Информационная феноменология жизни. Часть I: Внутриклеточные информационные отношения

Используемая элементная база при создании внешней памяти, существенно отличающаяся от элементной базы операционных средств, в большинстве случаев обеспечивает снижение на несколько порядков масса-габаритных показателей и «стоимости» организации хранения информации в сравнении с аналогичными показателями для операционных элементов и оперативной памяти. При эксплуатации внешняя память в условиях отсутствия информационного обмена обеспечивает функцию хранения информации, не требуя, достаточно часто, энергопотребления.

Редукционный подход к организации памяти наряду с возникающими преимуществами приводит к необходимости некоторого усложнения имманентной структуры операционных средств обработки информации. Это связано с необходимостью реализации определенного редуктора, обеспечивающего согласованное функционирование оперативной и внешней памяти. Отметим, что в современных компьютерах это принципиальная составляющая структура операционных средств, которая существенным образом влияет на организацию и возможности реализации вычислительного процесса. В инженерной практике средства, обеспечивающие редукцию информационных потоков между различными уровнями стратификации памяти, получили название контроллер. С феноменологической точки зрения процессы передачи информации между структурами внешней памяти и операционными средствами информационных систем можно уподобить функциям модуляции в классическом представлении каналов передачи информации.

Не смотря на усложнение имманентной структуры операционных средств, эффект от применения внешней памяти создал принципиально новые качественные возможности информационных технологий за счет осуществления доступа практически к не ограниченным по объему информационным ресурсам.

В структуре компьютеров обычно можно выделить два типа средств внешней памяти:

– внешняя память без сменных носителей информации – это магнитные барабаны в первых поколениях электронно-вычислительных машин; жесткие диски («винчестер») для современных компьютеров и аналогичные им по функциональному назначению средства;

– внешняя память со сменными носителями информации – это магнитные ленты и средства ввода/вывода с перфокарт (в первых поколениях электронно-вычислительных машин), сменные («флопи» и оптические) диски, флеш-устройства и подобные им для современных компьютеров.

Обычно средства внешней памяти со сменными носителями являются пограничными для вычислительной системы структурами, определяя архитектуру ее взаимодействия с потребительской средой. Чаще всего они осуществляют не прямое взаимодействие с операционными средствами обработки и преобразования информации, а через промежуточное взаимодействие со средствами внешней памяти без сменных носителей информации. Поэтому внешнюю память со сменными носителями информации не редко относят к средствам ввода-вывода.

Программное обеспечение взаимодействия со средствами внешней памяти в современных системах обычно строится на основе блоковой (косвенной) адресации. Создаются условия, при которых операционные средства работают непосредственно в небольшом диапазоне адресного пространства, но с помощью специального программного обеспечения осуществляется возможность работы фактически с неограниченными объемами информации на заданных внешних принципах блочной организации адресного пространства внешней памяти. Потребности организации работы операционных средств с внешней памятью в значительной степени определили направление развития программного обеспечения (software) вычислительных средств и, в частности, операционных систем.

Принципиальным положением операционных систем явилось многоуровневая организация памяти. Недаром в названии одной из наиболее распространенных первых операционных систем (Disk Operating System, DOS – дисковая операционная система) идентификатором является именно указатель внешнего хранилища памяти – «диска». Операционные системы обладают наборами специализированных программ управления отдельными устройствами вычислительной установки – «драйверами»[33], что позволяет по мере необходимости подключать ресурсы отдельных устройств для реализации текущего вычислительного процесса. Но все-таки, одной из наиболее важных функций операционных систем, пожалуй, является управление памятью, которое производит необходимое информационное наполнение и распределение ограниченных объемов оперативной памяти в целях текущего поддержания хода выполнения вычислительных процессов. Именно это обеспечивает возможность фактически их безграничной информационной поддержки при ограниченных объемах оперативной памяти.

Такая концепция операционных систем создает предпосылки реализации информационной «открытости» вычислительных систем. Речь идет не о беспрепятственном доступе к вычислительному и информационному ресурсу, а о возможности получать произвольные порции информации из разных источников (включая внешние и внесистемные хранилища информации) непосредственно в ходе выполнения вычислительного процесса. Реализация этих возможностей фактически представляет воплощение уровня имманентного системного представления (отображения) внешней среды. Именно на этой основе в 60-х годах ХХ столетия в рамках третьего поколения вычислительной техники были сформированы основополагающие концепции, обеспечивающие возможности реализации системного подхода при создании вычислительных установок.

Одним из критериев эффективности применения средств внешней памяти в развитии информационных технологий является высокая степень достоверности сохранения информации при перемещении ее во времени и в пространстве в широком диапазоне условий изменчивости среды. Это существенно отличает, например, организацию внешней памяти от оперативных запоминающих устройств компьютеров и систем связи.

По сути, внедрение и дальнейшее развитие средств внешней памяти явилось новым феноменологическим шагом в эволюции современных информационных технологий на основе их компьютеризации. Особенно отчетливо это иллюстрируется с момента (середина 1970-х годов) появления персональных компьютеров (ПК) и их лавинообразного распространения во всех сферах деятельности человечества. К этому времени достижения микроэлектронных технологий обеспечили возможность создания высоконадежных сверхбольших интегральных схем (СБИС), на которых полностью воплощались операционные процессорные компоненты компьютеров со всеми внутренними связями. На основе этой элементной базы, в свою очередь, создались условия и возможности массового производства компьютерных установок, с приемлемыми эксплуатационными показателями для использования в различных сферах производственной, управленческой, научной, документально-информационной и культурной деятельности, включая рекреационные аспекты жизни людей, например, компьютерные игры.

С феноменологической точки зрения произошел качественный переход в эксплуатационных ситуациях применения компьютерных установок. Фактически, с внедрением современных персональных компьютеров были сняты требования специальной подготовки пользователей компьютерных установок в знании аппаратной и программной организации их работы, существовавшие в предшествующие периоды. Основоположниками в середине 1970-х годов и активными претворителями в жизнь ориентации на непрофессионального пользователя (с точки зрения специальных знаний по работе компьютеров) были создатели фирмы Apple: С.Возняк и С.Джобс. Такой подход в значительной степени увеличил инвестиционные потенции общества по обеспечению развития компьютерных технологий, что естественным образом способствовало их активному качественному и количественному развитию.

Отметим при этом два штриха того периода компьютерных технологий. Во-первых, производство СБИС требует сложных высоко затратных технологических комплексов, обеспечивающих экономическую эффективность только при массовой тиражируемости продукции. Это ограничивает количество промышленных предприятий, выпускающих СБИС. Во-вторых, возникают проблемы сложности операционных процессорных компонентов на уровне микропроцессорных архитектур, обеспечивающих возможность их реализации внутри одной СБИС. Оба фактора в совокупности приводят к унификации схемотехнических решений и снижению номенклатуры элементной базы для создания компьютерных установок. Однако, как показал опыт, эти ограничения не оказали существенного влияния на темпы компьютеризации общества. Более того, стандартизация архитектуры hardware в определенной степени способствовала расширению творческих возможностей программистов по созданию многообразия прикладного software на основе стандартизированных операционных систем (в частности Windows и Linux). При этом можно отметить, что взаимовлияние стандартизации software и hardware происходит обоюдно.

Эра персональных компьютеров сопровождается беспрецедентным ростом объемов внешней памяти, доступной индивидуальным пользователям. Только за последние десятилетия емкость локальных носителей внешней памяти увеличилась более чем в 10 тысяч раз, а их масса-габаритные показатели, например, для флеш-устройств с емкостью в десятки Гбайт (еще в начале 2000-х тысячных годов казавшиеся едва ли достижимыми!) составляют в настоящее время всего несколько грамм массы и объем порядка кубического сантиметра.

Представляется, что именно на основе феномена внешней памяти появилась возможность перехода от эксклюзивного способа реализации программного обеспечения на отдельных вычислительных установках к массовому тиражированию программ и переноса их на вновь создаваемые вычислительные средства. Это создало предпосылки системной организации компьютерных технологий. Подчеркнем, что в рамках software вычислительные системы стали фактически самодостаточны. Новые программные продукты создавались на основе и с помощью действующего программного обеспечения. Мы отвлечемся сейчас от вопроса непосредственного влияния software на развитие hardware и обратного влияния. Подчеркнем в этом лишь, что само проектирование и создание вычислительных установок зиждется на системах автоматизации проектирования (САПР) и не может быть эффективно выполнено без применения компьютеров. “CYBER сделал CYBER” – образно выразился главный конструктор одной из мощнейших в свое время вычислительных установок. Таким образом, возникшая система компьютерных технологий, являясь открытой для воздействия человеческого разума, приобрела вместе с тем определенный паритет в развитии информационных отношений и всех, связанных с ними, процессов в современном обществе.

На этом приостановимся в рассмотрении истории становления вычислительной техники и вновь перейдем к проблематике развития информационных отношений в живой природе.

Начало жизни

Обсуждая начальные этапы становления компьютерных технологий, мы преднамеренно сделали акцент на роль средств внешней памяти в развитии возможностей информационных отношений в компьютерных комплексах и системах. Подчеркнем еще раз, что именно эти средства обеспечили условия перехода от эксклюзивных вычислительных установок к многообразию современных видов вычислительных ресурсов и компьютеров широкого назначения. Эти сведения подвигают нас к гипотезе перехода от этапа пражизни к началу Жизни на основе формирования новых информационных отношений в пробиотических системах, обусловленных появлением в их структурах средств долговременного хранения информации.

Сложившиеся на этапе пражизни процессы формирования пробиотической материи на основе РНК-«элементной базы» обусловили в существующей тогда среде их развития необходимую плотность пробиотических компонент для обеспечения необходимой динамики их воспроизведения. РНК, являясь однотяжевым полимером, обладает свойством образовывать сложные структуры за счет водородных связей комплиментарных азотистых оснований. Возможно именно это и явилось основой развития РНК-«элементной базы» для реализации информационных отношений, обеспечивающих выполнение программируемых каталитических реакций на основе принципов формирования супрамолекулярных структур.

Образование на этой основе нуклеопротеиновых комплексов способствовало обеспечению определенной устойчивости предвестников клеточных органелл и реализации массовой тиражируемости создаваемого пробиотического вещества. Вместе с тем дальнейшее развитие информационных отношений только на основе РНК-«элементной базы» имело значительные ограничения. Это принципиально связано непосредственно со свойствами однотяжевой структуры РНК. Молекулы РНК при определенном удлинении теряют линейную структуру, образуя петли и связанные участки. Это ограничивает размеры информационных массивов для хранения программ. Действительно, и в современных живых клетках, при осуществлении информационных отношений, РНК как память выполняет только функции оперативных запоминающих устройств – ОЗУ (хранение на молекуле иРНК программы непосредственного управления процессором (рибосомой) для синтеза одного конкретного белка) и адресных регистров операндов (тРНК) для выбора необходимой аминокислоты.

Подобно тому как при развитии вычислительной техники переход от эксклюзивного использования вычислительных установок к их универсализации в определенной степени, а в феноменологическом плане, на наш взгляд, в качестве доминантного шага, был обусловлен созданием средств внешней памяти, так и в процессе формирования живой природы для дальнейшего развития информационных отношений необходимо было воплощение средств долговременного хранения больших объемов информации, на основании которой осуществлялся бы генезис развития биологических объектов, обеспечивающий свойство конвариантной редупликации как основы процесса развития жизни.

Таким шагом на этапе начала жизни было включение в обеспечение информационных отношений пробиотических кластеров дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК) – средств долговременного хранения генетической информации.

Заметим попутно, что нуклеиновые кислоты на основе нуклеотидных химических кластеров не являются какими-либо сверх уникальными образованьями в спектре биологически активных химических соединений. Видимо, условия контакта первичной Земной атмосферы и открытых водных поверхностей на планете обеспечивали продуктивную реализацию формирования достаточно сложных циклических сахаро фосфатных и нитратных соединений за счет ковалентных связей на основе возникающей концентрации первичных химических компонентов (химических элементов) и термодинамического воздействия на них. Дальнейшее усложнение таких кластеров (с точки зрения реализации процесса «ароморфоза») включало уже активную реализацию парадигмы создания супрамолекулярных структур с активным участием нековалентных связей. Это в определённой степени подтверждается активным и широким спектром нуклеотидных соединений, являющихся базовыми (и, видимо, первичными в формировании) в организации внутриклеточного метаболизма. К таким, например, относятся: аденозинмонофосфат (АМФ), аденозиндифосфат (АДФ), аденозинтрифосфат (АТФ) – аденозинфосфорные кислоты, обеспечивающие аккумуляцию и перенос энергии для реализации химических процессов, а так же никотинамидадениндинуклиотид (НАД), никотинамидаденинди-нуклиотидфосфат (НАДФ), флавинаденининдинуклеотид (ФАД), кофермент А и др.

ДНК в своей полиморфической химической структуре макромолекул (первичная структура) является полным аналогом РНК. Отличие заключаются лишь в том, что сахаром, представляющим в обеих кислотах пентозу, в ДНК является дезоксирибоза, а в РНК – рибоза. Различие этих сахаров связано с внутренней группой молекулы второго атома углерода. В рибозе присутствует гидроксильная группа – ОН, а в дезоксирибозе она заменена на атом водорода – Н. Отсутствие во внутренней группе сахара ДНК одного атома кислорода придает полинуклеотиду ДНК пространственно конструктивно структурные свойства (трехмерная структура), определяемые в основном водородными связями, существенно отличающиеся от аналогичных свойств полинуклеотидов РНК.

РНК, обладая однотяжевой (одноцепочной) структурой полинуклеотида, по мере его удлинения обычно образовывает сложные пространственные конфигурации с взаимным притяжением отдельных ее участков в основном за счет водородных связей комплиментарных азотистых оснований. Именно эти свойства РНК, как указывалось ранее, способствовали формированию на ее основе «элементной базы» для развития и реализации информационных отношений в пробиотических системах.

В отличие от этого ДНК обычно образовывает двухтяжевую структуру, которая состоит из двух полинуклеотидных цепей. Каждая цепь закручена в спираль и обе они свиты вместе и закручены вокруг одной и той же оси, образуя двойную спираль. В результате реализации процессов молекулярной хиральной структуризации, на основе которой обеспечивается генетическая передача информационных отношений, в биосфере закрепилась правосторонняя закрученность молекул ДНК.

Расстояние между сахарофосфатными остовами двух цепей постоянно и равно расстоянию, занимаемому парой комплиментарных азотистых оснований, т.е. одним пурином (двух кольцевое основание) и одним пиримидином (однокольцевое основание). Полный оборот спирали приходится на 10 пар оснований. Из многообразия азотистых оснований устойчивые комплементарные связи полинуклеотидов ДНК образуют две пары: Аденин (двухкольцевой пурин, A) – Тимин (однокольцевой пиримидин, T) и Гуанин (двухкольцепой пурин, G) – Цитозин (однокольцевой пиримидин, C). Никаких ограничений относительно последовательности пар нуклеотидов в цепи и ее длины не существует. Двухтяжевая супрамолекулярная структура ДНК обладает высокой устойчивостью по отношению к внешним воздействиям и изменением окружающей среды. Это также существенно отличает ее от полинуклеотидов РНК.

С точки зрения возможностей реализации информационных отношений двухтяжевая супрамолекулярная структура ДНК представляет собой двоичный регистр памяти произвольной протяженности. Действительно, если не фиксировать приоритет какой-либо из двух спиралей, образующих двухтяжевую супрамолекулярную структуру ДНК, то каждое звено (нуклеотид) идентифицирует одну из двух пар азотистых оснований (Аденин – Тимин или Гуанин – Цитозин), т.е. представляет бинарную последовательность. Это как-то перекликается с выбором «дешевого» технического решения на основе методов и систем двоичного кодирования, принятых в современных информационно-телекоммуникационных технологиях.

На уровне двухтяжевой супрамолекулярной структуры ДНК «направленность» пар не несет содержательного значения, т.к. ее структура к этому индифферентна. Однако несимметричное включение нуклеотидов в полинуклеотидные цепи нуклеиновых кислот создает определенную направленность этих цепей. Именно в связи с этим одиночные цепи двухтяжевой молекулы ДНК разнонаправлены. Кроме того, взаимодействие с операционными элементами информационных отношений – транскрипция однотяжевой (одноцепочной) структуры полинуклеотида РНК (иРНК), происходит только в определённом направлении по одиночной цепи ДНК, создавая комплиментарную ей цепь иРНК. С феноменологической точки зрения эти факторы априорно создают направленность генетического кода, что является необходимым надкодовым условием, обеспечивающим возможности системных передач и восприятия информации. Кроме того, переход от бинарного алфавита пар комплементарных пар азотистых оснований двухтяжевой молекулы ДНК к многообразию этих оснований на одиночной цепи ДНК создает эффект мультипликации размерности алфавита генетической информации, что и закрепилось четырехзначным алфавитом. На наш взгляд именно эти положения и явились фиксацией алфавита генетического кода биоорганизмов.

Можно предложить различные гипотезы сценариев внедрения ДНК в реализацию информационных отношений, формирующихся на этапе пражизни биологических структур, но все они будут иметь ряд идентичных доминирующих акцентов. Это: ферментативная активность нуклеиновых кислот, идентичность первичной структуры полиморфизма РНК и ДНК и, конечно, устойчивость двухтяжевой супрамолекулярной структуры ДНК по отношению к внешним воздействиям и изменением окружающей среды, что обеспечивает возможность воплощения долговременной памяти для хранения генетической информации и реализации на этой основе свойств конвариантной редупликации формирующихся биологических объектов. Этот тезис в определенной степени подсказывается структурой и жизненными циклами прокариотов.

Отметим, что современные эубактерии, прошедшие длительный путь эволюции, показывают значимость, эффективность и в определенной степени достаточность ферментативных свойств РНК в обеспечении каталитических реакций при формировании супрамолекулярных структур внутриклеточных органелл. Говоря о достаточности, мы хотим подчеркнуть, что значимость и эффективность ферментативных свойств РНК поддерживаются на уровне, необходимом для жизнеобеспечения и развития эубактерий. И это обеспечивается, не смотря на то, что каталитические свойства РНК могут быть на несколько порядков слабее каталитических свойств специфических белков. Видимо на этом этапе развития жизни баланс сложности управления супрамолекулярными процессами и скорость их реализации в биологических структурах достигается на основе полифункционального (реализация программного управления и каталитическая активность) действия РНК. Естественно предположить, что на этапе перехода от пражизни к началу жизни эти свойства более контрастно проявлялись с точки зрения системного представления.

Идентичность полиморфизма молекул РНК и ДНК обеспечивает возможность процесса транскрипции имеющейся в них информации. На основе результатов многих исследований достаточно уверенно утверждается, что по своему содержанию синтез комплементарной молекулы иРНК на образе одиночной цепи молекулы ДНК во многом сходен с процессом репарации (коррекции) некомплементарных связей двухтяжевой молекулы ДНК при ее репликации. Да и в принципе, при определенных условиях направление транскрипции может быть обоюдно, как в ту, так и в противоположную сторону. В составе онковирусов (вирус Раушера и саркомы Рауса) открыт фермент обратной транскриптазы, или ревертазы (РНК-зависимая ДНК-полимераза), катализирующий биосинтез молекулы ДНК на матрице РНК. Накоплены данные о том, что многие РНК-содержащие онкогенные вирусы, получившие наименование онкорнавирусов, содержат ревертазу в составе покровных белков. Фермент открыт также во многих клетках прокариотов и эукариотов, в частности в лейкозных клетках, пролиферирующих тканях, включая эмбриональные ткани. Предполагают, что синтез ДНК на матрице РНК происходит в три этапа. На первом этапе фермент ревертаза синтезирует на матрице вирусной РНК комплиментарную цепь ДНК, что приводит к формированию гибридной молекулы. Второй этап – разрушение исходной вирусной РНК из комплекса гибридной молекулы под действием РНКазы. Наконец, на третьем этапе на матрице цепи ДНК комплиментарно синтезируются новые цепи ДНК. Ревертазной активностью обладают и ДНК-полимеразы: например, фермент из Е. coli способен катализировать синтез ДНК на матрице рРНК. Возможно, по одной из этих схем идет синтез ДНК митохондрий эукариотных клеток.

Приведенные сведения позволяют предположить, что на этапе формирования жизни молекулы ДНК участвовали не только в своей традиционной на настоящий момент функции долговременного запоминающего устройства, но и в функциях организации промежуточных носителей информации, а также подобно РНК в качестве катализатора супрамолекулярных процессов. Вместе с тем достаточно быстрый переход молекул ДНК к статичной устойчивой двухтяжевой структуре ограничивал многообразие пространственных конфигураций, свойственное истинным ферментам. По примеру с РНК, проявляющей ферментативные свойства при аутосплайсинге на основе самоудаления из первичного транскрипта РНК интрона, который и обеспечивает каталитическую поддержку сшивания экзонов, первичные пространственные конфигурации ДНК при реализации ферментативных свойств, по всей видимости, были сходными с пространственными структурами выщепленных интронов. Для обособленных интронов характерны в основном две пространственные структуры. Это кольцо, либо петля типа лассо, которые могут расщепляться, образуя линейную структуру. Возможно, подобные процессы с ДНК явились основой фиксирования кольцевой структуры бактериальной хромосомы будущих прокариотов.

Существовавшая на этапе начала жизни среда, в которой рождались и формировались пробионты, значительно отличалась по химическому составу и термодинамическим показателям от тех условий, в которых развивается современная Жизнь. Поэтому трудно предположить, что ферментативное обеспечение каталитических процессов, протекавших в биологических кластерах начала жизни и в современную эпоху идентичны. Но достаточно уверенно можно утверждать, что архитектура реализации информационных отношений остается на всем протяжении развития жизни на Земле принципиально идентичной. Эта консервативность обусловлена, по-видимому, фундаментальными аналогиями молекул РНК и ДНК и устойчивостью процессов их рекомбинаций, обеспечивающих реализацию программного управления, в первую очередь, на супрамолекулярном уровне строительства, как органелл, так и результатов их деятельности – белковых структур.