Анатолий Никифорович БАРБАРАШ, к.т.н., с.н.с., биолог
Биологияначинается с определения сущности Жизни. В зависимости от того, каксформулировано определение Жизни, в сферу биологии попадают те или другиеобъекты. Например, Советский Энциклопедический Словарь, 1988 г. определяетживую материю по таким признакам, как обмен веществ, раздражимость, способностьк размножению, росту, развитию, по активной регуляции своего состава и функций,по различным формам движения, по приспособленности к среде и т.п. Легкозаметить, что, скажем, вирус, находящийся вне клетки, под такое определение неподходит, и в сферу биологии не попадает (вне клетки у него нет размножения и т.п.).
Подобноэнциклопедическому варианту, большинство других определений тоже требует отживой материи соответствия нескольким признакам одновременно. Между тем, впространстве признаков, содержащем лишь два класса объектов – живые и неживые –принципиальным может быть только одно различие между ними, а все остальныеотличия должны вытекать из этого принципиального различия как следствия.
** *
Можнопоказать, что наиболее характерной особенностью живой материи является еёинформационная насыщенность. Хотя ХХ век наводнил мир компьютерами,радиостанциями, телевизионными системами, спутниками-ретрансляторами,полиграфией, кинематографией, телефонией и т.п., вся эта информационнаяиндустрия, по сравнению с информацией внутри нас, выглядит не более, чем детскиммячиком возле земного шара.
Действительно,одинарный (гаплоидный) набор хромосом человека содержит около 3·109 парнуклеотидов, что эквивалентно 0,006 терабит информации. Ядро клетки имеет дватаких набора, а в 1 мм3 нашего тела (если принять клетку за куб с ребром 21мкм) содержится около 100000 клеток. Поэтому даже без остальных носителейинформации (РНК, генов митохондрий и др.), плотность информации в нашеморганизме составляет около 1200 терабит/мм3.
Длясравнения – основная память современных персональных компьютеров (жёсткихдисков или „винчестеров”) в среднем не более 1 терабита. Иначе говоря, дляобеспечения нашей жизни Природе пришлось в каждом кубическом миллиметре теласоздать только генетическую память, превышающую память 1 200 компьютеров. А ворганизме одного человека – память приблизительно 1011 компьютеров (т.е. всотни раз больше, чем существует компьютеров на Земле)! Такая насыщенностьинформацией характерна и для любой травинки или мушки. Какие же невообразимыеобъёмы информации наполняют живой мир вокруг нас!
Неимовернаяинформативность живой материи ещё не вполне осознана учёными. Одна из причин –в том, что нынешние определения информации так же далеки от совершенства, как иопределения Жизни. Формулировок много, каждое подвергается критике, все онинедостаточно чётки. Делать серьёзные выводы на основе таких формулировок – явнопреждевременно.
Прочтём,например, определение из упомянутого Словаря: „Информация – (от лат. informatio– разъяснение, изложение), первоначально – сведения, передаваемые людьмиустным, письменным или другим способом (с помощью условных сигналов,технических средств и т.д.). С середины 20 в. – общенаучное понятие, включающееобмен сведениями между людьми, человеком и автоматом, автоматом и автоматом;обмен сигналами в животном и растительном мире; передачу сигналов от клетки кклетке, от организма к организму, … одно из основных понятий кибернетики”.
Здесьинформация мудро определена как сведения и сигналы, а о её сущности сообщенолишь, каким образом, откуда и куда она передаётся.
Обычнопонятие информации трактуется очень широко. Определение призвано очерчиватьграницы определяемого объекта, отделять его в нашем сознании от другихобъектов. Даже имея все требуемые формальные черты, определение являетсятаковым лишь в той мере, в какой выполняет эту главную функцию. Известныеопределения информации недостаточно строго выделяют её среди других категорийестествознания.
Сегодняинформацию видят не только в электрических импульсах микросхем, в магнитныхзаписях, книгах или других системах сигналов, но буквально во всём – отсочетаний кварков в элементарных частицах до расположения сверхскопленийгалактик. Такую позицию, несколько утрируя, можно выразить словами „весь мир –сплошная информация”.
Информациюнаходят как в последовательности импульсов, несущей полезные сигналы, так и вшумовой помехе, возникающей при неисправности, причём в помехе расчётыпоказывают даже большее количество информации, чем в наиполезнейшем сигнале! Втакой широкой трактовке информации что-то явно неладно.
Еслипридерживаться распространённой точки зрения, то каждый объект (например, любоематериальное тело), обладает информацией. Но при подобной трактовке мыпринципиально не можем узнать количество информации, содержащейся в объекте!
Физикидавно столкнулись с неопределённостью в квантовой механике. Оказалось, что парытак называемых дополнительных величин (координат и импульса частицы илипротяжённости процесса во времени и его прироста энергии) принципиально немогут одновременно принимать точные значения. Произведение ошибок в такой паревеличин принципиально нельзя уменьшить ниже постоянной Планка. Нонеопределённость количества информации гораздо серьёзнее. В этом случае неудаётся установить даже возможный предел ошибки!
Помассе объекта можно судить о суммарном содержании в нём вещества и энергии. Впринципе, возможно (с учётом квантовомеханических ограничений) узнатьколичество потенциальной и кинетической энергии объекта, его электрический имагнитный заряд, количество нуклонов и электронов. Принципиально возможноколичественное определение даже таких экзотических характеристик, как лептонныйзаряд, изотопический спин, странность, „очарование” и др. Вот только выяснитьобъём содержащейся в объекте информации, при распространённой трактовке этойкатегории, невозможно!
Невозможнопотому, что новые уровни рассмотрения вещества дают новые порции информации онём. Это понятно и не требует объяснений. Но, кроме того, количество информациизависит от техники измерений, что следует пояснить.
Точностьоценки физических характеристик объектов неминуемо ограничивается возможностямиприборной базы. Это – общий закон. Есть такая обусловленность и для информации.Но степень зависимости результатов от измерительной техники для физическиххарактеристик и для информации принципиально различны.
Пусть,например, взвешиваются образцы массой около 1 кг на цифровых весах двух типов –с точностью 10 мг и 1 мг. Зарегистрированная величина массы может отличатьсяпри разном типе весов на приемлемую погрешность 0,001%. Иное положение синформацией о массе, зависящей (как логарифм) от количества возможныхдискретных результатов взвешивания, т.е. от степени неопределённости. В нашемслучае количество возможных результатов отличается, в зависимости от типавесов, не на доли процента, а в 10 раз или на 900%, что делает оценкубессмысленной!
Количествоинформации, получаемой при любом эксперименте, зависит не от объекта, в которомякобы содержится эта информация, а от точности измерительного прибора, неявляющегося предметом исследований. Как же узнать содержание информации вобъекте?
Илидругой пример. Спросим себя, какой объект должен содержать больше информации омассе – атом или галактика? Конечно, галактика – хотя бы потому, что онасостоит из баснословного количества атомов. Реально же, масса галактики можетбыть определена с точностью не выше 5–10% и, следовательно, информация о массесоставит 4–5 бит, а масса, скажем, атома гелия измерена с точностью болеедевяти десятичных знаков, чему соответствует объём информации около тридцатибит! Сплошная фантастика – атом содержит почти на порядок больше информации омассе, чем галактика! Здесь впору усомниться – а содержится ли вообще в атомеинформация, и обладает ли информацией галактика? Не навязываем ли мы им этихарактеристики?
Анельзя ли выйти из тупика, оценивая количество информации о массе принормированной относительной точности взвешивания? Не тут-то было! Приодинаковой относительной точности взвешивания все объекты, от атома догалактики, содержат одинаковое количество информации о массе! Это количествобудет зависеть не от взвешиваемого тела, а от точности взвешивания, т.е. будетхарактеризовать совсем не тот объект, каким мы интересуемся! Такая оценкаколичества информации лишена смысла.
Врезультате, при сегодняшнем толковании сути информации, её количество в том илиином объекте, в отличие от остальных характеристик, принципиально неопределимо.
** *
Важноеотличие живой материи (от неживой) в том, что содержащаяся в ней генетическаяинформация выражена при помощи некоего кода, и это резко отделяет её от океанадругих сведений об объектах, конкретизирует, чётко обозначает объём и т.д., ит.п.
Вгенетической информации, как и вообще в закодированной информации, можнозаметить явную предназначенность для какого-то использования. И, наоборот, всведениях, существующих вне всяких кодов, никакой изначальной предназначенностиувидеть не удаётся.
Действительно,информация, функционирующая в мире живой материи, разительно отличается оттого, что сегодня называют информацией, скажем, в луче от далёкой звезды.Принятый телескопом луч принципиально не содержит никаких условных обозначений.Он не претерпел никакого специального кодирования. Луч света лишьнепосредственно передаёт, несёт в себе характеристики далёкого небесного тела ипронизанного лучом космического пространства.
Такимобразом, перед нами как бы два типа информации. Одна – сплошь заполняющая весьмир живой и неживой материи, неопределённая по объёму, не имеющаяпредназначения, не связанная с кодированием. Другая – существующая только вмире живой материи или возникшая благодаря живой материи, легко оцениваемая вколичественном отношении, имеющая в каждом случае чёткое предназначение и,главное – всегда использующая ту или иную систему кодирования.
Поэтомуможно сказать, что мир живой материи выработал для себя и использует в пределахсвоей досягаемости особый тип информации, резко отличающийся от всего,существующего в девственном мире неживой Природы. Главным отличием информацииживого мира является использование кодирования. [Барбараш, 1999; 2001а; 2001б].
Этодаёт основание уточнить существующее представление об информации, а именно –разделить её, как одну из важнейших категорий естествознания, на дверодственные, но не эквивалентные части. Такие части можно назвать по-разному, ио терминологии ещё можно дискутировать. Сегодня же, автор предлагает называтьодну часть – сведениями или данными, а вторую – собственно информацией, всоответствии со следующими формулировками.
Данныеили сведения – это отражение характеристик реальных объектов.
Информация– это закодированное обозначение характеристик реальных или воображаемыхобъектов.
Кодированиеявляется установлением (системой кодирования-декодирования) определённогосоответствия, из ряда возможных, между данными и их обозначениями.
Можнозаметить, что приведенное выше энциклопедическое определение информации тоженегласно склоняется к кодированным данным.
Вновой формулировке, устройства кодирования – это устройства, воспринимающиенекие характеристики реальных объектов и формирующие на выходах соответствующиеобозначения: электрический сигнал, потемнение фотослоя, запись на бумаге илидр. Раньше такие устройства рассматривали как различного типа преобразователи:звука в электрические сигналы (микрофон), света в электрические сигналы(фотоэлемент), спектра излучения в запись на фотоплёнке (спектрограф), зарядови размеров молекул смеси в двумерное распределение их обозначений (хроматограф)и множество других. На вход устройства кодирования поступают данные или сведения,а на его выходе впервые возникает соответствующая им информация (в её новомпонимании).
Устройствадекодирования – это устройства, использующие информацию для реализацииобозначенного ею объекта. Например, такой биологический декодер, как(„молекулярная машина”) рибосома, реализует информацию, заключённую в нити РНК,синтезируя на её основе строго определённые молекулы белка.
Вновом понимании, системы кодирования-декодирования принципиально отличаются отсуществующих кодеров и декодеров, которые теперь правильнее называтьустройствами перекодирования, так как на их входы обычно поступает уже ранеезакодированная информация.
Всякоеобозначение выполняется на основе некоторой системы обозначений. Именно системуобозначений и принято называть кодом. Данный текст написан с помощью системыобозначений звуков нашей речи буквами русского алфавита. Каждый алфавит тожеявляется кодом.
Новоеопределение систем кодирования-декодирования заставляет причислять к ним инервные системы животных, вместе с органами чувств и эффекторами. На их входыпоступают характеристики окружающих объектов, а на выходе может формироватьсяинформация в виде соответствующих кодовых обозначений (звуков, жестов).Поскольку при обработке входных данных мозг человека способен генерировать воображаемыеобъекты, он оказывается источником информации не только о реальных, но и овоображаемых категориях.
Такимобразом, различие между информацией и данными (сведениями) в том, чтоинформация неотделима от кодирования, с чем не связаны данные (сведения).Последние же ограничены отражением свойств только реальных объектов, тогда какинформация не имеет такого ограничения.
Данныеили сведения, как правило, фигурируют в процессах контроля, измерений,восприятия. Данные или сведения могут относиться как к миру неживой, так и кмиру живой материи, потому что оба этих мира содержат реальную составляющую(для мира неживой материи она является единственно возможной).
Данныеили сведения остаются самими собой только до тех пор, пока не подверглиськодированию – после этого они превращаются в информацию. Количество полученнойинформации даёт косвенное представление об объёме сведений, подвергшихсякодированию. Как при старой трактовке был принципиально неопределённым объёминформации, содержащейся в объекте, так теперь неопределимо количествоинформации, содержащейся в сведениях (данных) на входе устройства кодирования.Соответственно, во всех случаях неопределимо и количество данных или сведений,содержащихся в любом объекте, что можно признать одним из фундаментальныхзаконов естествознания.
Незакодированныесведения или данные всегда характеризуют лишь реально существующие объекты(живые или неживые) и могут быть получены только от них. Информацию же, кромекодирования, роднит с миром живой материи то, что она способна описыватьнереальные, воображаемые объекты – плоды деятельности Разума. Авторымистических романов описывают оттенки цветов привидений не хуже, чем минерологификсируют информацию об окраске вполне реальных камней. Информация, по еёновому определению, не может возникать в мире неживой материи уже потому, чтотолько живая материя вносит во Вселенную кодирование.
Кодомможет быть названо только такое соответствие между оригиналом и обозначением,которое способно иметь разные варианты. Генетический код назван кодом, вчастности, потому, что могли бы существовать и другие варианты соответствиймежду триплетами нуклеотидов и кодируемыми аминокислотами. Свойства молекулсоли, например, нельзя считать кодом структуры её кристаллов потому, что дляконкретной соли эти свойства принципиально не могут иметь других вариантов.
** *
Возникаетинтереснейший вопрос. Живая материя не существует без информации, а информация– без обозначений. Почему же столь велика роль обозначений? Живая материясоставляет некую часть Вселенной, и выходит, что, не будучи обозначенной, этачасть Вселенной не способна существовать?! Для кого или для чего требуетсяобозначение – если не говорить о Боге?
Ответочень любопытен и не содержит никакой мистики.
Код,по определению, должен допускать разные варианты построения. Если быобозначение являлось точной копией обозначаемого объекта (оригинала), то онобыло бы однозначным, безвариантным. Поэтому для существования кодапринципиально необходимы какие-то отличия обозначения от оригинала. Обычнообозначения отличаются от обозначаемого объекта, уже начиная с элементов.Элементы обозначений, как правило, более удобны (чем элементы обозначаемогообъекта) для хранения, передачи, копирования и других операций. Очень часто вбольшой группе сходных объектов используется какая-то одна удобная, стандартнаясистема обозначений (например, алфавит). К такому приёму прибегают и человек, иПрирода. Но, при обязательном отличии обозначений от оригиналов, между нимивсегда сохраняется соответствие!
Вэтом и заключён смысл использования информации, смысл замены оригиналовобозначениями. Выигрыш от использования информации – как для Природы, так и длятехники – в удобном отличии свойств обозначений от свойств оригиналов присохранении принципиального соответствия между ними. Без выполнения этих двухтребований замена оригиналов обозначениями была бы бесполезной, лишённойсмысла.
Итак,достоинство информации в том, что, при существовании соответствия междуоригиналом и его обозначением, последнее всегда чем-то удобнее оригинала(обычно – удобнее в хранении, передаче, математической обработке). Например,чертежи домны легче перевезти из одной страны в другую по сравнению с самойдомной. Достоинство генетического кода проявляется, например, в его химическойпрочности – в истлевших останках мамонта бесполезно искать хорошо сохранившиесябелки, но часто их код можно установить по сохранившейся ДНК. Мы ещё не можемпослать за пределы Солнечной системы человека, но уже отправили пластину синформацией о нём и т.д. Вот чем полезна информация, вот почему она так широкоиспользуется Природой и человеком.
** *
Наоснове нового представления об информации, может быть предложено следующееопределение Жизни [Барбараш, 1999; 2001а; 2001б].
Жизнь– это форма существования материи, отличающаяся информационным способомформирования сходных структур, с передачей им на молекулярном уровне информациидля дальнейшего воспроизведения.
Можнопоказать, что все свойства живой материи, отмеченные энциклопедическимСловарём, оказываются следствиями названного принципиального отличия.
1.Формирование структур невозможно без притока веществ, как строительныхматериалов и энергоносителей. Но химический состав формируемых структурдиктуется не поступающими извне веществами, а наследственной информацией,отчего между составом получаемых и используемых веществ всегда есть некотороерасхождение, создающее неизбежные отходы. Кроме того, требуют удаления„продукты сгорания” энергоносителей. Отсюда, принципиальным следствиеминформационного способа формирования структур является обмен веществ.
2.Необходимость обмена веществ делает живую материю более зависимой и уязвимой,более чувствительной к связям с окружающим миром, чем неживая материя.Следствием такой острой зависимости стал естественный отбор – преимущественноеразмножение и сохранение лучше приспособленных к среде форм живой материи.
3.Естественный отбор обнаружил, что концентрация реагентов, например, путёмокружения зоны реакций полупроницаемой оболочкой, сокращает средний пробегмолекул и интенсифицирует реакции по сравнению с аналогичными процессами внеживой Природе. Это обусловило существование живой материи не в диффузномвиде, а в обособленной форме – в виде клеток, вирусов или многоклеточныхорганизмов.
4.Генетическая фиксация удачных структур и процессов позволила естественномуотбору вырабатывать в организмах системы автоматического регулирования дляприспособления не только к стабильным, но и к изменчивым условиям среды. Дляработы такой системы нужно чувствовать воздействия внешней среды, и отборвыработал у живой материи такую способность – раздражимость. Параллельновыработана и способность реагировать на раздражения, осуществлять различныеформы движения, например, перемещаться в более благоприятную, освещённуюсторону.
5.Информационный способ формирования структур навязывает необходимость питания,инициирует размножение, вызывает общий рост массы живой материи, отчегоограничивающим фактором становятся ресурсы окружающей среды. Поэтому крупныйорганизм не может появиться сразу, во всей красе. Сначала он долженсформироваться в виде малой, но целостной, приспособленной к жизни особи, а уждалее – вырастать по мере питания. Но условия жизни детёныша и взрослогоживотного не идентичны. Практически, у них разные экологические ниши, отчегопараллельно с ростом должна изменяться и организация, анатомия особи, её манераповедения, т.е. должно происходить общее развитие организма.
Такимобразом, все важные отличия живой материи, перечисленные энциклопедией,оказались следствием одного главного, принципиального свойства. Но если бы небыло изменено определение информации, не была учтена роль кодирования, то,например, кристаллы соли, растущие в насыщенном растворе, по новой дефинициитоже попали бы в категорию живой материи.
Существенно,что новое определение показывает точку старта биологической эволюции, котораяоставалась размытой при многофакторном определении Жизни.
Моментомрождения Жизни во Вселенной является возникновение кодирования, связанное споявлением наследственной информации.
Идеяпринципиальной важности процесса воспроизведения с использованием генетическойпамяти, идея важности генетического кодирования уже высказывалась другимиавторами, анализировавшими отличие живого от неживого. Например, Джон Берналписал [Бернал, 1969]:
„Молекулярноевоспроизведение есть … средство активного переноса информации, обеспечивающеесохранение отличительных черт отдельных организмов и видов.”
„Именновоспроизведение как механизм, ответственный за продолжение и преемственностьнормальных жизненных процессов, и является тем, что отличает живое отнеживого.”
„Постепенностало ясно, что в проблеме возникновения жизни главное – именно это точноевоспроизведение молекулярных структур, основанное на сохранении соответствующейинформации в самовоспроизводящихся последовательностях нуклеотидов внуклеиновых кислотах.”
Позже,в работе [Ляпунов, 1984] предложено такое определение:
«Жизньможно охарактеризовать как высокоустойчивое состояние вещества, использующеедля выработки сохраняющих реакций информацию, кодируемую состояниями отдельныхмолекул».
Однако,только новое определение сущности информации, изложенное выше, позволилодовести подобные мысли до логического завершения.
Список литературы
БарбарашА.Н. О Жизни и Разуме. — Киев, 1999. — 30 с. — Деп. в ГНТБУ 14.06.99, №152-Ук99.
БарбарашА.Н. Земная жизнь в космическом разрезе. — Одес. н.-и. ин-т телевизионнойтехники. — Одесса, 2001а. — 127 с. — Деп. в ГНТБ Украины 9.04.2001, №66-Ук2001.
БарбарашА.Н. Новые дефиниции жизни и информации. // Любищевские чтения, 2001б (сборникдокладов). – Ульяновск, Гос. пед. унив-т: Оргком. Любищевских чтений. С. 43–45.
БерналД.Д. Возникновение жизни. — М.: Мир, 1969. — 391 с.
ЛяпуновА.А. Биология и информация. — М., 1984.
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта www.sciteclibrary.ru