Во всей Вселенной, видимо, нет более таинственного и более загадочного явления, чем жизнь. Современное естествознание до сих пор не может объяснить многие причины и механизмы функционирования живых систем, которые обладают удивительными природными свойствами самоуправления, самообновления и самовоспроизведения. Причем, даже отдельная клетка является сложнейшей биокибернетической системой, выполненной в миниатюре, где все компоненты, структуры и биохимические процессы упорядочены на молекулярном уровне.

Исследованием живой материи и биомолекул в основном занимается молекулярная биология и биохимия – химия наиболее организованной материи. Возможно поэтому, в изучении живой материи до настоящего времени доминирует исключительно физико-химическое направление. Но, чем глубже ученые внедряются в детализацию физико-химических процессов, тем больше у них возникает сомнений в познаваемости живого вещества. Учитывая сложно-зависимые физические, химические и иные процессы, протекающие в живой системе, многие исследователи и сегодня пессимистически относятся к реальности познания феномена жизни. И всем становится ясно, что молекулярные биологические науки зашли в мировоззренческий тупик. Между тем, уже давно известно, что наряду с вещественной и энергетической составляющими живой материи имеется ещё одна, не менее важная составляющая, – информационная, и лишь она в молекулярно-биологических процессах играет ведущую и организующую роль.

Наука показывает, что жизнь на нашей Земле существует, поддерживается и развивается только благодаря наследственной информации. Поэтому живые организмы по своей сути не могут ни функционировать, ни существовать, ни развиваться только лишь на физико-химической основе. Причем, как нельзя объяснить работу компьютера с помощью законов электротехники, точно так же нельзя понять и причины функционирования живых систем с помощью только одних физико-химических закономерностей. Здесь нужен другой подход, который бы учитывал и информационную составляющую живого.

В силу этих обстоятельств, несмотря на усилия многих естественных наук, до сих пор существует полный пробел в знаниях о главном, – о взаимосвязи между информацией, структурой и функцией в различных биологических процессах. Загадочной остаётся и главная проблема, – что такое информация, и как она действует в молекулярно-биологической системе? Остаётся открытым вопрос, – как, и каким образом, генетическая информация участвует в управлении процессами обмена веществ или получения энергии? До настоящего времени в естествознании отсутствует концепция информационного управления живой клеткой. С большим трудом выявлены отдельные фрагменты, но пока не видна общая картина прохождения и реализации генетической информации.

При этом смысл выявленных информационных фрагментов сводится к тому, что “наследственная информация, закодированная в нуклеотидной последовательности, переводится в аминокислотную последовательность белков… Белковые молекулы представляют, своего рода “ловушку” в потоке генетической информации… Гены контролируют клеточный метаболизм за счет содержащейся в них информации о структуре ферментов и других клеточных белков, а ферменты выступают в роли биокатализаторов, управляющих всеми химическими процессами в живых организмах” [1,2]. Как мы видим, исследование прохождения генетической информации в живых системах почему-то остановилось на этапе синтеза белковых молекул. В связи с этим, в биохимии уже давно господствует ложное представление о том, что управлением химических процессов в живых системах занимаются химические катализаторы, но никак не управляющая информация.

Такое упрощенное представление явно не соответствует действительности. Известно, что клеточный космос биологических молекул, за время своего развития, создал весьма надёжную и универсальную молекулярно-биологическую систему управления с необычайно стабильной генетической памятью и её феноменальными информационными возможностями. Всё это говорит о том, что живые клетки пользуются своей, сугубо специфической молекулярной информационной технологией. А это означает то, что в основе всех биохимических и био-логических “технологий” лежат процессы информационные.

Автора данной статьи уже давно волнует вопрос: как, и каким образом, генетическая информация участвует в управлении сложными биохимическими процессами, молекулярными и другими биологическими функциями живой клетки и организма. В связи с этим, все свои предыдущие работы он посвятил проблемам кодирования, передачи и преобразования генетической информации и использования её в различных молекулярно-биологических процессах управления и регулирования. В этих работах были обобщены, сформулированы и предложены те идеи, гипотезы и концепции, которые, по мнению автора, могут дать первоначальные представления и элементарные знания об информационных процессах на молекулярно-биологическом уровне.

Последовательно были рассмотрены и обсуждены весьма дискуссионные в биологии темы. 1. Молекулярная элементная база живой формы материи. 2. Закономерности молекулярной биохимической логики и информатики. 3. Основные принципы и механизмы существования живой материи. 4. Ферменты и белки – как сверхминиатюрные автоматы и манипуляторы с программным управлением. 5. Молекулярно-биологическая система управления клетки и т. д.

Возможно, это и есть тот подход, который заинтересует исследователей, ищущих пути к изучению систем обработки и реализации молекулярной информации в живых клетках и организмах. Поэтому, не исключено, что предложенные в этих статьях альтернативные идеи могут быть востребованы и использованы для развития нового в науке направления – “Молекулярной биологической информатики”. По крайней мере, такую возможность автор не исключает. Данная статья является логическим продолжением и дальнейшим развитием ранее обозначенных тем.

1. В биологических молекулах нет ничего более загадочного, чем информация.

Известно, что информационные сообщения не могут перемещаться во времени и в пространстве нематериальным способом. В связи с этим, автор пришел к выводу, что информация в живой системе, – это содержательные сведения, заключенные в том или ином послании или сообщении генома, которые хранятся, передаются и используются только в закодированной молекулярной форме. А информационный код в любой живой клетке записывается химическим способом с помощью элементарной формы органического вещества и поэтому переносится в структурах биологических молекул. 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 био-логических (биохимических) элементов. Этот типовой набор представляет собой, ничто иное, как элементную базу, или общий молекулярный биологический алфавит, который служит для кодирования информации, построения и программирования молекулярных структур живой материи. В состав этого уникального набора входят различные системы био-логических элементов (отдельные молекулярные алфавиты): 1) восемь нуклеотидов, – “четыре из них играют роль кодирующих единиц ДНК, а другие четыре используются для записи информации в структуре РНК” [1]; 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 были отобраны в процессе эволюции. Поэтому, кроме семантики сообщений они обладают еще и уникальной природной способностью к выполнению различных – химических, энергетических, молекулярных и других биологических функций. Как мы видим, живые системы имеют не только свою письменность, но и пользуются различными молекулярными языками. А основой каждой системы элементов являются свои индивидуальные молекулярные био-логические (биохимические) элементы (химические буквы и символы). На базе различных систем био-логических элементов – молекулярных алфавитов, могут быть “сконструированы” разнообразные макромолекулы клетки – ДНК, РНК, белки, полисахариды, липиды и т. д. Поэтому элементная база представляет собой те системы биохимических элементов, используя которые живая клетка способна информационным путём строить различные биологические молекулы и структуры, записывать в них информацию, а затем с помощью этих средств осуществлять любые биологические функции и химические превращения. И ведь, действительно, – все биохимические элементы, входящие в состав различных биологических молекул, представляют собой ту элементарную форму органического вещества, с помощью которой формируются и передаются биологические коды молекулярной информации.

Следовательно, информация в живой молекулярной системе передаётся с помощью различных дискретных кодовых сигналов, которые сначала формируются в “линейных” молекулярных цепях, а затем и в трёхмерных структурах различных биологических молекул. Поэтому она имеет молекулярный базис представления [3]. Как ни странно, но 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 сформулирована проблема действия генов как расшифровки закодированных в них сообщений. Однако среди биологов не оказалось квалифицированных криптографов, которые могли бы расшифровать остальные коды и различные линейные и пространственные кодовые комбинации элементов, используемые в структурах биологических макромолекул. Следовательно, важнейшим условием, обусловившим возникновение живой материи, явилось наличие совершенной и качественной молекулярной элементной базы.

И только благодаря её замечательным свойствам, живая природа с большим успехом освоила удивительные химические методы кодирования информации и уникальные способы переноса и загрузки программной информации на молекулярные носители – биологические молекулы. Этот факт подтверждается тем, что различные информационные коды в молекулярной системе записываются химическим способом и поэтому переносятся непосредственно в структурах биологических макромолекул.

Более того, напомним, что все буквы и символы элементной базы (мономеры) живой материи оказалась наделёнными такими химическими и физическими природными качествами и свойствами, сочетание которых позволяет им в составе биологических молекул одновременно выполнять буквально различные по своей биологической роли функции и операции: 1) служить в качестве строительных блоков, с помощью которых осуществляется физическое построение различных макромолекул; 2) выполнять роль натуральных информационных единиц – химических букв или символов, с помощью которых в биомолекулы записывается молекулярная информация; 3) служить в качестве элементарных единиц молекулярного кода, с помощью которого сначала идёт преобразование, а впоследствии, – воплощение и реализация генетической информации; 4) быть программными элементам, с помощью которых строятся алгоритмы структурного преобразования, а затем и программа функционального поведения различных биологических макромолекул; 5) обуславливать потенциальную и свободную химическую энергию биомолекул.

Всё это указывает на то, что информация, загруженная в макромолекулы (с помощью аппаратных средств и молекулярного алфавита), определяет не только их молекулярное содержание, но и их структуру, форму, класс биоорганического соединения, потенциальную и свободную энергию химических связей. Кроме того, та программная информация, которая загружена в молекулярные структуры, всегда определяет информационное и функциональное поведение биологических макромолекул. При этом, каждый типовой био-логический элемент (химическая буква или символ) характеризуется наличием своих функциональных атомных групп, которые определяют его химические свойства и служат входными и выходными цепями, с помощью которых элементы могут ковалентно соединяться друг с другом в длинные молекулярные цепи. И главное, – важно отметить, что каждый элемент (мономер) имеет еще и свою индивидуальную боковую атомную группу (или группы), которая в живой системе, как правило, используется в качестве элементарного информационного химического сигнала!

Наглядный пример: сообщение в цепи ДНК или РНК кодируется в виде последовательности нуклеотидов, а носителями генетической информации являются азотистые основания – “боковые” атомные группы нуклеотидов. Соответственно, и в полипептидной цепи белка это сообщение записывается в виде последовательности аминокислот, где носителями информации являются их боковые R-группы. При этом различные химические буквы белкового алфавита (аминокислоты) в полипептидной цепи оказываются определённым образом сгруппированными в отдельные смысловые последовательности цепи, кодирующие различные инструкции, команды и сообщения, то есть всю программную информацию, необходимую для функционирования белковой молекулы.

Как мы видим, гены могут управлять поведением биологических макромолекул только лишь при помощи программирования их структур и функций! [3]. Для дискретных сообщений характерно наличие фиксированного набора элементов, из которых формируются различные кодовые последовательности. К примеру, информационные сообщения могут кодироваться с помощью 33 букв алфавита русского языка или букв и символов других алфавитов. При этом различные буквы соответствующим образом группируются на бумаге (или на другом носителе) в слова, фразы и предложения. Общий алфавит живой формы материи также состоит из более 30 химических букв и символов молекулярного языка живой природы, с помощью которых кодируется биологическая информация. Причем, для “автоматизации” процессов записи и кодирования информации в живой клетке применяются специальные системы, такие как аппаратные устройства репликации, транскрипции и трансляции генетической информации.

Химические буквы и символы (мономеры), как известно, построены на базе отдельных атомов и атомных групп. В связи с этим, в живых системах была достигнута невероятная плотность записи информации, так как её кодирование в структурах макромолекул осуществляется на субмолекулярном уровне с помощью боковых атомных групп молекулярных био-логических элементов. Можно себе представить, какое колоссальное количество информации хранится в генетической памяти и циркулирует в биологических молекулах и структурах единственной клетки, размеры которой в длину подчас составляют сотые доли миллиметра. Так как информация записывается в линейную структуру биомолекул химическими буквами и символами (био-логическими элементами), то это означает лишь одно, – что эта информация, точно так же, как и химическая энергия обнаруживает полное сродство с живым веществом на его молекулярном уровне. Иными словами, в любой живой клетке на молекулярном уровне всегда соблюдается и действует удивительное свойство единства вещества, энергии и информации.

Следовательно, информация в живых системах действительно имеет молекулярный базис представления. Все живые клетки используют химический принцип записи информации, а элементарные химические информационные сигналы определяются соответствующими био-логическими элементами (мономерами), выступающими в качестве натуральных единиц молекулярной биологической информации. Здесь мы отметили лишь некоторые из основных направлений применения общего алфавита живой формы материи. Однако, и из этих примеров ясно, что различные системы био-логических элементов (различные молекулярные алфавиты) действительно обладают уникальными многофункциональными природными качествами и свойствами, которые имеют фундаментальное значение в организации различных макромолекул, структур и их функций в любых живых клетках.

Важно отметить, что указанные качества и свойства био-логических элементов существуют всегда и одновременно и поэтому они, по своей сути, являются разными характеристиками одной и той же элементной базы. Только такое сочетание характеристик позволяет этим элементам обеспечивать в живой клетке и информационное структурное построение различных макромолекул, и их энергетическое обеспечение, и программное управление их биологическими функциями! Ясно, что такая интеграция различных характеристик осуществляться только на основе и за счет загруженной молекулярным кодом в различные активные макромолекулы клетки структурной, программной и функциональной информации. Поэтому, главный вывод, к которому можно прийти, заключается в том, что информация, циркулирующая в живой клетке, всегда находится в молекулярных структурах биоорганического вещества. Она имеет функциональный характер, химическую или стереохимическую форму записи, а также различные молекулярные виды представления. К примеру, молекулярная биологическая информация может быть представлена в виде цепей нуклеиновых кислот, – при записи её нуклеотидами; в виде полипептидных цепей, – при записи её аминокислотами; в виде линейных или разветвлённых цепей полисахаридов, – при записи её моносахаридами и т. д. Причем линейная форма записи информации, как правило, является основой для преобразования её в форму пространственную – стереохимическую. Следовательно, для решения различных биологических задач, живая клетка широко пользуется разными молекулярными алфавитами, языками, а также разнообразными формами и видами представления информации.

Как мы видим, информация в живых клетках может существовать в двух молекулярных формах – одномерной химической (линейной) и пространственной, стереохимической. Значит, живая клетка пользуется двумя информационными уровнями организации биологических молекул – линейным и пространственным. На первом уровне, с помощью управляющих средств обеспечивается последовательное ковалентное соединение различных химических букв или символов в длинные молекулярные цепи. Таким путём производится запись информационных сообщений в первичную, одномерную (“линейную”) биологическую структуру. Однако, пространственная (стереохимическая) организация макромолекул и клеточных структур, также как и их функции, осуществляются при помощи химических связей, значительно более слабых, чем ковалентные. Это происходит потому, что боковые группы тех био-логических элементов, которые в цепи связаны ковалентно, способны к информационным взаимодействиям с другими боковыми группами, как в пределах одной макромолекулы, так и с боковыми группами близлежащих молекул.

К таким взаимодействиям (их называют слабыми связями) относятся: водородные и ионные связи, ван-дер-ваальсовы силы, гидрофобные взаимодействия, которые в совокупности, благодаря их многочисленности и разнообразию, оказываются весьма сильными. Поэтому они определяют не только степень прочности сложных макромолекул, – белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов и т. д., но и обуславливают их информационные и функциональные возможности. Значит, второй информационный уровень организации макромолекул осуществляется в основном при помощи слабых нековалентных сил, связей и взаимодействий между боковыми атомными группами и атомами химических букв или символов. Через посредство этих сил и связей идёт воплощение линейной молекулярной информации в стереохимическую структуру и форму. В результате таких преобразований “одномерная” молекулярная информация цепей “сворачивается, пакуется и сжимается” в трёхмерную информацию биомолекул, которая в таком виде становится пригодной для транспортировки, передачи по различным каналам, а затем, и непосредственного использования в различных биологических процессах.

Напомним, что информационные взаимодействия биологических молекул друг с другом и с системой управления осуществляются на трёхмерном уровне их структурной организации с помощью линейных, локальных и стереохимических кодовых матриц, образованных многочисленными боковыми атомными группами био-логических элементов [3]. Трансформация линейных генетических сообщений в трёхмерную структуру и форму различных биомолекул – это важный этап перехода биологической информации из одной её молекулярной формы в другую. Линейный и пространственный элементарный состав макромолекул определяется генами, а каждый био-логический элемент в составе биологической молекулы тождественно может выполнять различные роли, – как структурной, так и информационной единицы, как функционального, так и программного элемента. Поэтому все аппаратные средства живой клетки – белки, ферменты и другие клеточные компоненты обладают строго своей специфической структурной организацией, имеют своё информационное и функциональное назначение, а также пользуются своим индивидуальным энергетическим и программным обеспечением.

Только благодаря удивительным многофункциональным свойствам био-логических элементов, макромолекулы клетки становятся обладателями настолько многоликих и разносторонних качеств и свойств, что их можно изучать и рассматривать буквально с разных сторон и различных точек зрения. Поэтому версии рассмотрения и методы исследования биологических молекул могут быть разными. Их можно рассматривать со структурной точки зрения, с физико-химической, с энергетической, с информационной, с функциональной и, наконец, – с биологической. Если, к примеру, их рассматривать чисто c информационной точки зрения, то можно констатировать, что в биологических макромолекулах нет ничего, кроме информации записанной химическими буквами или символами сначала в линейной последовательности молекулярных цепей, а затем, и в пространственной стереохимической организации макромолекул. А трёхмерная структурная информационная основа макромолекулы как раз и описывает те её общие характеристики, которые в своей совокупности могут дать полное представление о её биологической сущности.

По мнению автора, только информационное содержание биологической молекулы является фактором интеграции различных характеристик составляющих её элементов, которые в своей совокупности и представляют всю её биологическую сущность! Только так, и не иначе, возникают те биологические качества и свойства молекулярных структур, которые привыкли наблюдать биологи. Однако заметим, что уникальное свойство единства вещества, энергии и информации и многофункциональный принцип применения элементной базы привели к удивительной ситуации в естественных науках. Во-первых, такая ситуация подсказывает, почему биологическая форма материи не поддаётся объяснению с какой-либо одной из точек зрения, к примеру, при физико-химическом подходе. Во-вторых, это же обстоятельство позволяет биологам изучать живую материю буквально с разных сторон и различных точек зрения. Поэтому, столь разноплановые признаки и свойства биологической формы материи привели к тому, что в настоящее время её изучением заняты многочисленные естественные науки – биофизика, биохимия, генетика, молекулярная биология, биоэнергетика, цитология и многие другие дисциплины. Однако такой дифференцированный подход больше ведёт к разобщению, чем к интеграции знаний.

Автор уверен, что только альтернативный – информационный подход может позволить по-иному взглянуть на давно известные физические и химические закономерности и открыть новые страницы в изучении живой материи. Только молекулярная информация определяет и структурную организацию, и функциональное поведение, и энергетику, и все информационные возможности различных биологических макромолекул и структур. Заметим, что весь этот многоликий набор удивительных характеристик биомолекул обеспечивается многофункциональными свойствами био-логических элементов (химических букв и символов). Поэтому, если биомолекулы рассматривать только чисто с информационной точки зрения, то обнаруживается, что в них нет ничего, кроме молекулярной информации (строго определённой фиксированной позиционной последовательности элементов в молекулярных цепях). Значит, только посредством молекулярного алфавита, то есть с помощью химических букв и символов, и никак иначе, мы можем расшифровать сокровенные тайны живой материи и, таким образом, проникнуть в необъятный мир молекулярной биологической информатики и молекулярных информационных технологий.

Общий молекулярный алфавит, состоящий более чем из трёх десятков различных химических букв и символов – это ли не тот золотой ключик, с помощью которого можно разгадать многочисленные секреты живой формы материи. Наша задача – научиться правильно “прочитывать” и верно расшифровывать информационные послания и сообщения генома, которые закодированы в различных биологических макромолекулах и структурах живой клетки и организма.

Библиографический список
1. А. Ленинджер. Основы биохимии. Пер. с англ. В 3-х томах – М: Мир, 1985. 2. Ф.Айала, Дж. Кайгер. Современная генетика. Пер. с англ. В 3-х томах – М: Мир, 1988. 3. Ю. Я. Калашников. Основы молекулярной биологической информатики. – М., 2004. – 66с – Депонир. в ВИНИТИ РАН 13.04.04, №622-В2004, УДК 577.217:681.51
4. Ю. Я. Калашников. Ферменты и белки – это молекулярные биологические автоматы с программным управлением. – М., 2002.–25с. – Депонир. в ВИНИТИ РАН 21.05.02, №899-В2002, УДК 577.217:681.51 5. Ю. Я. Калашников. Концепция информационной молекулярно-биологической системы управления. – М., 2005.– 88с. – Депонир. в ВИНИТИ РАН 14.04.05, №505-В2005.
Дата публикации: 26 сентября 2006
Источник: SciTecLibrary.ru