Биологическая информация

3. Выходное управляющее звено в виде белков и ферментов, выполняющих в клеточной системе роль молекулярных биологических автоматов с программной биохимической логикой управления:

• обеспечение живой клетки необходимыми ресурсами и материалами,
• осуществление управления всеми процессами жизнедеятельности и развития.

4. Программное обеспечение клетки:

• кодировка и перекодировка из одной системы кодирования в другую,
• программирование всех процессов,
• контроль процессов, в том числе и обеспечивающих работу транскрипционного и трансляционного аппаратов (биопроцессорных систем)
• реализация стереохимических принципов узнавания и динамического взаимодействия, которые гарантируют повышенную помехоустойчивость при прохождении управляющей информации, высокую достоверность передачи сообщений.

Вывод:

К наиболее важным функциям БИ относят: хранение информации в биосистеме, ее точную качественную передачу и т.д.. Приведены и рассмотрены внутренние функции системы, отраженные функциями её элементов.

 

2.5 Коммуникации биологической информации.

Биологическое взаимодействие — биологическая коммуникация, осуществляется в живом мире с помощью различного рода сигналов и иных форм передачи информации.

Динамическая управляющая информация непосредственно связана с молекулярными структурами белков (закодирована в них), а сигнальная осведомляющая информация, воспринимаемая ферментами (белками), заключена в структурной организации их молекулярных партнёров. Поэтому можно констатировать, что молекулярная биологическая информация в живой клетке имеет различные формы существования и может записываться различными химическими буквами и символами:

• статическая управляющая информация кодируется в структуре ДНК при помощи нуклеотидов;
• динамическая управляющая информация белковых молекул записывается и реализуется при помощи аминокислот;
• сигнальная (осведомляющая) молекулярная информация может обеспечиваться разными буквами и символами общего алфавита живой материи, а, следовательно, и их различными химическими знаками.

Потоки и циркуляция информации в живой системе тождественно могут быть представлены потоками и циркуляцией различных биологических молекул. Живая форма материи отличается от других форм тем, что её структура и функции кодируются и программируются той молекулярной информацией, которая с помощью элементной базы заранее была загружена в её молекулярные цепи и трёхмерные структуры. Поэтому всё разнообразие биологических молекул живой клетки формируется только на основе управляющих средств, с помощью генетической информации и использования различных молекулярных алфавитов.

В живой системе для организации информационных процессов наиболее широко используется комплементарный принцип взаимодействия биологических молекул друг с другом с помощью их линейных, локальных, рельефных или поверхностных биохимических кодовых матриц. Информационные взаимодействия биомолекул, обусловленные кодовыми микроматрицами, состоящими порой из многочисленных боковых атомных групп элементов, достаточно сложны и более грандиозны чем, к примеру, процессы в цифровых системах. Они связаны с меняющейся динамикой взаимодействий и многовариантностью физико-химических сил и связей, определяющих характер молекулярной биологической информации.

Живое вещество, в отличие  от твёрдого, кристаллического, жидкого  или газообразного, имеет свои строго определённые структурные особенности и свойства, и отличается от других веществ удивительной способностью целенаправленно выполнять определенные биологические функции. Макромолекулы живой клетки характеризуются строгой упорядоченностью молекулярных цепей в пространственной решётке и специфическим конденсированным состоянием, поэтому к ним вполне приемлемо редко применяемое, но достаточно точное название - “кристаллоиды”. Кристаллоиды обладают и другими уникальными качествами и свойствами. Наличие в структурах макромолекул как внутримолекулярных, так и внешних информационных сил и связей (обусловленных составляющими их элементами), которые сами по себе слабы, но мощны своей многочисленностью и разнообразием, позволяет говорить о том, что внутри и вокруг кристаллоида образуется специфическое силовое “информационное поле”, которое способно влиять как на структуру самого кристаллоида, так и на его микроокружение. При этом сама макромолекула как бы стабилизируется самосогласованным сжимающим информационным полем, обусловленным кооперативными силами притяжения между боковыми атомными группами и атомами мономеров. Эти рассуждения приводят нас к мысли о существовании новых полей особого типа, которые можно назвать “информационными полями и сферами” живой формы материи. Информационная сфера - это состав того информационного поля, которое образуется и окружает конкретную биологическую молекулу в определённый период времени. А наложение информационных сфер друг на друга и создаёт в окружающем пространстве живой клетки общее информационное поле. Можно констатировать, что информационное поле - это одно из видов полей, которое образуется с помощью различных биологических молекул и клеточных структур, способных к информационному взаимодействию. Молекулярные информационные поля, по всей видимости, служат для организации дистанционного, а затем, и контактного коммуникативного общения биологических молекул друг с другом. Только в таком поле молекулы, находящиеся в клеточных отсеках, способны быстро находить друг друга, информационно взаимодействовать и возбуждать при этом биологические функции. Любая молекула может находиться в одной из точек информационного поля, от энергии которого и зависит её поведение. Известно, что большинство макромолекул биоорганических соединений имеют “огромные размеры”, которые определяют их чрезвычайно важные в биологическом и информационном отношении свойства. Во-первых, большие размеры благоприятны для динамических и функциональных характеристик, которыми обладают эти молекулы. Во-вторых, секрет больших молекул заключается в их особых электрических и других удивительных свойствах, которые строго специфичны для их молекулярных структур и поверхностных профилей. Если небольшие молекулы, представляющие собой постоянные или временные диполи, создают вокруг себя электрические поля небольшого радиуса действия, обуславливающие ван-дер-ваальсовы взаимодействия, то крупные полярные молекулы создают дисперсионные силы, которые являются электрическими силами “большого радиуса действия”. За счет них большие молекулы способны притягивать, отталкивать и ориентировать другие молекулы. Чем больше размер кристаллоида, тем больше радиус действия его силового поля и, следовательно, тем больше сфера его влияния. А “буквенная мозаика” на поверхностных участках, в виде различного рода центров и биохимических матриц, определяет ту часть информационной сферы, которая непосредственно отвечает за комплементарные контактные (матричные) взаимодействия макромолекулы с её молекулярными партнёрами. Ясно, что информационные молекулярные поля и сферы подвержены влиянию не только клеточной микросреды, но и возмущению известных и неизвестных нам полей космоса и окружающего нас мира. Изучение информационных полей живого вещества и сфер биологических макромолекул-кристаллоидов может дать дополнительные сведения о природе и принципах организации живой формы материи. Биологические молекулы и структуры, как носители генетической информации в различных её видах и формах, всё время находятся в информационном взаимодействии друг с другом и системой управления. Поэтому все они вполне могут быть признаны информационными “образованиями”. Благодаря информационным взаимодействиям и системной организации живая форма материи никогда не стояла на месте в своём развитии, причем, эти процессы всегда имели закономерный характер. Здесь, видимо, и следует искать ключ к разгадке великой тайны живого состояния и развития. “Закон триединства”, если им правильно воспользоваться, по-видимому, может решить многие проблемы молекулярной биологии. Приведём соответствующие факты и аргументы. Прежде всего, обратим внимание на то, что этот принцип начинает действовать уже на элементарном уровне, то есть на уровне биохимических букв и символов алфавита живой формы материи. Биологические элементы нельзя мыслить и воспринимать без их многофункциональных качеств и свойств. Все они тождественно и эквивалентно выполняют роль структурных, физико-химических, информационных и функциональных единиц, а также программных элементов живой формы материи. А принцип многофункциональности позволяет рассматривать элементную базу буквально с разных стон и различных точек зрения. Сначала остановимся на информационных аспектах применения таких элементов. Точно так же, как мы свободно узнаём любую букву русского алфавита по её очертаниям, так и управляющая система живой клетки легко тестирует и узнаёт любой биохимический элемент по составу его функциональных и боковых атомных групп, их строению, форме и химическим свойствам. Кроме отличительных химических свойств каждая буква или символ биологического алфавита обладает ещё и своим структурным и стерическим рельефом, который как бы дополняет его химическую информационную составляющую. Получается так, что если, к примеру, информация в структурном рельефе обыкновенного ключа является его основной характеристикой, то информация биохимических элементов состоит и слагается из разных составляющих - структурной и химической. А эти компоненты, как известно, играют ведущую роль при комплементарных - информационных взаимодействиях. То есть, как структурная, так и физико-химическая составляющие каждого элемента являются его информационными параметрами. Иными словами, в основе представления молекулярной биологической информации лежит принцип эквивалентности структурно-химических и информационных компонентов. Это свойство можно назвать принципом тождественности вещества и информации. “Формула тождественности” говорит о том, что все биологические структуры и процессы в частности, можно рассматривать с любой из двух точек зрения - или с физико-химической (вещественной), или же с информационной. Это как две стороны одной медали. Следовательно, все биологические элементы в живой системе, с одной стороны, могут играть роль строительных блоков, а с другой - кодирующих и функциональных единиц молекулярной информации. То есть уже на этом уровне наглядно соблюдаются условия единства вещества и информации. Потенциальная энергия в клетке представлена главным образом в форме химической энергии связей между атомами в молекулах органических соединений. А центральная роль в биоэнергетике клеток животных принадлежит дыхательному обмену. Он, как известно, включает в себя реакции расщепления сахаров, жирных кислот, аминокислот и использования выделяемой энергии для синтеза химической энергии в виде АТФ. Иными словами, все биохимические элементы вносят свой существенный вклад и в энергетику живой клетки. Кроме того, элементарный состав биологических молекул, то есть молекулярная информация, определяет не только структуру, но и все многочисленные химические валентные и невалентные связи между элементами, а, значит, и потенциальную, и свободную химическую энергию биомолекул. Заметим, что все основные характеристики биологических элементов наиболее ярко проявляются только в составе биологических молекул. А многофункциональные свойства элементной базы становятся ключевым критерием того “триединства”, которое обнаруживается в различных биологических макромолекулах и структурах, обладающих интегративными свойствами составляющих их элементов. Значит, “принцип триединства вещества, энергии и информации” в живой системе, который обнаруживается на элементарном уровне, распространяется и на все биологические молекулы и структуры живой материи. В связи с этим, можно сказать, что генетическая информация определяет не только структуру, но и энергетический, и функциональный потенциал биологических молекул.

Вывод:

Принцип триединства  показывает, как многолик образ живой  формы материи. Поэтому, когда в молекулярной биологии мы говорим - “информационное сообщение”, то должны подразумевать и ту “молекулярную биологическую структуру”, которую оно определяет. А когда говорим - “молекулярная структура”, то, естественно, должны иметь в виду и ту “информацию”, и ту энергетическую составляющую, которые представлены в биомолекуле на её элементарном уровне.

Биологическая информация неотделима от биологической структуры  и ее энергетической состовляющей.

 

 

2.6. Эволюция жизни и развитие информационного обмена в биосфере.

 

Ранние стадии биологической  эволюции информации.

В этом процессе можно  выделить три этапа:

1. образование биологически важных молекул (сахаров, липидов, аминокислот и нуклеотидов) в предбиологический период;
2. самопроизвольное скопление этих молекул в пространстве и их поликонденсация с образованием полимеров (полипептидов и полинуклеотидов со случайными последовательностями);
3. возникновение биологической информационной системы и ценной информации в ней.

Первый этап - возникновение биологически важных молекул и их самоорганизация. Такие органические вещества, как сахара, липиды, аминокислоты и нуклеотиды, обладают избытком свободной энергии. Поэтому в термодинамически равновесной системе концентрация их ничтожно мала. Однако в открытой системе при наличии источников энергии такие вещества могут синтезироваться.

На втором этапе происходит самоорганизация материи, но еще не достаточная для возникновения у объектов "цели" и, следовательно, ценной информации. Поэтому такие объекты нельзя еще называть "живыми существами".

На третьем этапе происходит выбор единого для всего живого на Земле генетического кода и возникают простейшие "существа", способные к комплементарной авторепродукции с использованием этого генетического кода. Третий этап - образование информационной системы.

Информационный аспект биологического разнообразия.

В биологической эволюции базовый этап - выбор единого кода, т.е. алфавита. Код отработан на основе одного белка - репликазы. В данном случае алфавит возник на основе одного слова. Аналогом иероглифической записи информации можно считать предшествующую стадию - образование репликазы как слепка с ДНК. Следующий этап - образование белка, способного усваивать новые субстраты, - генерация новой информации на основе единого кода, который является тезаурусом на следующем этапе. Геном организмов, способных синтезировать несколько белков с разнообразными функциями, можно уподобить фразе, имеющей определенный смысл. При появлении генома, кодирующего несколько разных белков, понятие "смысл" становится содержательным. Его можно выразить фразой "поглощать такой-то субстрат, чтобы жить". При дальнейшем усложнении организмов и увеличении кодируемых белков информация становится не только кодовой, но и смысловой. Цель организмов та же - сохранить свою (теперь уже смысловую) информацию. Следующий уровень - создание принципиально новой информации.

Биологической эволюцией двигали три главных фактора: стремление сохранить свою информацию, голод,загрязнение окружающей среды биологическими отходами.

При возникновении новых структур не используется информация, возникшая раньше и содержащаяся в прежних структурах, выполняющих другие функции (механизм точечных мутаций).

 

 

 

 

 

 

 

Рис. Сопоставление различных эволюционных процессов, происходящих на планете, в связи с появлением и развитием различных механизмов памяти. Сверху: этапы предбиологической и биологической эволюции в контексте традиционных биологических наук - химическая, биологическая, информационная. Ниже, те же этапы с позиций биоценологии и наук о геосферах и биосфере - эволюция эмбриосферы, эволюция биосферы, появление и эволюция техносферы. Для сопоставления показано время появления некоторых главных «творцов биосферы»: прокариот, эукариот, развитых наземных форм жизни, человека.Внизу: три типа памяти, которые предопределяли эволюцию жизни на планете - «память среды», т.е. память абиотических компонент биосферы (существует в течение всей истории планеты); генетическая память (ее появление сопряжено с возникновением прокариот - первых организменных форм жизни); культурное наследие в виде мемов (объяснение в тексте), как следствие появления второй сигнальной системы и человеческой памяти, сохраняющей и накапливающей популяционный опыт вида Homo sapiens. В самом низу рисунка указано геологическое время в миллиардах лет.

Каждый принципиально  новый этап эволюции жизни на планете  сопряжен с началом использования  новых способов передачи, хранения и использования информации. То, как значимая для жизни информация хранится, передается и используется, непосредственно влияет на весь ход эволюции живого, предопределяет ее основные этапы. Для новейшего этапа эволюции - техносферной эволюции - характерно использование не только новых, связанных со спецификой биологии вида Homo sapiens механизмов памяти и обмена информацией, но и специально изобретенных, нефизиологических средств запоминания массивов данных, то есть библиотек. Накопленные знания и навыки позволяют на этом этапе широко применять технические приспособления, которые помогают активно использовать дополнительные, неизвестные другим животным источники энергии, создавать локально комфортные для существования и деятельности условия среды.

Эволюция биологической информации осуществлялась достаточно быстро, но была бы гораздо более медленной (или даже невозможной), если бы при создании каждой новоой системы приходилось каждый ее элемент изобретать заново. Большую роль при этом играли стандартизация элементов и сохранение в «архивах» прежних удачных «конструкций».

Вывод:

Были раскрыты основные этапы становления и развития БИ. Как было показано, биологическая информация развивается стремительно, используя удачные «конструкции», создавая новые формы жизни.

 

 

 

 

 

 

Заключение

Таким образом, проведенное  исследование биологической информации методами системного подхода помогло выяснить следующие аспекты объекта исследования:

1. Сущность БИ 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. Стало очевидно, что 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.
3. Были выделены и рассмотрены основные элементы БИ, в которые входят: генетическая (ДНК) и оперативная (РНК) память, комплекс биопроцессорных систем репликации, транскрипции и трансляции генетической информации, выходное управляющее звено в виде белков и ферментов, выполняющих в клеточной системе роль молекулярных биологических автоматов с программной биохимической логикой управления, программное обеспечение клетки. и т. д.
4. Были выделены и рассмотрены наиболее важные функции БИ: хранение информации в биосистеме, ее точную качественную передачу и т.д. Приведены и рассмотрены внутренние функции системы, отраженные функциями её элементов.
5. Оказалось что биологическая информация неотделима от биологической структуры и ее энергетической состовляющей.
6. Были раскрыты основные этапы становления и развития БИ. Как было показано, биологическая информация развивается стремительно, используя удачные «конструкции», создавая новые формы жизни.

 

Список используемой литературы

 

1. Калашников Ю. Я. Основы молекулярной биологической информатики. – М., 2004. – 66с. – Депонир. в ВИНИТИ РАН 13.04.04, № 622 – В2004, УДК 577.217: 681.51
2. Калашников Ю. Я. 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
3. Чернавский Д.С. Синергетика и информация. М., 1990.
4. Чернавский Д.С., Чернавская Н.М. Белок-Машина: Биологические макромолекулярные конструкции. М., 1999.
5. Чернавский Д. С. Проблема происхождения жизни и мышления с точки зрения современной физики//Успехи физ. наук. 2000. № 170.
6. Интернет [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.sciteclibrary.ru