Аналогия биосистем и информационных систем: аспекты безопасности.

 

Суханов Андрей Вячеславович,

кандидат технических наук,

начальник управления специальных работ ЗАО «ЭВРИКА», г. Санкт-Петербург.

 

Наблюдается тенденция использования в создаваемых человеком сложных информационных системах элементов организации живой природы. Проведенный анализ показал, что основным принципом построения интеллектуальных средств защиты информации является принцип подобия биологических и информационных систем.

Биологические организмы обладают иерархической системой жизнеобеспечения и встроенными механизмами иммунитета, информационной избыточности и защиты. Параметры современных средств мониторинга безопасности значительно уступают биологическим аналогам, поэтому актуален анализ организации биосистем и разработка концепции построения сложных информационных систем, основанной на биосистемной аналогии.

В научных публикациях активно используются принципы и методы, свойственные биосистемам, к решению организационных и управленческих задач сложных технических, как правило, кибернетических систем [1, 2]. Целесообразно рассмотреть механизмы защиты биологических и информационных систем с точки зрения аналогии архитектурных особенностей и специфики протекания основных процессов: зарождения, наследования, адаптации и развития (рис. 1) [1]. В биосистемах названные процессы обуславливают основные процессы жизнедеятельности организма.

 

Рис. 1.

Биосистемная аналогия информационных систем.

 

Основные свойства биосистем.

 

Органическая жизнь в биосистеме поддерживается за счет осуществления в клетках взаимодействия нуклеиновых кислот и белков. Непрерывность жизни обеспечивается путем самовоспроизведения - высоконадежной передачей в поколениях генетической информации. Основой жизни являются соединения нуклеопротеидов – взаимосвязанный комплекс белков и нуклеиновых кислот [3]. Основные свойства жизни перечислены ниже [1].

·                    Самовоспроизведение основано на матричном синтезе дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК), который программирует синтез белков, определяющих специфику организма.

·                    Иерархическая организация: структурными и функциональными элементами являются клетки, которые организованы в ткани, ткани - в органы, а органы – в системы органов; организмы собраны в популяции, популяции – в биоценозы, биоценозы – в экосистемы, образующие биосферу.

·                    Упорядоченность структуры.

·                    Непрерывность и дискретность жизни на всех уровнях иерархии, как по структуре, так и по функции: клетка целостна, но состоит из дискретных специализированных клеточных структур, организм - целостная система из дискретных клеток, тканей, органов, систем органов; органический мир целостен, поскольку существование одних биологических организмов зависит от других, и дискретен, складываясь из отдельных организмов.

·                    Рост и развитие. Рост организма (количественные изменения) происходит за счет увеличения размеров и числа клеток, развитие (качественные изменения) – за счет усложнения структуры и функций организма.

·                    Обмен веществ и энергии в клетках ведет к восстановлению разрушенных структур, росту и развитию организма. Организм - открытая система, через которую проходят потоки веществ и энергии.

·                    Наследственность и изменчивость (факторы эволюции) гарантируют:

1) непрерывность жизни путем передачи потомству генетической информации (свойство стабильности);

2) появление признаков, отличных от исходных, в результате изменений в ДНК (свойство пластичности).

·                    Раздражимость необходима для взаимодействия с внешней средой.

·                    Движение связано с процессом адаптации организма во внешней среде.

·                    Внутренняя регуляция позволяет восстанавливать повреждения молекул ДНК, вызванные действием дестабилизирующих факторов и гарантирует стабильность генетического материала.

·                    Специфичность взаимоотношений со средой выражается в единстве - организмы зависят от среды, которую изменяют в процессе деятельности.

Иерархия биосферы разделена на уровни системной организации: нуклеотидный, триплетный, генный (вместе - молекулярный уровень), хромосомный, клеточный уровень, тканевый уровень, органный уровень, организменный уровень, популяционный уровень, видовой уровень, биоценотический уровень, глобальный (биосферный уровень).

На клеточном уровне осуществляются процессы, связанные с кодированием и передачей наследственной информации, обменом веществ и энергией, изменчивостью и генетической преемственностью, устойчивостью молекулярных структур. Обладая способностью к размножению, жизни и росту, клетки являются основой организации материи. Молекулярному уровню присуща генетическая преемственность и структурная устойчивость.

 

Биосфера как сложная информационная система.

 

Многообразие форм жизни можно представить совокупностью специализированных подсистем, различающихся архитектурой и свойствами, а биосферу – в виде сложной информационной системы, построенной по иерархическому принципу из взаимосвязанных подсистем. Иерархический принцип организации - один из подходов обеспечения жизнеспособности видов и повышения защищенности процессов хранения и передачи информации.

Архитектурная аналогия прослеживается при сопоставлении иерархии информационных систем (ИС) с соответствующей иерархией биосистем (табл. 1) [4].

 

Таблица 1

Уровень биосистемы	Функция	Информационная система	Нейросетевая система
1. Ядро	Хранение, изменение кодирование и декоди-рование, передача, информации.	Специализированные элементы и узловые схе-мы.	Компоненты формальных нейронов (ФН); ROM для хранения параметров ФН.
2. Клетка	Деление, рост, матрич-ный синтез.	Специализированные процессоры.	Уровень ФН.
3. Ткань	Среда межклеточных коммуникаций.	Мультипроцессор; сек-ции среды вычислений.	Фрагмент слоя из ФН; слой ФН.
4. Орган	Функциональная специализация	Функциональное устройство	Фрагмент нейронной сети (НС); НС
5. Организм	Законченная локализо-ванная система.	Среда вычислений, пер-сональный компьютер.	Специализированная НС; вычислительная машина – ВМ
6. Популяция	Воспроизводство видовой информации.	Гомогенная локальная сеть ВМ.	Универсальная нейросетевая вычислительная среда.
7. Вид	Межвидовое разграни-чение.	Гетерогенная локальная сеть ВМ.	Локальная НС корпоративного уровня.
8. Биоценоз	Локальное сосущество-вание видов.	Отраслевая сеть	Отраслевая сеть.
9. Биогеоценоз	Среда для локального сосуществования.	Домен глобальной сети.	Домен глобальной сети.
10. Биосфера	Глобальная взаимосвязь	Глобальная сеть.	Глобальная сеть.

 

Биосфера – иерархическая система с единым подходом к способам и методам преобразования, хранения и переноса информации, которые обладают высокой защищенностью. Обеспечение высокого уровня защищенности видов обусловлено функциональной устойчивостью способа кодирования, хранения и передачи информации - генетического кода. Замечена аналогия между свойствами, характерными для биосферы как биологической системы и как сложной ИС (табл. 2). Откуда следует, что биосфера - сложная информационная система, подсистемы которой обладают набором механизмов и свойств, придающим им высокую защищенность и надежность.

 

Таблица 2

Биологическая система	Система ИТ
Упорядоченность системы	Наличие иерархической организации.
Самовоспроизведение	Процесс сохранения и передачи информации в системе.
Специфичность организации	Отличие между системами различных уровней иерархии.
Целостность и дискретность	Целостность и дискретность.
Рост и развитие	Способность систем к наращиванию, самообучению и развитию
Обмен веществ и энергии	Открытость системы.
Наследственность и изменчивость	Перенос информации и большой потенциал изменения как кода, так и передаваемых сообщений.
Раздражимость	Наличие механизмов, обуславливающих поведение системы в зависимости от внешних воздействий.
Движение	Способность систем к адаптации.
Внутренняя регуляция	Наличие кибернетических механизмов и информационных потоков для внутреннего регулирования системы.
Специфичность взаимодействия со средой	Специфичность реагирования на внешние воздействия каждой подсистемой.

 

Придание ИС положительных качеств биосистем и, прежде всего, отвечающих за безопасность информационных процессов и ресурсов, м.б. обеспечено за счет: иерархии функционально разнородных подсистем с развитыми функциями защиты, сохранения и передачи информации; свойств сложной кибернетической системы; способности к росту и развитию, обучению и адаптации в динамичной среде; свойств стабильности и пластичности.

 

Защита информации в биосистемах.

 

Жизнеспособность биосистемы обеспечивается информационными механизмами наследственности и изменчивости. В качестве защищенного носителя информации выступает ДНК. Популяции существуют за счет процесса размножения, который сводится к передаче внутри вида генетической информации, кодируемой, декодируемой и хранимой ДНК (рис. 2) [5].

 

Рис. 2.

Схема двойной спирали молекулы ДНК:

А — аденин; Т — тимин; Г — гуанин; Ц — цитозин; Д — дезоксирибоза; Ф — фосфат.

 

Универсальность и защищенность молекулы ДНК обеспечивается единством свойств устойчивости и изменчивости - необходимых и достаточных условий эволюции. Специфика ДНК - в его двойственности: с одной стороны, как носителя информации, с другой - самой информации.

Молекулы ДНК – это линейные макромолекулы в виде длинных двойных цепей полимеров, составленных из нуклеотидов. У живых существ макромолекулы ДНК слагаются из одних и тех же нуклеотидов, каждый из которых содержит по одной молекуле фосфорной кислоты и сахара, а также одно из четырех азотистых оснований: аденин - A, гуанин - G, цитозин - C и тимин - T. Аденин и гуанин – пуриновые основания, цитозин и тимин – пиримидиновые [3, 5].

Согласно [5], дезоксирибонуклеиновая кислота, высокополимерное соединение, содержащееся в ядрах клеток живых организмов. ДНК — носитель генетической информации, её отдельные участки соответствуют определенным генам. Молекула ДНК состоит из 2 цепей, закрученных в спираль. Цепи построены из мономеров 4 типов, специфичность которых определяется одним из 4 азотистых оснований (нуклеотидов): A, G, C, T. Сочетания в цепи ДНК трёх рядом стоящих нуклеотидов (триплеты, или кодоны) составляют код генетический. Нарушения последовательности нуклеотидов в цепи ДНК приводят к наследственным изменениям — мутациям. ДНК воспроизводится при делении клеток, что обеспечивает в ряду поколений передачу наследственных признаков.

В ДНК различают первичную, вторичную и третичную структуру. Первичная структура ДНК - последовательность нуклеотидов в полинуклеотидных цепях, вторичная структура ДНК - две скрученных слева направо спирали с периодом, равным десяти азотистым основаниям; спирали инверсны (комплементарны) одна относительно другой. Третичная структура ДНК связана с трехмерной пространственной конфигурацией молекул.

Исследования ДНК выявили ряд закономерностей (правила Чаргаффа):

·                    число нуклеотидов, содержащих пуриновые основания равно числу нуклеотидов, содержащих пиримидиновые основания (A+G=T+C);

·                    в ДНК содержание аденина и тинина равны; содержание гуанина и цитозина равны (A=T или G=C), т. е.  (G+T)/(A+C) = 1;         

·                    ДНК могут иметь различия, обусловленные преобладанием аденина над гуанином и тимина над цитозином (А+Т>C+G), и наоборот (C+G >А+Т);

·                    отношение (C+G)/(А+Т) видоспецифично: ДНК идентичны во всех клетках одного организма и отношение (C+G)/(А+Т) одинаково.

Разнообразие органической жизни построено из 20 видов аминокислот (табл. 3).

Кодирование аминокислот триплетами вырожденное и приводит к избыточности, т. к. число комбинаций 4³ = 64, втрое превышает разнообразие аминокислот - каждой аминокислоте соответствует ряд триплетов.

Правило вырожденности: если два кодона имеют два одинаковых первых нуклеотида и их третьи нуклеотиды принадлежат к одному классу (пуриновому или пиримидиновому), то они кодируют одну аминокислоту.

В ДНК цепи полимеров соединены между собой водородными связями, в соответствии с правилом комплементарности: каждый кодон имеет только один антикодон, способный связаться с ним по всем водородным связям.

Надежность и устойчивость структуры ДНК обуславливается надежностью и силой водородных связей: аденин и тимин образуют две водородные связи А=Т, а гуанин и цитозин – три CºG (связь А=Т слабее связи CºG).

 

Таблица 3

Аминокислота	Кодон	Мольная масса Мк	Антикодон	Мольная масса Ма	S (Мк + Ма)
ПРО	CCC	330	GGG	450	780
	CCT	345	GGA	434	779
	CCA	354	GGT	429	779
	CCG	370	GGC	410	780
ЛЕЙ	CTC	345	GAG	434	779
	CTT	360	GAA	418	778
	CTA	369	GAT	409	778
	CTG	385	GAC	394	779
	TTA	384	AAT	393	777
	TTG	400	AAC	378	778
ГИС	CAC	354	GTG	425	779
	CAT	369	GTA	409	778
ГЛУ-NH2	CAA	378	GTT	400	778
	CAG	394	GTC	385	779
АРГ	CGC	370	GCG	410	780
	CGT	385	GCA	394	779
	CGA	394	GCT	385	779
	CGG	410	GCC	370	780
	AGA	418	TCT	360	778
	AGG	434	TCC	345	779
СЕР	TCC	345	AGG	434	779
	TCT	360	AGA	418	778
	TCA	369	AGT	409	778
	TCG	385	AGC	394	779
	AGC	394	TCG	385	779
	AGT	409	TCA	369	778
ФЕН	TTC	360	AAG	418	778
	TTT	375	AAA	402	777
ТИР	TAC	369	ATG	409	778
	TAT	384	ATA	393	777
НОН	TAA	393	ATT	384	777
	TAG	409	ATC	369	778
	TGA	409	ACT	369	778
ЦИС	TGC	385	ACG	394	779
	TGT	400	ACA	378	778
ТРИ	TGG	425	ACC	370	779
ТРЕ	ACC	354	TGG	425	779
	ACT	369	TGA	409	778
	ACA	378	TGT	400	778
	ACG	394	TGC	385	779
ИЛЕЙ	ATC	369	TAG	409	778
	ATT	384	TAA	393	777
	ATA	393	TAT	384	777
МЕТ	ATG	409	TAC	369	778
АСП-NH2	AAC	378	TTG	400	778
	AAT	393	TTA	384	777
ЛИЗ	AAA	402	TTT	375	777
	AAG	418	TTC	360	778
АЛА	GCC	370	CGG	410	780
	GCT	385	CGA	394	779
	GCA	394	CGT	385	779
	GCG	410	CGC	370	780
ВАЛ	GTC	385	CAG	394	779
	GTT	400	CAA	378	778
	GTA	409	CAT	369	778
	GTG	425	CAC	354	779
АСП	GAC	394	CTG	385	779
	GAT	409	CTA	369	778
ГЛУ	GAA	418	CTT	360	778
	GAG	434	CTC	345	779
ГЛИ	GGC	410	CCG	370	780
	GGT	425	CCA	354	779
	GGA	434	CCT	345	779
	GGG	450	CCC	330	780

                       

Чем больше в геноме отношение (C+G)/(А+Т), тем устойчивее вид к внешним воздействиям и ограниченнее количество возможных вариантов.

Статистические данные (табл. 4) о нуклеотидном составе оснований (CºG, %) ДНК показывают, что чем сложнее вид, тем меньше диапазон изменения и значение верхней границы показателя (но  не менее 40% у позвоночных). Чем проще вид, тем он менее устойчив к внешним воздействиям.

 

Таблица 4

Вирусы	28-74
Бактерии	26-74
Простейшие	22-62
Водоросли	36-68
Грибы	36-54
Высшие растения	36-48
Беспозвоночные	34-44
Позвоночные	40-44

 

Если в пределах одного периода спирали необходимо обеспечить равномерность количества водородных связей между парами А=Т и CºG, то следует, чтобы в десятке нуклеотидов количество пар А=Т было равно 6, а CºG – 4, так как 6*2 = 4*3. Последнее равенство возможно, если А = Т = 3 и C = G = 2.

Распределения массы по структуре ДНК уравновешенное (табл. 5).

 

Таблица 5

А	Г	Ц	Т
134	150	110	125

 

Если подсчитать мольные массы кодонов, то окажется, что при 64 возможных комбинациях кодонов существует только 20 вариантов различных мольных масс (табл. 6), равно числу различных аминокислот.

 

Таблица 6

Количество кодонов	Мольная масса	Количество кодонов	Мольная масса
1	330	3	393
3	345	6	394
3	354	3	400
3	360	1	402
6	369	6	409
3	370	3	410
1	375	3	418
3	378	3	425
3	384	3	434
6	385	1	450

 

Свойство комплементарности выявляет еще одну особенность: число вариантов различных мольных масс системы «кодон+антикодон» равно четырем, а именно: 777, 778, 779, 780 (табл. 7). Суммарная масса Мк+Ма изменяется незначительно за счет того, что мольная масса двух комплементарных нуклеотидов А+Т=259 и C+G=260 практически одинакова.

 

Таблица 7

Количество	Суммарная масса Мк + Ма
8	777
23	778
23	779
10	780

 

Из анализа следует, что мольная масса по длине цепей распределена равномерно. Откуда важное свойство ДНК: при любом чередовании нуклеотидов в одной из спиралей ДНК общая структура молекулы будет уравновешенной. Наивысшая равномерность распределения масс и связей между спиралями ДНК наблюдается у позвоночных, для которых отношение .

Для обеспечения защищенности процесса передачи и хранения информации в ДНК используется принцип избыточности, как при размножении (передача информации), так и при хранении генома. Избыточность кода является одним из приемов повышения защищенности. Чем сложнее организм, тем большая избыточность кода генома.

Чем сложнее организм, тем сложнее способы размножения. Разделение особей на мужские и женские, внутривидовое разнообразие обеспечивают повышения устойчивости существования вида.

Хранение генетической информации высших организмов происходит в ядрах клеток. В каждой соматической клетке находится удвоенное количество наследственной информации - диплоидный набор хромосом. В процессе деления клетки одна “копия” остается в родительской клетке, а вторая передается дочерней и в последствии удваивается. В половых клетках набор хромосом гаплоидный и избыточность отсутствует, т. к. основная функция половых клеток не хранение, а перенос информации.

Таким образом, основные особенности кода ДНК, обеспечивающие устойчивость биосистем, можно свести к следующему набору:

·   комплементарность кодирования и информационная избыточность,

·   равномерность распределения масс и системы связей по ДНК.

 

Клетка как защищенный элемент биосистем.

 

Архитектура организма базируется на клетке. Клетка - отдельная система, которая в процессе жизнедеятельности осуществляет хранение и декодирование наследственной информации. Клеточный принцип построения сложных организмов – один из основных для обеспечения безопасности генома за счет значительной избыточности.

Многоклеточные организмы можно рассматривать как сложную ИС, состоящую из иерархии специализированных компонентов, которые выполняют функции по хранению всей наследственной информации, но обрабатывают и декодируют только определенную часть информации, связанную с функциями данных компонентов.

Клетка с точки зрения защищенности информационных процессов является компонентом, который осуществляет безопасное хранение и декодирование генетической информации. Причем функции хранения и обработки информации разнесены: системная информация хранится в ядре, структура которого ориентирована на защиту генетической информации, а скоростное декодирование информации выполняется вне ядра.

Организация процессов декодирования информации внутри клетки обладает повышенной защищенностью. Декодирование триплетного кода ведется по принципу сопоставления, известного из теории помехоустойчивого кодирования информации. Принцип - каждый кодон имеет только один антикодон, способный связаться с ним по всем водородным связям.

В процессе декодирования используются такие свойства ДНК как комплементарность и близость мольных масс нуклеотидов - пары нуклеотидов в коде могут иметь два вида мольных масс: (C+G) 260 и 259 (А+Т). Важно с точки зрения безопасности, что декодирование в клетке ведется не с самой ДНК, а с ее копии - iРНК. Свойство комплементарности кода ДНК можно рассматривать как средство повышения защищенности процесса декодирования и хранения информации за счет введения избыточности.

Особенности клетки как защищенной системы состоят в следующем: системная информация хранится в ядре; декодирование генома производится над дублем системной информации вне ядра специальными структурами, которые при декодировании используют принцип сопоставления комплементарного кода.

Важными механизмами защиты (МЗ) в биосистемах являются механизмы естественной иммунной системы (ЕИС), основу которых составля­ют процессы взаимодействия иммуноцитов и вырабатываемых ими цитокинов [6]. ЕИС состоит из специали­зированных органов с иерархической внутренней структурой, которые используют свойства иммуно­цитов, молекулярные особенности распознавания антигенов. Динамичная структура ЕИС учитывает специфику молекулярного и клеточного иммунного реагирования и иммунологической памяти в процессе иммунного ответа.

Иммунный ответ - физиологическая реак­ция, направленная на поддержание генетического постоянства внутренней среды организма. Поддержание гомеостаза обеспечивается функционированием ЕИС, которая защищает организм от продуктов чуждой генетической информации – антигенов (АГ). Роль ЕИС в защи­те организма от внешней агрессии, связанной с заражением инфекционными агентами, очевидна. Не менее важна иммунная за­щита от внутренней агрессии, вызванной мутантными и опухолевыми клетками (рис. 3) [6].

 

Рис. 3.

Функции иммунной системы.

 

Таким образом, отдельные клетки и биологические организмы в целом являются информационными системами, которые благодаря иерархической организации защиты, методам и принципам хранения, кодирования и декодирования информации являются информационно защищенными ИС.

 

Литература.

 

1.                  Нестерук Г. Ф., Осовецкий Л. Г., Харченко А. Ф. Информационная безопасность и интеллектуальные средства защиты информационных ресурсов. (Иммунология систем информационных технологий). – СПб.: Изд-во СПбГУЭФ, 2003.

2.                  Ивахненко А. Г. Принятие решений на основе самоорганизации. – М.: Сов. радио, 1976. 280 с.

3.                  Лобашев М. Е. Генетика. – Л.: Изд-во ленинградского университета, 1969.

4.                  Осовецкий Л. Г., Нестерук Г. Ф., Бормотов В. М. К вопросу иммунологии сложных информационных систем // Изв. вузов. Приборостроение. 2003. Т.46, № 7. С. 34 - 40.

5.                  Советский энциклопедический словарь / Гл. ред. А. М. Прохоров. - 3-е изд. – М.: Сов. энциклопедия, 1984.

6.                  Хаитов Р. М. Физиология иммунной системы. – М.: ВИНИТИ РАН, 2001.

7.                  Мелик-Гайназян И. В. Информационные процессы и реальность. М.: Наука. 1998. -192 с.

 

Поступила в редакцию 07.05.2008 г.