Создавая информационные устройства, человечество, возможно, повторяет уже кем-то пройденный путь.

Клетка как биологическая система

 

Биологический организм - мягкотелая, отграниченная от внешней среды, автоматизированная информационная машина - одноклеточный организм, или сеть, состоящая из однородных информационных машин - многоклеточный организм, с собственными механизмами преобразования энергии и счётчиком времени, воспроизводящие себе подобных, копируя первичную информацию, функционирующие на основе рефлекторно - кибернетических принципов, в том числе прямой и обратной связи с целью сохранения целостности, постоянства внутренней среды, обеспечения адаптивности и способности к обучению.

Общая информация

Схема, показывающая цитоплазму, вместе с её компонентами (или органеллами), в типичной животной клетке. Органеллы:
(1) Ядрышко
(2) Ядро
(3) рибосома (маленькие точки)
(4) везикула
(5) шероховатый эндоплазматический ретикулум(ER)
(6) Аппарат Гольджи
(7) Цитоскелет
(8) Гладкий эндоплазматический ретикулум
(9) Митохондрия
(10) Вакуоль
(11) Цитоплазма
(12) Лизосома
(13) Центриоль и Центросома

Что такое биологическая система?

Биологическая система - это живая структура, существующая в определенной для неё среде обитания, обладающая способностью обмена веществ и энергии, а также защитой обмена и копирования информации, которая определяет её функции и возможности совершенствования способов взаимодействия с окружающей средой для сохранения и передачи информации о себе.

Структура биологической системы "клетка":

1. Информационный блок - информационный код, записанный в виде молекул ДНК, РНК. По аналогии с компьютерной программой - является "воплощенным Словом" определяющим функции и параметры системы. Его авторство принадлежит Творцу, Источнику жизни, Создателю всего видимого и не видимого - Богу. 
2. Энергетический блок - запрограммированные возможности получения, преобразования и расхода энергии (циркуляции энергии). Энергия - сила необходимая для поддержания жизнедеятельности структурных элементов системы и активации их функций. Или, энергия - это количественная мера взаимодействия всех видов материи и информации, вызывающее изменение их состояния или структуры.
3. МПТ блок (материя, плоть, тело) - внешнее проявление информационного кода. Его функции - защита, сохранение, обмен информации. Является матрицей хранения и копирования информации. К нему относятся: мембраны, ферменты, рецепторы мембран, транспортные каналы мембран, биологически активные вещества (БАВ).

Основные задачи биологической системы "клетка": сохранение, обмен, копирование информации заключенной в ней.

Для выполнения своих задач, в первую очередь копирования, система должна попасть и находиться в определенной среде обеспечивающей ей адекватное потребностям поступление веществ и энергии. 
Для регуляции процессов обеспечивающих сохранение, обмен и копирования информации используется рецепторно-медиаторный принцип.

Рецепторно-медиаторный принцип

Рецептор - (от лат. recipere - получать) любая информационно-энергетическая материальная система или структура (ИЭМ система, структура) воспринимающая информацию и изменяющая свое состояние или структуру определенным образом в результате действия медиатора.

Медиатор - (посредник, передатчик) любая ИЭМ система или структура, предназначенная для передачи определенной информации для рецептора.

Мы знаем о разных уровнях организации ИЭМ систем и структур это - атом, молекула, сложная молекула, вещество, вирус, клетка, ткань, орган, организм, коллектив, народ, государство, планета земля, солнечная система, галактика, вселенная. 
На разных уровнях организации ИЭМ систем или структур свои механизмы рецепторно-медиаторного взаимодействия. Это относится и к межуровневому взаимодействию.
Изучение этих механизмов, а также поиск медиаторов для рецепторов и описание ответов (изменения состояния или структуры) ИЭМ систем или структур относится к задачам ученых.

Виды взаимодействия рецептора и медиатора

1. Определенный медиатор действует на определенный рецептор биологической системы, что ведет к определенному ответу.

2. Определенный медиатор действует на рецепторы, определяющие разные ответы биологической системы.

3. Несколько медиаторов действует на определенный рецептор биологической системы, что ведет к определенному ответу.

4. Несколько медиаторов действует на определенный рецептор, что ведет к разным ответам биологической системы (взаимодействие характерное для сложных биологических систем).

Результатом взаимодействия медиатора и рецептора является изменение состояния или структуры системы.

Состояние физиологического покоя - это состояние, при котором биологическая система находится в своей среде обитания и выполняет свои задачи, не выходя за рамки среднестатистических данных ее функциональной активности.

Основные механизмы регуляции состояния биологической системы

1. Изменение количества медиатора или рецептора (увеличение, уменьшение)
2. Изменение качества медиатора или рецептора путем изменения их структуры (усиление, ослабление, разрушение) и как следствие изменение их связи и передачи информации.

В биологической системе любая ИЭМ структура может быть, как рецептором для одних ИЭМ структур, так и медиатором для других. Контроля над регуляцией определенного состояния системы можно добиться тогда, когда мы знаем способы воздействия, изменяющие количество и качество медиатора и рецептора, отвечающих за это состояние.

Возможности изменения состояния клетки

Единственная возможность изменить состояние и структуру биологической системы "Клетка" - это изменить медиаторное действие окружающей среды обитания.
Изменение окружающей среды, которое обеспечивает поступление веществ, энергии и информации (воды или жидкости, воздуха или газов, земли или органических и неорганических химических элементов, температуры, физических полей, излучений, давления) ведет к изменению состояния или структуры клетки.

 

Структуры клетки, изменяющиеся в результате изменений окружающей среды.

1. Молекулы ДНК, РНК (источник информации о клетке и копирования).
2. Мембраны клетки и органел (защита клетки и внутренней среды).
3. Ферменты (регуляторы скорости обмена веществ, энергии, информации в клетке).
4. Рецепторы мембран (воспринимают информацию для клетки).
5. Транспортные каналы мембран (ворота входа и выхода веществ, энергии и информации).
6. Биологически активные вещества (медиаторы - продукты клетки, предназначенные для передачи информации внешней и внутренней среде).

Изменение качества и количества любой из этих структур в нужном направлении происходит за счет определенного изменения поступления жидкости, газа, органических или неорганических химических элементов, изменения температуры, физических полей, излучений, давления.

Ренат Ибадулин окончил Военно-медицинскую академию. Судьба военного врача кидала его от Дальнего Востока до Москвы. До выхода в 1988 г. в отставку в звании полковника медицинской службы возглавлял в течение 12 лет военно-медицинский факультет усовершенствования врачей, ныне Государственный институт усовершенствования врачей Минобороны России. Сейчас работает заместителем главного врача Московского городского центра дезинфекции (МГЦД). Он Заслуженный врач РФ, имеет учёное звание доцента.

        Словом, личность заслуженная, но наше внимание привлёк как автор книги "Информационные основы живого". А главное, как автор оригинальной теории информационного устройства живого мира.

Интервью

Беседу вёл Юрий Блиев, обозреватель "МГ"

- Как Вы бывший военный врач, организатор с большим стажем вышли на теоретическую проблему устройства живого ?

- Каждый из нас в мыслях не раз обращался к этой теме, часто сомневаясь в справедливости гипотез спонтанного появления живого и теории эволюции. Навсегда сохранилось чувство изумления от "ума" компьютера после знакомства с его устройством и работой. Бурю мыслей породило исследование генома человека и других организмов, не оправдавшиеся сенсации, прогнозы и парадоксы. Впечатления, слившись, подвигли вновь читать биологию, затем информатику, искать в доступном пространстве всё, что касалось генетики, геномики, генов. Вскоре понял, что клетка и компьютер работают на основе общих информационных правил.

- Но это надо доказать !

- Конечно. Вначале, используя сравнения и аналогии, убедился, что клетка имеет строение типичное для компьютеров. Мембрана, как корпус компьютера, защищает внутреннее содержимое клетки от внешних воздействий и служит местом для подключения устройств ввода - вывода, роль которых выполняют рецепторы. Функцию материнской платы несёт цитоплазма, удерживая органеллы клетки в нужном положении и связывая их между собой. А вот и "сердце" клетки - ядро, хромосомы, гены, нить ДНК у про-кариот, выполняющие главную функцию по обработке информации, хранению долговременной и оперативной памяти, как винчестер в техническом компьютере. Аналогично переносным носителям информации - жестким и гибким дискам, в клетке интенсивно работают подвижные носители - это РНК, белки, прионы. Отличительной особенностью любой информационной машины является наличие часов и источника энергии. В клетке количество делений и время отсчитывают теломеры, а митохондрии обеспечивают энергией в виде АТФ. Молекулярная электроника опередила биологические отрасли наук, подтвердив предсказанную ранее миниатюризацию компьютеров, возможность использования в силу своей структуры и свойств многих органических молекул, в том числе и ДНК, в качестве транзисторов, триггеров, логических элементов и создания на их основе информацион-ных машин. Лабораторные варианты органического компьютерасуществуют, программное обеспечение для них также обязательно.

- Какие ещё факты свидетельствуют об информационной состав-ляющей клеток ?

- Мне представляется самым весомым аргументом геномный парадокс, проявления которого до сих пор традиционными способами не могут быть объяснены. Оказалось, что структура генов не всегда определяет их свойства. Не подтвердились положения "ген - признак", "ген - функция", "ген -заболевание". Один и тот же ген на разных этапах развития организма может выполнять разные функции. В генной сети функция гена может отличаться от функции изученной в изолированном состоянии. Много генов, которые "молчат", их свойства не известны. Общие по структуре гены могут контролировать развитие разных вариантов клеток. Ген человека и дрозофилы вырабатывает один и тот же сигнал - белковый лиганд для клеток мезодермы, контролируя образование крыльев мухи и парных конечностей человека. Начальные этапы миогенеза осуществляются набором генов, общих у дрозофилы, низших и высших животных и млекопитающих, включая человека. Число и организация НОХ-генов на хромосомах одинаковы практически у всех млекопитающих. Один и тот же ген можеткодировать несколько белков, а одному и тому же варианту белка могут соответствовать несколько генов. ДНК - дупликации, какую роль они играют и почему так разнятся геномы шимпанзе и человека по этому признаку? В Вашем обзоре ("МГ", №77 - 5.10.2005, с.14) отмечено, что у человека и шимпанзе одни и те же гены имеют в разных органах разную активность. Это за счёт разных программ, которые определяют существенные различия между биологическими видами. Теперь о парадоксальном количестве генов и "лишней ДНК" у разных биологических видов. У нематоды, (размером около 1мм.), генов 19903, у рыбки фугу (около 10 см) - 33609, крысы примерно 25000 и человека - 30000; соответственно некодирующей ДНК ("лишней, эгоистичной, мусорной") в % - 25, 16, 75, 97. Чем выше организован организм, тем меньше генов в его геноме и больше не кодирующей части нуклеотидов, чем сложнее процессы, тем меньше требуется генов для обеспечения жизнедеятельности. И, конечно же, по геномам не наблюдается никакого эволюционного ряда в развитии организмов.

- В "мусорной" части ДНК много одинаковых повторяющихся последовательностей нуклеотидов. Есть ли здесь информационный смысл ?

- Предположение, основанное на развитии информационных техно-логий, уместно. Сейчас показано, что если на одной интегральной схеме штампуются микропроцессоры, места для хранения информации и другие элементы конструкции компьютера, то его производительность при сокращении размеров значительно повышается. Не надо "ходить" далеко за информацией, тратить лишнюю энергию. Огромное информационное пространство ДНК требует, чтобы вокруг генов концентрировались свои процессоры для работы с информацией, места для её хранения,оперативной и долговременной памяти, что обеспечивало бы и последовательную и параллельную работу по анализу поступающей информации и выработке ответных решений и команд. Этим достигается быстродействие и дублирование на случай "внештатной" ситуации. Возможно, что нуклеотидные повторы и ДНК - дупликации как-то специализированы по информационным функциям.

- А каковы существенные отличия биологических компьютеров от технических ?

- Высокая надёжность за счёт стабильности органических соедине-ний и наличия системы многоуровневой защиты от повреждения носителей и искажения собственной информации. ДНК самая стойкая к тлению молекула, а апоптоз самый эффективный механизм защиты. Огромнаяпроизводительность, исчисляемая триллионами операций в секунду. Органические молекулы способны мгновенно изменять своё состояние под воздействием лазера, видимых частей светового спектра, звука, радиоволн. Наверное, не случайно двадцать аминокислот, участвующих в построении белков, в живом "левые", при изменении положения аминогруппы в углеродной цепи, им может быть доступна функция двоичной системы исчисления. Часть молекул могут генерировать лазерные отстрелы, выполнять функции хроматофоров, светодиодов, преобразователей сигналов. Геномы светятся, издают звуки, генерируют радиоволны определённых диапазонов, что регистрируется приборами. Приведенные рассуждения позволили дать одноклеточному организму и клетке информационное определение. Это органические замкнутые информационные машины, работающие на основе сложного программного обеспечения, определяющего их структурно-функциональную организацию, видовую принадлежность, целевые механизмы гомеостаза, воспроизводства себе подобных, с автономным энергетическим обеспечением и счётчиком времени. Я избегаю терминаэлектронно-вычислительная машина, потому что в клетке при обработке информации поток электронов не используется, и это не вычислительная, а логическая машина.

- Но термин "биокомпьютер" я встречал задолго до вашей публикации.

- Да, но в очень вольных интерпретациях. Всё, что не укладывается в приведенное выше определение, биокомпьютерами не являются, в том числе вирусы. На заре компьютерной эпохи биокомпьютером называли высокоорганизованные организмы. Затем представители определённых профессий считали компьютером мозг, с развитием генетики и геномики - перешли на геном, даже говорили о ДНК-компьютерах. Сегодня специалисты, исследующие информационные свойства воды, называют её "биокомпьютером живого". Вода, хотя и обязательная, но только составная часть биологическогокомпьютера. В клетках, где информационные процессы превалируют, в частности в нейронах, воды до 90%, в волосах и ногтях её всего 8-10%.

- А как же организмы или мозг ?

А вот многоклеточные организмы состоят из биокомпьютеров, скомпонованных и объединённых по принципам информационной сети.

- Но как объединяются биологические компьютеры, составляющие организм ?

- На помощь вновь приходит порождение информационной эпохи - созданная человеком глобальная информационная сеть Интернет. Главным условием для функционирования сети является совместимость всех компьютеров по техническим параметрам и программному обеспечению. В каждом организме клетки идентичны по структуре и имеют абсолютно одинаковое программное обеспечение. Исключение составляют эритроциты, они не имеют ядра и лишены информационных функций. В сети также необходим механизм для поддержания порядка и организованности, который обеспечивается серией технологий и протоколов Интернет. Назовём только часть из них.Transmission Control Protocol (ТСР) - вы не войдёте в сеть, не зарегистрировавшись у провайдера.Протоколы единой информационной паутины - в живом подобных протоколов и программ должно быть значительно больше, учитывая сложность, многофункциональность процессов и количествосоставляющих сеть биологических компьютеров. Человек это 14 трлн биокомпьютеров, в полтора раза больше, чем звёзд в двух галактиках вместе взятых - Млечном пути и Туманности Андромеды. Главная особенность Internet - это серверы на различных участках в сети. Это те же компьютеры, только предназначенные для обслуживания других компьютеров. Они, имея свои программы, напоминают нейроны с их удивительными функциональными возможностями. Их у человека 20 млрд.Чем выше организован организм, тем выше функциональные возможности нейронов. К примеру, у нематоды каждый нейрон приходится на 5 соматических клеток, у человека на 5000. Модем с соответствующей программой позволяют войти в сеть, осуществлять удалённое соединение,загрузку файлов из компьютера в сеть и обратно - из сети в компьютер, обеспечиватьрегистрацию, смену протокола и другие функции. Бесспорно, это аналог синапсов, которые обеспечивают контакты между клетками. Информационная система человека на сегодня - вершина технологии. Интернет в сравнении с ней находится в зародышевом состоянии, его возраст около 40 лет. Основное отличие это огромная разница по количеству и мощности составляющихкомпьютеров, по сложности, многослойности и разнообразию программ. Считается, что для развития информационных сетей существует лишь два ограничения: быстродействие компьютеров и пропускная способность, связывающих их каналов. Так что перспективы развития у Интернета огромные. Но сегодня ни один из компьютеров, ни информационная система, созданные человеком, не в состоянии повторить работу биологического компьютера и самого простого многоклеточного организма.

- Каковы же главные выводы из Ваших рассуждений ?

- Нельзя познать живое без изучения его информационной составляющёй, как и бесперспективно, искать живое и жизнедеятельность вне клетки. Информационная составляющая живого неизменна, геномы организмов стабильны и имеют многовариантную защиту. Изменчивость геномов ипрограмм угрожала бы гибелью не только особям, но и биологическим видам. Эволюции, как её трактует классическая биология, не могло быть, мутации не наследуются, а "лечатся"информационной системой живого. Все организмы не приспосабливаются, а противостоят факторам среды и способны к научению на основе собственного опыта. И организмы, и их репродуктивные способности программировались, создавались, возникали одновременно. Это один из многочисленных прогностических целевых цикличных процессов, присущих живому. Извечной проблемы "курицы" и "яйца" просто не существует. Темпы развития информационных технологий, особенно молекулярной электроники, удивляют - за 60 лет от вычислительных залов до молекулярного компьютера. Удивляют учёных короткие по эволюционным меркам промежутки времени, за которые усложнялись биологические виды, необъяснимые мутациями. Создаваяинформационные устройства, человечество, возможно, повторяет уже кем-то пройденный путь.Информационная составляющая как основа каждого живого организма существует ! Однако сегодня нет отрасли знаний, методология, цели и методы исследований которой могли бы найти ключ к информационной части и информационным процессам в живом. Пора лечить очень распространённый хронический недуг цивилизации - "флюс" односторонности узких специалистов !Нужна информационная биология, как новая интеграционная наука, которая вобрала бы в себя современные информационные, технические, биологические, медицинские знания, достижения физики, химии и поставила бы задачу познать информационную суть живого. Здесь кроется самая тайная из тайн и самая загадочная из загадок устройства нашего мира !

Создавая информационные устройства, человечество, возможно, повторяет уже кем-то пройденный путь........

Биологические и информационные функции основных клеточных образований

В приводимой таблице сделана попытка, идентифицировать информационные функции клеточных образований.

Название образования	Локализация	Структура, состав	Биологические функции	Информационные функции
Клеточная мембрана (цитолемма)	Оболочка клетки, отграничивающая ее от других структур (клеток, волокон, межклеточного вещества).	Двойной слой липидов, покрытый слоем полисахаридов, с встроенными рецепторами.	Транспортная; барьерная, межклеточные соединения и взаимодействия, выделительная	Защита внутренней среды от прямого влияния различных факторов. Поддержание функционирования сложного рецепторного аппарата.
Рецепторы	Пронизывают мембраны, в некоторых клетках их до 100 тыс.	Белки–гликопротеины и ганглиозиды.	Распознавание специфических химических группировок, молекул и даже других клеток	Устройства ввода – вывода биологического компьютера; распознающие, дифференцирующие и передающие сигналы во внутрь клетки
Цитоплазма	Внутреннее содержимое клетки (за исключением ядра)	Состоит из гиалоплазмы, клеточных органелл и включений	См. функции гиалоплазмы и клеточных органелл	“Материнская плата” биологического компьютера. возможно, информационная среда, способная обрабатывать и передавать сигналы органеллам.
Ядро	Чаще расположено в центре клетки	Округлой формы, заполнено нуклеоплазмой (кариоплазмой), покрыто двухмембранной оболочкой с многочисленными порами.	Пропуск через поры, открывающиеся до 10 раз в секунду, крупных молекул РНК, белков. Поддержание условий для репликации ДНК, обмена информацией между ДНК, РНК, белками.	“Сердце” биологического компьютера, содержащее всю стратегическую информацию об организме и биологическом виде, с устройствами хранения, обработки и передачи информации по квантовому типу. Программный контроль и управление всеми процессами в клетке
Хромосомы	Х-образные нитевидные образования внутри ядра (23 пары у человека), погруженные в нуклеоплазму.	Компактно “упакованные” нити ДНК, приобретающие такую форму только на этапе деления клетки	Носители всей информации. Передают ее поровну дочерним клеткам в процессе деления (митоза)	Микропроцессоры, обеспечение работы с операционными системами, программами, места для оперативной и долговременной памяти, запись программ на другие носители. “Счётчики” времени (теломеры).
Ядрышки (одно или несколько)	Плотные образования, расположенные в центре ядра.	Без мембранные структуры, состоящие из внутриядрышкового хроматина, фибрилл и рибонуклеопротеидов, предшественников рибосом.	Место образования гранул рибосомных РНК (РРНК), которые мигрируют в цитоплазму, где идёт сборка рибосом.	Подготовка материала для строительства “заводов” по производству носителей с информационным содержанием, т.е. рибосом
Гиалоплазма (матрикс)	Основное вещество цитоплазмы, в которое погружены клеточные органеллы и включения.	Коллоидная система, состоящая из воды (80%), белков, солей, аминокислот, полисахаридов и др. соединений	Заполняя внутриклеточное пространство, удерживает различные структуры клетки, объединяет и обеспечивает их взаимодействие	См. цитоплазму.
Митохондрии	Их число определяется “специализацией” клетки, может быть от одной до 100 тыс.	Палочковидные или шарообразные, двухмембранные. Наружная мембрана имеет ровные контуры, внутренняя образует складки, гребни (кристы). В матриксе митохондриальная ДНК, ИРНК, ТРНК и рибосомы	“Энергетические станции клетки”: Акумулирование энергии в виде АТФ. Автономный синтез белка.	Имеет собственный микропроцессор. Автономное управление своей функцией под контролем главной операционной системы в интересах всей клетки
Эндоплазматическая сеть гладкая (агранулярная)		Комплекс сообщающихся между собой пузырьков, плоских мешков и трубочек	Метаболизм липидов, некоторых полисахаридов. Разрушает вредные для клетки вещества	Информационная сеть, объединяющая органеллы клетки и другие образования
Эндоплазматическая сеть шероховатая (гранулярная)	В виде разветвлённых канальцев и уплощенных цистерн пронизывает большую часть гиалоплазмы.	Часть эндоплазматической сети, на наружной поверхности которой находятся рибосомы.	Содержит различные ферменты, участвуя в метаболизме.	Возможно, информационная сеть для объединения рибосом.
Рибосомы	Гранулы, свободно расположенные в гиалоплазме или фиксированные на поверхности эндоплазматической сети	Содержат белки и молекулы РНК (примерно в равных весовых соотношениях).	Сборка белков из аминокислот в соответствии с информацией, поступившей с РНК.	Производство носителей информации–белков, с записанными на них программами и “почтовыми индексами” органелл, для которых они предназначены
Лизосомы	Замкнутые мембранные структуры (пузырьки). Первичные и вторичные.	Содержат более 20 гидролитических ферментов, расщепляющих жиры, белки, углеводы, нуклеиновые кислоты. Первичные содержат ферменты в неактивной форме. Вторичные - в активной.	Ферментное расщепление сложных питательных веществ; утилизация и удаление из клетки постаревших и дефектных органелл.	Выполнение команд из программ, контролирующих процессы гидролиза и обмена веществ
Аппарат (комплекс) Гольджи	Расположено чаще около ядра. Состоит из связанных или распределённых в цитоплазме диктиосом.	Содержит ферменты для синтеза полисахаридов и образования их комплексов с белками (мукопротеидов)	Накопление, “упаковка” и выведение за пределы клетки веществ, синтезированных в эндоплазматической сети. Формирование первичных лизосом. Синтез некоторых полисахаридов. Модификация белков – глюколизирование, сульфатирование, фосфорилирование.	Реализация информационных команд на биохимическом уровне.