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.