13.06.2020 12:42
Несмотря на то, что материя и энергия неизбежно являются фундаментальными основами жизни, сами по себе они не определяют принципиальной разницы между живыми и неживыми системами. Одной из главных характеристик живых систем является циркуляция (движение) в них наследственной информации и, соответственно, вещества как своего носителя и источника энергии, чем, собственно, и обеспечивается их жизнедеятельность. Информационный уровень развития и функционирования живой материи (вещества) это, несомненно, новый, более высокий уровень её движения и организации. Здесь информация и материя выступают в качестве равноправных партнеров: информация использует материю в качестве носителя, а материя использует информацию для более высокого уровня своей организации.
При этом заметим, что движение информационных сообщений в живой клетке никогда не может осуществляться без энергии и движения их молекулярных носителей. Этот факт, по-видимому, и является первопричиной, побуждающей клетку строить свои вещественные отношения таким образом, чтобы движения информации всегда были бы обеспечены энергией и вещественными носителями! Этим задачам, по всей вероятности, подчинены все управляемые обменные процессы живой клетки, то есть, таким образом, наследственная информация в живой системе занимается материальным и энергетическим самообеспечением.
Отсюда следует также закономерный вывод о том, что многие универсальные свойства, приписываемые сегодня биологической форме движения материи, на самом деле относятся к информации, заключенной в её структурах, – но никак не к физико-химическим свойствам её биоорганических носителей! К этим свойствам, в первую очередь, относится способность живой материи к самосборке, саморегуляции, самовоспроизведению, а так же к селективному отбору. Очевидно, что все эти универсальные способности живого обеспечиваются только системной организацией и кодированной информацией, существующей на основе биоорганического вещества, но никак не самим веществом, какими бы уникальными физическими или химическими свойствами оно не обладало.
Только информационные ресурсы тем быстрее растут, чем больше их расходуют. Поэтому информация в отличие от материи или энергии, пожалуй, единственный самообновляемый ресурс нашего мира. Мы мало обращаем внимания на это замечательное свойство информации. Однако только информация, входя в состав живой материи, благодаря своим уникальным свойствам, дарит живой материи универсальные свойства самоуправления, самообновления и инициирует самовоспроизведение. Эти процессы обеспечивают преемственность между сменяющими друг друга генерациями живых систем, связанные с потоками вещества, энергии и информации. Биологическая форма движения материи приобретает свойства живого состояния только благодаря совокупным свойствам его составляющих, – биоорганического вещества, химической энергии и молекулярной информации. Очевидно, что как самовоспроизведение, так и селективный отбор являются важнейшими характеристиками информации, но не материи или энергии. Биологам следовало бы внести соответствующие коррективы
В связи с этим, напрашивается важный вывод о том, что субстанцией наследственности являются не материальные компоненты живого (гены), о чем декларирует молекулярная биология, а их нематериальная (виртуальная) – информационная часть! Похоже, биологи немного поспешили, когда приписали эти фундаментальные свойства биологической материи. Фактором наследственности является только информация, записанная генетическим кодом на этом носителе (ДНК). Этот факт, хотя и является дискуссионным, однако он закономерно открывается при внимательном прочтении «формулировки» понятия информации. Он четко просматривается при рассмотрении и изучении свойств, как самой биологической информации, так и свойств её молекулярного носителя. Очевидно, что взаимоотношения этих двух составляющих следует рассматривать виртуально, то есть в таком их виде, который всегда существовал между информацией и её носителем. Ясно одно, что главнейшей функциональной доминантой в структуре живой материи является – информация!
Не секрет, что на основе клеточной организации и управленческой деятельности, наследственная информация в процессе эволюции формирует и совершенствует все новые и новые биологические объекты, которые вызывают новые циклы захвата и ввода в этот информационный круговорот все новых и новых порций вещества, энергии и информации. Эти процессы являются первопричиной роста, совершенствования, воспроизводства и развития не только отдельных организмов, но и эволюции биосферы в целом.
...
Информация как движущая сила развития живой материи, создающая новые биологические реальности
Заканчивая рассматривать особенности и закономерности молекулярной информации необходимо подчеркнуть, что естественный ход развития и эволюции жизни на Земле, безусловно, носит характер планетарного информационного явления. Между тем, одна из формулировок философии, определяющая сущность жизни, гласит: «Жизнь есть особая форма движения материи». Однако уже достаточно давно известно, что без информации и без энергии движение биологической формы материи немыслимо. Похоже, философы немного поспешили, когда приписали эти фундаментальные свойства – материи. Очевидно, что основную формулировку необходимо приводить в соответствие с новыми воззрениями. Так как становится фактом, что Жизнь, – это особая системная форма движения, воспроизводства и генерации информации, которая осуществляется на базе использования энергии и вещества.
Можно сказать, что Жизнь – это такая материальная форма движения, циркуляции и генерации информации, которая целенаправленно связана с преобразованием и обменом энергии и вещества с целью их функционального и эволюционного перехода в новые виды и формы молекулярной и функционально-биологической информации. Поэтому первый, фундаментальный уровень развития информационных субстанций и их технологий на нашей планете был реализован на молекулярно-биологической основе. С тех пор важнейшей сущностью на Земле стала информационная субстанция, а информация как одна из главных составляющих нашего мира действительно стала основой нашего мироздания.
...
Биология как фундаментальная наука с её многочисленными дисциплинами и направлениями призвана исследовать явления и механизмы, обеспечивающие функционирование живых систем, раскрыть фундаментальные основы жизни, а так же общие принципы и закономерности, лежащие в основе её развития. Организацию и природу живого состояния материи на самых глубоких молекулярных и элементарных уровнях стремятся понять различные биологические дисциплины, в частности, – биофизика и биохимия, молекулярная биология и генетика. А период изучения химического состава живой материи и реакций, связанных с обменом веществ, длится уже, по-видимому, около 200 лет.
Долгое время ученые надеялись на успехи физико-химической биологии, изучающей состав и основы живой материи. Однако если тайны живого состояния оказались неподвластны биофизикам и биохимикам, то многие физические процессы и химические реакции, в результате длительного и кропотливого труда, были тщательно изучены. Поэтому познание закономерностей синтеза и распада живого вещества, намного продвинуло биологическую науку вперёд. Однако чем глубже ученые внедряются в детализацию физико-химических процессов живого, тем больше у них возникает сомнений в познаваемости явлений жизни. Учитывая сложно-зависимые физические, химические и иные процессы, протекающие в живых системах, многие исследователи и сегодня пессимистически относятся к реальности познания феномена жизни. В настоящее время бесперспективность познания тайн жизни только физико-химическими методами стала очевидной. В силу этих обстоятельств дальнейшее изучение живой материи заметно приостановилось.
Оказалось, что мир живого настолько сложен и разнообразен, что его нельзя сводить только к физическим и химическим закономерностям. Выяснилось, что хотя материя и энергия являются необходимыми компонентами всего живого, однако они не указывают на кардинальное отличие живого от неживого. Поэтому конечная цель биофизических и биохимических наук, которая заключалась в познании тайн жизни во всех её конкретных проявлениях, оказалась для биофизиков и биохимиков непосильной. Культ физико-химической науки в биологии не принес ожидаемых результатов! Стало ясно, что молекулярные биологические науки зашли в мировоззренческий тупик.
Однако итоги физико-химических исследований заставляют исследователей по новому взглянуть на достижения биофизики и биохимии и более целенаправленно искать другие подходы и пути к пониманию феномена живого состояния материи. Очевидно, что законы физики и химии, действующие в любой живой системе, не отменяются. Однако, как оказалось, их необходимо дополнить новыми информационными знаниями и закономерностями.
Сложившаяся ситуация в изучении живого очень сильно напоминает такую гипотетическую ситуацию при которой, к примеру, изучение схем и работы современного компьютера исследователи начали бы изучать при помощи законов физики полупроводников и законов электротехники. Вряд ли с помощью этих законов можно внятно объяснить работу цифровых систем, так как описание работы окажется весьма сложным и по нему трудно представить себе производимое компьютерной схемой преобразование информации. Чтобы сделать это нагляднее, необходимо отвлечься от физических процессов, происходящих в схеме, и рассмотреть её работу на другом, более обобщенном уровне – на уровне комбинационных схем и использовать в качестве языка описания булевы функции. В этом случае в качестве входных и выходных переменных рассматриваются не электрические напряжения и токи в соответствующих точках схемы, а булевы переменные, принимающие всего два значения: 0 и 1. Причем, различным уровням рассмотрения вычислительного устройства соответствует определенная иерархия языков формализованного описания вычислительных устройств.
К сожалению, в молекулярной информатике еще не разработаны подобные средства и языки формализованного описания. Можно надеяться, что в скором времени найдутся заинтересованные специалисты и найдут возможность устранения указанных пробелов. Главное же видится в том, что сейчас мы знаем, что любая живая клетка – это сложнейшая информационная система, с такой управляющей системой, с которой не могут конкурировать даже самые сложные современные компьютеры. Бесспорно, что кроме физических и химических законов живые молекулярные системы подчиняются еще и особым информационным законам и принципам, которые вполне можно назвать закономерностями молекулярной биохимической логики и молекулярной информатики! Этот факт может быть аргументирован тем, что все материальные компоненты живой клетки (организма) – макромолекулы и структуры, одновременно являются не только вещественными носителями, но одновременно они еще являются и носителями молекулярной биологической (наследственной) информации и переносчиками химической энергии. К сожалению, вторая и “таинственная” сторона биоорганического вещества – информационная (по важности не уступающая первой – материальной), естественными науками оказалась, по сути дела, незамеченной и поэтому практически неизученной. Очевидно, что в живых системах действуют свои специфические закономерности молекулярной биохимической логики и свои принципы молекулярной биологической информатики, с которыми биологам давно следовало бы “разобраться”.
В общем виде можно сказать, что “Информация – это закодированные данные или сведения о любом факте, явлении, объекте или процессе, которые вырабатываются, передаются, и воспринимаются той или иной системой. Здесь информация обозначена как содержательные данные и сведения, которые представлены только в закодированной форме. Как мы видим, любая информация всегда предполагает наличие своей системы, где она способна циркулировать – генерироваться, кодироваться, перерабатываться, передаваться и восприниматься. Причем, источник информации передает её, а приемник – принимает. Такая модель вполне справедлива и для молекулярной биологической информации. Все эти процессы являются фундаментальными для любой живой системы, поэтому информация здесь тоже имеет свой семантический смысл и становится эффективной управляющей силой.
...
можно сказать, что молекулярная информатика – это, прежде всего, информационная молекулярно-биологическая “автоматика”, которая основана не на двоичной арифметике, а на принципах и правилах молекулярной биохимической логики. Она предназначена для “автоматизированной” переработки как генетической, так и субстратной информации.
...
каждая живая клетка, точно так же, как и любая другая сложная информационная система, в первую очередь, – это универсальная система для “автоматизированной” переработки информации. Для этой цели она имеет все необходимые программные, аппаратные и энергетические молекулярные средства.
Особое значение клеток как раз и состоит в том, что с их появлением живая природа получила:
1) феноменальную постоянную генетическую (ДНК) и уникальную оперативную (РНК) память;
2) целый комплекс удивительных молекулярных биопроцессорных систем репликации, транскрипции и трансляции генетической информации;
3) выходное управляющее звено в виде белков и ферментов, выполняющих в клеточной системе роль молекулярных биологических автоматов с программной биохимической логикой управления;
4) собственные универсальные АТФ-генерирующие “станции” и т. д.
= = =
Настоятельная необходимость информационного направления в биологии диктуется не только тем, что без знаний молекулярной информатики биологи вряд ли смогут объяснить природу живого состояния материи. Биохимические вместилища информации могут поразить воображение любого человека. Вот что пишет по этому поводу профессор Вернер Гитт, глава отделения обработки информации Федерального института физики и технологии (Германия): “Самая высокая известная нам плотность информации наблюдается в молекулах ДНК, которые содержат в себе гены живых клеток. Эти биохимические вместилища информации имеют 2 нм в диаметре (109 нм = 1 м) и закручены в спираль с шагом 3,4 нм. В результате объем такой спирали составляет 1,068x10-20 см3. Каждая спираль содержит десять химических символов (нуклеотидов), чем достигается плотность информации 9,4х1020 знаков на см3. Поскольку содержание информации в каждом из четырех разных нуклеотидов, составляющих ДНК - 2 бита, то статистическая плотность информации в ДНК - 1,88х1021 бит на см3. Интересно сравнить эти величины с высочайшей плотностью информации в искуственных кремниевых микросхемах. “Современный” (1990г.) 1-Мбитовый DRAM (dynamic random-access memory) позволяет хранить 1.048576 бит информации на площади примерно 50 мм2. В таком устройстве, толщиной примерно 0,5 мм, плотность хранения информации составляет 42000 бит/мм3, или 4,2х107 бит на см3. Информационная емкость ДНК, носителя информации живых существ, в 4,5х1013 раз выше, чем у мегачипа! Я бы хотел проиллюстрировать эту разницу одним примером. Общая сумма информации, собранной во всех библиотеках мира, оценивается в 1018 бит. Если бы эта информация была записана в молекуле ДНК, для нее хватило бы одного процента объема булавочной головки. Если бы вся эта информация была бы записана с помощью мегачипов, то высота их, сложенных в стопку, была бы больше расстояния от Земли до Луны. Эффективность ДНК так высока потому, что ДНК - трехмерная молекула, а чип - двумерное хранилище информации. Кроме того, в чипе возмож- на лишь двухвариантная коммутация, что ведет к двоичному коду, а ДНК, с четырьмя различными нуклеотидами, имеет четверичный код, при котором одно состояние уже представляет два бита. Кроме того, даже самая продвинутая технология сверхвысокого уровня интеграции не дает нам возможности управлять чем-либо на уровне единичной молекулы. Как носитель информации, молекула ДНК эффективней кварцевых произведений человеческой высокой технологии в 45 миллионов миллионов раз”.
И, действительно, информационная щедрость живой природы поражает, особенно осенью, когда бесчисленное количество плодов и семян растительного мира рассеивается по всей земной округе, и в каждом из них заключены несметные ресурсы наследственной информации. Наука показывает, что только благодаря наследственной молекулярной информации, жизнь на нашей планете существует и развивается уже более 3,5 миллиардов лет. Однако, основной массив информационных технологий, применяемый живой природой и приведший к появлению и распространению растительного и животного мира, а также становлению самого человека, – современной науке до настоящего времени практически неведом. Между тем, это и есть то неохватное “целинное поле”, которое самой живой природой предназначено для развития нового в науке направления – “Молекулярной биологической информатики”. Информационный космос биологических макромолекул открыт для науки и энтузиастов-исследователей живой природы! Если 20 век был веком технической информатики, то 21 век непременно должен стать веком информатики биологической!
Использованная литература
http://www.sciteclibrary.ru/texsts/rus/stat/st2972.htm
http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog ... 10412.html
Вход
×