2. Матричный, комплементарный принцип информационных взаимодействий. Отметим, что 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. Здесь отсутствуют четко тестируемые сигналы определённого типа, такие как, например, 1 и 0 в цифровых устройствах. Каждый элементарный био-логический сигнал боковой группы имеет своё смысловое значение и характеризуется своим набором физико-химических свойств и своим позиционным расположением в биохимической матрице. От этих параметров, видимо, и зависит функциональная направленность и кооперативность действия каждого индивидуального сигнала, то есть неоднозначность действия отдельного био-логического элемента, входящего в состав макромолекулы. Можно сказать, что к наиболее изученным информационным взаимодействиям в живой клетке относятся, именно, матричные процессы. Здесь хорошо просматриваются идеи программного био-логического управления, когда случайные беспорядочные столкновения молекул сменяются четко организованными, генетически детерминированными процессами. Например, последовательность нуклеотидов в одной цепи ДНК автоматически определяет последовательность в другой, комплементарной цепи. В поддержании и закреплении третичной структуры глобулярных белков принимают участие различные типы комплементарных (информационных) сил, связей и взаимодействий между элементами или фрагментами полипептидной цепи: электростатические эффекты, ионные и водородные связи, вандерваальсовы силы и гидрофобные взаимодействия. Во время конформационных преобразований каждый сигнал R-группы полипептидной цепи кооперативно взаимодействует с другими сигнальными элементами, а также с молекулами воды, которая всегда принимает участие в формировании трёхмерной структуры белка. При этом стабилизация трёхмерной конформации белковой молекулы и правильное расположение структур определяется сочетанием различных типов комплементарных взаимодействий: “1) ионными связями между положительно и отрицательно заряженными боковыми группами аминокислот; 2) водородными связями между атомами, несущими частичные положительные и частично отрицательные заряды; 3) гидрофобными взаимодействиями, обусловленными стремлением неполярных боковых R-групп аминокислот объединиться друг с другом, а не смешиваться с окружающей их водной средой; 4) ковалентными связями между атомами серы двух молекул аминокислоты цистеина” [5]. Таким образом, трёхмерная конформация белка однозначно определяется информацией, которая записана в “линейной” аминокислотной последовательности его полипептидной цепи. Отсюда следует, что любые информационные взаимодействия между фрагментами молекулярной цепи в структуре биомолекулы, или же между биомолекулами клетки могут базироваться только на химической и стерической комплементарности их биохимических матриц, то есть на взаимодополняемости химических свойств, электрических зарядов и структурных рельефов друг другу. Если же теперь обобщить различные наблюдения и факты, то оказывается, что комплементарный матричный (информационный) принцип “подгонки” действует в совершенно различных, казалось бы, по своей биологической роли процессах: 1) при репликации, транскрипции и трансляции генетической информации; 2) при биосинтезе или расщеплении “неинформационных” биомолекул клетки, когда локальные стереохимические кодовые группы активного центра фермента взаимодействуют с молекулой (или молекулами) субстрата по матричному принципу; 3) при свертывании белковой (как, впрочем, и любой другой) молекулы, когда отдельные фрагменты полипептидной цепи “отыскивают” друг друга, комплементарно взаимодействуют и “застёгиваются” между собой с помощью линейных матричных взаимодействий боковых атомных R-групп по принципу застёжки-молнии; 4) при объединении между собой отдельных субъединиц олигомерного белка с помощью рельефных матричных взаимодействий в четвертичной структуре белка, когда комплементарная “подгонка” осуществляется при взаимодействии биохимических матриц, образованных многочисленными R-группами, координатно расположенными на поверхности субъединиц олигомерного белка; 5) рельефные поверхностные биохимические матрицы играют ведущую роль в процессах самосборки или разборки надмолекулярных комплексов и ансамблей, состоящих из различных белковых и других молекул. К примеру, точное взаиморасположение молекулярных компонентов рибосом, включая белки, возможно только за счет комплементарного взаимодействия их поверхностных биохимических матриц. А регуляторами, включающими или выключающими процессы их самосборки является наличие или отсутствие иРНК, а также соответствующие ионные, или другие условия, влияющие на перераспределение комплементарных матричных сил и связей. Все эти факторы и ведут или к взаимному ориентированному притяжению и самосборке биомолекул в целостную рибосому, или же, наоборот, к их отталкиванию и разборке. Здесь мы наблюдаем один из основных механизмов функционального и регуляторного действия, лежащий в основе информационных взаимодействий между биомолекулами клетки. Рибосома ведет себя как молекулярная автоматическая система, которая отзывается на сигнальные и регуляторные воздействия и функционирует строго в соответствии с загруженной в её компоненты программной информацией. По аналогии совершаются и другие информационные взаимодействия, которые, как мы видим, характерны только для живой молекулярной системы. Ясно, что матричный принцип соответствия является основой информационных взаимодействий биологических молекул друг с другом [4].
3. Информационные поля и сферы живой формы материи. 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.
4. Единство вещества, энергии и информации – основной принцип существования живой формы материи. Вещество, энергия и информация являются важнейшими сущностями нашего мира и главнейшими его составляющими. Они могут существовать в различных видах, формах и качествах, и в различных сочетаниях между собой. А когда путём пошагового объединения они слагаются между собой, то возникает новое качественное состояние. К примеру, таким путём идёт развитие производительных сил: сначала возникли орудия труда, затем из орудия труда, – путём объединения с энергетической составляющей, возникают машины, а затем и автоматы с важнейшими составляющими – вещества, энергии и информации. Аналогичный процесс развития лежал и в основе становления биологической формы движения материи, когда её составляющими стали органическое вещество, химическая энергия и молекулярная биологическая информация. Эта триада, по-видимому, и явилась тем феноменом, который определил движущие силы постоянного развития и совершенствования живой материи. В живом веществе, как оказалось, заключены не только валентные и невалентные химические силы и связи, определяющие характер биохимических и информационных взаимодействий, но также и те элементарные внутренние силы саморазвития, которые делают возможным возникновения большого числа различных вариантов форм, позволяющих осуществить процесс селекции. А основной функцией живой материи стала системная организация и интеграция в её структуре органического вещества, химической энергии и молекулярной биологической информации. Их совокупность, видимо, и обеспечила движение и развитие биологической формы материи. Это – ключевой момент в становлении живого, и не ясно только, почему ему биологи не уделяют должного внимания. Причем, информация, точно так же, как и химическая энергия, обнаруживает полное сродство с живым веществом на его элементарном уровне. И действительно, ведь все биохимические элементы биологических молекул представляют собой ту элементарную форму органического вещества, с помощью которой формируются и передаются биологические коды молекулярной информация. Поэтому можно сказать, что триединство вещества, энергии и информации является фундаментальной основой существования живой формы материи. И хотя информация, в философском смысле, не есть ни вещество и ни энергия – она является лишь свойством материи, однако, в молекулярной биологии она приобретает своё воплощение и смысл уже на уровне молекулярных единиц биологической информации (букв или символов), которые в живой клетке используются для кодирования и программирования биологических молекул. Отсюда следует, что информация в молекулярной биологии не отвлеченное понятие, а объективное свойство и, более того, – само содержание и сущность живой 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. Био-логические 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 био-логические 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 био-логических 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 [4]. 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.
5. Различные подходы к молекулярным биологическим проблемам. Как мы видим, уникальное свойство единства вещества, энергии и информации и многофункциональный принцип применения элементной базы, привели к удивительной ситуации в естественных науках. Во-первых, такая ситуация подсказывает, почему биологическая форма материи не поддаётся объяснению с какой-либо одной из точек зрения, к примеру, при физико-химическом подходе. Во-вторых, это же обстоятельство позволяет биологам изучать живую материю буквально с разных сторон и различных точек зрения. Поэтому любую биомолекулу, например, белка, можно исследовать: 1) с информационной точки зрения, так как никаких особых компонентов, кроме информационных, белок не содержит; 2) с физико-химической, – так как белок является веществом живой материи и
29-04-2015, 03:03