Информация как основа жизни - В. Корогодин

Поясним эти понятия и их соотношение на двух примерах из живого мира. Предположим, что мы хотим определить радиочувствительность клеток популяции дрожжей. Мы ставим эксперимент: делаем суспензию клеток, облучаем ее, высеваем клетки на чашки Петри с питательной средой, затем определяем радиочувствительность клеток по числу выросших колоний. В ходе этого эксперимента мы заставляем геном клеток дрожжей работать по определенной схеме, одной единственной для каждой клетки. Тем самым мы выбираем и фиксируем одно единственное состояние из всех возможных. Этот эксперимент, который выявляет реакцию данных клеток на облучение, сводит все возможные состояния макромолекул, характеризующиеся некой максимальной энтропией, к одному единственному. Он может быть проведен за счет внешних ресурсов (питательной среды, источника облучения, работы лаборанта и т. д.). Второй пример – завоевание электората перед выборами. Хаотичные настроения толпы, характеризующиеся максимальной энтропией в обычное время, после агитации средствами массовой информации (накачивание внешней 7) перед выборами сменяются крайней политизацией. После выборов определяется количество проголосовавших за того или иного кандидата – поведение электората соответствует максимуму "информированности" о том или ином кандидате, какое-то количество неголосовавших составляет инертную константу.

Кратко резюмируя изложенное, можно заключить, что рождение новой информации всегда происходит в открытых системах, где параметры порядка становятся динамическими переменными.

В следующем параграфе мы рассмотрим системы с диссипацией избыточной внутренней энтропии.

Пусть будет некоторая открытая система, из которой постоянно удаляется шлак избыточной энтропии за счет роста энтропии внешней среды. Эта система является "диссипативной структурой". Пригожий с сотрудниками [16, 17] показали, что диссипативными структурами будут являться все разнообразные колебательные, пространственно организованные и пространственно-временные упорядоченные системы.

Для возникновения диссипативных структур необходимы следующие условия:

1. система должна быть открытой и находиться вдали от термодинамического равновесия;

2. в системе должны протекать различные каталитические и кросс-каталитические процессы, а также наблюдаться регуляция по типу обратной связи;

3. после некоторого критического значения параметров системы или какого-либо внешнего воздействия состояние системы становится неустойчивым и система может перейти в новое стационарное состояние, режим которого соответствует упорядоченному состоянию.

Под влиянием флуктуации отдельные элементы системы, взаимодействуя, обнаруживают свойства, характеризующие систему в целом, которые невозможно предсказать на основании свойств ее отдельных элементов. Такие структуры хорошо описываются нелинейными дифференциальными уравнениями. Примеры диссипативных структур можно взять из разных областей – физики, химии, биологии.

Одной из давно известных таких самоорганизующихся структур является реакция Белоусова-Жаботинского [18, 19]. Бросается в глаза большое число промежуточных соединений системы, которые соответствуют такому же числу дифференциальных уравнений. Для каждого из этих уравнений константа скорости должна быть получена из эксперимента. Один из этапов реакции является автокаталитическим.

В 1971 г. М. Эйген [20] сформулировал последовательную концепцию предбиологической молекулярной эволюции. Эйген распространил идеи дарвиновского отбора на популяции макромолекул в первичном бульоне. Далее он показал, что кооперирование молекул в "гиперциклы" приводит к компартментализации в виде отдельных клеточных единиц. Гиперцикл – это средство объединения самовоспроизводящихся единиц в новую устойчивую систему, способную к эволюции. Он построен из автокатализаторов, которые сочленены посредством циклического катализа, т. е. посредством еще одного автокатализа, наложенного на систему.

Дарвиновский отбор, являющийся предпосылкой для возникновения гиперциклов, на молекулярном уровне может иметь место в системах, обладающих следующими свойствами:

1. метаболизмом – система должна быть далеко от равновесия. Образование и разложение молекулярных видов должны быть независимы. Отбор должен действовать только на промежуточные состояния, которые образуются из высокоэнергетических предшественников и разрушаются в низкоэнергетические отходы. Система должна использовать освободившуюся энергию и вещества;

2. самовоспроизведением – способностью инструктировать свой собственный синтез;

3. мутабилъностью, которая всегда сопутствует самовоспроизведению. Ошибки копирования – основной источник новой информации. Образование и отшлифовка эйгеновских гиперциклов привели к созданию аппарата трансляции. Образование вслед за этим клеточной мембраны завершило предбиологический период эволюции.

Вернемся снова к формуле Шеннона (6) и проанализируем текст "Завтра будет буря". Действительно, осмысленность или информация текста "Завтра будет буря" очевидна. Достаточно, однако, сохранив все элементы (буквы) этого сообщения, переставить их случайным образом, например, "рдеа Звубуб траяи", как оно утратит всякий смысл. Но бессмысленной информации не бывает. Согласно же формуле (7) оба предложения содержат одинаковое "количество информации". О какой же информации здесь идет речь? Или, вообще, можно ли говорить об информации по отношению к разрозненным элементам сообщения?..

Очевидно, отдельные элементы сообщения можно назвать "информацией" лишь при условии, если перестать связывать информацию с осмысленностью, т. е. с содержательностью. Но тогда это бессодержательное нечто вряд ли стоит называть "информацией", вкладывая в первичный термин несвойственный ему смысл. Учитывая, однако, что элементы сообщения реально используются для составления осмысленных текстов, содержащих информацию, эти элементы (буквы, сигналы, звуки) удобнее трактовать как информационную тару, которая может содержать информацию, а может быть и бессодержательной, пустой [21]. Очевидно, что емкость тары зависит от того, заполнена ли она и чем она заполнена. Поэтому частотную характеристику элементов сообщения

лучше называть не "количеством информации", а "емкостью информационной тары". Это, кстати, хорошо согласуется с формулой К. Шеннона (7), по которой "количество информации" в данном сообщении не зависит от порядка следования составляющих его букв, а только от их числа и частотных характеристик.

Однако здесь резонно возникает вопрос, насколько обоснованно считать

емкостью i-го элемента информационной тары? Судя по работе [3], такой способ измерения количества информации введен скорее из соображений удобств. Коэффициент k здесь играет подсобную роль – его величина зависит от выбора единицы измерения количества информации (или емкости тары) и основания логарифма. Как мы уже отмечали, если за такую единицу принять бит, т. е. информационную емкость одного элемента стандартного бинарного кода, когда р1 = р2 = 0.5, а за основание логарифмов "2", то k=1, и тогда формула (7) приобретет вид Нм = М. В общем же случае эту формулу можно записать как (1), что по смыслу своему представляет собой не что иное, как расчет числа букв бинарного кода, требующегося для записи данного сообщения. При такой интерпретации выбор единицы измерения емкости тары и способа определения этой емкости приобретает обычное звучание, – но, конечно, лишь при условии максимальной компактности кода (когда реже встречающиеся в языке символы заменяются большим числом букв бинарного кода, чем чаще встречающиеся) и только в пределах данного разговорного языка. Сохранится ли это правило перехода от одного кода к другому для разных разговорных языков? А также от одного языка к другому?

Заметим, однако, два обстоятельства в данном примере текста "Завтра будет буря". Первое – текст понятен русскому, но является "китайской грамотой" для китайца. Это говорит о том, что каждый раз, когда мы говорим о семантике, необходимо иметь в виду семантическое родство сообщения и воспринимающей системы.

Второе обстоятельство касается того, что текст – замкнутая система.

Перейдем к открытым динамическим системам. Как мы уже отмечали, в таких системах будут возникать параметры порядка, именно они станут "семантикой информации", адекватной внешней среде. На основании этой новой информации будет идти естественный отбор на выживание этих организованных систем. Дарвиновский отбор накладывает ограничения на объекты всех уровней – физические, химические, биологические и другие [22]. В биологических системах первым уровнем дарвиновского отбора является генетический отбор. В этой монографии мы будем рассматривать биологические системы, начиная с генетической – живой клетки.