ДИНАМИКА ИНФОРМАЦИИ

Возникновение генетической информации

Из сказанного выше следует, что проблема возникновения самовоспроизводящихся информационных биологических систем, вместе с кодирующей их информацией, есть не что иное, как проблема происхождения жизни. Действительно, как писал К. X. Уоддингтон [1], «Система может быть названа живой, если в ней закодирована передаваемая по наследству информация, если эта информация иногда претерпевает изменения и если из­мененная информация также наследуется» (стр.13).

Как уже отмечалось (см. главу 3), идея о том, что живые объ­екты представляют собой такое единство генетических (т.е. ин­формационных) и негенетических компонентов, что последние предназначены для обеспечения воспроизведения первых, была сформулирована Г. Меллером [2]. Тем самым были поставлены три взаимосвязанных вопроса: что такое генетические структуры? как они могли образоваться? как они контролируют синтез структур не­генетических? Первый и третий вопросы сейчас, можно считать, решены (см., напр., [3]). Наследственные структуры представляют со­бой молекулы РНК или ДНК, в которых генетическая информа­ция записана последовательностью четырех оснований, а синтез негенетических структур осуществляется через промежуточный этап – матричный синтез т-РНК и и-РНК с участием специализи­рованных устройств – рибосом. Остается ответить на вопрос о том, могли ли и как именно спонтанно возникнуть первичные молекулярные носители информации (а), информация, в них со­держащаяся (б), а также реализующие ее устройства (в). Все ны­нешние попытки решить проблему происхождения жизни враща­ются, по существу, вокруг этих трех вопросов.

Как было упомянуто в предыдущих главах, новая информа­ция может быть создана в процессе естественного дарвиновско­го отбора. Остановимся на этом подробнее. Какие свойства яв­ляются необходимыми для отбора и эволюции?

Система, обладающая способностью к самоотбору, должна стабилизировать свои определенные структуры, отбирая наиболее благоприятные варианты среди распределения возникающих конкурентов, имеющихся в каждый момент времени. В такой системе должен быть заложен элемент обратной связи, осуществляющий закрепление устойчивости наиболее выгодных вариан­тов. Необходимое свойство обратной связи – это способность к автокатализу, т.е. самовоспроизведению.

Необходимыми свойствами для дарвинского поведения на молекулярном уровне являются:

1. Метаболизм - как образование, так и разложение молекулярных видов должны быть независимы друг от друга и спонтанны; отбор должен действовать только на промежуточные состояния, которые образуются из высокоэнергетических предшественни­ков и превращаются в низкоэнергетические отходы. Система должна использовать освобождающиеся энергию и вещество.
Система должна быть далека от равновесия.

2. Самовоспроизведение - способность инструктировать свой собственный синтез.

3. Мутабильность. Точность самовоспроизведения всегда ограни­чена хотя бы из-за теплового шума. Ошибки копирования – основной источник новой информации. Но для темпа мутаций существует пороговое значение, при котором скорость эволюции максимальна и не может быть превышена без потери всей информации.

Здесь мы должны отметить новое, по сравнению с критериями эволюции добиологического периода, требование самовоспроизве­дения, т.е. автокатализа. Дарвиновский отбор таких самореплици­рующихся единиц гарантирует эволюцию информации, будь то короткие цепочки нуклеиновых кислот или сложные организмы.

Первыми самовоспроизводящимися единицами были короткие цепочки нуклеиновых кислот. Они воспроизводимо реплициро­вали цепи длиной только 50-100 нуклеотидов [4]. Для дальнейшей эволюции, – увеличения точности копирования и количест­ва информации – требовались катализаторы, которые тоже должны были воспроизводиться (аппарат трансляции). Первыми самовоспроизводящимися структурами нуклеиновых кислот с ус­тойчивым информационным содержанием были молекулы типа т-РНК. Для самой простой системы аппарата трансляции требу­ется количество информации на порядок больше, чем в этих первичных молекулах т-РНК. Аппарат трансляции должен был включать несколько таких единиц, имеющих сходные функции, но разную специфичность. Этого нельзя было достичь посредст­вом сочленения их в одну большую единицу (из-за порога ошибок) или в компартмент (из-за конкуренции между ними). Это было возможно лишь при образовании функциональных связей между всеми самовоспроизводящимися единицами.

В 70-х годах М. Эйген с сотрудниками [5] разработал и опубли­ковал ряд работ, в которых показал, что дальнейшее накопле­ние и эволюция информации возможны на основе гиперциклов.

Гиперцикл – это средство объединения самовоспроизводящихся единиц в устойчивую систему, способную к эволюции. Гиперцикл построен из автокатализаторов, или циклов воспроизведения, которые связаны посредством циклического катализа, наложен­ного на систему. Гиперцикл основан на нелинейном автокатали­зе (второго или более высокого рангов), который обязательно включает связи типов стимуляции, репрессии и дерепрессии. Это и есть то отличительное свойство живых организмов, о котором пишет Н. Н. Моисеев, – только живые организмы имеют отрицательные обратные связи [6]. Никакая другая организация (компартмент, нециклические цепи) не способны обеспечить:

- конкуренцию в популяциях самореплицирующих единиц дикого типа, что гарантирует сохранение их информации;

- сосуществование нескольких популяций самореплицирующихся единиц и популяций их мутантов;

- объединение этих единиц в систему, способную к эволюции, где преимущество одной единицы может быть использовано всеми членами системы.

Для существования каталитического цикла достаточно, чтобы один из интермедиатов был катализатором для одной из после­дующих реакций. Каталитический цикл, имеющий биологическое значение, – репликация одноцепочечной РНК [5, 7]. Интермедиаты (плюс- и минус- цепи) участвуют в цикле как матрицы для своего взаимного воспроизведения. Нуклеозидтрифосфаты явля­ются высокоэнергетическим строительным материалом. Катали­тический гиперцикл состоит из самореплицирующихся единиц с двойными каталитическими функциями: в качестве автокатализатора интермедиат способен инструктировать свое собственное воспроизведение, а также оказывать каталитическое воздействие на воспроизведение следующего интермедиата.

Одним из уникальных свойств гиперциклов является их се­лекционное поведение. Отбор гиперцикла – «раз и навсегда». В обычной дарвиновской системе благоприятные мутанты имеют селективное преимущество и могут размножаться, их способ­ность к росту не зависит от размера популяции. В гиперцикле селективное преимущество является функцией численности попу­ляции из-за существенно нелинейных свойств гиперциклов, и уже существующий гиперцикл не может быть заменен «нович­ком», так как новый вид всегда появляется сначала в количест­ве одной (или нескольких) копий. Это свойство может объяс­нить универсальность генетического кода. Этот код окончатель­но установился не потому, что был единственно возможным, а потому, что здесь работал механизм «раз и навсегда» [8].

Предложенная модель гиперцикла связана с молекулярной организацией примитивного аппарата репликации и трансляции.

Гиперциклическая организация обусловливает стабилизацию и адаптацию всех компонентов системы. Она усложняется в ходе эволюции путем мутаций и дупликаций генов.

Образование аппарата трансляции открыло путь к развитию функции гетерокатализа и биологической эволюции. Первыми живыми информационными системами были первые клетки прокариот. В информационных системах живых клеток установи­лись новые законы естественного – дарвиновского – отбора и новые типы информации.

Снова обратимся к двум не зависящим друг от друга свойст­вам – аутокатализу, т.е. каталитическому синтезу самого себя, и гетерокатализу, т.е. каталитическому синтезу совершенно иного соединения. Каковы условия создания генетической информации? Можно представить себе колыбель генетической информации или зону комфорта как экстремум распределения гетерокаталитической активности (р) на некотором пространстве режимов, где р близко к максимально-возможному значению. Тогда на грани­цах зоны комфорта, где величина р будет все более уменьшать­ся, вполне допустимы ситуации, когда определенные виды гетерокаталитической активности будут вызывать не уменьшение, а возрастание р (т.е. где Р>р). Естественный отбор, конечно, бу­дет подхватывать и «закреплять» такие последовательности оснований, которые на гетерокаталитическом уровне сопровожда­ются указанным эффектом. Очевидно, что в разных участках периферии зоны комфорта одни и те же следствия, т.е. соотношение Р>р, смогут обеспечиваться разными гетерокаталитическими особенностями. Репродукция носителя вместе с содержа­щейся в нем информацией будет достигаться разными путями.

В условиях, отдаленных от зоны комфорта, отбор будет идти по пути формирования такого рода гетерокаталитических струк­тур, химическая активность которых будет способствовать ло­кальной имитации зоны комфорта в их непосредственной бли­зости. Каждый акт репродукции таких структур будет, с одной стороны, возвращать условия в этих локальных областях к исходному состоянию, а, с другой, будет «сообщать» дочерним молекулам, «что надо делать, чтобы воспроизвести себя в этих условиях», и процесс приобретает циклический характер.

Предыдущий абзац, по существу, представляет собой описа­ние работы информационных систем 1-го рода, реализованных на молекулярном уровне. Хотя такие молекулы и можно назвать «живыми», но это, конечно, далеко еще не «живые орга­низмы». Живыми организмами, индивидуумами, или неделимы­ми, мы называем обычно не молекулярные носители информа­ции, а комплексы этих носителей с порождаемыми ими опера­торами, комплексы, отделенные от внешней среды и располагающие, таким образом, средой внутренней [9]. Функция опера­тора носителей информации здесь не исчезает, но проявляется в создании системы структур, которые этот носитель окружают и обеспечивают его обособление от внешней среды. Только такие структуры и обеспечивают периодическое возникновение во внут­ренней среде зоны комфорта. Благоприятствовать появлению таких живых может лишь постепенное продвижение их предшественников из зоны комфорта ( где p≈1) в удаленные от нее об­ласти пространства режимов, для которых р≈0. Условием воз­никновения живых организмов, следовательно, является постепен­ное проникновение их предшественников в такие участки про­странства режимов, где спонтанное возникновение и размножение носителей генетической информации практически исключено.

Здесь мы использовали термин, имеющий смысл только по отношению к живым индивидуумам, т.е. к организмам или био­логическим объектам, – термин «генетическая информация». Все такие объекты, от простейших прародителей прокариот до со­временных гигантов мира растений и животных, можно отно­сить к информационным системам 1-го рода – все они облада­ют прекрасно развитыми операторами, структурно независимы­ми от носителей информации, но пространственно составляю­щими с ними единое целое, отделенное от внешней среды. Кодирующую строение и функции этих операторов информацию мы и называем генетической, а сами операторы – негенетиче­скими или соматическими компонентами клеток и организмов. Определение терминов «генотип», «фенотип» и других, связан­ных с ними, можно найти в любом учебнике генетики (см., напр., [3]), и останавливаться на этом нет смысла.

Логическая последовательность событий, приводящих от воз­никновения простейших потенциальных носителей информации к простейшим организмам – информационным системам 1-го ро­да, конечно, не зависит от того, какими конкретными путями осуществлялись те или иные ее этапы. Не имеет смысла также обсуждать вопрос, относящийся к моно- или полифилетическому происхождению организмов, – в действительности, по-видимому, реализовывались все логические возможности. Полезнее сосредо­точить внимание на вычленении ключевых событий генезиса и эволюционирования феномена жизни и тех условий, которые определяли осуществление этих событий.

Требования к информации и операторам

Сказанное выше позволяет сформулировать те требования к информации и кодируемым ею операторам, соблюдение которых является необходимым условием для того, чтобы их совокуп­ность могла составить информационную генетическую систему.

Информация должна быть закодирована на носителе, допус­кающем возможность реализации двух ее ипостасей, т.е. возмож­ность проявлять себя то в осуществлении гетерокатализа, то в осуществлении аутокатализа. В первом случае будет реализовываться присущая информации действенность, т.е. построение ко­дируемого ею оператора и управление его функционированием, а во втором – размножаемость. Пример такого носителя мы уже видели – это полимерные молекулы апериодического строения, такие, как молекулы РНК или ДНК ныне живущих организмов. Можно полагать, что в простейшем случае «тумблером», осуще­ствляющим «переключение» функций информации с гетерокатализа на аутокатализ и обратно, может служить концентрация в ок­ружающей среде определенных химических соединений: когда концентрация мономеров разных типов, составляющих молекулу-полимер, достигает критического значения (имитируя зону комфорта), «срабатывает» аутокатализ, число молекул-носителей на­чинает возрастать, а концентрация окружающих их мономеров -уменьшаться; это вызывает «включение» функции гетерокатализа, и молекулы-полимеры вновь начинают индуцировать в окружаю­щей их среде синтез мономеров, и начинается новый цикл. Эта схема может служить ключевой к работе любой информационной системы. Другое дело, что, прежде чем информация получит воз­можность проявить себя как ауто- или гетерокатализатор, может потребоваться «перевод» ее на разные системы записи или же функции эти будут проявляться не непосредственно, а через по­средство ряда промежуточных этапов, с участием многочисленных устройств-медиаторов (различных ферментов, например), – но суть дела от этого не изменится.

Функции гетерокатализа, таким образом, сводятся к тому, чтобы обеспечивать успешное выполнение аутокатализа. Специ­фика гетерокаталитическои функции и составляет семантику ин­формации.

Здесь важно подчеркнуть еще одно, уже упоминавшееся, тре­бование к генетической информации: изменение ее гетерокатали­тическои функции не должно никак сказываться на свойстве осуществлять аутокатализ (при необходимых условиях, конечно). Это может реализовываться лишь в одном случае – когда та и другая функции осуществляются независимо друг от друга, со­вершенно разными механизмами, т.е. когда механизм аутоката­лиза не зависит от семантики информации, хотя именно семан­тика и определяет конкретные формы его «срабатывания». В случае, если для реализации информации и ее репликации ис­пользуются ее копии на разных носителях, это требование выполняется автоматически. В случае же, когда используется един­ственная копия, выполнение этого требования обеспечивается разделением обеих функций во времени, т.е. цикличностью дей­ствия информационной системы.

Соответственно этому и операторы, обеспечивающие выпол­нение этих функций, могут иметь либо разные считывающие устройства, и тогда они способны функционировать одновре­менно, либо одно, общее, считывающее устройство, и тогда должны работать «посменно». При этом роль операторов, реа­лизующих функцию гетерокатализа, состоит в обеспечении по­стоянства внутренней среды информационного объекта при мак­симальном разнообразии внешних условий; а роль операторов, реализующих функцию аутокатализа, состоит в обеспечении осуществления этого процесса при максимально стабильных со­стояниях внутренней среды. В случае живых организмов удовле­творение этим требованиям операторов реальных информацион­ных систем проявляется в том, что при удивительном разнооб­разии их фенотипов и условий обитания те механизмы, которые осуществляют репликацию генетических структур и прежде всего удвоение ДНК, отличаются поразительной универсальностью. Практически это используется в генетической инженерии.

И, наконец, почти очевидное требование – требование пол­ного взаимного соответствия информации и операторов, сла­гающих одну информационную систему. Это должно выражать­ся как в общности языка, на котором записана информация и на который «настроены» считывающие и реплицирующие уст­ройства, так и в идентичности способов фиксации информации, поступающей на «вход» информационной системы и образую­щейся при ее функционировании.

Но сформулированные выше требования к информации и операторам – лишь необходимые, но еще не достаточные для того, чтобы слагаемая ими информационная система могла ус­пешно функционировать. Для этого нужно, чтобы было выпол­нено еще одно требование – требование комплементарности ин­формационной системы и тех условий, в которой ей надлежит обитать.

Принцип адекватности и экологические ниши

Взаимное соответствие информации и операторов, состав­ляющих единую информационную систему, а также комплементарность этой системы и условий той внешней среды, где ей предстоит функционировать, можно назвать «принципом адек­ватности», несоблюдение которого чревато разрушением и гибелью информационных систем. Чем разнообразнее внешние усло­вия, чем больше размерность пространства режимов таких сис­тем, тем сложнее должны быть устроены их операторы и, сле­довательно, тем большее количество информации требуется для их кодирования. Конкретная специфика условий будет отра­жаться в семантике информации и структурных особенностях операторов. Степень адекватности информации, операторов, его кодируемых, и условий внешней среды будет выражаться в цен­ности данной информации при ее использовании в данной точ­ке пространства режимов.

Рассмотрим теперь более внимательно отношения, которые могут складываться между информационной системой и внешней средой. Однако, прежде чем это сделать, необходимо дать дос­таточно строгие определения трем уже использовавшимся нами терминам – «пространство режимов», «среда обитания» и «экологи­ческая ниша».

Пространство режимов – это, как мы уже отмечали (глава 2), математическое многомерное пространство, по каждой оси ко­торого отложены нарастающие значения одного из факторов, «жизненно необходимых» для осуществления события цели. Раз­мерность этого пространства, соответственно, равна числу таких факторов. На пространстве режимов может быть распределена вероятность р спонтанного осуществления Z, а также вероят­ность Р его осуществления при использовании данного опера­тора Q,. Поверхности, описывающие такие распределения, могут не перекрываться, а могут перекрываться частично или полно­стью, так что объем пространства режимов, содержащий его область, где р > О, может входить в область для Р > 0, а может занимать и совершенно обособленное положение, особенно если размерности пространства режимов для спонтанного и целена­правленного осуществления Z не одинаковы.

Размерность пространства режимов какого-либо оператора -очень важная характеристика этого оператора, отражающая число факторов, с которыми ему необходимо взаимодействовать при осуществлении данного целенаправленного действия. Объем области пространства режимов, где Р > 0, отражает то разнооб­разие комбинаций значений жизненно необходимых факторов, при которых событие Z может осуществляться. Это зона осуществления Z. В случае спонтанного осуществления Z та об­ласть зоны осуществления, где p≈1, и есть «зона комфорта».

Особое значение имеет область зоны осуществления Z, где р или Р, отнесенные к единице времени, превышают значения р' или Р', выражающие вероятность гибели в единицу времени объектов класса Z. Это – зона мультипликации (спонтанной или индуцированной) событий класса Z.

Среда обитания, в отличие от пространства режимов, – это реальная среда, содержащая жизненно необходимые факторы в соотношениях, соответствующих зоне осуществления Z. Кроме них, среда обитания может содержать еще ряд факторов, как безразличных для осуществления Z, так и препятствующих ему.

Экологическая ниша – это та область среды обитания, в ко­торой соотношение всех жизненно необходимых факторов соот­ветствует зоне мультипликации Z, а давление помех не настоль­ко выражено, чтобы существенно ее деформировать.

Таким образом, как зоны обитания, так и экологические ниши – это реальные участки пространства, разбросанные по нашей планете, причем одинаковые зоны обитания или экологические ниши идентичны только в отношении сочетаний жиз­ненно необходимых факторов, но могут существенно различать­ся по факторам, безразличным или выступающим в роли помех. Число факторов, входящих в реальные зоны обитания или эко­логические ниши, может быть самым разным, равным или пре­вышающим размерность пространства режимов, которая, таким образом, ограничивает его снизу. Поэтому один и тот же уча­сток реального пространства может включать в себя несколько разных зон обитания и экологических ниш.

Теперь мы можем достаточно строго сформулировать прин­цип адекватности информационных систем и внешней среды. Адекватными данной информационной системе будем называть те области внешней среды, которые по отношению к ней могут выступать в роли экологических ниш. Только в таких областях информационная система может воспроизводить себя, постоянно увеличиваясь в численности. Мерой адекватности здесь, следова­тельно, может служить степень превышения р над р' или Р над Р' или, если речь идет о ситуациях, когда р≈0, величина цен­ности С информации, кодирующей данную информационную систему.

Элементарные экологические ниши

Мы уже достаточно много говорили об идентичности ин­формационных систем 1-го рода и живых организмов, для того чтобы употреблять эти термины как синонимы. Соответственно факторы среды обитания (и, конечно, пространства режимов) можно разделить на две группы: те, происхождение которых никак не связано с деятельностью живых организмов, и те, на­личие которых так или иначе обусловлено их жизнедеятельно­стью. Факторы первой группы будем называть абиогенными, а второй – биогенными.

Очевидно, что в период, предшествовавший зарождению жизни на нашей планете, т.е. более 4 млрд. лет назад, биоген­ные факторы вообще отсутствовали. Периодически возникающие в разных участках Земли зоны комфорта, где могли зарождать­ся и даже мультиплицироваться простейшие потенциальные но­сители информации, а также спонтанно складывающиеся потен­циальные экологические ниши, которые могли «заселяться» про­стейшими информационными системами, слагались, конечно, только из факторов абиогенной природы. Биогенных факторов просто еще некому было производить.

Это позволяет нам ввести понятия «элементарные простран­ства режимов» и «элементарные экологические ниши», называя таковыми соответствующие объекты, не содержащие ни одного биогенного фактора. Следовательно, элементарные экологиче­ские ниши – это такие участки среды обитания, которые со­держат все факторы, необходимые и достаточные для заселения их простейшими организмами, причем все эти факторы имеют абиогенную природу. Такие, еще необитаемые, но пригодные для заселения участки внешней среды будем называть потенци­альными элементарными экологическими нишами.

Совершенно ясно, что абиогенное формирование потенциаль­ных экологических ниш должно было предшествовать возникно­вению элементарных информационных систем, иначе таким системам, случайно и спонтанно образующимся в зонах ком­форта, просто негде было бы «закрепляться» и начинать функ­ционировать. Разнообразие элементарных экологических ниш должно было гарантировать семантическое богатство информа­ции, кодирующей их первичных обитателей.

Элементарные организмы – обитатели 1-го яруса жизни

В главе 5 мы рассмотрели тот отрезок пути, по которому могли бы пройти наши информационные системы от спонтан­ного возникновения первых нуклеиновых кислот до простейших представителей живых организмов. На этом пути должно было возрастать как количество информации, приходящейся на один индивидуум, так и ее суммарное семантическое богатство. В итоге появились информационные системы 1-го рода – первич­ные живые организмы, способные размножаться в условиях, не­пригодных для спонтанного возникновения носителей кодирую­щей их информации.

Простейших гипотетических представителей первичных живых организмов будем называть элементарными, а условия, пригодные для их обитания – элементарными экологическими нишами. При­знаком элементарности таких организмов будет их независи­мость от жизнедеятельности других живых существ, обладающих иными генотипами, а признаком элементарности экологических ниш - их абиогенное происхождение. Элементарные живые ор­ганизмы, таким образом, «разрабатывая» свои элементарные эко­логические ниши и трансформируя их компоненты в живое ве­щество и продукты своей жизнедеятельности, составляли первый ярус строящегося здания жизни, или, точнее, его фундамент.

Можно представить себе, что на молодой Земле зон комфорта было довольно много, и из них по разным направлениям весьма длительное время распространялись потенциальные носители гене­тической информации. Попадая в подходящие условия, они в не­посредственном своем окружении индуцировали различные хими­ческие реакции (благодаря свойству гетерокатализа), в том числе так или иначе влияющие на их собственное воспроизведение. Удачные сочетания компонентов этих носителей отражали усло­вия их обитания. В силу полипотентности информации, а также в результате комбинаторной ее изменчивости воссоздать истинный генезис того или иного генотипа никогда не удастся. Однако то и другое должно было обеспечить высокую экспансивность пер­вичных живых существ. В результате этого, можно думать, про­цесс «освоения» потенциальных экологических ниш происходил весьма бурно и, раз начавшись, доложен был завершиться в от­носительно непродолжительные сроки.

По крайней мере, уже 3-3,5 млрд. лет назад на Земле суще­ствовали сообщества синезеленых водорослей и бактерий, кото­рые образовывали мощные строматотиты, в которые входили, по-видимому, как фотосинтетики, так и хемосинтетики, ведущие интенсивную разработку поверхности Земли. Одновременно, в результате жизнедеятельности элементарных живых существ, шел и другой процесс – процесс «построения» новых потенциальных экологических ниш, уже включающих биогенные компоненты и предназначенных для заселения обитателями уже второго яруса жизни.

Здесь следует заметить, что представление об элементарных организмах и элементарных экологических нишах может не со­ответствовать действительности, если эти термины понимать бу­квально. Дело в том, что абиогенная органика, как теперь из­вестно, должна была быть весьма распространенным химиче­ским компонентом молодой Земли [10] и могла служить одним из основных источников материала как для «блочной» сборки в зоне комфорта первичных носителей информации, так и для по­строения операторов первичных информационных систем. Но в таком случае продукты деятельности элементарных организмов и продукты их распада (после гибели) мало чем отличались от таких абиогенных «кирпичиков» и могли сразу же включиться в биологический круговорот вещества. Здание жизни росло не как «древо», а как сложно сплетенная многомерная сеть. Но обу­словленная этим сложность картины не меняет сути дела хотя бы потому, что само существование живых организмов и многоярусность жизни непосредственно следует из основных зако­нов динамики информации.

Побочные продукты работы операторов и потенциальные экологические ниши

Уже для простейших информационных систем, представляю­щих собою, как мы предположили, такие полимерные молекулы, гетерокаталитическая активность которых при определенных ус­ловиях могла повышать вероятность осуществления их аутокатализа, ярко выраженным должно было быть возникновение и накопление в их окружении побочных продуктов их деятельно­сти. Некоторые из этих побочных продуктов могли оказаться «полезными», и тогда создание их закреплялось в программе и подвергалось дальнейшему совершенствованию – выход w уменьшался, а КПД_Q возрастал. Другие побочные продукты могли быть бесполезными и даже вредными, но, в силу своей незапрограммированности, неизбежно накапливались в окру­жающей среде. В случае живых организмов такими побочными продуктами воспроизведения кодирующей их информации явля­ются – все без исключения! – продукты их жизнедеятельности, включая их собственные тела и разрушающиеся носители их информации.

Изменения, связанные с действием w на среду обитания про­дуцирующих их организмов, могут вызвать самые различные последствия. Так, накопление w может просто привести к гибе­ли их продуцентов, а также любых других организмов, – ти­пичный пример самоотравления живых систем; w могут дейст­вовать как мощные мутагены, заставляя мутировать их проду­центов, что обычно приводит к постепенному вырождению; на­конец, w могут быть таковы, что их смогут утилизировать, в качестве нового ресурса, какие-либо другие организмы или му­танты исходных форм, создающих, таким образом, компоненты новых потенциальных экологических ниш. Это означает, что в подобном случае отдельные побочные продукты или их ком­плексы, в сочетании с теми или иными предшествовавшими уже факторами внешней среды, могли образовывать новые потенци­альные экологические ниши все более высоких ярусов жизни.

Если в такие условия обитания попадали комплементарные им эмигранты из зоны комфорта или же в ходе размножения орга­низмов, заселяющих низлежащие ярусы жизни, случайно возни­кали варианты, способные утилизировать (или как-то иначе ис­пользовать) такие новые факторы, они начинали разрабатывать эти экологические ниши, содержащие уже биогенные компонен­ты. Другими словами, элементарные живые организмы в ходе своей жизнедеятельности сами создавали потенциальные эколо­гические ниши 2-го яруса жизни, а продукты жизнедеятельности заселяющих их организмов, в свою очередь, формировали по­тенциальные экологические ниши все более высоких ярусов.

Совершенно ясно, что если w будут приводить к гибели продуцирующих их объектов и не смогут быть утилизированы другими объектами, популяция продуцентов данных w отомрет и никаких последствий для живого мира это иметь не будет. Поэтому мы вправе рассматривать только третий случай, когда w, не вызывая быстрого отмирания своих продуцентов, смогут быть использованы другими организмами и будут служить ком­понентами их экологических ниш.

Изложенный выше принцип формирования многоярусного строения жизни отражает как структуру феномена жизни, так и процесс его построения, согласно которому появлению обитателей какого-либо яруса жизни обязательно должно предшество­вать возникновение комплементарной ему потенциальной эколо­гической ниши.

Принцип автогенеза информации. Эволюция семантики информации

Вспомним теперь, что побочные продукты w являются неиз­бежными спутниками любого целенаправленного действия. Со­гласно второму закону термодинамики, КПД оператора всегда меньше единицы, и поэтому любая информационная система, функционируя, всегда и неизбежно будет изменять среду своего обитания, создавая компоненты новых потенциальных экологи­ческих ниш. Это означает, что многоярусное здание жизни мо­жет базироваться даже на одной единственной элементарной экологической нише; для его построения, вообще говоря, со­вершенно не обязательно исходное экологическое разнообразие.

Тот термодинамический закон, согласно которому КПД ни­какой машины никогда не достигает единицы, может служить основой для формулирования принципа автогенеза информации: раз возникнув, информация, в ходе деятельности кодируемых ею операторов, неизбежно сама создает условия для своего дальнейшего развития. Эволюция информации, реализующая эту воз­можность, столь же неизбежно должна иметь ярусный характер. Ярусный характер эволюции касается и семантики информации.

Следует заметить, что принцип автогенеза информации тес­нейшим образом связан с ее полипотентностью. Действительно, именно полипотентность обусловливает возможность существования в единой среде обитания нескольких различающихся ин­формационных систем или, попросту говоря, организмов разных генотипов. Это обстоятельство должно существенно влиять на скорость протекания автогенеза. Проявляться это может двояко: как в увеличении разнообразия новых потенциальных экологи­ческих ниш, так и в увеличении разнообразия организмов, способных – в силу их полипотентности! – эти ниши осваивать.

Здесь, однако, неизбежно возникает вопрос о критерии сте­пени подбора или выбора будущих обитателей новых экологи­ческих ниш среди множества претендентов, т.е. о критерии значимости. «Ибо много званных, а мало избранных» (Мат. 22, 14). Вопрос этот выходит далеко за рамки формулирования условий, делающих возможным простое заселение новых экологических ниш, и вплотную подводит нас к лучшему пониманию всех развертывающихся вслед за этим событий.

Критерий значимости. Информационные поля

Очевидно, что заселение новых ниш информационными объ­ектами предполагает как предсуществование таких ниш (безраз­лично, абиогенного или биогенного происхождения), так и предсуществование способных их заселять живых организмов. Генезис новых ниш обсуждался выше. Заселяются же первона­чально эти ниши объектами, ранее существовавшими в других нишах, но способными, в силу полипотентности их информации, осваивать и эти, новые ниши.

Таким образом, в каждую новую экологическую нишу может «вселиться» несколько разных объектов: с течением времени к ним прибавляются те, которые возникают уже в этой нише благодаря изменчивости кодирующей их информации. Между всеми этими обитателями ниши начинается конкуренция за пол­ное овладение ею – процесс, обычно называемый «естественным отбором». При этом все время следует иметь в виду, во-первых, что отбору подвергаются отдельные информационные системы, а во-вторых, что этот процесс автоматический. Его направлен­ность, которую мы постараемся выявить и обосновать, возника­ет в силу самой природы вещей, носит вероятностный характер и приводит к формированию информации, обеспечивающей через посредство своего оператора – наиболее успешное свое воспроизведение в условиях данной ниши.

Вот здесь и возникает проблема критерия значимости, или критерия отбора, призванного определить, что же такое «наибо­лее успешное». Вообще говоря, может существовать много таких критериев: скорость размножения, конкуренция за субстрат, «перехват» источников энергии и т.п. [11]. Нас, однако, интересу­ет прежде всего такой критерий, который отражал бы не только особенности операторов (подобные только что упомянутым), но и кардинальные свойства самой информации, эти операторы коди­рующей. В качестве такого критерия рассмотрим эффективность информации (см. главу 2), проявляющуюся на уровне оператора как его КПД в данном пространстве режимов (см. главу 3).

Насколько наш критерий значимости соответствует действи­тельности, или, точнее, насколько он универсален, без тщатель­ного конкретного анализа сказать трудно. Можно лишь пред­положить, что он имеет весьма общий характер. Поэтому здесь мы ограничимся лишь теми последствиями, к которым может приводить реализация его в тех или иных ситуациях.

Одно из таких последствий – введение понятия «информа­ционное поле». В главе 2 мы уже отмечали, что