Иными словами, часть выходного аппарата биокибернетической системы должна координировать во времени и пространстве совокупность огромного числа ступенчатых химических реакций: окисления, восстановления, расщепления, межмолекулярного переноса атомных групп и т. д. Поэтому “сотни протекающих в клетке химических реакций катализируемых ферментами, организованы в виде множества различных последовательностей идущих друг за другом реакций. Такие последовательности могут состоять из нескольких реакций – от 2 до 20 и более. Одни из этих последовательностей ферментативных реакций приводят к расщеплению органических пищевых продуктов на более простые соединения, причем в процессе такого расщепления из них извлекается энергия. Другие последовательности реакций, требующие затраты энергии, начинаются с малых предшественников, которые постепенно соединяются друг с другом и образуют крупные и сложные макромолекулы” [6]. Все эти процессы обычно локализованы в соответствующих участках клетки и организованы ферментативным аппаратом в виде различных последовательностей единичных операций по конвейерному или циклическому типу. Каждый объект управления (субстрат) является носителем в “законсервированном” (статическом) виде определённой структурной биологической информации и химической энергии, накопленной в его химических связях. Поэтому все органические питательные вещества, поступающие в живую систему, представляют собой молекулярные информационно-энергетические субстраты, которые поставляют в клетку необходимые структурные, информационные и энергетические компоненты. И всё это клетка получает в результате информационной переработки субстратов (данных). Если генетическую информацию рассматривать как программы, предназначенные для переработки “данных”, то под общим термином – “данные” можно понимать и ту биохимическую информацию субстратов, которую перерабатывает управляющая система, а так же те химические буквы и символы, которыми манипулирует система при организации управляющих процессов клетки. То есть информационная, вещественная и энергетическая составляющие различных субстратов (в том числе и органических пищевых веществ) – это и есть те материальные компоненты, с которыми работает управляющая система клетки. Путём “расконсервации” этих составляющих живая клетка получает всё необходимое для процессов жизнедеятельности и развития. Благодаря стереохимической форме представления информации, сигнальными элементами субстратов для управляющей системы являются лишь те элементы, к которым она в данный момент имеет доступ. Другие же сигнальные элементы (буквы, символы или знаки) временно маскируются в трёхмерной структуре субстрата. Поэтому информационное преобразование молекулы субстрата, при обработке её различными ферментами, осуществляется последовательно, шаг за шагом (программно), в виде отдельных единичных каталитических операций (реакций). Таким образом, все биологические процессы управления и химического превращения веществ в клетке сопряжены с процессами преобразования биологической информации и находятся под генетическим контролем. К примеру, процессы управления ступенчатыми химическими реакциями в живой клетке непосредственно связаны с переработкой двух видов информации. С одной стороны, с обработкой генетической информации, которая в результате процессов транскрипции и трансляции преобразуется в трёхмерную структуру и информацию управляющих биомолекул ферментов и белков, с другой стороны – с преобразованием осведомляющей информации биомолекул субстрата, так как каждая ступенчатая реакция химического превращения вещества ведёт и к изменению его кодовых компонентов [2]. Поэтому клеточная система сразу же получает информацию о ходе управляемых химических процессов в виде стереохимических кодов продуктов реакции, которые становятся субстратами для других ферментов или выступают в качестве сигнальных или регуляторных молекул обратной связи. Так как в основе биологической формы материи лежит принцип тождественности химических и информационных компонентов, то все биохимические процессы, в частности, можно рассматривать с двух точек зрения – или с физико-химической, или же с информационной. Если же учесть, что только информационная составляющая обеспечивает упорядоченность структур и процессов, то и в молекулярной биологии возникает необходимость применения именно информационного подхода. Все белковые (как, впрочем, и другие) молекулы образуют циклические информационные потоки и сети, контролирующие различные биохимические и молекулярные функции живой клетки (организма). Программирование этих потоков и сетей обеспечивается экспрессией десятков и сотен различных генов, объединённых между собой скоординированными управляющими и регуляторными воздействиями. А если учесть, что различные ферментативные системы, порой состоящие из десятков и сотен ферментов, участвуют в организации множества различных последовательностей идущих друг за другом химических реакций, которые в совокупности составляют клеточный метаболизм, то можно констатировать, что управление химическими процессами и биологическими функциями клетки осуществляется молекулярными информационными потоками и сетями “автоматизированного” управления. Увеличение помехоустойчивости передач генетических сообщений достигается также и за счет циклической работы информационных сетей и потоков “автоматизированного управления”, которые, собственно, и служат для управления всеми потоками вещества, энергии и различными сетями химических реакций в живой клетке. Поэтому сущность живого состояния сводится к хранению, передаче, преобразованию и реализации генетической информации по различным сложно организованным сетям и каналам клетки. Только молекулярные биологические процессоры и их выходное управляющее звено – белки и ферменты, организованные в виде информационных потоков и сетей “автоматизированного” управления, обеспечивают управление, регуляцию и контроль клеточного метаболизма. Только наличие таких потоков и сетей способно превратить клетку в элементарную основу жизни, в центр, где все процессы по переработке органического вещества, химической энергии и генетической информации полностью скоординированы, “механизированы и автоматизированы” [5]. В связи с этим, все химические процессы в живой клетке трансформируются на более высокий уровень организации, который может быть обеспечен только программной информацией. Важно еще раз подчеркнуть, что для реализации и воплощения генетической информации в биологическую структуру и функцию и программного управления этими процессами в клетке имеются свои унифицированные молекулярные аппараты, которые со всех точек зрения вполне эквивалентны процессорным устройствам для программной переработки информации.
4. Программное обеспечение клетки. Биологические процессы, как мы выяснили, не ограничены одними физико-химическими законами, – они подчиняются и закономерностям молекулярной биохимической логики и генетической программной информации. На основании этих закономерностей и программной информации в живой клетке постоянно возбуждаются биологические алгоритмы, или совокупность процедур и операций, определяющих характер поведения биологических молекул и молекулярных систем. Генетическая память обладает феноменальными информационными возможностями. И, действительно, в последовательности оснований внутри двойной спирали ДНК закодирована вся необходимая информация для осуществления жизнедеятельности, развития и самовоспроизведения живой системы. А главной задачей программных средств, используемых в клетке, является обеспечение оперативного взаимодействия управляющего звена – белков и ферментов с биохимическими объектами управления. Поэтому все клеточные процессы и функции координируются той программной информацией, которая в данное время перенесена (загружена при помощи биопроцессорных систем или соответствующих ферментов) и находится в функциональных биомолекулах и структурах живой клетки. Важно отметить, что живая клетка, точно так же как и любая другая система для “автоматизированной” переработки информации, имеет свою “операционную систему” – набор программ, который организует и приводит в действие многие аппаратные и программные ресурсы живой клетки. В первую очередь, операционная система клетки обеспечивает построение и функционирование основных компонентов молекулярных биопроцессорных систем – транскрипционного и трансляционного аппаратов. То есть тех средств, которые предоставляют услуги для выполнения различных клеточных программ. Операционная система – это совокупность важнейших программ, предназначенных для управления процессами считывания генетической информации и перевода текста программ с языка нуклеиновых кислот на аминокислотный язык белковых молекул, то есть, в конечном итоге, на стереохимический язык трёхмерных биомолекул и структур. Значит, операционная система клетки содержит встроенные функции перекодировки из одной системы кодирования в другую. А для перевода закодированных сообщений используются свои программы-переводчики. Поэтому, можно сказать, что операционная система состоит из набора отдельных транскрибирующих и транслирующих программ, обеспечивающих как построение, так и функциональное поведение основных биопроцессорных комплексов живой клетки. Определённые группы генов кодируют и программируют синтез рибосомных и транспортных РНК, другие группы генов (программ) контролируют биосинтез белков и ферментов, обеспечивающих работу транскрипционного и трансляционного аппаратов (биопроцессорных систем). Таким образом, операционная система создаёт и предоставляет аппаратные средства и функциональные услуги для выполнения всех генетических программ живой клетки. Она контролирует проявление всех структурных генов клетки и соответственно является одним из основных факторов клеточной интеграции. В генетической памяти клетки существует значительное количество различных пакетов программ, решающих различные биологические задачи. Причем, ключ к решению биологических задач, с помощью управляющей системы, лежит не в переборе вариантов при поиске решений. Программы реализуют стереохимические принципы узнавания и динамического взаимодействия, которые гарантируют точность матричного спаривания биологических молекул и проверку их на комплементарное соответствие друг другу. Этим достигается не только повышенная помехоустойчивость при прохождении управляющей информации, но и высокая достоверность передачи сообщений. В свете рассмотренных идей становятся понятными и принципы организации доступа к информации генетической памяти. Хромосомы ядра, благодаря присутствию в них структурных и регуляторных белков, а также “малых” двухцепочечных РНК, являются чрезвычайно активными динамическими компонентами клетки. Гибкость ДНК в составе хромосом позволяет регуляторным белкам и РНК информационно связываться с различными её участками и влиять на транскрипцию генов. При этом каждый из этих управляющих белков и “малых” РНК, благодаря программной информации и своим стереохимическим кодовым компонентам, четко знает свою функциональную роль. Согласованность действия различных управляющих, а также регуляторных белков и “малых” РНК достигается за счет генетической информации, которая заранее была загружена в их структуру. А загруженные в их структуру программы являются составляющими того пакета программ, который предназначен как для организации автоматического доступа к генам ДНК, так и для управления и регуляции процессами транскрипции генетического материала. В силу этих обстоятельств отдельные домены хроматина в хромосомах в процессе функционирования разворачиваются, а после окончания считывания информации с генов ДНК вновь упаковываются. Поэтому сами хромосомы представляют собой активные динамические структуры, в разных участках которых идут процессы считывания информации с ДНК. Доступ к генетической памяти основан на тех же правилах информационного стереохимического управления и тех же принципах динамического взаимодействия биологических молекул друг с другом, которые являются основой управляющих био-логических процессов в живой клетке [5]. Нам остаётся лишь научиться расшифровывать и понимать эту информацию. Функциональные программы, хранящиеся в генетической памяти, считываются по запросу или по мере необходимости транскрипционным аппаратом хромосом в оперативную память живой клетки, роль которой выполняют биомолекулы РНК. Генетическая память имеет полный набор программных средств для обслуживания ступенчатых процессов катаболизма и энергетического обеспечения, для обслуживания процессов биосинтеза молекул, систем репарации ДНК, аппаратных устройств ввода молекулярной информации питательных веществ и вывода конечных продуктов обмена веществ и т. д. Генетическая память живой клетки имеет пакет программ, кодирующих и программирующих молекулярные средства и механизмы самовоспроизведения, которые начинают синтезироваться и действовать строго в соответствии с общей программой развития. А программирование самой генетической памяти осуществляется особым репликативным аппаратом живой клетки в S-период её развития, и дочерние клетки получают полный дубликат генетического материала. Этот аппарат является молекулярной биопроцессорной системой репликации. Программное обеспечение клетки – это важнейший проблемный вопрос молекулярной биологической информатики. Автор давно убеждён, что только альтернативный информационный подход к молекулярным биологическим проблемам может позволить по-иному взглянуть на давно известные биофизические и биохимические закономерности и открыть новые страницы в изучении биологической формы движения материи. Кроме того, информационный подход мог бы послужить еще и стимулом к объединению усилий различных биологических наук и дисциплин, изучающих сущность живого. Однако нет сомнений в том, что феномен живого состояния материи так и останется мировой загадкой до тех пор, пока не будет изучена и исследована его информационная основа.
Список литературы
1. 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
2. Ю. Я. Калашников. Основы молекулярной биологической информатики. – М., 2004. – 66с – Депонир. в ВИНИТИ РАН 13.04.04, №622-В2004, УДК 577.217:681.51
3. П. Кемп, К. Армс. Введение в биологию. Пер. с англ. – М: Мир, 1988.
4. А. И. Коротяев, Н. Н. Лищенко. Молекулярная биология и медицина. – М: “Мед.” 1987.
5. Ю. Я. Калашников. Концепция информационной молекулярно-биологической системы управления. – М., 2005.– 88с. – Депонир. в ВИНИТИ РАН 14.04.05, №505-В2005
6. А. Ленинджер. Основы биохимии. Пер. с англ. в 3-х томах – М: Мир, 1985.