Даниил Михайлович Платонов
Информационная феноменология жизни. Часть I: Внутриклеточные информационные отношения
Программное управление с разделением программ и «данных»
Отметим дуализм любых информационных структур. В технической интерпретации – это аспекты материального воплощения структур реализации информационных отношений (hardware) и информационного обеспечения актуализации информационных отношений (software). Эти аспекты являются принципиально самостоятельными и независимыми категориями в плане имманентных факторов и закономерностей их сущности, но для воплощения на их основе информационных систем необходим определенный гомоморфизм, реализуемый для каждой категории в рамках их трансцендентного системного соответствия. Имманентная самостоятельность этих категорий создает для открытых систем возможности их коэволюции на основе трансцендентного гомоморфизма и порождает в условиях синергетической комплиментарности объективные предпосылки самоусложнения информационных систем. Хотелось бы упомянуть безусловную паритетность значимости обеих категорий в судьбах информационных систем. Ни о каком приоритете или первородстве какой-либо из этих категорий в рамках информационных систем нет смысла говорить, т.к. только их совокупность создает возможность реализации, какой бы то ни было информационной системы.
Информационные отношения связывают информационные объекты с учетом их свойств упорядоченности, которую можно представить в двух видах: иерархическая и феноменологическая упорядоченность информационных объектов.
Иерархическая упорядоченность информационных объектов отражает рост их семантической сложности. Например: бит, байт, буква, слово, файл, база данных и т.д., или микрооперация, команда, микропрограмма, подпрограмма, программа, системное программное обеспечение, прикладное программное обеспечение и т.д.
Феноменологическая упорядоченность информационных объектов отражает форму их участие в сигнатуре информационных отношений, определяя два типа информационных объектов: программы и «данные». При этом конкретный информационный объект в зависимости от ситуации может выступать в конкретных условиях либо как информационный объект «данных», либо как программный объект.
Иерархическая упорядоченность присуща обоим феноменологическим типам информационных объектов. Возможно, предположить, что иерархическая упорядоченность носит фрактальный характер, т.к. при переходе на более высокий уровень иерархии создаются качественно новые семантические образы, которые не могут быть просто оценены как сумма информационных объектов нижележащего уровня. Интерпретируя это в рамках системных отношений можно говорить о тезисе, обобщенно представляемом в виде – «целое больше суммы его частей». Такой феномен является мощным средством, стимулирующим саморазвитие информационных систем.
Разделение информации, например в вычислительных системах, на программы и «данные» является традиционным. В ряде вычислительных систем специального назначения это имеет принципиальный характер в целях обеспечения высокой устойчивости и защищенности выполнения программ. Даже основополагающий тезис в основе организации компьютеров Дж.фонНеймана о двоичном кодировании числовой и программной информации, в общем случае, носит в основном технологический характер, обеспечивая единообразие элементной базы, но не претендует на отсутствие разноформатности кодирования команд (программной информации) и «данных». Для хранения программ и «данных» нередко используются разные по своим физическим свойствам носители, наиболее приемлемые для конкретных условий работы вычислительной установки. Это напоминает ситуацию формирования структуризации информации в пробиотических системах, которая распространилась на все дальнейшие этапы эволюции живой материи на Земле.
Программируемый процесс управления супрамолекулярными химическими отношениями позволял многократно тиражировать идентичные продукты, в то время как термодинамические отношения обеспечивали отбор наиболее удачных программ. Именно эти отношения определяли состав продуктов, которые способствовали устойчивости процессов метаболизма в конкретных условиях среды-субстрата и энергообеспечения каталитических реакций на основе переноса энергии молекулами АТФ и энергии ультрафиолетового излучения для генерации ТЭП. Такими продуктами комплиментарными для РНК явились полипептиды на основе аминокислот.
С информационной точки зрения на этом этапе начался процесс дифференциации носителей информации в соответствие с различием типов феноменологической упорядоченности информационных объектов. Это – класс программ, формат и содержание которых стали определяется структурами РНК, и класс «данных», которые представлены в виде полипептидов, являющихся результатом реализации программных процессов. При этом важнейшим феноменологическим результатом является то, что именно эти информационные компоненты (в виде ферментов) определяют в дальнейшем конкретные условия функционирования (настройку) и материал для выполнения программ. В биологии класс информационных объектов, содержащих программы их развития (нуклеиновые кислоты), принято называть первичной генетической информацией, а класс информационных объектов, содержащих непосредственные «данные» в результате выполнения этих программ (белки и ферменты на их основе), относятся ко вторичной, точнее фенотипической, информации.
Отметим, что до момента такой дифференциации имманентные аспекты hardware и software развивающихся в Природе информационных отношений не были акцентированы. Дифференциация информационных носителей, с одной стороны, расширила палитру вариаций супрамолекулярных химических процессов, но с другой стороны, создала условия обеспечения некоторого консерватизма программных объектов. Это позволяло в определенной степени как бы «естественно оптимизировать» процессы тиражирования предпробионтов в конкретных, уже складывающихся, биохимических условиях, обеспечивая коэволюцию формирующихся предпробионтов и среды-субстрата на основе энергообеспечения каталитических реакций.
Формирование «элементной базы и схемотехники» природных биотехнологий
Следующий феноменологический этап совершенствования информационных отношений в преддверии формирования живой материи связан со вторичными структурами РНК и полипептидов. Нуклеиновые кислоты обладают сильно выраженными кислыми свойствами (обусловлены остатками ортофосфорной кислоты в их составе) и при физиологических значениях рН несут отрицательный заряд. Этим объясняется одно из важных свойств нуклеиновых кислот – способность к взаимодействию по типу ионной связи с основными белками, ионами металлов (преимущественно с Mg2+), а также с полиамидами. На основе этих свойств молекулы РНК активно формируют ионные связи с элементами полипептидных структур, создавая полинуклеопептидные частицы. Сила ионных взаимодействий существенным образом зависит от рН среды, что создает возможности реализации широкого спектра образующихся частиц и определенной динамики их реструктурирования. Первичная молекулярная структура этих частиц определялась, в основном, уже возникшими информационными процессами реализации микропрограмм на основе ТЭП в молекулах РНК. Стабильность же возникающих образований была связана, в первую очередь, со вторичными структурами макромолекул.
РНК является однотяжевым полимером. В то же время, взаимодействия боковых групп – азотистых оснований, друг с другом, а также с фосфатами и гидроксилами сахаро-фосфатного остова, приводят к тому, что однотяжевой полимер РНК может сворачиваться на себя и скручиваться в компактную структуру, подобно сворачиванию полипептидной цепи белка в компактную глобулу. Таким способом происходит конформация вторичной (пространственной) структуры макромолекул РНК (конформеры), при которой уникальные нуклеотидные последовательности РНК могут формировать уникальные пространственные структуры. Поскольку в составе РНК имеются свободные 2-оксигруппы рибозы, не связанные со стандартным крик-уотсоновским спариванием азотистых оснований, появляются возможности образования вторичной и третичной структур, содержащих выпуклости, шпильки, или крестообразные структуры.
Это способствовало, с одной стороны, усложнению полинуклеопептидных частиц, а с другой стороны, формировало регламенты синхронизации динамики их морфогенеза. Шел процесс, если говорить современным техническим языком, формирования элементной базы и схемотехники, обеспечивающих устойчивую реализацию возникших и развивающихся информационных отношений. Критерием отбора образцов в этом процессе являлись термодинамические факторы, условия накопления концентрации предпробионтов и их стабильность.
Решающим феноменологическим фактором в упорядочении элементной базы предпробионтов явился переход к инициации энергообеспечения функционирования микропрограмм на основе энергетики возникающего метаболизма. Повышение концентрации пробиотического вещества и сезонно-суточная изменчивость ультрафиолетового излучения увеличили важность и значение роли АТФ, сделав ее основным локальным источником энергетического обеспечения каталитических реакций. Этот процесс усиливал нелинейные отношения в сепарации химических фракций и вещества в пробиотическом субстрате, способствуя определенной стандартизации «схемотехнических решений» предпробионтов.
Стандартизация схемотехники способствует упорядочению форматов информационных отношений, создавая совместимость различных программных продуктов. Такая ситуация создает предпосылки возможности перехода на новый иерархический уровень информационных отношений, существенно увеличивая вариативность достигаемых результатов. Это, несмотря на кажущееся уменьшение активных схемотехнических вариантов, происходит за счет различия потенциальной вариабельности материальных (физических, химических, механических, термодинамических и др.) отношений, которые имеют характер степенных зависимостей от сложности ресурса, и информационных отношений, имеющих факториальный характер потенциальной вариабельности от сложности информационных объектов.
На этом этапе происходила генерация слабо связанного, но уже в определенной степени стандартизованного по химическим и информационным связям, пробиотического вещества. Многообразие форм пробиотического субстрата мы можем себе пофантазировать, рассматривая многообразие минорных аминокислот, минорных гетероциклических азотистых оснований рибонуклеотидов, вирусных и вироидных РНК и т.п. Эти структуры не регламентированы непосредственными информационными отношениями основных, существующих сейчас типов живой материи (начиная от прокариотов, и до высших растений и животных). Вместе с тем, эти структуры устойчиво присутствуют в биосфере, давая основание представлениям о том, что процесс биохимической эволюции живой материи даже высших видов живых организмов далеко не завершен, а имеющиеся потенциальные возможности действующих информационных и биохимических отношений, даже на клеточном уровне, имеют большой запас для развития.
Наряду с элементами-носителями информационных отношений в процессах пробиотического метаболизма формировались и неинформационные компоненты, которые представляли собой предшественников последующих конструктивных клеточных элементов и фракции состава субстрата будущей цитоплазмы. Их кластеризация способствовала возможностям создания локальных условий стабилизации состояния химической среды (например, постоянство рН и др.), что в свою очередь позволяло более интенсивно протекать каталитическим реакциям и поддерживать процессы естественного отбора устойчивых конфигураций.
Подчеркнем еще раз, что уже на этом этапе динамика метаболизма, основанного на каталитических и супрамолекулярных реакциях, полностью определялась формирующимися информационными отношениями. Термодинамические условия среды и термодинамические показатели протекающих реакций служили лишь «ситом», через которое «фильтровались» удачные решения. Генерация метаболических процессов на основе информационных отношений позволяла практически неограниченно тиражировать структуры, удачные с точки зрения термодинамической устойчивости. Это регламентировало ход коэволюции, формируя ее направленность. Кроме того, происходила как бы поляризация продуктов метаболизма (по структуре и хиральности активного вещества), что способствовало росту мощности доступного ресурса пробиотического вещества в формируемом направлении коэволюции.
Стандартизация информационных отношений
Взаимная комплиментарность ингредиентов пробиотического вещества способствовала созданию определенного круговорота их форм с учетом возможностей использования ресурсов внешней среды для стабилизации (в частности, и для развития) возникающих в результате этого отношений. Новый уровень информационных отношений формировался уже на достигнутом уровне структуризации пробиотических структур. С информационной точки зрения восхитительным фактом является появление рибонуклеотидных комплексов, специфически индивидуально связывающих определенный тип аминокислот. Это явилось прообразом, так называемых транспортных РНК (тРНК), которые, захватывая молекулу аминокислоты, образуют комплексную частицу аминоцил-тРНК. К настоящему времени открыто более 60 различных тРНК. Для каждой аминокислоты в клетке имеется, по крайней мере, одна специфическая тРНК. Для ряда аминокислот открыто более одной: в частности, для серина, лейцина и аргинина – 6 разных тРНК, для аланина, треонина и глицина – по 4 разных тРНК.
В схемотехнической интерпретации такое структурное образование, как частицы аминоцил-тРНК, является регистром хранения «данных» – основополагающая структурная единица любых схемотехнических решений обработки информации. Различные варианты взаимодействия таких регистров создают всю палитру схемотехнических решений обработки информации. И при этом базовыми, основополагающими элементами являются именно регистры.
Нам трудно предположить, как происходил процесс химоморфогенеза прародителей клеточных органелл. Но реликтовость и идентичность рибосом (одной из самых распространенных органелл в клеточных структурах) всех прокариотов на фоне структурной схожести их РНК (рРНК) с тРНК подталкивает к мысли, что структурная модификация аминоцил-тРНК комплексов создала прообразы большой и малой субчастиц рибосом. Согласно большинству современных эволюционных концепций, примитивный предшественник рибосомы мог состоять только из РНК и лишь в ходе эволюции постепенно дополняться белками. С информационной точки зрения существенным является включение в определенные полирибонуклеопротеидные комплексы ионов магния, которые обеспечили появление принципиально нового эффекта в реализации информационных отношений в кластерных образованиях. Ионы магния явились тактирующим элементом, определяющим дискретный такт работы совокупности информационных полирибонуклеотидных комплексов по выполнению процедур формирования аминокислотных последовательностей белков («данных») на основании информации, заключенной в последовательности набора азотистых гетероциклических оснований полирибонуклеатидов, участвующих в информационном взаимодействии.
Академик А. С.Спирин – директор Института белка Российской академии наук, указывает, что этому могла способствовать неэнзиматическая рекомбинация олигонуклеотидов, комплиментарно связывающихся с полинуклеотидной матрицей (прототипом иРНК). В результате этого могло обеспечиваться сшивание (сплайсинг) фрагментов, комплиментарных этой матрице, в единую цепь. Именно таким способом, а не катализируемой полимеризацией мононуклеотидов, могло осуществляться первичное копирование (размножение) РНК. Разумеется, если появлялись рибозимы, обладавшие полимеразной активностью, то эффективность (точность, скорость и продуктивность) копирования на комплиментарной матрице должна была значительно возрастать.
Образовалась классическая совокупность информационных структур, характерных для организации процесса обработки информации, включающая:
– регистр команд – информационная РНК (иРНК);
– регистры операндов – транспортные РНК (тРНК);
– исполнительное операционное устройство (рибосома на основе рРНК);
– выходной регистр «данных» в виде синтезированного белка.
Отметим, что взаимодействие образовавшихся информационных элементов полностью совпадает с принципами работы, так называемых, машин Поста и Тьюринга.
Современные компьютеры устроены несколько иначе, исходя из требований удобства написания программ людьми – программистами, в принятых терминах математических и языковых отношений, эффективности использования вычислительного ресурса и освоенных в промышленности технологических возможностей создания элементов хранения и преобразования информации. Но Природе эти установки как целевые требования безразличны. Отбор возникающих вариантов предпробионтов происходил не на основании сложности формирования их программы (ведь программа – иРНК, уже создана), а на основе полученного результата. Поэтому идеальная и наиболее простая схема, вместе с тем воплощающая процесс возможности реализации алгоритма любой сложности, достаточно естественно при своем возникновении получила объективное право на существование и оказалась не просто жизнеспособной, но и фантастически продуктивной, о чем свидетельствует вся эволюция жизни на Земле.
Сформировавшиеся принципы программного обеспечения – актуализации информационных отношений, и материального воплощения структур реализации информационных отношений носят настолько фундаментальный характер, что они остались практически без изменения на всем известном нам этапе эволюции жизни от прокариотов до клеток высших организмов. Структуры информационных полирибонуклеотидов (иРНК, тРНК, рРНК), выполняющих регистровые и операционные функции в ходе реализации алгоритмов внутриклеточного воспроизведения живой материи, фактически идентичны у всех живых организмов.
Кодирование
Одним из основополагающих факторов функционирования информационных систем является фиксация регламента кодирования информационных объектов. Практика создания компьютеров показала существенную зависимость регламентов кодирования от типов информационных объектов (программы и «данные»), их иерархического уровня, мощности множеств кодируемых информационных объектов и технологических возможностей элементной базы. Концепция дискретного представления информации на основе знаков некоторого конечного алфавита обеспечивает возможность перехода представлений информационных объектов одного иерархического уровня к следующему, а также обеспечивает согласование различных форм представления информационных объектов в конкретных информационных системах.
Алфавиты представляют собой конечные счетные множества, элементы которых могут быть пронумерованы числами натурального ряда. Это обеспечивает возможность взаимного отображения алфавитов на основе формальных теоретико-множественных отношений между элементами алфавитных множеств и их подмножествами. Процесс структуризации алфавитных знаков с целью передачи информации в пространстве или во времени или для ее преобразования называется кодированием, а множество комбинаций последовательностей алфавитных знаков (символов), используемых в конкретной информационной системе для представления тех или иных информационных объектов называется кодом представления этих объектов. Это качественное преобразование можно выделить в самостоятельный феноменологический уровень информационных отношений.
В смысле иерархической упорядоченности информационных объектов алфавитные знаки представляют собой минимальную порцию (квант) отображения информации на конкретном уровне информационных объектов, являясь, на этом основании, нижним уровнем кодирования информационных объектов определенной семантической категории (уровня семантической сложности информационных объектов). С этих позиций процесс кодирования обеспечивает переход от символьного неидеоморфного ее представления на уровне знаков алфавита к идеоморфным[32] образам знаковой формы отображения информации данного семантического уровня ее интерпретации.
Мощность алфавитного множества не является категоричным критерием сложности информационных систем. Это вытекает из возможностей взаимного отображения алфавитов на основе теоретико-множественных отношений. Фиксация алфавитных множеств в искусственных и естественных информационных системах определяется, чаще всего, возможностями «элементной базы» и складывающимися в системе процедурами передачи, хранения и обработки информации.
В настоящее время для технических систем, связанных с обработкой и передачей цифровой информации, обычно применяется двоичный (бинарный) алфавит (А ={0,1}), на основе которого реализуются различные методы и системы двоичного кодирования. Выбор двоичного алфавита связан с относительной простотой электронных элементов для выполнения операций на множестве состояний 0 и 1. Реализация таких операций может быть осуществлена на однопороговых переключательных схемах, находящихся в состояниях типа: «включено»/«выключено». Создание электронных элементов, которые имеют более двух устойчивых состояний, пока что не нашло «дешевого» технического решения.
В пробиотической среде на основе процессов химоморфогенеза сформировались два независимых алфавита для представления программных информационных объектов (РНК) и «данных» (полипептиды). Эти алфавиты отличаются своими основаниями (количество различаемых значений множества знаков алфавита) и материальными носителями представления квантов информации для каждого типа феноменологической упорядоченности информационных объектов. Алфавит программных информационных объектов пробиотической среды определялся множеством типов гетероциклических азотистых оснований РНК, отображающих минимальные порции (кванты) информации этого типа информационных объектов. Алфавит «данных» – полипептидов, формируемых на основе реализации программных информационных отношений, определялся множеством типов аминокислот, участвующих в реакциях синтеза, управляемого этими программами.
Наряду с алфавитом процедуры кодирования и декодирования должны учитывать направленность кода. Очевидно, что в самом коде сведения о его направленности отсутствуют, и необходимы дополнительные системные механизмы (соглашения), обеспечивающие восприятие направленности кода. На этапе пробиотического метаболизма это уже обеспечивалось за счет явления хиральности компонент, вступающих в реакцию на основе катализа.
Заметим, что код «данных» в биологических системах является неравномерным. Это дает возможность кодирования безграничного числа информационных объектов. По этим свойствам он схож с естественными языками. Не это ли сходство определяло приоритетную значимость белков во многих гипотезах происхождения жизни?
Для программного типа информационных объектов их кодовые комбинации должны однозначно определять конкретную команду, которую должна выполнить операционная структура. Процесс программного синтеза белков в биологии определяется термином «трансляция». Его условно делят на 3 стадии: инициацию, элонгацию (удлинения белковой структуры) и терминацию. Экспериментально установлено, что инициация и терминация обусловлены специальными кодонами в структуре иРНК, ограничивающими программу синтеза конкретного белка. На стадии элонгации выполняются процедуры присоединения к белковой последовательности новой аминокислоты, в соответствии с заданным в структуре иРНК кодом. Это определяет «систему команд» полирибонуклеопептидных операционных структур, которые подобно машинам Поста и Тьюринга включает следующие типы команд:
– пуск программы;
– выбор по заданному в команде «адресу» операнда и запись его в сдвиговый (выходной) регистр;
– останов программы.
Команды выполняются в естественной последовательности, задаваемой структурой иРНК. При несоответствии «адреса» операнда, заданного в команде, множеству рабочих адресов происходит «безусловный переход» к следующей команде без каких-либо операций со сдвиговым регистром.
Команды имеют два формата:
– команды пуска и останова программы включают в себя специфические коды соответствующих операций (пуска и останова программы) и не содержат в себе никакой «адресной» части, т.к. после пуска программы реализуется естественная последовательность выполнения команд, а при останове программы она заканчивается без каких-либо переходов;
– формат команды выбора операнда по заданному «адресу» и запись его в сдвиговый регистр, содержит только «адрес» операнда, т.к. код операции для всех команд этого типа идентичен.
На основании этого кодовые комбинации информационных объектов программного типа должны обеспечивать возможность идентификации рабочих «адресов» операндов, а также идентификацию кодов команд (инициирующих кодонов) пуска и останова программы.
«Адрес» операнда (выбираемой аминокислоты) идентифицируется структурой антикодоновой петли тРНК, расположенной на противоположной стороне от того конца тРНК, к которому присоединяется аминокислота. Антикодоновая петля состоит из 7 нуклеотидов: три занимают центральное положение и формируют собственный высокоспецифичный антикодон, по два нуклеотида расположены по обе стороны от него, включая модифицированный пурин и варьирующее основание с одной стороны и два пиримидиновых основания – с другой стороны. На противоположном антикодоновой петле 3-ОН-конце располагается одинаковая для всех тРНК последовательность триплета ЦЦА-ОН (Ц – пиримидиновое основание цитозин, А – пуриновое основание аденин), к которой присоединяется посредством эфирной связи специфическая аминокислота. Связывание в основном происходит через 3-ОН-группу концевого аденилового нуклеотида. Почти все тРНК обладают не только удивительно сходными функциями, но и очень похожей трехмерной структурой.
В общем случае, кодирование – это операция отождествления символов или групп символов одного кода с символами или группами символов другого кода. Необходимость кодирования возникает, прежде всего, из потребности приспособить форму информационного объекта к конкретному «устройству» приема или преобразования информации. В пробионтах, а впоследствии и во всех клетках живых организмов, механизм сканирования иРНК в ходе элонгации предполагает участие молекул тРНК, которые взаимодействуют в структуре малой рибосомной субчастицы. Первым шагом элементарного элонгационного цикла является именно это взаимодействие за счет кодонспецифического связывания аминоацил-тРНК с нуклеотидным триплетом (кодоном) иРНК на основе комплиментарного взаимодействия, обусловленного возникающими водородными связями между пуриновыми и пиримидиновыми гетероциклическими азотистыми основаниями этих РНК.
Идентичность алфавитов иРНК и тРНК обусловила процесс регламентации кода для синтеза белков, в первую очередь, на основе комплиментарности отображения гетероциклических азотистых оснований этих РНК, а также за счет информативной емкости антикодоновой петли тРНК. 7-разрядная структура антикодоновой петли, даже с учетом минорных оснований, с лихвой перекрывала потребности множества кодовых комбинаций для кодирования всей совокупности аминокислот, участвующих в предбиологическом метаболизме. Это создавало возможность многообразия кодов, расширяя палитру порождаемых пробионтов. Отголоском этого, возможно, является, например, специфический код митохондрий, отличный от генетического кода современных клеточных организмов. Интересно заметить, что синтезируемые в митохондриях белки являются нерастворимыми белками и участвуют в основном в организации структуры этих же органелл, в то время как местом синтеза растворимых митохондриальных белков являются рибосомы цитоплазмы, откуда они затем транспортируются в митохондрии.
Возможно, в ходе эволюции пробионтов на основе многообразия кодов возникали периоды их акцентированной репродукции, стимулирующей определенную микросоматику. Фиксация кодового регламента основывалась, по-видимому, на процессах естественного отбора удачных, решений, способных к производству и тиражированию пробионтов. Механизм этого отбора формировался к этому времени уже на отношениях катализа пробиотических химических реакций. Заметим, что на этапе пражизни процесс репродукции пробионтов еще не вошел в стадию конвариантной редупликации (возникновение и сохранение вариантов в ходе воспроизведения). Происходило лишь накопление структурно кластеризованной пробиотической массы.