и компьютеров, стало появление микропроцессоров и больших интегральных логических схем, содержащих значительное количество логических элементов. Возможно, поэтому мы теперь подвержены соблазну всё и вся исследовать и моделировать с помощью компьютерных технологий, в том числе структуру и функциональное поведение биологических молекул.
При этом мы забываем о том, что живые системы уже миллиарды лет пользуются своей специфической программной биохимической логикой управления, а в основе их функционирования лежит своя собственная молекулярная биологическая информатика. Для решения информационных и функциональных проблем, живые клетки имеют собственное программное и энергетическое обеспечение. Они обладают своими сложными молекулярными биологическими аппаратными и биопроцессорными устройствами и применяют свои специфические молекулярные биологические элементы, которые реализуют элементарные функции молекулярной биохимической логики и информатики. Мы забываем о том, что живые системы уже давно и успешно пользуются своими генетическими и молекулярно-биологическими информационными системами и технологиями. А тот развернувшийся информационно-технологический бум, который наблюдается в начале 21 века, является лишь малой верхушкой того великого айсберга информационных систем и технологий, который лежит в основе фундамента нашего мироздания. Поэтому нам, видимо, легче будет перестроить технические информационные системы на «новую» биологическую элементную базу и молекулярно-биологические принципы функционирования, чем понять сущность живых систем с помощью компьютерных технологий. 2. Элементная база живой материи 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 биохимических элементов.
В состав этого уникального набора входят различные системы (алфавиты) биологических элементов: 1) восемь нуклеотидов, «четыре из них играют роль кодирующих единиц ДНК, а другие четыре используются для записи информации в структуре РНК» [5]; 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 (мономеры) были отобраны в процессе эволюции. Поэтому, кроме семантики сообщений они обладают ещё и уникальной способностью к выполнению различных - химических, энергетических, молекулярных и иных биологических функций. Как мы видим, живые клетки имеют не только свои алфавиты, свою письменность, но и пользуются различными молекулярными языками.
Основой каждой системы является свой типовой набор (алфавит) индивидуальных молекулярных биологических (биохимических) элементов Наличие в живой клетке систем молекулярных биохимических элементов существенно упрощает процессы построения различных классов макромолекул и структурных компонентов, повышает технологичность их изготовления и, одновременно, расширяет их функциональные и информационные возможности. Как мы видим, каждый типовой набор организован в свою систему элементов, которая обладает общими биохимическими, структурными и технологическими особенностями, образует однотипные связи между элементами, совместимые по своим физико-химическим параметрам. Унификация конструктивно-функциональной элементной базы живой формы материи проходила в течение чрезвычайно длительного времени и, по всей вероятности, формировалась параллельно биологическим эволюционным процессам. Многие секреты живого состояния материи оказались напрямую связанными с уникальными свойствами тех молекулярных элементов (мономеров), которые применяются живой природой для построения биологических молекул и структур.
Функции молекулярных биологических элементов.
Уже давно известно, что все биохимические мономеры - нуклеотиды, аминокислоты, простые сахара, жирные кислоты и др. являются теми универсальными и унифицированными стандартными «строительными блоками», при помощи которых во всех живых клетках осуществляется физическое построение любых других, более крупных биологических молекул и структур (нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, липидов и т. д.). Образовавшиеся при этом большие макромолекулы приобретают необходимую и достаточную структурную жесткость и получают способность к выполнению определённых биологических функций. Однако это уже достигается за счет других удивительных свойств типовых «строительных блоков» (мономеров). К сожалению, в молекулярной биологии до сих пор держится представление о молекулярных мономерах только лишь как «строительных блоках» биоорганического вещества. Между тем, они являются многофункциональными элементами и, благодаря своим уникальным природным свойствам, играют фундаментальную роль буквально в различных биологически процессах: структурных, физико-химических, энергетических, функциональных и информационных. Во-первых, все они являются теми простыми биологическими элементами, которые выполняют в живых системах элементарные функции молекулярной биохимической логики и информатики. Если вспомнить, что все сколь угодно сложные цифровые устройства микроэлектронной техники строятся на базе логических элементов, реализующих основные функции алгебры логики и операции двоичной арифметики, то, по аналогии, можно прийти к выводу, что все информационные проблемы в живой клетке тоже решаются с помощью своих молекулярных биологических элементов. Можно эту аналогию продолжить. Любой логический элемент представляет собой простейшую схему, структурными составляющими которой могут быть несколько дискретных компонентов: транзистор, резистор, конденсатор и диод.