70880-1 (707665), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

2. Молекулярная биологическая информатика. Большой неожиданностью для нас оказалось то, что информация и информационные молекулярно-биологические технологии правят миром живого уже многие сотни миллионов лет! И только наступивший век технических систем и информационных технологий позволил это заметить и разгадать некоторые секреты жизни. С большим трудом были открыты и исследованы отдельные фрагменты кодирования и передачи генетической информации. К сожалению, даже сегодня, мы можем лишь 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 для “автоматизированной” переработки генетической информации. А достаточно высокая эффективность и производительность биопроцессорных систем транскрипции и трансляции и большая скорость передачи данных стала обуславливаться широким параллелизмом их действия на молекулярном уроне. 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 обработкой информации, которое было реализовано 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 [4]. С появлением ферментов и белков, выполняющих роль молекулярных биологических автоматов с программным управлением, живая клетка получила целый комплекс уникальных средств для дистанционной автоматизированной обработки, как управляющей, так и сигнальной, осведомляющей информации (молекул субстратов и пищевых веществ). Поэтому, в целом, можно констатировать, что управление всеми химическими и био-логическими функциями живой клетки осуществляется молекулярными информационными потоками и сетями “автоматизированного” управления [5]. 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. 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” переработка 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 является тем центром, который предназначен для “автоматизированной” переработки органического 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 области 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; 4) собственные универсальные АТФ-генерирующие “станции” и т. д. [5]. 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, по молекулярным меркам, находится далеко от объектов управления (субстратов), поэтому она вынуждена все сообщения передавать в виде закодированных циклических посланий, 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 храниться 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 путём программирования их биологических функций [5]. Именно такие информационные молекулярно-биологические технологии стали базовой основой эволюционного развития биосферы нашей планеты и великого разнообразия 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-технологи-ческий бум во всех сферах и областях человеческой деятельности. Однако этот бум, как мы теперь узнаём, оказался всего лишь малой верхушкой того великого “айсберга” инфомационных 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 не известен. 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 из этой триады, пальму первенства в любых созидательных процессах, всё-таки, следует 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 сможет определить и исследовать информационную модель биологической формы движения материи. Это необходимо, прежде всего, для получения знаний о методах и способах организации молекулярных биологических систем и 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 многие сотни миллионов лет.

3. Живые системы – это самовоспроизводящиеся информационные субстанции. Если вспомнить, что химические буквы и символы (био-логические 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. 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 био-логической единицы, которая в живой системе играет роль и типового строительного блока, и элементарного информационного сигнала, и программного и функционального элемента. Иными словами, – сама генетическая информация, для своего физического воплощения, использует элементарную форму органической материи! Например, можно утверждать, что куриное яйцо и выведенный из него цыпленок состоят из одного и того же набора и количества био-логических 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 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 могут трансформироваться в 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 информации. К примеру, известно, что гусеница и бабочка, в которую она превращается, содержит 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-биоло-гических 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 био-логических 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 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 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 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. Оказывается, – все мы живём под диктатом информации, которая не только окружает нас, но и внедрена и сосредоточена в каждом из нас на генетическом и молекулярно-биологическом уровне! Все мы люди, по своей сути, и представляем собой высшую форму информационной субстанции, потому что в буквальном смысле состоим из одной информации и подчинены ей на всех уровнях своей сущности, – на уровне генов, биологических молекул, на уровне каждой клетки. Каждого из нас можно воспринимать как единый информационный молекулярно-биологический самоуправляемый объект, нацеленный на реализацию и выполнение наследственной программной информации. То есть все мы, сами по себе, являемся лишь молекулярно-биологическим базисом представления определённой информационной субстанции! Не потому ли биологические макромолекулы и молекулярные структуры находятся в организме в процессе постоянного информационного взаимодействия и движения, который и называется жизнью. Вот и получается, что жизнь, в различных её проявлениях и форме,– это необъятный мир различных молекулярно-биологических информационных субстанций и их технологий, которые правят биологической формой движения материи с самого начала её зарождения. Это, по всей вероятности, и есть та диктатура информационной субстанции, которая определяет нашу биологическую сущность на самом фундаментальном – молекулярном уровне.

Характеристики

Список файлов реферата