Живая форма материи до сих пор остаётся одной из самых таинственных проблем молекулярной биологии. Современное состояние биологических знаний пока еще не позволяет объяснить многие причины и механизмы функционирования живых систем. В своё время известный американский ученый А. Ленинджер отмечал: «Молекулы, из которых состоят живые организмы, подчиняются всем известным законам химии, но, кроме того, они взаимодействуют между собой в соответствии с другой системой принципов, которой мы можем дать общее название - молекулярная логика живого состояния. Эти принципы вовсе не обязательно представляют собой какие-то новые, до сих пор ещё неизвестные нам физические законы или силы. Их следует рассматривать скорее как особую систему закономерностей, характеризующих природу, функции и взаимодействия биомолекул, то есть таких молекул, которые входят в состав живых организмов» [1].
Следовательно, структурное построение и функциональное поведение биологических молекул в живых системах подчинено не только известным физическим и химическим законам, но и особым принципам и правилам, которые вполне можно отнести к закономерностям «молекулярной биохимической логики». К сожалению, А. Ленинджер ограничился лишь физико-химическим подходом к проблемам «молекулярной логики живого состояния». Между тем, известно, что клеточный космос биологических молекул, за время своего развития, создал надёжную и универсальную молекулярно-генетическую систему управления. Эта система оснащена наследственной памятью, которая в большинстве случаев имеет феноменальные информационные возможности. Всё это говорит о том, что живые системы уже давно пользуются своей, сугубо специфической информационной технологией.
То есть, в основе всех биохимических и биологических процессов лежат процессы информационные. Однако естественные науки так и не смогли до сегодняшнего дня ясно и четко ответить на вопрос - как, и каким образом, генетическая информация участвует в управлении сложными химическими процессами, молекулярными и другими биологическими функциями живой клетки? Поэтому в современной науке о живой материи полностью отсутствует информационная концепция её самоуправления. В настоящее время с большим трудом выявлены отдельные фрагменты, но пока не видна общая картина прохождения и реализации генетической информации. В учебниках по биологии отмечается: «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» [2].
Как мы видим, в молекулярной биологии и генетике, изучение прохождения генетической информации почему-то остановилось на этапе синтеза белковых молекул. Это, соответственно, и ведёт к ложному представлению о том, что в дальнейших биохимических событиях молекулярная биологическая информация не участвует. Создается впечатление, что открытие генетического кода, так же как и матричный синтез белков, ещё не побудили биологов к исследованию информационных путей управления химическими превращениями и биологическими функциями клетки. Однако уже давно стало очевидным, что живые системы не могут ни существовать, ни развиваться только на физико-химической основе. Между тем, полученные научные данные уже сейчас позволяют сделать соответствующие обобщения, собрать известные и разыскиваемые фрагменты воедино и ближе подойти к решению многих информационных молекулярно-биологических проблем. Эти задачи вполне решаемы по ряду причин.
Во-первых, мы давно знаем, что благодаря использованию наследственной информации, жизнь на нашей планете существует, поддерживается и развивается уже более 3,5 миллиардов лет. Этот факт, естественно, предполагает наличие в любой живой клетке целостной системы управления и передачи генетической информации. А интегративный характер этой информации указывает на то, что лишь она имеет право претендовать на ту особую роль в любой живой системе, которая раньше приписывалась «таинственной жизненной силе». Во-вторых, только информационная система самоуправления способна поддерживать жизнедеятельность живой клетки, управлять и регулировать её обмен веществ. Лишь только управляющие информационные потоки и сети способны превратить клетку в элементарную основу жизни, в центр по переработке органического вещества, химической энергии и генетической информации. Поэтому нам остается понять и разобраться: на каких принципах, правилах и механизмах основана работа информационной молекулярно-биологической системы управления?
Системы биологических (биохимических) элементов.
Известно, что построение и функционирование сложных информационных устройств базируется на применении типовых унифицированных узлов и элементов. К примеру, все информационные процессы в цифровой технике основаны на использовании типовых логических элементов, выполняющих элементарные логические функции и простейшие действия по преобразованию двоичной информации. Логические элементы служат как для построения электронных схем, так и для переработки двоичной информации. А теоретической основой при анализе переключательных схем являются законы и принципы алгебры логики. В алгебре логики рассматриваются переменные, которые могут принимать только два значения: 1 и 0. В основу типовых структур логических интегральных схем, как правило, закладывают элементы, выполняющие операции - И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ. Все сколь угодно сложные цифровые устройства микроэлектронной техники строятся на базе логических элементов, которые реализуют простейшие логические функции и операции двоичной арифметики.
Базовые элементы являются своего рода строительно-функциональными единицами и используются как при проектировании, так и при построении цифровых информационных систем. Они реализуют функционально полный набор логических операций, поэтому при их применении можно получить логическую функцию любой сложности. При этом каждая типовая логическая схема элемента выполнена на основе отдельных дискретных физических компонентов - транзисторов, резисторов, конденсаторов и диодов. Удивительно, но и при рассмотрении живых молекулярных систем наблюдаются такие же закономерности. Живые молекулярные системы тоже имеют свою унифицированную биологическую (биохимическую) элементную базу. Поэтому и здесь возможен обобщенный подход, основанный на применении простых органических молекул (мономеров), которые играют роль составных элементов различных биологических молекул и структур. А «теоретической и технологической» основой применения молекулярной базы служат свои универсальные законы и принципы, которые, по соответствующей аналогии, можно отнести к закономерностям «молекулярной биохимической логики» и информатики. Биохимическая логика предусматривает такое понятие как «молекулярный биологический элемент». Этот факт лишний раз напоминает нам о том, что любая живая клетка является информационной системой. Поэтому, чтобы понять закономерности её функционирования, в первую очередь, следует разобраться с элементной базой живой формы материи и принципами и правилами её использования. Это основная тема данной статьи.
Известно, что все живые организмы состоят из одних и тех же молекулярных строительных блоков - стандартного набора более чем трёх десятков типовых биохимических (биологических) элементов: нуклеотидов, аминокислот, простых сахаров, жирных кислот и др. Число этих мономеров невелико, и они имеют одно и то же строение у всех видов организмов. Причем, каждый такой элемент в отдельности также представляет собой простейшую схему, структурными компонентами которой могут быть несколько химических элементов - водород, кислород, углерод, азот, а также фосфор и сера. Наличие тех или иных типовых функциональных атомных групп, боковых групп и атомов в составе каждого элемента позволяет прогнозировать не только его поведение в химических реакциях, но и предвидеть ту структурно-информационную роль, которую элемент будет играть в составе макромолекулы.
Таким образом, живые системы при построении различных биологических молекул и структур применяют свои особые, сугубо специфические молекулярные биологические элементы. Эти элементы (в составе живой материи) реализуют функционально полный набор элементарных биохимических функций и операций, поэтому при их использовании живая природа может получить биологическую функцию любой сложности. При этом, естественно, наблюдается как аналогия, так и существенные различия между технической и биологической элементными базами и технологиями их применения. К примеру, микросхемы технических устройств могут состоять из сотен, тысяч и более логических элементов нескольких типов, соединенных между собой соответствующим образом на поверхностной структуре электронной схемы. Биологические макромолекулы также могут состоять из сотен, тысяч и более биохимических элементов нескольких типов, соединенных между собой ковалентными и нековалентными связями в трехмерных структурах биомолекул.
Разница также состоит в том, что живые системы используют свои принципы и методы кодирования, передачи и реализации информации и отличаются от технических систем не только субстратным носителем, но и методами представления информации. Более того, если логический элемент в цифровой технике является простейшим преобразователем двоичной информации, то каждый биологический элемент в макромолекуле сам играет роль элементарной структурной, информационной и функциональной единицы. В технической и биологической системах информационные сообщения осуществляются в различных формах. В технических устройствах используются элементарные сигналы 1 и 0 двоичного кода. То есть для передачи информационных сообщений применяется всего лишь два цифровых символа. Обычно символу 1 соответствует потенциал высокого уровня, символу 0 - низкого.
Двоичные коды получили широкое применение главным образом из-за сравнительно простой аппаратурной реализации логических операций и арифметических действий, а также устройств для передачи и запоминания сообщений. Здесь каждый логический элемент служит для простейших преобразований двоичной информации, то есть для преобразования двоичных символов. Таким образом, в технических устройствах применяется аппаратный способ преобразования информации. Однако в биологических системах, наряду с аппаратным способом преобразования информации, применяется также и информационный способ построения и преобразования самой аппаратной части. Это - уникальная особенность информационных процессов в живых молекулярных системах. Причем, единицей информации служит сам биохимический элемент, который и является буквой или символом информации. Поэтому при помощи химических букв и символов (элементов) строится аппаратная система клетки и, одновременно, в её структуры записывается программная информация. То есть, на первом этапе информационные сообщения передаются фиксированной позиционной последовательностью расположения букв или символов в «линейных» цепях биологических молекул.
Следовательно, если в технической системе применяется только аппаратный способ преобразование информации, то в молекулярно-биологической системе, - с помощью генетической информации и элементной базы сначала идёт построение и преобразование различных биомолекул и структур, и только потом эти средства могут участвовать в различных информационных процессах. В связи с этим, аппаратная часть клетки становится носителем и реализатором соответствующей программной и молекулярной биологической информации. Получается так, что если в технической системе аппарат является преобразователем информационных символов, то в живой клетке наоборот, - молекулярные буквы и символы, организованные в различные молекулярные последовательности информационных сообщений, сами выступают в роли преобразователей аппаратной части.
Причем, функции биомолекул полностью определяются элементарными функциями составляющих их биологических элементов (букв или символов), - то есть информацией. А каждый элемент в составе биомолекулы всегда взаимодействует с другими элементами или молекулами воды по особым принципам и правилам, которые вполне можно назвать закономерностями молекулярной биохимической логики. Поэтому биохимические элементы здесь, по-видимому, становятся ещё и теми программными элементами, с помощью которых строятся алгоритмы функционального поведения различных биологических молекул и структур. Таким образом, чтобы изменить функциональную направленность деятельности клетки - ей, в определённой мере, с помощью новых информационных сообщений, необходимо частично менять свою аппаратную систему.
Смена молекулярных аппаратных устройств, естественно, связана с синтезом новых биомолекул и разрушением старых, которые отслужили свой срок и выполнили свою задачу. Поэтому, после выполнения своих функций, каждая биомолекула расчленяется на элементарные структурно-информационные единицы, которые вновь могут быть вовлечены в информационные процессы. Использованная информация как бы стирается и ликвидируется, а отдельные составляющие её буквы или символы, то есть «молекулярный биологический шрифт» рассыпается для того, чтобы вновь быть использованным в новых информационных сообщениях или других клеточных процессах. Такова основная отличительная особенность информационных передач в молекулярно-биологических системах. Живая клетка экономна во всём. Если вспомнить, что химические буквы и символы (элементы) строятся на базе отдельных атомов и атомных групп, то можно себе представить, какое колоссальное количество информации хранится в генетической памяти и циркулирует в живой клетке, размеры которой в длинy подчас составляют сотые доли миллиметра. К примеру, зигота содержит всю информацию необходимую для развития целостного организма.
Для изменения управляющих воздействий, клетке постоянно нужно обновлять информационные сообщения, что, соответственно, приводит и к обновлению аппаратной части клетки. Поэтому в живой клетке идет постоянное движение информации и вещества. С одной стороны идёт процесс переработки и обновление управляющей информации, а значит ферментов и других белковых молекул, с другой - это приводит к изменению химических управляемых процессов, которые осуществляются ферментами. В случае необходимости данные процессы поддерживаются дозовой циркуляцией химической энергии в форме АТФ. Можно убедиться в том, что для построения различных классов высокомолекулярных соединений, таких как нуклеиновые кислоты, белки, полисахариды или липиды, живая клетка использует различные системы (алфавиты) биохимических элементов. Заметим, что с информационной точки зрения, эти классы биологических молекул представляют собой ничто иное, как различные виды и формы молекулярной информации.