Биологическая информация

Министерство образования  и науки Российской федерации

Алтайский государственный  технический университет

им. И. И. Ползунова

 

 

Кафедра «Информационные  системы в экономике»

 

 

 

 

ОТЧЕТ

о учебно-исследовательском  проекте

на тему «Биологическая информация»

по дисциплине: «Проектирование ИС»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил(а) студент(ка)

 

______________________

______________________

 

 

 

 

 

 

содержание

 

1. Введение.	3
2.  Содержание проекта.	5
2.1. Сущность биологической  информации.	5
2.2. Информационные основы биологической информации.	9
2.3. Основные элементы биологической информации.	13
2.4. Характеристика функций  биологической информации.	18
2.5. Коммуникации биологической информации.	20
2.6. Эволюция жизни и развитие информационного обмена в биосфере.	26
3. Заключение.	29
4. Список используемой литературы	30

 

 

Введение

 

Информация, точно так  же, как и материя, и энергия, входит в круг трёх самых основополагающих, ключевых и таинственных сущностей  нашего мира. Удивительно, – но на этом понятии держится не только весь багаж мировых знаний, но и любая область человеческой деятельности. С понятием “Информация” напрямую связаны не только феномены жизни, но и все сложные технические, биологические и общественные уровни её организации. И хотя вопрос о том, что же стоит за словом “Информация”, обсуждается уже давно, но и сегодня наука не может нам дать четких и удовлетворительных ответов: как она возникла, по каким законам существует и развивается, да и вообще, что же это такое – “Информация”. К сожалению, суть и значение этого слова трудно объяснить одной формулировкой. Между тем, этот термин уверенно вошел в нашу жизнь и широко применяется в науке, технике и на бытовом уровне. Поэтому “Информация” имеет огромнейшее значение для живой природы, человека и общества в целом.

Одновременно с выявлением общих свойств информации как  феномена обнаруживаются и принципиальные различия относящихся к различным уровням сложности информационных систем.

Простейшая биологическая  система превосходит по своей  сложности самую совершенную из созданных человеком информационных систем. Уже на уровне простейших одноклеточных организмов задействован необходимый для их размножения сложнейший информационный генетический механизм. В многоклеточных организмах помимо информационной системы наследственности действуют специализированные органы хранения информации и ее обработки (например, системы, осуществляющие перекодирование поступающих из внешнего мира зрительных и слуховых сигналов перед отправкой их в головной мозг, системы обработки этих сигналов в головном мозге). Сложнейшая сеть информационных коммуникаций (нервная система) пронизывает и превращает в целое весь многоклеточный организм.

Проблемная ситуация: 

Уже на уровне биологических  систем возникают проблемы учета  ценности и смысла используемой этими системами информации. Еще в большей мере такой учет необходим для анализа функционирования интеллектуальных информационных систем. Живые клетки уже давно пользуются своей, сугубо специфической молекулярной информационной технологией. А это означает то, что в основе всех биохимических и биологических «технологий» лежат процессы информационные. Именно такие информационные молекулярно-биологи-ческие технологии стали базовой основой эволюционного развития биосферы нашей планеты и привели к великому разнообразию живого мира. Но, как ни странно, этот могучий природный пласт пока неведомых нам информационных технологий до сих пор не поддаётся изучению.

Цель учебно-исследовательского проекта:

Раскрыть основные компоненты биологической информации, опираясь на системный подход.

Задачи проекта:

• раскрыть сущность биологической информации (БИ);
• выявить основные элементы БИ;
• дать характеристику основным функциям БИ;
• выявить структуру БИ;
• рассмотреть взаимодействия БИ с внешней средой;
• выявить свойства БИ, обеспечивающие целостность элементов;

раскрыть этапы становления, развития и перспективы оценки БИ 
2. Содержание проекта.

Опираясь на аспекты  системного подхода, рассмотрим биологическую информацию как открытую, целостную, комплексную, целенаправленную, динамическую систему. Для краткости обозначим эту систему - БИ.

2.1. Сущность биологической информации.

Биологическая информация – это принципы восприятия, передачи и обработки информации в организме. «Информация”, в своем классическом природном виде, всегда существует, циркулирует и передаётся только в закодированном виде. Кодирование, передача, хранение, переработка и другие информационные процессы лежат в основе работы всех сложных систем, в том числе устройств контроля и управления, используемых не только в технических, биологических, но и в других информационных системах. Поэтому, чтобы не смешивать используемые понятия, всегда следует видеть понятийную разницу между объектами (процессами), которые могут служить (или являются) источником сведений, самой информацией и её носителями.

Повышение ценности биологической  информации трактуется как снижение избыточности (в теоретико-информационном смысле), как рост степени незаменимости информации в ходе эволюционного и индивидуального развития, и это возрастание ценности информации он предлагал рассматривать как один из важнейших принципов теоретической биологии. Представления о ценности биологической информации и информационный подход вообще активно использовались при разработке теорий и моделей самоорганизации и эволюционного развития.

Глубоко ошибаются те люди, которые считают, что первая информация на Земле была выбита первобытным человеком на скалах, выполнена зарубками на костях животных или записана на древних папирусах. “До наших дней сохранились лишь немногие древние записи, хотя они были вытравлены на медных пластинах или высечены на камне. Например, рукописи Мертвого моря и Розеттский камень, давший ключ к расшифровке древнеегипетских иероглифов, насчитывают всего несколько тысячелетий”. Однако, всё дело в том, что есть убедительные научные данные и основания полагать, что первая информация “появилась на свет” за три-четыре миллиарда лет до указанных выше событий! Причем, больше всего изумляет то, что она стала кодироваться не на долговечном, с нашей точки зрения, переносчике информации, а на удивительно ненадежном и чрезвычайно микроскопическом – молекулярном носителе.

Сейчас уже точно  известно, что генетическая и молекулярная (биологическая) информация записывается, хранится и используется в форме ДНК и в виде других биологических макромолекул, – настолько хрупких биоорганических соединений, что они легко разрушаются на множество различных фрагментов лишь при простом перемешивании раствора с этими компонентами. Но несмотря на свою кажущуюся ненадежность, биомолекулы ДНК сменили немыслимое множество своих поколений, при этом, сохранив до настоящего времени и ту далёкую информацию, которую содержали самые древние биологические макромолекулы. Ясно, что этот феномен основан на свойствах информации. Сама биологическая жизнь своим появлением, зарождением и эволюционным развитием, в первую очередь, обязана замечательным способностям информации – кодироваться с помощью химических букв и символов и передаваться при помощи различных молекулярных средств и носителей. Именно с кодированием связаны многие замечательные свойства живых клеток:

• возможность хранения, передачи и переработки управляющей генетической информации;
• возможность структурно-функционального программирования биологических молекул и клеточных структур;
• совмещение программно-аппаратных средств в структурах белков, нуклеиновых кислот и других функциональных биомолекул;
• возможность обработки сигнальной информации субстратных молекул и т. д.

Поэтому биологические  макромолекулы повсеместно несут  ту информацию, которая определяет их класс и конфигурацию, и программирует их функциональное поведение в живых системах. Известнен биологический факт того, что генетическая информация как самостоятельная виртуальная сущность, способна передаваться из поколения в поколение путем простой смены своих материальных носителей. При этом информация не только сохраняется, но даже преумножается, несмотря на телесную хрупкость и недолговечность своего носителя. Естественно, для своего сохранения и преумножения она пользуется различными биологическими системами и механизмами, например, живой клеткой. Функциональное поведение биологических макромолекул в живой системе подчинено не только всем известным законам физики и химии. В первую очередь, оно подчинено закономерностям молекулярной биохимической логики и информатики, иными словами, – информации, закодированной (загруженной) в структурах биологических макромолекул. Первичная биологическая информация, находящаяся в структурах ДНК живой клетки, представляет собой закодированные генетические сообщения и послания. Совокупность всех универсальных свойств информации обеспечила возможность строительства (кодирования и программирования) из молекулярных мономеров (химических букв и символов) неограниченного множества различных, по своей конструкции, назначению и функциональным свойствам биологических макромолекул, а главное, она обеспечила не только потенциальную вероятность зарождения живой материи, но и процессы информационного управления обменом энергии и веществ, и принципиальную возможности претворения в жизнь процессов саморегуляции и самовоспроизведения живой материи. Все универсальные свойства, приписываемые сегодня живой материи, на самом деле относятся к информации, заключенной в её структурах, но никак не к физико-химическим свойствам её биоорганических носителей. Главнейшей функциональной доминантой в структуре живой материи является – информация. Все мы: люди, животные, растения и даже бактерии являемся лишь внешними оболочками, – биологическими объектами, приспособленными для выживания и дальнейшего воспроизводства этих информационных субстанций, сосредоточенных в каждом на генетическом и молекулярно-биологическом уровне. Все мы: люди, животные, растения и даже бактерии представляем собой, ничто иное, как информационные субстанции в молекулярно-биологическом исполнении. Жизнь, – это особая системная форма движения, воспроизведения и генерации информации, которая осуществляется на базе использования энергии и вещества. Поэтому первый, фундаментальный уровень развития информационных субстанций и их технологий на нашей планете был реализован на молекулярно-биологической основе. С информационной точки зрения можно сказать, что все свои уникальные свойства биологическая форма материи получила благодаря объединению материальных (аппаратных), информационных (программных) и энергетических составляющих в одно структурно-функциональное целое. Однако с другой точки зрения, если принять во внимание, что основным свойством материи являются различные формы движения – физическая, химическая, механическая и иные другие (которые играют фундаментальную роль в её развитии), то вполне можно предположить, что живая материя, также как и сама Жизнь – есть системная, информационная форма движения и циркуляции материи (органического вещества). Информационный уровень развития и существования материи это, несомненно, новый, более высокий уровень её движения и организации. Здесь информация и материя выступают в качестве равных партнеров: информация использует материю в качестве носителя, а материя использует информацию для более высокого уровня своей организации.

А информация, внедрившаяся в структуру биоорганического вещества, стала той организующей и системной  силой, которая гарантировала их функциональное единство и движение по различным ступеням развития

Вывод:

Была раскрыта сущность БИ, которая состоит в том, что биологическая информация - это информация, внедрившаяся в структуру биоорганического вещества, та организующая и системная сила, которая гарантирует функциональное его единство и движение по различным ступеням развития.  
2.2. Информационные основы биологической информации.

Попробуем кратко рассмотреть  и обобщить некоторые известные  и предполагаемые информационные основы БИ:

Во-первых, мы уже отметили, что первым важнейшим условием, обусловившим возникновение живой формы материи, явилось наличие совершенной и качественной молекулярной элементной базы. Следовательно, в живой природе только молекулярный носитель информации мог положить начало молекулярно-биологической технологии переработки информации, а, стало быть, и соответствующим преобразованиям тех молекулярных компонентов биоорганического вещества, в структурах которых осуществлена запись информации.

При этом заметим, если вещество и энергия живой материи являются её материальными наполнителями, то информация в структуре живого вещества, по своей сути, является руководством к действию, а значит, и критерием управления всех химических, молекулярных, энергетических и других биологических процессов.

Во-вторых, была достигнута необыкновенная стабильность хранения информации на генетическом носителе и высокая помехоустойчивость передачи её в бесчисленных поколениях клеток и организмов, которая обусловлена не только структурной комплементарностью цепей ДНК, но и применением надёжных систем репарации и репликации.

В-третьих, любой живой клетке, для реализации функциональных и информационных процессов, постоянно нужна энергия. Растения, к примеру, путём фотосинтеза запасают энергию солнечного света в виде химической энергии в молекулах питательных веществ. А организмы, в процессе клеточного дыхания, извлекают эту энергию, расщепляя питательные вещества. Энергия митохондриального окисления в виде АТФ используется значительной частью живого мира. Поэтому одним из главных этапов эволюционного развития живого стал факт внедрения в клеточную систему уникальных генераторов химической энергии – митохондрий – АТФ-генерирующих установок.

Живая клетка должна постоянно  поддерживать дозовую циркуляцию химической энергии в виде АТФ к «потребителю», а АДФ и фосфата – к митохондриям, для нового восстановления их до АТФ. АТФ в клетке – это гибкий источник энергии, позволяющий получить нужные дозы её в нужном месте. Поэтому при недостатке свободной энергии любая биомолекула, к примеру, белка, способна адресно (информационно) связываться с молекулой АТФ, которая в живой системе играет роль аккумулятора химической энергии.