Калашников Юрій Якович
Дана стаття присвячена трьом головним складовим живої форми матерії - речовини, енергії та інформації. Тут коротко і послідовно розглянуті: 1) різноманітні види і форми молекулярної інформації та різні категорії інформаційних повідомлень, які широко застосовуються в клітках для реалізації різних біологічних функцій і хімічних перетворень, 2) комплементарні (матричні) принципи молекулярних інформаційних взаємодій; 3) інформаційні поля і сфери живої форми матерії. Основна частина статті присвячена "принципом триєдності биоорганического речовини, хімічної енергії і молекулярної інформації" живої матерії. Цей принцип, по всій імовірності, є ключовим в молекулярній біології, визначальним базисну, фундаментальну основу існування біологічної форми матерії. На закінчення автором пропонується для розгляду та обговорення ще одна важлива концепція - концепція взаємозумовленості та взаємозалежності між головними складовими живої матерії - інформацією, структурою, енергією і функцією в різних біологічних процесах. Ці дві концепції, на думку автора, в найбільшій мірі визначають сутність біологічної форми руху матерії, а значить, і природу, і принципи її організації.
Відомо, що речовина, енергія та інформація - це три найважливіші сутності нашого світу, три найголовніших його складових Ми живемо в надзвичайно багатому за формою і різноманітності навколишньому матеріальному світі. Наука вже досить давно вивчає і досліджує різні форми матерії, в ряду яких живої матерії відводиться особливе місце. Однак особливі нюанси виникають з поняттям інформації. Приміром, хоча вона і є однією з головних складових нашої світобудови, але до цих пір не має загальноприйнятого наукового визначення. Між тим цей факт не заважає успішно застосовувати поняття "інформації" в різних областях науки, техніки і людської діяльності. Тому "інформація" також може класифікуватися на різні види і категорії і характеризуватися різними формами існування, сферами застосування і призначенням. Тим не менш, цей термін продовжує викликати різного роду дискусії, які особливо помітно проявляються в молекулярній біології. На жаль, це відбувається на тлі загальноприйнятої і чітко сформульованої центральної догми молекулярної генетики, "яка визначає три головні етапи в обробці генетичної інформації. Перший етап - реплікація, тобто копіювання батьківської ДНК з утворенням дочірніх молекул ДНК, нуклеотидна послідовність яких комплементарна нуклеотидної послідовності батьківського ДНК і однозначно визначається нею. Другий етап - транскрипція, процес, в ході якого частину генетичної інформації переписується у формі рибонуклеїнової кислоти (РНК). І, нарешті, третій етап - трансляція, в процесі якої генетична інформація, записана за допомогою чотирибуквене коду в РНК, переводиться в рибосомах на двадцатібуквенний код білкової структури "[1]. Однак і тут, як ми бачимо, вивчення та дослідження проходження генетичної інформації, чомусь, зупинилося на етапі синтезу білкових молекул. Хоча вже давно стало очевидним, що живі системи в принципі не можуть ні існувати, ні функціонувати, ні розвиватися тільки лише на фізико-хімічної основі. Ясно, що в цих процесах провідну роль може грати тільки спадкова молекулярна (генетична) інформація. Тому вивчати загальні властивості і структуру молекулярної інформації, а також закономірності і принципи її створення, перетворення, передачі і використання в різних біологічних процесах повинна, по всій вірогідності, спеціалізована дисципліна, така як "Молекулярна біологічна інформатика".
1. Роль молекулярної інформації в біологічних системах. Наука показує, що завдяки використанню спадкової інформації, життя на нашій планеті існує і розвивається вже більше трьох мільярдів років. Тому більшість дослідників вважає, що поняття інформації, в широкому сенсі цього слова, в біології так само необхідно, як і поняття органічної речовини і хімічної енергії. І дійсно, адже тільки інформація може нести ту високу міру визначеності, яка існує в складно-залежних взаємодіях біологічних молекул один з одним і з системою управління. І якщо речовина та енергія живого є його матеріальним наповнювачем, то інформація в структурі живої речовини є керівництвом до дії а, значить, і критерієм управління всіх хімічних, молекулярних, енергетичних та інших біологічних процесів. Можна сказати, що інформація в живій системі виконує ту керівну роль, яка раніше приписувалася "таємничої життєву силу". Не вдаючись у філософські обгрунтування терміна "інформація", в даній статті ми будемо дотримуватися загальноприйнятих ідей і концепцій, які застосовуються до складних систем управління та зв'язку під час передачі інформаційних кодів та сигналів управління. Тому, що жива клітина, як елементарна основа життя, є найскладнішою самокерованої біокібернетичними системою, яка виконана в мініатюрі, і функціонує на майже недосяжному для вивчення - молекулярному рівні. "Інформація в складних системах, як відомо, - це змістовні відомості, укладені в тому чи іншому повідомленні. А повідомленням може бути будь-який текст, дані, що передаються про структурну організацію або будь-якому процесі, значення контрольованого параметра, команда управління і т.д. Причому, повідомлення може мати форму, не пристосовану для передачі, зберігання та інших інформаційних процесів. У зв'язку з цим застосовуються різні способи перетворення повідомлення, такі, як дискретизації і кодування з метою отримання оптимального сигналу. Сигналом називається засіб передачі (переносник) повідомлення. У загальному вигляді сигнал - це однозначне відображення повідомлення, завжди існує в деякому фізичному втіленні "[2]. Природно, що і в живій молекулярної системі інформація передається за допомогою різних дискретних кодових сигналів, які формуються в "лінійних" ланцюгах, а потім і в тривимірних структурах різних класів біологічних молекул [3]. Взагалі-то існують найрізноманітніші види інформації, у тому числі - логічна смислова, метрична, що обчислюється у бітах та інші. Молекулярної біо-логічної інформації в цьому ряду повинна відводитися своє особливе місце. І дійсно, інформація в живій молекулярної системі має свій специфічний сенс, надзвичайно високий статус і своє матеріальне наповнення. Вона також характеризується різними видами, формами і категоріями і використовується живою системою у вигляді передач і перетворень молекулярних біологічних кодів управління і сигналізації. Тому й не дивно, що з кодуванням інформації пов'язані одне з чудових властивостей живої клітини - можливість зберігати, передавати і обробляти генетичні повідомлення. Інформація в живій системі може передаватися і перетворюватися за допомогою біологічних кодів і алфавітів з одного її молекулярного виду в інший, з однієї її молекулярної форми (лінійної, хімічної) в іншу (просторову, стереохімічні). Внаслідок цього, кодування молекулярної інформації в живій клітині застосовується як для структурної організації різних класів біологічних молекул, так і для інформаційного управління різними хімічними перетвореннями, енергетичними процесами та іншими біо-логічними функціями. Сам же інформаційний код в молекулярній біології записується хімічним способом за допомогою елементарної форми органічної речовини, і тому переноситься в структурах біологічних молекул. А для біосинтезу та організації найважливіших класів біоорганічних сполук (нуклеїнових кислот, білків, полісахаридів і ліпідів) і для запису в їх структуру інформації застосовуються різні алфавіти - системи біо-логічних елементів (нуклеотиди, амінокислоти, прості цукри, жирні кислоти та ін) [ 3]. Отже, різні алфавіти служать для кодування різних форм та видів молекулярної біологічної інформації. Інформація, укладена в послідовності нуклеотидів визначає структуру і функції макромолекул ДНК і РНК. Інформаційні повідомлення у вигляді послідовності амінокислот у поліпептидних ланцюгах кодують і програмують структурно-функціональну організацію білкових молекул. А інформаційна послідовність моносахаридів або жирних кислот кодує структуру і функції полісахаридів та ліпідів. Все це підтверджує думку про те, що різні види і форми молекулярної інформації визначають свою структурну і функціональну організацію, притаманну різним класам біологічних молекул. Значить, елементарне зміст будь-якої макромолекули визначається формою подання і видом молекулярної інформації. Тому всі види і форми інформаційних передач у живій клітині носять чисто біологічний характер. А щоб перевести інформацію з одного її молекулярного виду в інший, або з однієї форми в іншу, жива клітина використовує різні біологічні коди. Наприклад, інформація, записана в структурі ДНК і РНК у вигляді нуклеотидної послідовності, переводиться в амінокислотну послідовність білка за допомогою генетичного коду, тобто таким способом інформація перетворюється з одного її молекулярного виду в інший. А для того, щоб трансформувати амінокислотну послідовність у тривимірну структуру і форму білкової молекули, застосовується амінокислотний код. Отже, тут інформація перетворюється з однієї її молекулярної форми - лінійної, в іншу форму - просторову, стереохімічні. У зв'язку з цим, у живій клітині використовуються різні біологічні коди, де кодування та перетворення різних видів і форм молекулярної інформації застосовується при структурної організації різних класів біологічних молекул, призначених для реалізації відповідних біологічних функцій і процесів. Наприклад, якщо коди активного центру глікоген-синтази несуть генетичну інформацію про біосинтезі макромолекул глікогену, значить, ці коди еквівалентні функціональним можливостям ферменту. Виходить, що просторові кодові комбінації бічних R-груп елементів активного центру ферменту (адресний код і код операції) виступають у ролі ключа для перекладу генетичної інформації в кодову послідовність молекулярної ланцюга глікогену. А сам фермент при цьому є перетворювачем однієї форми молекулярної інформації в іншу. Значить молекулярні коди відповідностей, так само, як і засоби їх реалізації та рецепції, дійсно існують в будь-якій живій клітині. Важливо зазначити, що інформація в живій системі відповідальна не тільки за молекулярне зміст її компонентів, але виступає і в якості загального взаємозв'язку і взаємозалежності, і є критерієм управління її молекулярних об'єктів. А інформаційні взаємодії різних класів біологічних молекул один з одним здійснюються на тривимірному рівні їх структурної організації, за допомогою їх локальних або поверхневих біохімічних матриць. Отже, інформація в молекулярній біології не тільки властивість і зміст біологічних молекул і структур, а й засіб управління і сигналізації, здатне здійснювати роботу. Результатом цієї роботи є сувора послідовність, впорядкованість і узгодженість хімічних процесів, морфологічних і фізіологічних змін. Тільки з цієї причини всі фізико-хімічні процеси в живій системі виходять за свої власні рамки і набувають більш змістовну область, - область молекулярної біохімічної логіки, інформатики та управління. Тому інформація в молекулярній біології не абстрактне поняття, а сам зміст і сутність живої матерії. У зв'язку з цим, жива матерія формується і "рухається" під керівництвом керуючої системи, завдяки використанню генетичної інформації і загального молекулярного алфавіту. А багатофункціональні властивості елементної бази є ключовим критерієм єдності речовини, енергії та інформації, яке завжди виявляється в різних біологічних молекулах [4]. Єдність інформації зі структурою й енергією живої речовини є важливою рушійною силою і особливістю еволюції живої матерії. А консервація інформації в субстраті биоорганического речовини, у вигляді різних хімічних букв і символів, стає характерною рисою навіть біотичного кругообігу. Тому в прямому і буквальному сенсі можна говорить про те, що кожна жива система обмінюється з навколишнім середовищем молекулярної інформацією, тобто речовиною та енергією. Отже, призначення інформаційного підходу до молекулярних біологічним проблемам полягає в тому, щоб зрозуміти принципи функціонування живих систем, відправляючись від їх структури і відомостей про властивості їх складових елементів, які завжди є натуральними одиницями молекулярної інформації. Загадка життя, мабуть, і криється в тому, що основою її прояви служить генетична пам'ять, а всі процеси функціонування здійснюються і підтримуються інформаційної молекулярно-біологічною системою управління, створеної на базі живої клітини. Перед живої кліткою не виникає проблеми - як здійснити адресну передачу молекулярної інформації всередині клітинної системи, чи поза нею. Основним способом передачі інформації є транспортування і адресна доставка біологічних молекул, у структурах яких записана потрібна інформація. Доставка інформації у відповідне місце здійснюється автоматично. Для цієї мети в живій клітині існують спеціальні системи автоматичного сортування та адресної доставки повідомлень (біомолекул), є розгалужена мережа фізичних каналів зв'язку, компартментов і відсіків. Причому, як сортування, так і адресна доставка інформаційних повідомлень здійснюється на основі спеціальних кодів сортування та адресації, якими забезпечуються всі біомолекули при їх виготовленні. Інформаційні повідомлення в клітинній системі мають свої специфічні властивості і особливості. По-перше, з одного боку, сама управляюча система клітини є джерелом керуючих повідомлень, команд та інструкцій, що передаються у вигляді кодових передач в структурах білкових молекул за різними каналами на численні біохімічні об'єкти управління (субстрати), які є приймачами керуючої інформації. Однак з іншого боку, різні біохімічні об'єкти управління є джерелом сигнальної інформують інформації для вихідних апаратів керуючої системи (ферментів і білків). Таким чином, потоки керуючої та сигнальної молекулярної біологічної інформації в живій клітині завжди спрямовані назустріч один одному. Тому управлінням в живих системах, мабуть, можна назвати передачу і транспортування на відстані, за допомогою ферментів, команд управління та виконавчих органів і механізмів, що можуть впливати на хімічні кодові групи молекул субстрату. Жива клітина відноситься до систем з розподіленими об'єктами управління, де застосовується адресний спосіб передачі керуючої інформації від центральних пристроїв до численних локально розосередженим об'єктів управління (субстратів). А сигнальної інформують і регуляторної інформації назад, від об'єктів до центральних або місцевим керуючим пристроїв (ферментам і білків). Причому "запит" керуючої інформації, як правило, здійснюється на основі надійшла в клітку інформують інформації субстратів. Жива клітина є інформаційною молекулярно-біологічною системою управління, яка витягає вільну енергію та сировинні ресурси з навколишнього середовища. Тому, для реалізації різних біологічних функцій і хімічних реакцій, в клітці застосовуються і різні категорії інформаційних повідомлень, а саме: 1) молекулярно-біологічне управління - транспортування та адресна доставка ферментів (білків), а значить, і передача на відстань їх дискретних сигналів, кодових команд управління, виконавчих органів і механізмів, для безпосереднього хімічного і динамічного впливу на об'єкти управління (субстрати), 2) структурно-функціональна інформація - при передачі кодових дискретних повідомлень про тривимірної організації біомолекул, що виконують структурні чи інші біологічні функції; 3) інформують сигналізація - транспортування та адресна доставка в потрібний компартмент живої клітини молекул субстрату, з метою передачі дискретних сигналів від субстратів до відповідних ферментам про стан об'єктів управління; 4) сигнальна і регуляторна інформація - при передачі дискретних сигналів у вигляді молекул зворотного зв'язку, що впливають безпосередньо на виконавчі органи білків і ферментів, з метою контролю та регулювання хімічних перетворень; 5) безадресна передача регуляторної інформації біомолекулами клітини, яка здійснюється шляхом зміни концентрації іонного складу клітинної мікросередовища, зміни водневого показника рН і т. д. Необхідно зазначити, що молекулярна біологічна інформація в живій системі має різні форми існування. Найбільш характерними формами існування інформації в живій клітині є: статична, динамічна (керуючі) і сигнальна довідуються. Статична керуюча інформація кодується в структурі ДНК за допомогою нуклеотидів. Генетична пам'ять сама по собі структура інертна і статична, тому первинна біологічна інформація існує в кодової формі запису певних відомостей і повідомлень у відповідних генах ДНК. Динамічна керуюча інформація - є похідною від генетичної, вона визначається лінійної, а потім і тривимірної організацією біомолекул, тобто, в кінцевому підсумку, має стереохімічні форму подання. Завдяки стереохимической формою представлення інформації - ферменти, білки та інші функціональні макромолекули, надмолекулярні комплекси і ансамблі клітини, здатні в автоматичному режимі вирішувати ряд біологічних завдань. Довідуються інформація (сигналізація), сприйнята керуючою системою клітини, передається кодовими елементами (літерами, символами або знаками) молекул субстрату. Ферменти та білки здатні специфічно (інформаційно) взаємодіяти з різними біо-логічними елементами і їх хімічними знаками. Тому в якості об'єктів сигнальної інформують інформації в живій клітині можуть виступати як окремі біохімічні елементи, так і різні біомолекули, що складаються з таких елементів, тобто численні молекули субстратів. Довідуються сигналізація служить для інформування системи про стан керованих біохімічних об'єктів, про хід хімічних реакцій, про ефективність процесів, що протікають і т. д. Керуюча система клітини реагує тільки на ту сигнальну інформацію, яка властива її природі. У зв'язку з цим, одним з головних ознак процесів управління в клітині є безперервна циркуляція інформації, яка безперервно і циклічно завантажується в молекулярну структуру биоорганического речовини. Після виконання своїх функцій, різні біомолекули, як правило, руйнуються до їх складових - мономерів (біо-логічних елементів), які потім знову можуть бути залучені в інформаційні або інші біологічні процеси. При цьому якщо динамічна керуюча інформація безпосередньо пов'язана з молекулярними структурами білків (закодована в них), то сигнальна довідуються інформація, сприйнята ферментами (білками), укладена в структурній організації їх молекулярних партнерів. Тому можна констатувати, що молекулярна біологічна інформація в живій клітині має різні форми існування і може записуватися різними хімічними літерами і символами. Приміром, статична керуюча інформація кодується в структурі ДНК за допомогою нуклеотидів. Динамічна керуюча інформація білкових молекул записується і реалізується за допомогою амінокислот. Сигнальна (довідуються) молекулярна інформація може забезпечуватися різними літерами і символами загального алфавіту живої матерії, а, отже, і їх різними хімічними знаками. Тому потоки і циркуляція інформації в живій системі тотожне можуть бути представлені потоками і циркуляцією різних біологічних молекул. У зв'язку з цим з'являється необхідність розподілу інформації за формами, видами і категоріями, наприклад: 1) за формою подання - безперервна (аналогова) і дискретна, 2) за принципом і формі запису - хімічна і стереохимическая; 3) за видами вистави - у вигляді макромолекул нуклеїнових кислот або білків, у вигляді макромолекул полісахаридів або ліпідів і т. д.; 4) за формою існування - статична і динамічна, 5) за призначенням і характером дії - керуюча (функціональна) і сигнальна (довідуються); 6) за ознаками і властивостями - генетична (спадкова, статична, що визначає генотип) і біологічна функціональна (похідна від генетичної, динамічна, що визначає фенотип); 7) за способом існування - речова (молекулярна) і віртуальна (знання, свідомість) і т. д. [4 ]. . У живій клітині для подання (кодування) інформації використовуються різні молекулярні алфавіти, які містять свої хімічні букви або символи. Представлення біологічної інформації різними алфавітами веде до того, що інформація в живій системі може записуватися різними біо-логічними елементами, які й визначають різний зміст біологічних молекул і, відповідно, різний її молекулярний вигляд і форму. У зв'язку з цим: 1) одномірна - лінійна форма спадкової інформації в живій системі кодується в структурі ДНК і РНК у вигляді послідовності нуклеотидів, 2) "лінійна" і просторова (стереохимическая) форма програмної інформації ферментів записується амінокислотним кодом у вигляді поліпептидних ланцюгів і тривимірних білкових молекул, 3) лінійна і просторова структурна і функціональна інформація полісахаридів кодується моносахаридами (простими цукрами); 4) лінійна і просторова структурна і функціональна молекулярна інформація ліпідів кодується мономерами жирних кислот і т. д. Жива форма матерії відрізняється від інших форм тим, що її структура та функції кодуються і програмуються тієї молекулярної інформацією, яка за допомогою елементної бази заздалегідь була завантажена в її молекулярні ланцюги і тривимірні структури. Тому все розмаїття біологічних молекул живої клітини формується тільки на основі керуючих засобів, за допомогою генетичної інформації та використання різних молекулярних алфавітів.
2. Матричний, комплементарний принцип інформаційних взаємодій. Відзначимо, що в живій системі для організації інформаційних процесів найбільш широко використовується комплементарний принцип взаємодії біологічних молекул один з одним за допомогою їх лінійних, локальних, рельєфних або поверхневих біохімічних кодових матриць. Інформаційні взаємодії біомолекул, зумовлені кодовими мікроматріцамі, що складаються часом з численних бічних атомних груп елементів, досить складні і більш грандіозні ніж, наприклад, процеси в цифрових системах. Вони пов'язані з мінливою динамікою взаємодій і багатоваріантністю фізико-хімічних сил і зв'язків, які визначають характер молекулярної біологічної інформації. Тут відсутні чітко тестовані сигнали певного типу, такі як, наприклад, 1 і 0 в цифрових пристроях. Кожен елементарний біо-логічний сигнал бічної групи має своє смислове значення і характеризується своїм набором фізико-хімічних властивостей і своїм позиційним розташуванням в біохімічній матриці. Від цих параметрів, мабуть, і залежить функціональна спрямованість і кооперативность дії кожного індивідуального сигналу, тобто неоднозначність дії окремого біо-логічного елемента, що входить до складу макромолекули. Можна сказати, що до найбільш вивченим інформаційним взаємодіям в живій клітині відносяться, саме, матричні процеси. Тут добре проглядаються ідеї програмного біо-логічного управління, коли випадкові безладні зіткнення молекул змінюються чітко організованими, генетично детермінованими процесами. Наприклад, послідовність нуклеотидів в одного ланцюга ДНК автоматично визначає послідовність в іншій, комплементарного ланцюжка. У підтримці та закріпленні третинної структури глобулярних білків беруть участь різні типи комплементарних (інформаційних) сил, зв'язків та взаємодій між елементами або фрагментами поліпептидного ланцюга: електростатичні ефекти, іонні та водневі зв'язки, вандерваальсови сили і гідрофобні взаємодії. Під час конформаційних перетворень кожен сигнал R-групи поліпептидного ланцюга кооперативно взаємодіє з іншими сигнальними елементами, а також з молекулами води, яка завжди приймає участь у формуванні тривимірної структури білка. При цьому стабілізація тривимірної конформації білкової молекули і правильне розташування структур визначається поєднанням різних типів комплементарних взаємодій: "1) іонними зв'язками між позитивно і негативно зарядженими бічними групами амінокислот, 2) водневими зв'язками між атомами, що несуть часткові позитивні і частково негативні заряди, 3) гідрофобними взаємодіями, зумовленими прагненням неполярних бічних R-груп амінокислот об'єднатися один з одним, а не змішуватися з навколишнім їх водним середовищем; 4) ковалентними зв'язками між атомами сірки двох молекул амінокислоти цистеїну "[5]. Таким чином, тривимірна конформація білка однозначно визначається інформацією, яка записана в "лінійної" амінокислотної послідовності його поліпептидного ланцюга. Звідси випливає, що будь-які інформаційні взаємодії між фрагментами молекулярної ланцюга у структурі біомолекули, або ж між біомолекулами клітини можуть базуватися тільки на хімічній і стеричних комплементарності їх біохімічних матриць, тобто на взаємодоповнюваності хімічних властивостей, електричних зарядів і структурних рельєфів один одному. Якщо ж тепер узагальнити різні спостереження і факти, то виявляється, що комплементарний матричний (інформаційний) принцип "підгонки" діє в абсолютно різних, здавалося б, за своєю біологічною ролі процесах: 1) при реплікації, транскрипції і трансляції генетичної інформації; 2) при біосинтезі або розщепленні "неінформаційних" біомолекул клітини, коли локальні стереохімічні кодові групи активного центру ферменту взаємодіють з молекулою (або молекулами) субстрату за матричним принципом; 3) при згортанні білкової (як, втім, і будь-який інший) молекули, коли окремі фрагменти поліпептидного ланцюга "відшукують" один одного, комплементарно взаємодіють і "застібаються" між собою за допомогою лінійних матричних взаємодій бічних атомних R-груп за принципом застібки-блискавки, 4) при об'єднанні між собою окремих субодиниць олігомерного білка за допомогою рельєфних матричних взаємодій у четвертинної структурі білка, коли комплементарна "підгонка" здійснюється при взаємодії біохімічних матриць, утворених численними R-групами, координатно розташованими на поверхні субодиниць олігомерного білка; 5) рельєфні поверхневі біохімічні матриці грають провідну роль в процесах самозбірки або розбирання надмолекулярних комплексів і ансамблів, які з різних білкових та інших молекул. Приміром, точне взаєморозташування молекулярних компонентів рибосом, включаючи білки, можливо тільки за рахунок комплементарного взаємодії їх поверхневих біохімічних матриць. А регуляторами, включають або вимикають процеси їх самозбірки є наявність або відсутність іРНК, а також відповідні іонні, або інші умови, що впливають на перерозподіл комплементарних матричних сил і зв'язків. Всі ці фактори і ведуть або до взаємного орієнтованому тяжінню і самосборке біомолекул в цілісну рибосому, або ж, навпаки, до їх відштовхуванню і розбиранні. Тут ми спостерігаємо один з основних механізмів функціонального і регуляторного дії, що лежить в основі інформаційних взаємодій між біомолекулами клітини. Рибосома веде себе як молекулярна автоматична система, яка відгукується на сигнальні і регуляторні впливи і функціонує строго у відповідності із завантаженою в її компоненти програмної інформацією. За аналогією відбуваються і інші інформаційні взаємодії, які, як ми бачимо, характерні тільки для живої молекулярної системи. Ясно, що матричний принцип відповідності є основою інформаційних взаємодій біологічних молекул один з одним [4].
3. Інформаційні поля і сфери живої форми матерії. Жива речовина, на відміну від твердого, кристалічного, рідкого або газоподібного, має свої строго певні структурні особливості та властивості, і відрізняється від інших речовин дивовижною здатністю цілеспрямовано виконувати певні біологічні функції. Макромолекули живої клітини характеризуються суворої впорядкованістю молекулярних ланцюгів в просторовій решітці і специфічним конденсованим станом, тому до них цілком прийнятно рідко застосовується, але досить точну назву - "кристалоїди". Кристалоїди володіють і іншими унікальними якостями і властивостями. Наявність у структурах макромолекул як внутрішньомолекулярних, так і зовнішніх інформаційних сил і зв'язків (обумовлених складовими його елементами), які самі по собі слабкі, але потужні своєю численністю й різноманітністю, дозволяє говорити про те, що всередині і навколо кристалоїди утворюється специфічне силове "інформаційне поле ", яке здатне впливати як на структуру самого кристалоїдів, так і на його мікрооточення. При цьому сама макромолекула як би стабілізується самоузгоджених стискаючим інформаційним полем, обумовленим кооперативними силами притягання між бічними атомними групами і атомами мономерів. Ці міркування приводять нас до думки про існування нових полів особливого типу, які можна назвати "інформаційними полями і сферами" живої форми матерії. Інформаційна сфера - це склад того інформаційного поля, яке утворюється і оточує конкретну біологічну молекулу в певний період часу. А накладення інформаційних сфер один на одного і створює в навколишньому просторі живої клітини загальне інформаційне поле. Можна констатувати, що інформаційне поле - це один з видів полів, що утворюється з допомогою різних біологічних молекул і клітинних структур, здатних до інформаційного взаємодії. Молекулярні інформаційні поля, по всій видимості, служать для організації дистанційного, а потім, і контактного комунікативного спілкування біологічних молекул один з одним. Тільки в такому полі молекули, що знаходяться в клітинних відсіках, здатні швидко знаходити один одного, інформаційно взаємодіяти і порушувати при цьому біологічні функції. Будь-яка молекула може знаходитися в одній з точок інформаційного поля, від енергії якого і залежить її поведінка. Відомо, що більшість макромолекул біоорганічних сполук мають "величезні розміри", які визначають їх надзвичайно важливі в біологічному і інформаційному відношенні властивості. По-перше, великі розміри сприятливі для динамічних та функціональних характеристик, якими володіють ці молекули. По-друге, секрет великих молекул полягає у їх особливих електричних та інших дивовижні властивості, які строго специфічні для їх молекулярних структур і поверхневих профілів. Якщо невеликі молекули, що представляють собою постійні чи тимчасові диполі, створюють навколо себе електричні поля невеликого радіуса дії, що обумовлюють ван-дер-ваальсові взаємодії, то великі полярні молекули створюють дисперсійні сили, які є електричними силами "великого радіуса дії". За рахунок них великі молекули здатні притягувати, відштовхувати і орієнтувати інші молекули. Чим більше розмір кристалоїдів, тим більше радіус дії його силового поля і, отже, тим більше сфера його впливу. А "літерна мозаїка" на поверхневих ділянках, у вигляді різного роду центрів та біохімічних матриць, визначає ту частину інформаційної сфери, що безпосередньо відповідає за комплементарні контактні (матричні) взаємодії макромолекули з її молекулярними партнерами. Ясно, що інформаційні молекулярні поля та сфери схильні до впливу не тільки клітинної мікросередовища, а й обуренню відомих і невідомих нам полів космосу і оточуючого нас світу. Вивчення інформаційних полів живої речовини і сфер біологічних макромолекул-кристалоїдів може дати додаткові відомості про природу і принципи організації живої форми матерії.
4. Єдність речовини, енергії та інформації - основний принцип існування живої форми матерії. Речовина, енергія та інформація є найважливішими сутностями нашого світу і найголовнішими його складовими. Вони можуть існувати в різних видах, формах і якостях, і в різних поєднаннях між собою. А коли шляхом покрокового об'єднання вони складаються між собою, то виникає новий якісний стан. Приміром, таким шляхом йде розвиток продуктивних сил: спочатку виникли знаряддя праці, потім з знаряддя праці, - шляхом об'єднання з енергетичної складової, виникають машини, а потім і автомати з найважливішими складовими - речовини, енергії та інформації. Аналогічний процес розвитку лежав і в основі становлення біологічної форми руху матерії, коли її складовими стали органічна речовина, хімічна енергія і молекулярна біологічна інформація. Ця тріада, мабуть, і стала тим феноменом, який визначив рушійні сили постійного розвитку та вдосконалення живої матерії. У живу речовину, як виявилося, укладені не тільки валентні та невалентну хімічні сили і зв'язки, що визначають характер біохімічних та інформаційних взаємодій, але також і ті елементарні внутрішні сили саморозвитку, які роблять можливим виникнення великої кількості різних варіантів форм, що дозволяють здійснити процес селекції. А основною функцією живої матерії стала системна організація та інтеграція в її структурі органічної речовини, хімічної енергії і молекулярної біологічної інформації. Їх сукупність, мабуть, і забезпечила рух і розвиток біологічної форми матерії. Це - ключовий момент у становленні живого, і не зрозуміло тільки, чому йому біологи не приділяють належної уваги. Причому, інформація, точно так само, як і хімічна енергія, виявляє повне спорідненість з живою речовиною на його елементарному рівні. І дійсно, адже всі біохімічні елементи біологічних молекул являють собою ту елементарну форму органічної речовини, з допомогою якої формуються і передаються біологічні коди молекулярної інформація. Тому можна сказати, що триєдність речовини, енергії та інформації є фундаментальною основою існування живої форми матерії. І хоча інформація, у філософському сенсі, не є ні речовина і ні енергія - вона є лише властивістю матерії, однак, в молекулярній біології вона набуває свого втілення і зміст уже на рівні молекулярних одиниць біологічної інформації (літер або символів), які в живій клітині використовуються для кодування та програмування біологічних молекул. Звідси випливає, що інформація в молекулярній біології не абстрактне поняття, а об'єктивне властивість і, більше того, - сам зміст і сутність живої матерії. Біологічні молекули і структури, як носії генетичної інформації в різних її видах і формах, весь час перебувають в інформаційному взаємодії один з одним і системою управління. Тому всі вони цілком можуть бути визнані інформаційними "утвореннями". Завдяки інформаційним взаємодіям та системної організації жива форма матерії ніколи не стояла на місці у своєму розвитку, причому, ці процеси завжди мали закономірний характер. Тут, мабуть, і слід шукати ключ до розгадки великої таємниці живого стану і розвитку. "Закон триєдності", якщо їм правильно скористатися, мабуть, може вирішити багато проблем молекулярної біології. Наведемо відповідні факти і аргументи. Перш за все, звернемо увагу на те, що цей принцип починає діяти вже на елементарному рівні, тобто на рівні біохімічних букв і символів алфавіту живої форми матерії. Біо-логічні елементи не можна мислити і сприймати без їх багатофункціональних якостей і властивостей. Всі вони тотожно та еквівалентно виконують роль структурних, фізико-хімічних, інформаційних і функціональних одиниць, а також програмних елементів живої форми матерії. А принцип багатофункціональності дозволяє розглядати елементну базу буквально з різних стогін та різних точок зору. Спочатку зупинимося на інформаційних аспекти застосування таких елементів. Точно так само, як ми вільно дізнаємося яку букву російського алфавіту за її контурах, так і керуюча система живої клітини легко тестує і дізнається будь біохімічний елемент за складом його функціональних і бічних атомних груп, їх будовою, формою і хімічним властивостям. Крім відмінних хімічних властивостей кожна буква або символ біологічного алфавіту має ще й своїми структурними та стеричним рельєфом, який як би доповнює його хімічну інформаційну складову. Виходить так, що якщо, наприклад, інформація в структурному рельєфі звичайного ключа є його основною характеристикою, то інформація біохімічних елементів складається і складається з різних складових - структурної та хімічної. А ці компоненти, як відомо, відіграють провідну роль при комплементарних - інформаційних взаємодіях. Тобто, як структурна, так і фізико-хімічна складові кожного елемента є його інформаційними параметрами. Іншими словами, в основі подання молекулярної біологічної інформації лежить принцип еквівалентності структурно-хімічних та інформаційних компонентів. Це властивість можна назвати принципом тотожності речовини та інформації. "Формула тотожності" говорить про те, що всі біологічні структури та процеси зокрема, можна розглядати з будь-якою з двох точок зору - або з фізико-хімічної (речовинної), або ж з інформаційною. Це як дві сторони однієї медалі. Отже, всі біо-логічні елементи в живій системі, з одного боку, можуть грати роль будівельних блоків, а з іншого - кодують і функціональних одиниць молекулярної інформації. Тобто вже на цьому рівні наочно дотримуються умови єдності речовини та інформації. Потенційна енергія в клітці представлена головним чином у формі хімічної енергії зв'язків між атомами в молекулах органічних сполук. А центральна роль в біоенергетиці клітин тварин належить дихальному обміну. Він, як відомо, включає реакції розщеплення цукрів, жирних кислот, амінокислот і використання енергії, що виділяється для синтезу хімічної енергії у вигляді АТФ. Іншими словами, всі біохімічні елементи вносять свій істотний внесок і в енергетику живої клітини. Крім того, елементарний склад біологічних молекул, тобто молекулярна інформація, визначає не тільки структуру, але й усі численні хімічні валентні та невалентну зв'язку між елементами, а, значить, і потенційну, і вільну хімічну енергію біомолекул. Зауважимо, що всі основні характеристики біо-логічних елементів найбільш яскраво виявляються тільки в складі біологічних молекул. А багатофункціональні властивості елементної бази стають ключовим критерієм того "триєдності", яке виявляється в різних біологічних макромолекулах і структурах, які мають інтегративними властивостями складових їх елементів. Значить, "принцип триєдності речовини, енергії та інформації" у живій системі, який виявляється на елементарному рівні, поширюється і на всі біологічні молекули і структури живої матерії. У зв'язку з цим, можна сказати, що генетична інформація визначає не тільки структуру, але й енергетичний, і функціональний потенціал біологічних молекул [4]. Принцип триєдності показує, як багатоликий образ живої форми матерії. Тому, коли в молекулярній біології ми говоримо - "інформаційне повідомлення", то повинні мати на увазі і ту "молекулярну біологічну структуру", яку воно визначає. А коли говоримо - "молекулярна структура", то, природно, повинні мати на увазі і ту "інформацію", і ту енергетичну складову, які представлені в біомолекул на її елементарному рівні.
5. Різні підходи до молекулярних біологічним проблемам. Як ми бачимо, унікальна властивість єдності речовини, енергії та інформації і багатофункціональний принцип застосування елементної бази, призвели до дивної ситуації в природничих науках. По-перше, така ситуація підказує, чому біологічна форма матерії не піддається поясненню з якою-небудь однієї з точок зору, наприклад, при фізико-хімічному підході. По-друге, це ж обставина дозволяє біологам вивчати живу матерію буквально з різних сторін і різних точок зору. Тому будь-яку біомолекул, наприклад, білка, можна дослідити: 1) з інформаційної точки зору, тому що ніяких особливих компонентів, крім інформаційних, білок не містить, 2) з фізико-хімічної, - тому що білок є речовиною живої матерії і підпорядковується всім відомим фізичним та хімічним законам, 3) з енергетичної, - тому що в хімічних ковалентних і нековалентних зв'язках біомолекули міститься хімічна енергія, а при нестачі вільної енергії макромолекула білка здатна адресно зв'язуватися і взаємодіяти з молекулою АТФ, яка в живій клітині грає роль акумулятора хімічної енергії і т. д. Причому кількість речовини, енергії та інформації в різних класах біологічних молекул варіює. Наприклад, біомолекули білків несуть у своїй структурі значну кількість інформації, але володіють невеликим запасом вільної хімічної енергії, тому часто потребують додаткової енергії у формі АТФ. А біомолекули полісахаридів, навпаки, при значних запасах енергії в їх хімічних зв'язках, володіють невеликою кількістю інформації. Однак, використовуючи навіть один або два інформаційні символу, при побудові полісахаридів або ліпідів, жива клітина, все-таки, закладає в їх структуру ту необхідну кількість інформації, яке достатньо для здійснення їх біологічних функцій. Тому в будь-якій окремо взятій біологічно активної молекулі - речовина невіддільне від структурної інформації та хімічної енергії, а молекулярна інформація та енергія як раз і є тими складовими, які обумовлюють структурну організацію речовини. Це і є "принцип тотожності інформації, енергії і речовини", який є основним в молекулярній біології і дозволяє здійснювати різні підходи, при розгляді живої форми матерії. Як ми бачимо, образ будь-біологічно активної молекули багатоликий. Однак, зауважимо, що інформація в цій тріаді, все-таки, грає першу "скрипку", тому що вона визначає і тривимірну структуру біомолекули, і її енергетику, і її біологічні функції. Наявність "закону триєдності" призвело до того, що в даний час всі біологічні проблеми опинилися у фокусі інтересів різних природничих наук. Ці проблеми розглядаються з різних сторін і вивчаються різними дисциплінами. Сучасна наука змушена інтенсивно шукати і використовувати різні підходи та шляхи до дослідження феномену життя. Тому вивченням живої форми матерії зайняті різні біологічні дисципліни: 1) біофізика - досліджує найбільш прості фізичні взаємодії, що лежать в основі біологічних явищ, 2) біохімія - вивчає різні біохімічні процеси і дає пояснення біологічним функціям і життєвих явищ з використанням даних фізико-хімічних досліджень; 3) молекулярні основи спадковості залишаються основною темою сучасної генетики; 4) молекулярна біологія - вивчає молекулярну структуру живої речовини, механізми відтворення генетичної інформації у поколіннях клітин та організмів і механізми реалізації генетичної інформації через біосинтез білків. Цей список значний, і його можна продовжити. Однак, на жаль, найбільший і істотний коло інформаційних проблем, все-таки, опинився за бортом біологічних наук. Наприклад, не розглянуті: 1) принципи і правила проходження керуючої та сигнальної (інформують) інформації в живій клітині, 2) закономірності молекулярної біохімічної логіки; 3) принципи і правила кодування і програмування біологічних молекул; 4) використання програмної інформації в управлінні біологічними функціями і хімічними перетвореннями і т. д. Не вивчені: 1) принципи роботи молекулярних біологічних засобів з програмним управлінням (наприклад, білків і ферментів); 2) принципи роботи молекулярних біопроцессорних систем управління (реплікації, транскрипції і трансляції генетичної інформації) з інформаційної точки зору ; 3) біокібернетичними система живої клітини і принципи її роботи; 4) програмні засоби клітини і багато іншого. Ці реально існуючі інформаційні механізми і процеси, чомусь, постійно "ускальзивают" від нашої уваги. Між тим, всі інформаційні взаємодії в живій клітині мають не віртуальний, а цілком речовинний, біологічний характер. Тому і підхід, що визначає характер вивчення живої форми матерії, в першу чергу, повинен бути - інформаційно-кібернетичним [6]. Оскільки жива форма матерії є вищою єдністю, сполучною в собі в одне ціле - речовину, енергію та інформацію, то і проблема інформаційної організації живих систем стає ключовою проблемою молекулярної біології.
6. "Від генетичної інформації, через молекулярну структуру та інформаційні взаємодії, до біологічних функцій та управління". У молекулярних ланцюгах і тривимірних структурах біологічних молекул не міститься жодних компонентів, в яких були б приховані особливі життєві сили. Ми маємо лише певну комбінаційну послідовність чи просторову кодову організацію хімічних літер або символів (програмних елементів), з'єднаних між собою ковалентними зв'язками і слабкими (інформаційними) фізико-хімічними силами і взаємодіями у тривимірній структурі. Причому, порядок чергування, послідовність і склад біохімічних елементів у різних ланцюгах а, потім, їх координатна організація в біологічній структурі (просторової решітці) визначається генами, тобто інформацією. Отже, можна сказати, що різні біологічні молекули відрізняються один від одного лише інформаційним змістом, тобто специфічним способом організації інформаційних біохімічних одиниць, що входять до складу їх структури. Спочатку інформація (через елементарний склад) завантажується в структуру макромолекули, визначаючи її тривимірну організацію і всі її біологічні властивості, потім, при інформаційних взаємодіях біомолекул один з одним, порушуються самі біологічні функції. Тому проблема розуміння інформації, структури і функції в молекулярній біології полягає в тому, що вони не можуть існувати одне без одного. Цей факт забезпечується і багатофункціональними характеристиками елементної бази, і закодованими інформаційними повідомленнями геному, і різними класами біологічних молекул, у структурах яких завантажена програмна інформація. Тому в живих системах немає структури поза інформацією, так само як і немає функції без структури та інформації. А всі біологічні характеристики живої матерії забезпечуються інтегральними властивостями молекулярної елементної бази. Такий висновок напрошується з того факту, що виникнення будь-яких біологічних структур пов'язане з молекулярної елементною базою, генетичною інформацією і функціями інших структур. Наприклад, всі білкові молекули містять ту інформацію, яка визначає їх функції. А інформація, що діє в системі, як відомо, завжди збуджує функцію. Є інформація - здійснюється функція, немає інформації - функція відсутня. Чи не тому білкові молекули, як володарі і реалізатори генетичної програмної інформації, специфічно здатні до виконання великого різноманіття біологічних функцій? Ці функції виникають лише в процесі молекулярної взаємодії, тобто в результаті адресної зустрічі та обміну інформацією між біомолекулами за допомогою їх кодових біохімічних матриць. А носієм цього функціонального єдності, безумовно, є генетична програмна інформація, перенесена і трансформована в стереохімічні форму функціональних біомолекул і структур живої клітини. Таким чином, тільки інформація, завантажена в молекулярні ланцюги, може визначити все розмаїття тривимірної організації біологічних молекул і їх біологічних функцій. Тому різні біомолекули настільки разюче відрізняються один від одного не тільки структурою і формою, але і їх функціональними здібностями і призначенням. А білкові молекули набувають властивостей того "живого стану", яке спостерігають дослідники. У живій клітині функціонують сотні різних білків і ферментів. Свої специфічні функції виконують полісахариди, ліпіди, а також інші макромолекули клітини, які, як ми переконалися, відрізняються один від одного лише інформаційним змістом, а, значить, і тією системою молекулярних елементів (алфавітом), яка застосовується для кодування їх інформації. При цьому в молекулярних ланцюгах, а потім і в тривимірних структурах, за допомогою літер та символів записується лише ті інформаційні повідомлення, які передають гени. Ці молекулярні повідомлення є структурною і програмною основою, як для побудови, так і для функціонального поведінки біологічних молекул. Значить, з інформаційної точки зору, в молекулярних ланцюгах і в тривимірних конформаціях макромолекул немає нічого, крім структурної та програмної молекулярної біологічної інформації. А це означає лише одне, що всі вони побудовані і будуть працювати за допомогою тієї інформації, яка завантажена в їх структуру. Нагадаємо, що всі біо-логічні елементи в складі макромолекул грають також і роль тих програмних елементів, за допомогою яких будуються алгоритми функціонального поведінки. Це важливе узагальнення логічно пов'язує між собою структурно-інформаційну основу біологічних молекул з їх функціональними можливостями. А якщо врахувати, що елементарний склад визначає не тільки структуру, але й усі численні хімічні зв'язки між елементами, як ковалентні, так і численні слабкі невалентну, то, можна сказати, що молекулярна інформація визначає не тільки функціональне поведінка біомолекул, але і їх енергетичний потенціал . Таким чином, інформаційні повідомлення генів в молекулярній біології визначають все: як структурну організацію, так і хімічну енергію макромолекул; як програмне забезпечення, так і всі їхні функціональні можливості. Значить, у результаті, інформаційні повідомлення в молекулярній біології набувають сенсу через функціональні можливості різних біомолекул, які будуються і програмуються інформаційним шляхом. Отже, можна констатувати, що вся технологія біологічних процесів заснована на генетичній інформації і елементній базі, а всі функції виникають і здійснюються тільки при інформаційних взаємодіях біологічних молекул один з одним. Будь-яка активна біологічна молекула має певною кількістю вільної енергії, яка необхідна для виконання її інформаційних та біологічних функцій. Ясно, що інформаційні та функціональні процеси можуть мати потребу в додатковому джерелі енергії. Для цієї мети в живій клітині постійно підтримується дозова циркуляція хімічної енергії у формі АТФ до "споживача", а АДФ і фосфату - до мітохондрій, для нового відновлення їх до АТФ. АТФ - "гнучкий" джерело енергії, що дозволяє отримати потрібні дози її для безпосереднього використання в потрібному місці. Тому, при нестачі вільної енергії макромолекула, наприклад, білка, здатна адресно (інформаційно) зв'язуватися з молекулою АТФ, яка в живій системі грає роль акумулятора хімічної енергії. У результаті перетворень будь-генетичне повідомлення набуває сенсу через структуру і функцію, які воно кодують, а сам носій інформації - макромолекула, при цьому, формує всі необхідні їй інформаційні сигнали, а також виконавчі молекулярні органи та механізми. Тільки таким шляхом інформація визначає біологічні характеристики живої форми матерії. А біологічні структури і функції упорядковуються на молекулярному рівні. Всі ці міркування підводять нас до певних узагальнень і показують, де схована та розшукувана нерозривний зв'язок між головними діючими факторами біологічних процесів - інформацією, енергією, структурою і функцією. У зв'язку з цим, можна сказати, що в молекулярній біології діє ще один "важливий закон", що розподіляє "права та обов'язки" в ієрархічній драбині взаємозумовленості та взаємозалежності структурних властивостей і особливостей біомолекул від генетичної інформації, а біологічної функції та енергії від молекулярної структури, а, значить, теж від інформації. І якщо формула єдності речовини, енергії та інформації показує і визначає базисну основу існування живої форми матерії, то друга формула "від генетичної інформації, через молекулярну структуру та інформаційні взаємодії, до біологічних функцій та управління", у своїй послідовності, вказує на порядок і взаємозумовленість біо -логічних подій в живій системі на молекулярному рівні. Можна сказати, що ці два формулювання найбільшою мірою визначають сутність біологічної форми руху матерії, а, значить, і природу, і принципи її організації [6]. Тому, як нам здається, ієрархічний принцип взаємозумовленості і підпорядкування міг би бути другим основним принципом молекулярної біохімічної логіки, а, отже, молекулярної біології та біологічної інформатики. Цей закон встановлює ієрархію відносин і взаємозумовленості між інформацією, структурою, енергією і функцією в молекулярних біологічних процесах. В даний час в молекулярній біології така концепція відсутня. Як ми переконуємося, біологічна форма матерії підпорядковується ще одним законом, за яким генетичні повідомлення перетворюються і завантажуються в специфічну структуру біомолекул, а їх стереохимическая інформація, при комплементарних (інформаційних) взаємодіях, збуджує біологічну функцію, а, отже, і процеси управління. Тому всі біологічні функції в живій системі виникають і формуються лише інформаційним шляхом, а вся "технологія" побудови та функціонального поведінки біологічних молекул визначається генами і дивними природними якостями і властивостями застосовуваних біо-логічних елементів (хімічних букв і символів загального молекулярного алфавіту).
Список літератури
1. А. Ленінджер. Основи біохімії. Пер. з англ. в 3-х томах - М: "Світ", 1985.
2. В. А. Ільїн. Телеуправління і телевимірювання. - М: "Енергоіздат", 1982.
3. Ю. Я. Калашников. Біологіка інформаційних взаємодій у живій клітині. - М., 2002. - 34с .- депонується. у ВІНІТІ РАН 6.11.02, № 1923-В2002, УДК 577.217:681.51
4. Ю. Я. Калашников. Основи молекулярної біологічної інформатики. - М., 2004. -66с. - Депонується. у ВІНІТІ РАН 13.04.04, № 622-В2004, УДК 577.217:681.51
5. П. Кемп, К. Армс. Введення в біологію. Пер. з англ. - М: "Світ", 1988.
6. Ю. Я. Калашников. Концепція інформаційної молекулярно-біологічної системи управління. - М., 2005. -88с. - Депонується. у ВІНІТІ РАН 14. 04. 05, № 505-В2005, УДК 577. 217:681.51