70885-1 (Единство вещества, энергии и информации – основной принцип существования живой материи)

Единство вещества, энергии и информации – основной принцип существования живой материи

Калашников Юрий Яковлевич

Данная статья посвящена трем главным составляющим живой формы материи – веществу, энергии и информации. Здесь кратко и последовательно рассмотрены: 1) разнообразные виды и формы молекулярной информации и разные категории информационных сообщений, которые широко применяются в клетках для реализации различных биологических функций и химических превращений; 2) комплементарные (матричные) принципы молекулярных информационных взаимодействий; 3) информационные поля и сферы живой формы материи. Основная часть статьи посвящена “принципу триединства биоорганического вещества, химической энергии и молекулярной информации” живой материи. Этот принцип, по всей вероятности, является ключевым в молекулярной биологии, определяющим базисную, фундаментальную основу существования биологической формы материи. В заключение автором предлагается для рассмотрения и обсуждения ещё одна важная концепция – концепция взаимообусловленности и взаимозависимости между главными составляющими живой материи – информацией, структурой, энергией и функцией в различных биологических процессах. Эти две концепции, по мнению автора, в наибольшей степени определяют сущность биологической формы движения материи, а значит, и природу, и принципы её организации.

Известно, что вещество, энергия и информация – это три важнейшие сущности нашего мира, три главнейших его составляющих Мы живём в чрезвычайно богатом по форме и разнообразию окружающем нас материальном мире. Наука уже достаточно давно изучает и исследует различные формы материи, в ряду которых живой материи отводится особое место. Однако особые нюансы возникают с понятием информации. К примеру, хотя она и является одной из главных слагаемых нашего мироздания, но до сих пор не имеет общепринятого научного определения. Между тем этот факт не мешает успешно применять понятие “информации” в различных областях науки, техники и человеческой деятельности. Поэтому “информация” также может классифицироваться на различные виды и категории и характеризоваться различными формами существования, сферами применения и назначением. Тем не менее, этот термин продолжает вызывать различного рода дискуссии, которые особенно заметно проявляются в молекулярной биологии. К сожалению, это происходит на фоне общепринятой и четко сформулированной центральной догмы молекулярной генетики, “которая определяет три главных этапа в обработке генетической информации. Первый этап – репликация, то есть копирование родительской ДНК с образованием дочерних молекул ДНК, нуклеотидная последовательность которых комплементарна нуклеотидной последовательности родительской ДНК и однозначно определяется ею. Второй этап – транскрипция, процесс, в ходе которого часть генетической информации переписывается в форме рибонуклеиновой кислоты (РНК). И, наконец, третий этап – трансляция, в процессе которой генетическая информация, записанная при помощи четырёхбуквенного кода в РНК, переводится в рибосомах на двадцатибуквенный код белковой структуры” [1]. Однако и здесь, как мы видим, изучение и исследование прохождения генетической информации, почему-то, остановилось на этапе синтеза белковых молекул. Хотя уже давно стало очевидным, что живые системы в принципе не могут ни существовать, ни функционировать, ни развиваться только лишь на физико-химической основе. Ясно, что в этих процессах ведущую роль может играть только наследственная молекулярная (генетическая) информация. Поэтому изучать общие свойства и структуру молекулярной информации, а также закономерности и принципы её создания, преобразования, передачи и использования в различных биологических процессах должна, по всей вероятности, специализированная дисциплина, такая как “Молекулярная биологическая информатика”.

1. Роль молекулярной информации в биологических системах. Наука показывает, что благодаря использованию наследственной информации, жизнь на нашей планете существует и развивается уже более трёх миллиардов лет. Поэтому большинство исследователей считает, что понятие информации, в широком смысле этого слова, в биологии столь же необходимо, как и понятия органического вещества и химической энергии. И действительно, ведь только информация может нести ту высокую меру определённости, которая существует в сложно-зависимых взаимодействиях биологических молекул друг с другом и с системой управления. И если вещество и энергия живого являются его материальным наполнителем, то информация в структуре живого вещества является руководством к действию а, значит, и критерием управления всех химических, молекулярных, энергетических и других биологических процессов. Можно сказать, что информация в живой системе выполняет ту руководящую роль, которая раньше приписывалась “таинственной жизненной силе”. Не вдаваясь в философские обоснования термина “информация”, в данной статье мы будем придерживаться общепринятых идей и концепций, которые применяются к сложным системам управления и связи при передаче информационных кодов и сигналов управления. Потому, что живая клетка, как элементарная основа жизни, является сложнейшей самоуправляемой биокибернетической системой, которая выполнена в миниатюре, и функционирует на почти недосягаемом для изучения – молекулярном уровне. “Информация в сложных системах, как известно, – это содержательные сведения, заключенные в том или ином сообщении. А сообщением может быть какой-либо текст, передаваемые данные о структурной организации или каком-либо процессе, значение контролируемого параметра, команда управления и т. д. Причем, сообщение может иметь форму, не приспособленную для передачи, хранения и других информационных процессов. В связи с этим применяются различные способы преобразования сообщения, такие, как дискретизации и кодирование с целью получения оптимального сигнала. Сигналом называется средство передачи (переносчик) сообщения. В общем виде сигнал – это однозначное отображение сообщение, всегда существующее в некотором физическом воплощении” [2]. Естественно, что и в живой молекулярной системе информация передаётся с помощью различных дискретных кодовых сигналов, которые формируются в “линейных” цепях, а затем и в трёхмерных структурах различных классов биологических молекул [3]. Вообще-то существуют разнообразнейшие виды информации, в том числе – логическая смысловая, метрическая, исчисляемая в битах и другие. Молекулярной био-логической информации в этом ряду должно отводиться своё особое место. И действительно, информация в живой молекулярной системе имеет свой специфический смысл, чрезвычайно высокий статус и своё материальное наполнение. Она также характеризуется различными видами, формами и категориями и используется живой системой в виде передач и преобразований молекулярных биологических кодов управления и сигнализации. Поэтому и не удивительно, что с кодированием информации связано одно из замечательных свойств живой клетки – возможность хранить, передавать и обрабатывать генетические сообщения. Информация в живой системе может передаваться и преобразовываться с помощью биологических кодов и алфавитов из одного её молекулярного вида в другой, из одной её молекулярной формы (линейной, химической) в другую (пространственную, стереохимическую). Вследствие этого, кодирование молекулярной информации в живой клетке применяется как для структурной организации различных классов биологических молекул, так и для информационного управления различными химическими превращениями, энергетическими процессами и другими био-логическими функциями. Сам же информационный код в молекулярной биологии записывается химическим способом с помощью элементарной формы органического вещества, и поэтому переносится в структурах биологических молекул. А для биосинтеза и организации важнейших классов биоорганических соединений (нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов и липидов) и для записи в их структуру информации применяются различные алфавиты – системы био-логических элементов (нуклеотиды, аминокислоты, простые сахара, жирные кислоты и др.) [3]. Следовательно, разные алфавиты служат для кодирования различных форм и видов молекулярной биологической информации. Информация, заключенная в последовательности нуклеотидов определяет структуру и функции макромолекул ДНК и РНК. Информационные сообщения в виде последовательности аминокислот в полипептидных цепях кодируют и программируют структурно-функциональную организацию белковых молекул. А информационная последовательность моносахаридов или жирных кислот кодирует структуру и функции полисахаридов и липидов. Всё это подтверждает мысль о том, что различные виды и формы молекулярной информации определяют свою структурную и функциональную организацию, присущую различным классам биологических молекул. Значит, элементарное содержание любой макромолекулы определяется формой представления и видом молекулярной информации. Поэтому все виды и формы информационных передач в живой клетке носят чисто биологический характер. А чтобы перевести информацию из одного её молекулярного вида в другой, или из одной формы в другую, живая клетка использует различные биологические коды. Например, информация, записанная в структуре ДНК и РНК в виде нуклеотидной последовательности, переводится в аминокислотную последовательность белка с помощью генетического кода, то есть таким способом информация преобразуется из одного её молекулярного вида в другой. А для того, чтобы трансформировать аминокислотную последовательность в трёхмерную структуру и форму белковой молекулы, применяется аминокислотный код. Следовательно, здесь информация преобразуется из одной её молекулярной формы – линейной, в другую форму – пространственную, стереохимическую. В связи с этим, в живой клетке используются различные биологические коды, где кодирование и преобразование различных видов и форм молекулярной информации применяется при структурной организации разных классов биологических молекул, предназначенных для реализации соответствующих биологических функций и процессов. К примеру, если коды активного центра гликоген-синтазы несут генетическую информацию о биосинтезе макромолекул гликогена, значит, эти коды эквивалентны функциональным возможностям фермента. Получается, что пространственные кодовые комбинации боковых R-групп элементов активного центра фермента (адресный код и код операции) выступают в роли ключа для перевода генетической информации в кодовую последовательность молекулярной цепи гликогена. А сам фермент при этом является преобразователем одной формы молекулярной информации в другую. Значит молекулярные коды соответствий, так же, как и средства их реализации и рецепции, действительно существуют в любой живой клетке. Важно отметить, что информация в живой системе ответственна не только за молекулярное содержание её компонентов, но выступает и в качестве всеобщей взаимосвязи и взаимозависимости, и является критерием управления её молекулярных объектов. А информационные взаимодействия различных классов биологических молекул друг с другом осуществляются на трёхмерном уровне их структурной организации, с помощью их локальных или поверхностных биохимических матриц. Следовательно, информация в молекулярной биологии не только свойство и содержание биологических молекул и структур, но и средство управления и сигнализации, способное совершать работу. Результатом этой работы является строгая последовательность, упорядоченность и согласованность химических процессов, морфологических и физиологических изменений. Только по этой причине все физико-химические процессы в живой системе выходят за свои собственные рамки и вступают в более содержательную область, – область молекулярной биохимической логики, информатики и управления. Поэтому информация в молекулярной биологии не отвлеченное понятие, а само содержание и сущность живой материи. В связи с этим, живая материя формируется и “движется” под руководством управляющей системы, благодаря использованию генетической информации и общего молекулярного алфавита. А многофункциональные свойства элементной базы являются ключевым критерием единства вещества, энергии и информации, которое всегда обнаруживается в различных биологических молекулах [4]. Единство информации со структурой и энергией живого вещества является важной движущей силой и особенностью эволюции живой материи. А консервация информации в субстрате биоорганического вещества, в виде различных химических букв и символов, становится характерной чертой даже биотического круговорота. Поэтому в прямом и буквальном смысле можно говорит о том, что каждая живая система обменивается с окружающей средой молекулярной информацией, то есть веществом и энергией. Следовательно, назначение информационного подхода к молекулярным биологическим проблемам состоит в том, чтобы понять принципы функционирования живых систем, отправляясь от их структуры и сведений о свойствах их составляющих элементов, которые всегда являются натуральными единицами молекулярной информации. Загадка жизни, видимо, и кроется в том, что основой её проявления служит генетическая память, а все процессы функционирования осуществляются и поддерживаются информационной молекулярно-биологической системой управления, созданной на базе живой клетки. Перед живой клеткой не возникает проблемы – как осуществить адресную передачу молекулярной информации внутри клеточной системы, или вне её. Основным способом передачи информации является транспортировка и адресная доставка биологических молекул, в структурах которых записана нужная информация. Доставка информации в соответствующее место осуществляется автоматически. Для этой цели в живой клетке существуют специальные системы автоматической сортировки и адресной доставки сообщений (биомолекул), имеется разветвлённая сеть физических каналов связи, компартментов и отсеков. Причем, как сортировка, так и адресная доставка информационных сообщений осуществляется на основе специальных кодов сортировки и адресации, которыми снабжаются все биомолекулы при их изготовлении. Информационные сообщения в клеточной системе имеют свои специфические свойства и особенности. Во-первых, с одной стороны, сама управляющая система клетки является источником управляющих сообщений, команд и инструкций, передаваемых в виде кодовых передач в структурах белковых молекул по различным каналам на многочисленные биохимические объекты управления (субстраты), которые являются приёмниками управляющей информации. Однако с другой стороны, различные биохимические объекты управления являются источником сигнальной осведомляющей информации для выходных аппаратов управляющей системы (ферментов и белков). Таким образом, потоки управляющей и сигнальной молекулярной биологической информации в живой клетке всегда направлены навстречу друг другу. Поэтому управлением в живых системах, по-видимому, можно назвать передачу и транспортировку на расстояния, с помощью ферментов, команд управления и исполнительных органов и механизмов, могущих воздействовать на химические кодовые группы молекул субстрата. Живая клетка относится к системам с распределёнными объектами управления, где применяется адресный способ передачи управляющей информации от центральных устройств к многочисленным локально рассредоточенным объектам управления (субстратам). А сигнальной осведомляющей и регуляторной информации обратно, от объектов к центральным или местным управляющим устройствам (ферментам и белкам). Причем “запрос” управляющей информации, как правило, осуществляется на основе поступившей в клетку осведомляющей информации субстратов. Живая клетка является информационной молекулярно-биологической системой управления, извлекающей свободную энергию и сырьевые ресурсы из окружающей среды. Поэтому, для реализации различных биологических функций и химических реакций, в клетке применяются и различные категории информационных сообщений, а именно: 1) молекулярно-биологическое управление – транспортировка и адресная доставка ферментов (белков), а значит, и передача на расстояние их дискретных сигналов, кодовых команд управления, исполнительных органов и механизмов, для непосредственного химического и динамического воздействия на объекты управления (субстраты); 2) структурно-функциональная информация – при передаче кодовых дискретных сообщений о трёхмерной организации биомолекул, выполняющих структурные или иные биологические функции; 3) осведомляющая сигнализация – транспортировка и адресная доставка в нужный компартмент живой клетки молекул субстрата, с целью передачи дискретных сигналов от субстратов к соответствующим ферментам о состоянии объектов управления; 4) сигнальная и регуляторная информация – при передаче дискретных сигналов в виде молекул обратной связи, воздействующих непосредственно на исполнительные органы белков и ферментов, с целью контроля и регуляции химических превращений; 5) безадресная передача регуляторной информации биомолекулам клетки, которая осуществляется путём изменения концентрации ионного состава клеточной микросреды, изменения водородного показателя рН и т. д. Необходимо отметить, что молекулярная биологическая информация в живой системе имеет различные формы существования. Наиболее характерными формами существования информации в живой клетке являются: статическая, динамическая (управляющие) и сигнальная осведомляющая. Статическая управляющая информация кодируется в структуре ДНК при помощи нуклеотидов. Генетическая память сама по себе структура инертная и статическая, поэтому первичная биологическая информация существует в кодовой форме записи определённых сведений и сообщений в соответствующих генах ДНК. Динамическая управляющая информация – является производной от генетической, она определяется линейной, а затем и трёхмерной организацией биомолекул, то есть, в конечном итоге, имеет стереохимическую форму представления. Благодаря стереохимической форме представления информации – ферменты, белки и другие функциональные макромолекулы, надмолекулярные комплексы и ансамбли клетки, способны в автоматическом режиме решать ряд биологических задач. Осведомляющая информация (сигнализация), воспринимаемая управляющей системой клетки, передаётся кодовыми элементами (буквами, символами или знаками) молекул субстрата. Ферменты и белки способны специфически (информационно) взаимодействовать с различными био-логическими элементами и их химическими знаками. Поэтому в качестве объектов сигнальной осведомляющей информации в живой клетке могут выступать как отдельные биохимические элементы, так и различные биомолекулы, состоящие из таких элементов, то есть многочисленные молекулы субстратов. Осведомляющая сигнализация служит для информирования системы о состоянии управляемых биохимических объектов, о ходе химических реакций, об эффективности протекающих процессов и т. д. Управляющая система клетки реагирует только на ту сигнальную информацию, которая свойственна её природе. В связи с этим, одним из главных признаков процессов управления в клетке является беспрерывная циркуляция информации, которая непрерывно и циклически загружается в молекулярную структуру биоорганического вещества. После выполнения своих функций, различные биомолекулы, как правило, разрушаются до их составляющих – мономеров (био-логических элементов), которые затем вновь могут быть вовлечены в информационные или другие биологические процессы. При этом если динамическая управляющая информация непосредственно связана с молекулярными структурами белков (закодирована в них), то сигнальная осведомляющая информация, воспринимаемая ферментами (белками), заключена в структурной организации их молекулярных партнёров. Поэтому можно констатировать, что молекулярная биологическая информация в живой клетке имеет различные формы существования и может записываться различными химическими буквами и символами. К примеру, статическая управляющая информация кодируется в структуре ДНК при помощи нуклеотидов. Динамическая управляющая информация белковых молекул записывается и реализуется при помощи аминокислот. Сигнальная (осведомляющая) молекулярная информация может обеспечиваться разными буквами и символами общего алфавита живой материи, а, следовательно, и их различными химическими знаками. Поэтому потоки и циркуляция информации в живой системе тождественно могут быть представлены потоками и циркуляцией различных биологических молекул. В связи с этим появляется необходимость деления информации по формам, видам и категориям, например: 1) по форме представления – непрерывная (аналоговая) и дискретная; 2) по принципу и форме записи – химическая и стереохимическая; 3) по видам представления – в виде макромолекул нуклеиновых кислот или белков, в виде макромолекул полисахаридов или липидов и т. д.; 4) по форме существования – статическая и динамическая; 5) по назначению и характеру действия – управляющая (функциональная) и сигнальная (осведомляющая); 6) по признакам и свойствам – генетическая (наследственная, статическая, определяющая генотип) и биологическая функциональная (производная от генетической, динамическая, определяющая фенотип); 7) по способу существования – вещественная (молекулярная) и виртуальная (знание, сознание) и т. д. [4]. . В живой клетке для представления (кодирования) информации используются разные молекулярные алфавиты, которые содержат свои химические буквы или символы. Представление биологической информации разными алфавитами ведёт к тому, что информация в живой системе может записываться разными био-логическими элементами, которые и определяют различное содержание биологических молекул и, соответственно, различный её молекулярный вид и форму. В связи с этим: 1) одномерная – линейная форма наследственной информации в живой системе кодируется в структуре ДНК и РНК в виде последовательности нуклеотидов; 2) “линейная” и пространственная (стереохимическая) форма программной информации ферментов записывается аминокислотным кодом в виде полипептидных цепей и трёхмерных белковых молекул; 3) линейная и пространственная структурная и функциональная информация полисахаридов кодируется моносахаридами (простыми сахарами); 4) линейная и пространственная структурная и функциональная молекулярная информация липидов кодируется мономерами жирных кислот и т. д. Живая форма материи отличается от других форм тем, что её структура и функции кодируются и программируются той молекулярной информацией, которая с помощью элементной базы заранее была загружена в её молекулярные цепи и трёхмерные структуры. Поэтому всё разнообразие биологических молекул живой клетки формируется только на основе управляющих средств, с помощью генетической информации и использования различных молекулярных алфавитов.