Ознакомьтесь с Условиями пребывания на сайте Форнит Игнорирование означет безусловное согласие. СОГЛАСЕН
 
 
Если в статье оказались ошибки...
 

Этот материал взят из источника в свободном доступе интернета. Вся грамматика источника сохранена.

Информация как основа жизни

Относится к   «Целенаправленное поведение»
Корогодин В.И., Корогодина В. Л.

Информация как основа жизни

Дубна, 2000


КОРОГОДИН В. И., КОРОГОДИНА В. Л.

Информация как основа жизни. – Дубна: Издательский центр «Феникс», 2000. – 208 с.

Книга посвящена феномену жизни и информации как внутренне присущему свойству информационных систем.

Рассматриваются свойства информации и информационных систем. Выделяются главные свойства информационных систем – способ­ность к «целенаправленным» действиям и расслоение на информационную» и «динамическую» подсистемы.

Рассматривается динамика информации от ранних этапов эволю­ции физических информационных систем до систем с биологической информацией – генетической, поведенческой и логической. Особое внимание уделяется динамике биологической информации в биосфере. Одной из проблем, затрагиваемой авторами, является взаимодействие ноосферы и техносферы, связанной с автогенезом информации.

Книга рассчитана на специалистов, а также на круг читателей, ин­тересующихся теорией информации, эволюцией, биологией и взаимо­отношениями биосферы и техносферы.

KOROGODIN V.I. & KOROGODINA V.L. Information as the Foundation of Life. – Dubna: "Phoenix" Pub­lishing Center, 2000. – 208 p.

The book analyzes the phenomenon of life and information as an inher­ent quality of information systems.

Properties of information and information systems are discussed. The main properties of information systems are pointed out: the ability to act "purposefully" and the division into an "informative" and "dynamic" subsys­tems.

The dynamics of information is analyzed, from the early stages of physi­cal information system evolution to the systems with biological genetic, be-haviouristic and logical information. Special attention is attached to the dy­namics of biological information in biosphere. One of the problems, con­nected with information autogenesis and discussed by the authors, is the in­teraction of noosphere and technosphere with biosphere.

The book is recommended to specialists and readers who are interested in the theory of information, evolution, biology and interaction of biosphere and technosphere.

© Авторы. В. И. Корогодин и В. Л. Корогодина, 2000 г. © Оформление. ИЦ «Феникс», 2000 г.

Оглавление

Пролегомены

Глава первая. Историческая справка

^ Глава вторая. Информация и ее свойства

Глава третья. Информационные системы

Глава четвертая. Принцип поризма

Глава пятая. Динамика информации

Глава шестая. Биосфера и техногенез

Глава седьмая. Предвидимо ли будущее?

Обозначение используемых понятий

Contents

Prolegomenon

Chapter 1. History

Chapter 2. Information and Its Properties

Chapter 3. Information Systems

Chapter 4. Porism Principle

Chapter 5. Dynamics of Information

Chapter 6. Biosphere and Technogenes

Chapter 7. Can One Predict the Future

Designation of the Notions Used

ПРОЛЕГОМЕНЫ

Термин «информация»

Термин «информация» широко используется в научной литературе. Трудно найти область знаний, избежавшую соблазна его применять. Это – следствие все продолжающегося расширения смыслового поля этого термина.

В тридцатые годы и ранее слово «информация» использовали, в основном, как «сведения» или «осведомление», т.е. как прямой перевод латинского informatio. К концу сороковых годов под «информацией» начали понимать функцию статистических характеристик букв какого-либо языка. Так, согласно К. Шеннону [1], количество информации, содержащейся в каком-либо сооб­щении, состоящем из М букв, равно

(1)

где п – число букв в данном языке, ар– частота встречаемо­сти i–той буквы (i=1,2...n) в этом языке. Знак минус поставлен перед правой частью формулы для того, чтобы количество ин­формации Н всегда было положительным.

Под влиянием работ Л. Бриллюэна [2], начиная с шестидеся­тых годов, возник и приобрел широкую известность «негэнтропийный принцип информации». В отличие от энтропии, рас­сматриваемой в качестве меры неупорядоченности той или иной системы, негэнтропией обычно называют меру упорядоченности окружающих нас систем, связывая с ней различного рода анти­энтропийные процессы, протекающие в физическом мире. В основе негэнтропийного принципа лежит формальное сходство обобщенной формулы К. Шеннона

(2)

и знаменитой формулы Больцмана для физической энтропии S = lnW, где W - число состояний, которые может принимать система. Если микросостояния системы различны, то формула будет выглядеть так

(3)

Л. Бриллюэн предложил выражать информацию I и энтропию S в одних и тех же единицах - информационных (битах) или эн­тропийных (эрг/град).

Б. Б. Кадомцев указывает [3], что величины I и S формально равны потому, что I соответствует информации одного единст­венного состояния из множества возможных, a S определена по множеству всех состояний. Здесь понятие информации дается в терминах физической статистики. Алгоритмическую информацию можно рассматривать как меру алгоритмической хаотичности [4]. Эти два определения практически совпадают [5].

Однако существуют области феноменов, для обозначения ко­торых этот термин также хорошо подходит, и использование его существенно упрощает задачи их изучения.

^ Жизнь вокруг нас

Замечали ли вы когда-нибудь, что в русском языке нет сло­ва, противоположного словам «живое», «жизнь»? Вернее, есть слова «мертвое», «смерть», но они означают лишь то, что ко­гда-то было живым, а затем погибло. «Неживое» также проис­ходит от слова «живое». И этот характерный для многих язы­ков феномен связан, видимо, с тем, что, склонный судить о других по себе, первобытный человек одушевлял, по аналогии с собой, весь окружающий мир [6].

Со временем представления о всеобщей одушевленности сме­нились представлениями о постепенности переходов неживого к живому. Так, Г. Лейбниц считал, что не существует неорганиче­ского царства, а есть только одно громадное органическое, раз­личные ступени которого представлены в минералах, растительных и животных формах. Всюду в мире наблюдается непрерыв­ность, и всюду, где мы встречаемся с какой-нибудь организаци­ей, существует и жизнь. Мертвая и живая материи не суть ка­кие-нибудь противоположности, но представляют собой две формы той же материи, отличающиеся друг от друга только оттенками.

Но философы пошли еще дальше по пути аналогий. В игре сил мертвой материи, и главным образом в игре химических сил, они увидели чуть заметный зародыш тех склонностей и стремлений, которые управляют деятельностью живых существ. По их мнению, все реакции материи указывают на существова­ние в ней какого-то сознания, способности отличать дурное от хорошего, стремиться к приятному, избегать неприятного. Тако­во было мнение Эмпедокла еще в древности; так же считали Д. Дидро и Ц. Кабанис. Еще на заре химии Л. Бергав, напри­мер, сравнивал реакции соединения с сознательными союзами, причем соединявшиеся «по симпатии» химические элементы чуть ли не справляли свадьбу.

^ Живое и неживое

Одна из особенностей живых тел – их изменяемость во времени: рождение, рост, старение, умирание и распад. Но ведь рождение и гибель касаются всех тел Вселенной – от атомов до галактик. Любой материальный объект «живет и умирает» в том смысле, что он непрерывно изменяется в одном и том же направлении, пока не достигнет состояния «вечного покоя».

Постоянство формы, рост, питание и размножение – таковы обязательные признаки жизни. Может быть, они обусловлены осо­бым химическим строением? Но еще в середине прошлого века ученые выяснили, что протоплазма живой клетки, состоящая из углерода, водорода, азота, кислорода, фосфора и серы, в хими­ческом отношении близка к ароматическим соединениям. Сейчас досконально изученное в организме строение белков, жиров, уг­леводов и нуклеиновых кислот показывает, что они не отлича­ются от своих неживых аналогов, образующихся под влиянием высоких температур или электрических разрядов. Их можно по­лучать даже «в пробирках», по заранее составленному плану.

Специфичны ли для живых тел эти основные признаки? Вспомним о кристаллах. Давно известно, что каждый кристалл имеет строго определенную форму. Мало того. Если форма кристалла нарушена, например, отбит кусочек, – достаточно поместить его в раствор того же вещества, и он, подобно яще­рице с оторванным хвостом, будет восстанавливать поврежде­ние. Уже это говорит о его способности к своего рода питанию – поглощению из окружающей среды нужных ему компонентов. И только после того, как ущерб ликвидирован, кристалл будет расти, пока не исчерпает «питательность» содержащего его рас­твора. Так же обстоит дело и с размножением: кто не видел друзы кристаллов, образующихся из пересыщенного раствора поваренной соли или сахара?

Все это означает, что такие специфичные признаки живого (по­стоянство формы, рост, регенерация, питание, размножение, ста­рение, гибель и др.) характерны не только для живых организ­мов, но и для ряда заведомо неживых кристаллов. Но кристаллы, скажут нам, могут сохраняться в неизменном виде неограничен­но долгое время, в отличие от живых существ. А сохранность сухих зерен в египетских пирамидах или хорошо высушенных коловраток, особенно при низких температурах? Когда организ­мы находятся в анабиозе, в состоянии «скрытой жизни», они могут оставаться без изменения годы и годы и вновь начинают «жить» только при подходящей температуре, влажности и нали­чии питания. Но так же ведут себя и кристаллы! Значит, очень многие свойства живого присущи и неживым телам.

Чем же тогда, действительно, отличаются живые организмы от неживых тел? Может быть, какими-либо особенностями тех же функций, которые свойственны и неживым кристаллам, на­пример определенными требованиями к внешней среде, темпера­туре, концентрации каких-либо веществ? Но как эксперимен­тально показали такие крупные химики, как Ж. Жерне, К. Дюфур, В. Освальд и другие, и в этом отношении принципиальных различий нет. Так, процессы кристаллизации или размножения кристаллов очень чувствительны к температуре, концентрации раствора и наличию примесей, подобно тому, как эти же фак­торы влияют на скорость размножения микроорганизмов, по­мещенных в питательный бульон. Более того, подбирая специ­альные условия среды, можно получить химические образова­ния, ведущие себя внешне неотличимо от живых организмов.

^ Что же такое живое?

И все же эти размышления о свойствах живого ни на шаг не приближают нас к ответу на вопрос: что такое живое? Ко­нечно, отдельные признаки живых организмов можно найти и у неживых объектов, но то, что разделяет их, остается непонят­ным. По такому пути традиционное мышление шло до самого последнего времени. И хотя сегодня мы знаем, из каких хими­ческих соединений построено живое, что представляет собой дыхание, питание, выделение «отработанных шлаков», как про­исходит деление клетки, размножение одноклеточных и высших организмов, какие при этом идут молекулярные процессы, точного определения живого еще нет.

«Жить – значит обладать способностью откликаться более или менее целесообразно на воздействия окружающей обстановки», – писал К. Платэ, несколько видоизменив определение живого, пред­ложенное английским философом Г. Спенсером, который пола­гал, что «жизнь есть определенное сочетание разнородных изме­нений, одновременных и последовательных, в соответствии с внешними сосуществованиями и последовательностями». По по­воду этого определения жизни наш замечательный натуралист В. В. Лункевич [7] остроумно заметил, что оно дает нам «и очень много, и ничего». Очень много, потому что объединяет в еди­ное целое все возможные проявления жизни, и ничего, потому что оставляет в стороне вопрос о причинах, их вызывающих.

По-видимому, нужно идти другим путем. Попробуем найти такое специфическое свойство, отличающее живое от неживого, обладание которым делает объект живым. Эта искомая сущ­ность должна объяснить все проявления жизни, включая способность к прогрессивной эволюции. Среди самых разных свойств живого должно быть одно, объединяющее все многооб­разие живых существ. Свойство это давно известно, но почему-то до сих пор приписывалось только человеку. Это – способ­ность совершать целенаправленные действия.

«Учение о цели» (телеология) восходит к доаристотелевским временам, когда движение небесных светил и невидимых атомов объясняли существованием единой «движущей силы», находящей­ся вне «материальных оболочек» привычных и знакомых всем ве­щей. Лишь с течением времени физики избавили неживой мир от влияния «единого движителя», и в его ведении осталась лишь живая природа. Эта одухотворяющая сила во времена Аристотеля, т.е. более 2000 лет назад, получила наименование «энтелехия». Та­кие представления под другими названиями просуществовали до начала нашего века [8], но в дальнейшем энтелехия сошла со сцены. На виду осталось очевидное – способность совершать целенаправленные действия. Если не связывать эту способность с сознательным стремлением к цели, то почти не нужно доказывать, что она присуща всем без исключения живым организмам.

^ Целенаправленное действие и его компоненты

Чем же «целенаправленное действие» отличается от других событий, происходящих вокруг нас?

Идет гроза, ветер гнет деревья, раздается грохот грома, мол­ния ударяет в деревянный сарай, и начинается пожар. Можем ли мы по отношению к таким событиям сказать для чего они происходят? Нет, конечно. Мы полностью объясним эти собы­тия, если ответим на вопрос: почему?

Но таким событиям противостоят другие, которые нельзя объяснить, ответив только на вопрос «почему?» и умолчав «для чего?» Это события, идущие с участием живых организмов: ко­гда вирусная частица, прикрепившись к поверхности бактерии, впрыскивает в нее свою ДНК; когда муравьи роют вход в под­земный муравейник; когда птица строит гнездо, зверь – нору или человек засевает зерном взрыхленное поле. Во всех подоб­ных случаях, чтобы понять действия живых существ, следует знать, для чего они это делают. Подчас этого ответа достаточ­но, чтобы понять природу наблюдаемого явления.

Здесь напрашивается аналогия с машинами, изготовляемыми человеком, да и другими изделиями, которые производят разные живые существа – от насекомых до высших млекопитающих: термитниками и муравейниками, гнездами и норами, различны­ми постройками и т.п. В таких случаях прежде всего решают вопрос, для чего они предназначены, а уже затем – почему и как. Цель стоит впереди, а уж насколько то или иное изделие будет ей соответствовать, зависит от искусства его творца. По­этому-то такие изделия и называют искусственными.

Итак, «искусственный» – термин, применяемый к объекту, из­готовленному каким-либо живым организмом согласно «своему желанию», для достижения своей цели – удовлетворить потреб­ность живого. Но таким целям служат, по существу, любые дей­ствия, совершаемые живыми организмами, как бы ни был ши­рок их диапазон. Эти целенаправленные действия далеко не всег­да однозначно связаны с «конечной целью» – той именно потреб­ностью, которую организм стремится удовлетворить, даже не осознавая этого. Но стоит внимательно понаблюдать за любым живым существом, и станет ясно, что все «конечные цели» сво­дятся к одной – оставить потомство. Поэтому можно сказать, что живое – это совокупность объектов, способных совершать целе­направленные действия, конечная цель которых – самовоспроиз­ведение.

Целенаправленное действие отличается от спонтанного тече­ния событий прежде всего тем, что оно повышает вероятность осуществления «события цели». Насколько повысится эта ве­роятность – зависит от искусства исполнителя, от степени его осведомленности о путях достижения цели и о наличии в его распоряжении необходимых ресурсов. Но, независимо от этого, любое целенаправленное действие характеризуется именно по­вышением вероятности достижения цели, и величина эта позво­ляет судить об его эффективности [9].

Вторая характеристика целенаправленного действия – те до­полнительные изменения в окружающей среде, которые его со­провождают. При любом целенаправленном действии всегда (в соответствии со вторым законом термодинамики) появляются «побочные продукты» – от едва заметного повышения темпера­туры окружающей среды до накопления в этой среде веществ, от­равляющих все живое. Чем совершеннее методы достижения це­ли, тем меньше образуется побочных продуктов.

И, наконец, самое главное в целенаправленном действии – это механизм, который его осуществляет. Такой механизм можно назвать «оператором» [10]. В искусственных устройствах – это машина, изготовленная человеком, или какое-либо иное соору­жение, сделанное живыми существами, а в живых организмах это сам организм, его тело, его строение, его навыки и умение пользоваться имеющимися ресурсами для достижения своей це­ли. Все мы прекрасно знаем, сколь различны организмы по раз­меру, форме и образу действий и как превосходно они пригна­ны к среде своего обитания, своей «экологической нише». И чем больше такое соответствие, тем успешнее они достигают цели и тем менее пагубны побочные продукты, это сопровождающие.

^ Информационные системы

Остановимся подробнее на появлении информационных сис­тем – процессе самоорганизации. Как показал И. Пригожий [11], это должны быть открытые системы, далекие от термодинамического равновесия. В такой системе должны иметь место ката­литические и кросс-каталитические процессы. Такие процессы хорошо описываются нелинейными дифференциальными уравне­ниями. Когда система становится неустойчивой, любые малые возмущения во внешней среде приведут к переходу в новое ста­ционарное состояние. Под влиянием возникающих в это время флуктуации элементы ансамбля могут «кооперироваться», что будет проявляться в новых системных свойствах. В этом про­цессе необходимо подчеркнуть следующее.

Критерием эволюции является принцип о минимальном про­изводстве энтропии. Он указывает на то, что направленное раз­витие термодинамической системы происходит вне равновесного состояния и поддерживается слабыми, но постоянными силами. Когда система встречает препятствия к достижению идеального состояния минимального рассеяния, она начинает выбирать сле­дующий наилучший путь и остается в состоянии минимального рассеяния и минимального производства энтропии. Т.е. самоор­ганизующаяся система появляется всегда, когда возможно «вы­жить» за счет своих кооперативных свойств при различных воз­действиях или для того, чтобы лучше использовать окружаю­щую среду [11-13]. Это можно считать обоснованием «целена­правленного» действия для любых самоорганизующихся систем.

Любое целенаправленное действие можно описать преобразо­ванием

(4)

где R - ресурсы, расходуемые на его осуществление; s - усло­вия среды, в которой это действие происходит; Q - объект, или оператор, это действие осуществляющий и построенный соглас­но некоторому определенному плану, или информации, I - со­бытие цели; w - «побочный продукт», сопровождающий осуще­ствление Z; р и Р - вероятность осуществления Z спонтанно и/или при участии оператора Q. Мы видим, что единственное отличие целенаправленного действия от естественного течения событий состоит в том, что оператор Q, его совершающий, построен на основании данной информации. Только это приво­дит к тому, что в некоторой ситуации s вероятность осуществ­ления Z при участии Q выше, чем в его отсутствие (Р>р). Яр­кий пример этому – размножение живых организмов. В отсут­ствие в данной среде s живых организмов они не способны возникать спонтанно, «самозарождаться», т.е. р=0 даже при са­мых подходящих внешних условиях. Размножение же живых су­ществ в подходящих условиях среды происходит с вероятностью Р, близкой к единице.

Роль информации в явлении размножения первым отметил, пожалуй, Дж. фон Нейман [14]. Выступая в Калифорнийском технологическом институте на симпозиуме «Механизмы мозга в поведении» с лекцией «Общая и логическая теория автоматов» (1948 г.), он впервые предложил описание универсального само­воспроизводящего автомата. Дж. фон Нейман отметил, что такой воспроизводящийся автомат, по существу, имеет структуру, по­добную структуре живых организмов. Мы можем добавить, что этот автомат можно рассматривать как устройство, призванное обеспечить размножение, или аутокатализ, кодирующей его ин­формации. Автомат имеет блок, отвечающий за создание опера­тора Q и автомата следующего поколения на основе ресурсов R. В живой клетке этот блок организует «метаболизм», и через него осуществляется отбор наилучших образцов. Если посмот­реть на автомат фон Неймана с этой точки зрения, то очевид­но, что он – схематическое отображение любых информацион­ных систем, устроенных так, чтобы они могли обеспечивать воспроизведение кодирующей их информации. Вирусы и одноклеточные живые существа, многоклеточные растения и грибы, многоклеточные животные, наконец, человек и человеческие со­общества – все это информационные системы, структура которых задается относящейся к ним информацией, а функция обес­печивает воспроизведение этой информации.

В процессе дублирования исходной информации или при пе­редаче ее из одного автомата в другой она может претерпеть изменения, и возможны три последствия: 1) либо новый авто­мат не сможет воспроизвести самого себя, и вся система погиб­нет; 2) либо автомат начнет «неправильно работать» и будет производить обреченных на гибель уродцев; 3) либо эти изменения окажутся жизнеспособными, и возникнет новый автомат, воспроизводящий новую, измененную информацию.

Как мы видели, самовоспроизведение автомата Q и коди­рующей его информации I всегда и неизбежно сопровождается появлением «побочных продуктов» w. Это результат того факта, что КПД любого материального процесса не может пре­высить 1, а точнее – всегда остается меньше 1. Любое действие всегда сопровождается появлением «побочных продуктов», от диссипации энергии до накопления в окружающей среде различ­ных «отходов производства», возникающих в ходе построения Q. Любая информационная система, таким образом, в ходе сво­его функционирования, направленного на ее самовоспроизведение, неизбежно изменяет окружающую среду 5 путем истощения ее ресурсов R и накопления в ней «побочных продуктов» w.

Здесь мы можем вспомнить Н.Винера [15]: «Информация – это обозначение содержания, полученного из внешнего мира в процессе нашего приспособления к нему». Но чтобы не прида­вать информации антропоморфный оттенок, что проступает у Н. Винера, можно предложить несколько иное определение. А именно: информацией можно назвать алгоритм построения сис­темы, обеспечивающей воспроизведение этой информации, функ­ционально связанной со средой своего местоположения. При этом следует подчеркнуть, что обеспечение воспроизведения информа­ции – обязательный и необходимый атрибут любой информаци­онной системы. Ведь система, не отвечающая этому требованию, неизбежно «выбывает из игры», а кодирующая ее информация разрушается и бесследно исчезает. Именно исчезает, а не пере­ходит во что-то другое, – ведь «информация есть информация, а не материя и не энергия» [15], и законы сохранения на нее не распространяются [16].

^ Информация и ее носители

Остановимся коротко на структуре информационных систем и носителях информации.

После публикации работы К. Шеннона [1] понятие «информа­ция» было очень быстро вытеснено понятием «количество ин­формации». За «количество информации», согласно формуле (1), принимали логарифм величины, обратной вероятности осущест­вления какого-либо события. Такую подмену понятий стали ис­пользовать очень широко. Такой подход привел к отрыву поня­тия «информация» от семантики, или содержания сообщений, искони ему присущего. Подчеркнем, что в данном примере мы не можем выделить смысл (семантику) сообщения, не взяв для этого всех букв текста, являющихся носителями информации.

Рассмотрим пример информационных процессов из газодина­мики (подробно см. [3]). В общем случае поведение разреженно­го газа описывается кинетическим уравнением Больцмана

(5)

где f – локальная функция распределения частиц по скоростям, a St(f) – член столкновения между атомами. Если столкновения часты, то функция распределения становится максвелловской и зависит от п, Т, и – локальных значений плотности, температу­ры и средней скорости. Если эти переменные являются функ­циями координат и времени, то уравнение Больцмана превра­щается в систему



где

где p = nT

Увеличение члена столкновений St(f) выделило набор вели­чин п, Т, и, которые стали динамическими переменными. Их можно назвать параметрами порядка.

Мы дали описание открытой системы, далекой от равнове­сия. Если мы пойдем по пути усложнения системы, то заметим, что можно выделить часть, более тонко реагирующую на воз­мущения. Ее можно назвать управляющей, информационной ча­стью, передающей сигналы в динамическую часть.

Теперь перейдем к генетической информации, носителями ко­торой являются молекулы ДНК. Слова «ДНК», «гены», «наслед­ственная информация» стали настолько привычными, что неред­ко воспринимаются как синонимы. В действительности это да­леко не так. Гигантская по длине молекула ДНК состоит из че­тырех типов «кирпичиков», или нуклеотидов, которые могут быть соединены в любой последовательности. Эти молекулы обладают свойством, которое Г.Меллер назвал аутокатализом. Если в раствор, содержащий такие молекулы, внести в должном количестве все четыре нуклеотида (основания), то при соблюде­нии некоторых дополнительных условий эти молекулы начнут пристраивать основания вдоль своей цепи точно в той же по­следовательности, как и в них самих, а затем отделять от себя готовые копии. Процесс этот не зависит от того, какова последовательность оснований, составляющих исходные молекулы ДНК. Это может быть случайная последовательность, или стро­го чередующаяся, или любая иная – копии будут всегда похожи на оригинал, если не произойдет мутации, т.е. случайной заме­ны, вставки или выпадения одного или нескольких оснований.

Если ДНК состоит из случайной последовательности оснований, это далеко не ген, поскольку никакой наследственной информа­ции она не содержит, хотя и может самовоспроизводиться. Информация возникает на отрезках молекулы ДНК лишь тогда, когда благодаря мутированию (или по иным причинам) там сложится такая последовательность оснований, которая сможет повлиять на химические процессы, протекающие в ее окружении. Только тогда, выступая в роли «катализатора», ген сможет ус­корить одни или притормозить другие процессы, изменяя тем самым свое химическое окружение. Постепенно все большие преимущества будут получать такие структуры ДНК, которые в непосредственном своем окружении могут увеличивать концен­трацию нуклеотидов и других веществ, необходимых для их раз­множения. Лишь когда этот процесс завершится и в «первичной» молекуле ДНК возникнут отрезки, каждый из которых стимули­рует образование необходимых для удвоения ДНК соединений или угнетает синтез соединений, препятствующих их удвоению, можно считать, что в молекуле ДНК возникли гены и что сама эта молекула стала носителем генетической информации.

Генетическая информация, следовательно, содержится в набо­ре генов, контролирующих синтез соединений, которые обеспе­чивают удвоение молекул ДНК в некоторых данных условиях. Появление генов тесно связано с возникновением аппарата трансляции, а также с формированием оболочек или мембран, отделяющих от внешней среды участок, где находятся молекулы ДНК [17]. Это уже возникновение живых объектов, которые мо­гут расти, размножаться и приспосабливаться к новым условиям благодаря генам, возникающим и изменяющимся в результате мутаций; они умирают, когда разрушаются содержащиеся в них гены или когда они не в состоянии приспособиться к внешним условиям. Изменяясь, гены влияют и на другие структуры орга­низма, обеспечивая тем самым «заселение» все новых мест оби­тания, появление многоклеточных растений, грибов и животных, т.е. эволюцию жизни на Земле. Как писал Г. Меллер, в основе жизни лежит ген.

Таким образом, совокупность генов, или генетическая ин­формация, регулирующая целенаправленную деятельность любой живой клетки, определяется не самими основаниями ДНК, а по­следовательностью их расположения.

Различие между генетической информацией и молекулой ДНК позволяет также ввести понятие генетической информации и выяснить отличие таких ее носителей от информации как та­ковой. Поэтому-то мы и говорим, что генетическая информация записана в ДНК определенной последовательностью оснований. Именно эта информация, т.е. запись последовательности тех со­бытий, которые должны произойти, чтобы вновь возникающие клетки могли вырасти, а затем вновь поделиться и т.д., – са­мый важный компонент живой клетки. То, о чем писал Меллер около 70 лет назад, можно сформулировать следующим обра­зом: живое - это совокупность объектов, содержащих информа­ционные структуры, обладающие свойствами аутокатализа и гетерокатализа, обеспечивающие размножение этих объектов в разнообразных условиях внешней среды. Жизнь – это возникнове­ние все новых содержащих информацию объектов, материальные компоненты которых обеспечивают ее воспроизведение во все более разнообразных и сложных ситуациях. Очевидно, что чем сложнее эти ситуации, тем больше нужно информации, чтобы в соответствии с ней построить живой объект, способный в этих ситуациях существовать.

Как нам кажется, в мире неживой Природы нет примеров информационных систем, в которых носители информации от­личались бы качественно от остальных элементов системы.

^ Основа жизни

Мы привыкли к словосочетанию «генетическая информация», забыли даже, что ввел его в научный обиход Э. Шредингер в середине 40-х годов [18]. В своей книге «Что такое жизнь с точки зрения физика?» он опирался на работу Н. В. Тимофеева-Ресовского, К. Г. Циммера и М. Дельбрюка «О природе генных мутаций и структуре гена», увидевшую свет в Германии в 1935 г. [19]. Это произошло вскоре после того, как Г. Меллер, ученик Т. Моргана, впервые показал, что гены не только воспроизводят себя и изменяются (мутируют), но что можно повлиять на час­тоту их мутирования, например, повышением температуры или действием ионизирующих излучений [20].

В 1928 г. Меллер [21] в статье «Ген как основа жизни» по­казал, что именно гены (образования неизвестной тогда приро­ды), способные к ауто- и гетерокатализу, положили начало фе­номену жизни на нашей планете. «Ясно, что, став на эту точку зрения, мы избегаем логических трудностей, связанных с проис­хождением современной протоплазмы, с ее взаимодействием час­тей, действующих совместно в направлении продолжения роста и точного воспроизведения целого. Система эта образовалась, так же как и сложная макроскопическая форма высших расте­ний и животных, ... постепенно, шаг за шагом, каждый из ко­торых проверялся по мере того, как в первичных аутокаталитических генах мутация следовала за мутацией. В этом процессе преимущественно выживали, размножались и вновь мутировали лишь те гены, побочные продукты которых оказывались наибо­лее полезными для дальнейшего воспроизведения... Согласно этому взгляду, который, по-видимому, наилучшим образом выдерживает проверку исчерпывающим анализом, по крайней мере значительная часть протоплазмы явилась вначале лишь побоч­ным продуктом активности генного вещества; ее функция... за­ключается лишь в питании генов; первичные же, свойственные всякой жизни, тайны скрыты глубже, в самом генном вещест­ве... Мутабильного типа структуры в генном веществе несо­мненно претерпели в процессе эволюции глубокие изменения и подверглись усложнениям, а под их влиянием, конечно, эволю­ционировала и протоплазма, но другие структуры – те черты строения гена, которые ответственны за его первичное свойство аутокатализа – должны быть еще и сейчас такими же, какими они были в незапамятные времена, когда зеленая тина еще не окаймляла берегов морей».

Всего через 20 с небольшим лет после этой публикации было установлено, что гены представляют собой отдельные участки молекулы ДНК, размножающиеся путем комплементарного при­страивания друг к другу четырех видов нуклеотидов; гены му­тируют, когда происходят ошибки в этом процессе; они управ­ляют синтезом разного рода белков, составляющих протоплазму, переключаясь время от времени с аутокатализа (построения соб­ственных копий) на гетерокатализ (построение инородных моле­кул) путем синтеза РНК и, с ее помощью, молекул белка.

Сейчас все это хорошо известные процессы. Можно ли про­водить аналогии между свойствами живых клеток и, например, кристаллов? Рост и размножение кристаллов основаны на при­соединении к исходной «затравке» все новых, точно таких же молекул из раствора. Вероятность этого равновесного процесса зависит от температуры и концентрации раствора. Размножение вирусной частицы также зависит от условий окружающей сре­ды. Но вирусы, как и все живые организмы, – открытые систе­мы и с большей эффективностью используют окружающую сре­ду для выживания и размножения. Это касается, например, по­иска клетки-хозяина и размножения в ней. Прикрепившись к поверхности живой клетки, вирус с помощью специального бел­кового устройства впрыскивает в нее свою молекулу ДНК или РНК, содержащую его гены. Гены вируса не только воспроиз­водят себя, используя синтезируемые зараженной клеткой «кир­пичики», но также заставляют эту клетку создавать новые, не свойственные ей белковые молекулы, которые, окружая готовые генетические структуры новых вирусных частиц, создают белко­вую оболочку вируса, приспособленную для осуществления сле­дующего цикла – заражения других клеток и размножения в них.

Все теории происхождения жизни вращаются вокруг попыток ответить на вопрос: как возникла ДНК и та информация, кото­рая записана в ней [17]?

^ Поведенческая информация

Генетическая информация и ее изменчивость полностью опреде­лила эволюцию всех организмов, ведущих преимущественно при­крепленный образ жизни, т.е. растений и грибов. Однако, с разви­тием подвижности животных, активации поисков пищевых ресурсов и половых партнеров, все большую роль в их жизнедеятельности начинают играть новые, случайно возникающие ситуации, которые невозможно заранее предвидеть и «запастись» генетически детерми­нированными ответами на них. Это, видимо, и послужило основой для возникновения поведенческой информации. Поведенческой бу­дем называть информацию, лежащую в основе поступков, контро­лируемых особенностями нервной системы, которые формируются временно, под влиянием жизненного опыта или процессов научения, например путем подражания родителям или другим сородичам.

С возникновением поведенческой информации роль генетиче­ской информации в жизни высших животных начинает изменяться. Теперь все большая роль в их выживании принадлежит не только генетически детерминированным ответным реакциям на те или иные ситуации, но и таким особенностям нервной системы, которые обес­печивают эффективное использование обучения и научения, в том числе решение без предварительного опыта внезапно возникающих задач [22]. Поведенческая информация постепенно играет все боль­шую роль в выживании высших животных, примеры чему можно найти как у классиков [22, 23], так и у наших современников [24-27]. Максимальное развитие поведенческая информация получила у млекопитающих. Мы еще не знаем материальной (точнее, молеку­лярной) природы носителей этого вида информации и не умеем определять ее количество. Но нет поведения, которое не обеспечивало бы целесообразность поступков высших животных в разных ситуа­циях. Здесь тоже «работает» дарвиновский отбор: неадаптивные реакции приводят, как правило, к гибели животных, а вместе с ними погибает и «неправильная» информация.

Мы убеждены в том, что именно те генетически детермини­рованные структуры клеток и особенности организации нервной системы, которые делают ее способной накапливать и использовать поведенческую информацию, являются основой для форми­рования третьего вида информации – логической, с которой связаны возникновение и эволюция человека.

^ Логическая информация

Вряд ли можно сомневаться, что человек стал тем, что он есть, только обретя дар речи. «В начале было Слово...» (Иоанн, 1, 1). Первоначально логическая информация, носителем кото­рой является речь, играла роль, скорее всего, лишь для ускоре­ния и упрощения обмена между людьми поведенческой инфор­мацией. Но затем эта ее функция отошла на второй план. Ос­новная роль и главная функция логической информации связа­ны, видимо, с особенностями ее носителя – человеческой речью. Речь, язык присущи только человеку. У других живых организ­мов (в том числе у обезьян и дельфинов) языка нет – есть лишь сигнальное общение, ничего общего, кроме внешнего сходства, с человеческой речью не имеющее [26]. Уникальная особенность языка, как носителя информации, состоит в том, что он позволяет информации существовать вне зависимости от индивидуумов, ее создающих или использующих. Именно язык создал единый информационный пул планеты, открытый для всех населяющих Землю людей.

Логическая информация не имеет четких границ с другими, неинформационными, языковыми феноменами, относящимися, например, к областям искусства, религии и т.п. Но все эти фе­номены, при тщательном рассмотрении, выполняют общую функцию содействия распространению и сохранению разных ви­дов логической информации. Такую же роль играют и этика, и мораль, и другие стороны социальной жизни людей [28]. Все это, вместе взятое, оказывает на человека давление, направлен­ное на все большее сплочение, объединение всех представителей человечества в единую общность и развитие единого информа­ционного пула.

Подстать развитию информационного пула идет и реализа­ция логической информации. Операторами, способствующими осуществлению целенаправленных действий и кодируемыми ге­нетической информацией, служат все негенетические компоненты живых организмов. В случае поведенческой информации таким оператором является поведение животных в разных ситуациях. Дли логической информации в роли операторов выступают тех­нологии – вся совокупность технологических приемов и процессов, известных человеку. Эти операторы существуют вне зави­симости от желания и воли отдельных людей, как и кодирую­щая их логическая информация.

Мы сейчас находимся в фазе становления «информационного общества». Все новые достижения логической информации и ос­нованных на ней технологий уже практически полностью объе­динены в единый информационный пул и единую технологичес­кую систему планеты. Этому соответствует такое же (правда, идущее с некоторым запаздыванием) объединение человечества в разных регионах земного шара. Ведущая роль информации в этом процессе очевидна и не требует доказательств. От предсказаний: «Что нас ожидает завтра?» – мы воздержимся по той простой причине, что наше будущее принципиально непредска­зуемо: даже небольшие изменения в информационном пуле, не­предвидимые заранее, могут существенным образом видоизме­нить связанные с ними технологии, а следовательно, и наше с вами существование.

^ Автогенез информации

Первичные живые организмы возникли на нашей планете более 4 млрд. лет назад. Тем самым предшествовавшая неор­ганическая эволюция дополнилась эволюцией живых организ­мов [17], в форме которой выступила новая, ранее не сущест­вовавшая на Земле сущность – генетическая информация. За­кономерности развития информации позволяют понять, как появились новые виды живых организмов, а по существу -новые варианты генетической информации [28]. Попадая во все более сложные условия, в создании которых информация принимала все большее участие через «наработку» побочных продуктов своей деятельности, живые организмы, подчиняясь естественному отбору, увеличивали количество содержащейся в них информации, повышали ее ценность, оптимизировали эф­фективность.

Различные варианты генетической информации менялись как количественно, так и качественно. В результате живой мир постепенно распространялся по всей планете. Вслед за прокариотами (бактериями) появились эукариоты – растения, грибы и животные. Количество генетической информации, со­держащейся в клетках этих организмов, стремилось к возмож­ному для них максимуму [29]. Для координации действий у одной из групп гетеротрофных организмов – многоклеточных животных – образовалась нервная система. У высших живот­ных поведенческие реакции, играющие все большую роль в их жизнедеятельности, не ограничивались уже теми, которые пе­редаются по наследству, а создавались и самостоятельно, на основании «жизненного опыта», и передавались потомкам че­рез обучение. Так возникла поведенческая информация, по ла­бильности и скорости передачи существенно превосходящая генетическую.

Поведенческая информация образовалась на основе врожден­ных поведенческих реакций, генетически запрограммированных в нервной системе. Это – ярчайший пример перехода информации из одной формы в другую, с носителей одной природы (молеку­лы ДНК) на носители другой природы (нервные клетки). Для высших животных, обитающих в сложной природной среде, умение «вести себя» в тех или иных ситуациях играет такую же роль для выживания, как для простых живых существ «умение» потреблять нужную пищу, строить из нее свое тело и выраба­тывать нуклеотиды, необходимые для размножения молекул ДНК. Поведенческая информация позволяла высшим животным не только ориентироваться в окружающей среде, но и взаимо­действовать друг с другом в поисках пищи и половых партне­ров, в воспитании и обучении потомства, в защите от врагов. Вырабатывались различные сигналы, которыми обменивались друг с другом высшие животные: химические метки, знаки на земле или коре деревьев и, конечно, звуки, имеющие разное значение в разных ситуациях. Так постепенно готовилась почва для формирования речи – способа обмена информацией путем различной последовательности звуков и их комбинаций. Скла­дывалась человеческая речь.

Появление владеющего речью «человека говорящего» означа­ло возникновение нового вида информации – информации ло­гической. Б. Ф. Поршнев [30] связывал появление речи с форми­рованием самого человека. Не труд, а речь сделала человека тем, что он есть. Трудиться может и «бессловесная тварь», не жалея сил и преодолевая разные препятствия для достижения своей цели – построения гнезда или плотины, при охоте за дичью. Но организовать труд, передавать друг другу уже приобретенные трудовые навыки, обобщать опыт и в сжатом виде трансфор­мировать его в понятия – для всего этого необходима речь.

Если генетическая информация породила жизнь, поведенчес­кая – обеспечила разнообразие поведения высших животных, то логическая информация, передаваемая с помощью речи, вначале устной, а затем и письменной, ознаменовала начало эры ноогенеза, эры рождения сферы разума, охватывающего, вслед за биосферой, весь земной шар. На основе логической информа­ции, или, другими словами, на основе накапливаемого человече­ством знания, начали развиваться технологии. Этим термином называют искусственно создаваемые человеком структуры и процессы, обеспечивающие его существование, а тем самым и размножение тех фрагментов логической информации, которые вызвали их к жизни. Если технология себя не оправдывает, че­ловек ее отбрасывает, и лежащая в ее основе логическая ин­формация утрачивается (забывается).

Так же, как биологическая эволюция представляет собой лишь «отражение в мире вещей» развивающейся генетической и поведенческой информации, так и техногенез – лишь отражение развития логической информации, существующей вне отдельных человеческих существ.

^ Предвидимо ли будущее?

Мы живем в мире неравновесных процессов. Математические задачи при решении нелинейных дифференциальных уравнений, о которых шла речь выше, приводят к области, называемой теорией бифуркаций. Это говорит о том, что если близко от точки равновесия система имеет единственное решение, то вдали от равновесия при некотором значении критических параметров в области неустойчивости она достигает точки бифуркации, на­чиная от которой для системы открываются новые возможно­сти, приводящие к одному или нескольким решениям. Теория бифуркаций находит бесчисленные приложения начиная от фи­зики, кончая экономикой и социологией. Попробуем построить приблизительные решения для судьбы логической информации.

Судя по аналогии с предыдущими видами информации, мож­но предположить автотрофное существование логической ин­формации, подобно автотрофному типу питания, избранному растениями. Но у растений переход этот был связан с совер­шенствованием отдельных индивидуумов, представляющих собой искусные «живые фабрики» по производству глюкозы из воды и углекислого газа (с помощью квантов солнечного света) и ис­пользующих этот продукт для энергообеспечения синтеза моле­кул, слагающих их тела. В случае же логической информации иной путь к автотрофности – возникновение технологий, использующих тот же солнечный свет (а может быть, и термо­ядерный синтез) как источник энергии и «подручное» неоргани­ческое сырье для создания сначала – систем жизнеобеспечения человека, а затем, возможно, и для строительства самовоспроиз­водящихся автоматов. Следует, однако, подчеркнуть, что автотрофность человечества – это такая же вольная фантазия, как и все другие футурологические рассуждения. Единственное, чему нас учит история, – это непредсказуемость будущего.

Пусть читатель не судит очень строго нашу попытку, в меру понимания, представить эволюцию информации, в особенности последний, биологический, этап ее развития. Нашей задачей мы считали не столько ответить, сколько поставить вопросы эво­люции, используя идеи из разных областей знания.

Литература

  1. Шеннон К. Математическая теория связи «К. Шеннон. Работы по теории информации и кибернетике». М.: И ИЛ, 1963. С. 243-332.

  2. Бриллюэн Л. Научная неопределенность и информация. М.: «Мир», 1966.

  3. Кадомцев Б. Б. Динамика и информация. Редакция журнала «Успехи физических наук», 1997.

  4. Kolmogorov А. N. Infomation transmission. V.I, 1965. № 3.

  5. Zurek W. H. Complexity, Entropy and Phisics of Information (Ed. W. H. Zurek). Addison-Wesley. 1990.

  6. Дастр Н. Жизнь материи. Краткий систематический словарь биоло­гических наук. Ч. 3. СПб.: 1904. С. 5-31.

  7. Лункевич В. В. Основы жизни. Ч. 1., М.-Л.: 1928

  1. Дриш Г. Витализм. Его история и система. М.: 1915.

  2. Харкевич А. А. О ценности информации. Проблемы кибернетики. Вып. 4, М.: Физматгиз, 1960. С. 53-72.

  1. Корогодин В. И. Определение понятия «информация» и возможности его использования в биологии. Биофизика, 1983, Т. 28., вып. 1, С. 171-177.

  2. Prigogine I. Introduction to Nonequilibrium Thermodynamics. Wiley-Interscience. NY. 1962.

  3. Баблоянц А. Молекулы, динамика и жизнь. М.: «Мир», 1970.

  4. Моисеев Н. Расставание с простотой. М.: Аграф. 1998.

  5. фон Нейман Дж. Общая и логическая теория автоматов. В кн.: Тьюринг А. Может ли машина мыслить? М.: Гос. изд. физ.-мат. лит., I960, С. 59-101.

  6. Винер Н. Кибернетика, или управление и связь в животном и ма­шине. М.: «Советское радио», 1968.

  7. Серавин Л. Н. Теория информации с точки зрения биолога. Л.: Изд. Лен. унив., 1973.

  8. Эйген М., Шустер П. Гиперцикл. М.: «Наука», 1980.

  9. Шредингер Э. Что такое жизнь? М.: Изд. Ин. Лит.. 1947.

  10. Тимофеев-Ресовский Н. В., Циммер К. Г., Дельбрюк М. О природе генных мутаций и структуре гена. В кн: Н. В. Тимофеев-Ресовский. Избранные труды. М.: «Медицина», 1996. С. 105-153.

  11. Меллер Г. Д. Проблема изменчивости гена. В кн.: Г.Д.Меллер. Избранные работы по генетике. М.-Л.: Огизсельхозгиз, 1937, С. 178-205.

  12. Меллер Г. Д. Ген как основа жизни. Г. Д. Меллер. Избранные ра­боты по генетике. М.-Л.: Огизсельхозгиз, 1937, С. 148-177.

  13. Северцов А. Н. Эволюция и психика. М.: Изд. Собакиных. 1922.

  14. Северцов А. Н. Морфологические закономерности эволюции. В кн.: А.Н. Северцов, Собр. сочинений, Т. 5, М.-Л.: Изд. АН СССР. С. 210-216.

  15. Tinbergen N. The Study of Instinct. Oxf.: 1969.

  16. Лоренц К. 3. Кольцо царя Соломона. М.: «Знание», 1978.

  17. Панов Е. Н. Этология – ее истоки, становление и место в исследовании поведения. М.: «Знание», 1975.

  18. Крушинский Л. В. Биологические основы рассудочной деятельности. М.: Изд-во МГУ, 1977.

  19. Корогодин В. И. Информация и феномен жизни. Пущшо: 1991.

  20. Korogodin V. I., Fajszi Cs. Int. J. System set, 1986, v.17, №12. P. 1661-1667.

  21. Поршнев Б. Ю. О начале человеческой истории (Проблемы палеопсихологии). М.: «Наука», 1976.


Последнее редактирование: 2022-01-07

Оценить статью можно после того, как в обсуждении будет хотя бы одно сообщение.
Об авторе:
Этот материал взят из источника в свободном доступе интернета. Вся грамматика источника сохранена.



Тест: А не зомбируют ли меня?     Тест: Определение веса ненаучности

В предметном указателе: Восприятие информации | Голографический принцип | Автоматическая и контролируемая переработка информации и внимание | Актуальные проблемы обеспечения доступа к информации | Во сколько дети начинают разговаривать: информация и советы специалистов | Дэир (Дальнейшее энерго-информационное развитие) | О картине мира и чем они обосн... | Основа личности | основные методы познания мира | Fornit Neurocomputer Искусственный интеллект, основы | Долг гражданский. Основные права и обязанности гражданина России | Ермолаев Д.С. Основная Цель Жизни субъекта | Законопроект о неподсудности священных писаний четырех основных религий — христианства, ислама, иудаизма и буддизма | Бог | Жизнь после смерти | Здоровый образ жизни | Как найти смысл жизни | Критика Тихоплавов | Магия мозга и лабиринты жизни ... | Мистические теории | Непознанное | Победа над смертью | Поиск смысла жизни
Последняя из новостей: Трилогия: Основы фундаментальной теории сознания.

Обнаружен организм с крупнейшим геномом
Новокаледонский вид вилочного папоротника Tmesipteris oblanceolata, произрастающий в Новой Каледонии, имеет геном размером 160,45 гигапары, что более чем в 50 раз превышает размер генома человека.
Тематическая статья: Тема осмысления

Рецензия: Рецензия на книгу Дубынина В.А. Мозг и его потребности. От питания до признания

Топик ТК: Интервью с Константином Анохиным
 посетителейзаходов
сегодня:00
вчера:00
Всего:21552361
Авторские права сайта Fornit