WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |
Информационные процессы, Том 3, № 2, 2003, стр. 154–172.

© 2003 Кузнецов, Любецкий, Чернавский.

ТЕОРИЯ И МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ О понятии информационного взаимодействия, 2:

допсихический уровень Н.А.Кузнецов, В.А.Любецкий, А.В.Чернавский Институт проблем передачи информации РАН, 127994, Москва, ГСП-4, Большой Каретный переулок, 19, Россия, e-mail: lyubetsk@iitp.ru Поступила в редколлегию 02.09.2003 Аннотация—Эта статья является продолжением одноименной статьи авторов в первом выпуске этого журнала за текущий год.

3. БИОЛОГИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ 1. Клетка и начало биологической эволюции. Клетка это организм, единица жизни, а с другой стороны, это естественное продолжение эволюции единиц материи, возникшее в “результате” стремления к состоянию упорядоченного равновесия (внутреннего и с окружающей средой) хаотической химической динамики в изолированных областях “мирового химического бульона”. Возникновение первых клеток относят ко времени примерно 3.8 млрд. лет назад.

С момента появления клетки начинается биологическая эволюция, в том числе дарвиновская. В силу ограниченности доступных средств существования, выживают те типы организмов, которые оставляют большее число своих копий и, во всяком случае, не меньшее, чем число погибающих копий. Выживание тем успешнее, чем лучше согласовано строение организмов и их поведение с имеющимися условиями среды обитания. Суть дарвиновской эволюции в том, что наследуемые малые изменения (дискретная “генеалогическая” непрерывность) приводят к постепенному преобразованию одних биологических видов в другие, все более приспособленные к данным жизненным условиям. В них входят как физико-химические свойства среды, так и биология среды, включая генную среду популяции. Возможно, правильнее говорить о дарвиновско-менделевской эволюции, поскольку именно работы Менделя доказали дискретность наследования признаков, без которой эволюция имела бы совершенно иной характер. Предполагается, что в эволюции первичных организмов существенную роль сыграли также резкие изменения генотипов, вызываемые “горизонтальным переносом генов”.

Они как бы разрывали “дискретную непрерывность” и в этом смысле начальная эволюция, приведшая к трем типам организмов (архебактерии, прокариоты и эукариоты), не была дарвиновской.

Систематический анализ РНК современных организмов позволяет сделать вывод, что каждая пара из этих трех типов имеет существенные родственные черты и в то же время ни один из них не является простым потомком другого. Мы будем в дальнейшем иметь в виду в основном дарвиновскую эволюцию (через малые изменения путем мутирования), которая установилась ко времени доступном для классического анализа.

2. Соотношение случайности и логики в эволюции. Снова отметим взаимовлияние статистических законов случайности и развития логического строения организмов и их сообществ. Эволюция приводит к построению чрезвычайно разнообразных организмов, исходя из дискретной языковой основы строения самого организма и допустимых дискретных изменений, которые накапливаются благодаря отбору и биологической памяти. Изменения через мутации случайны в том смысле, что они не имеют определенной направленности в какую-то сторону (не способствуют улучшению или О ПОНЯТИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ, 2 усложнению сами по себе), не “задумываются” об их эволюционных последствиях. Они одновременно не случайны в том смысле, что мутации происходят не во всех местах генома равновероятно (полезно по этому поводу вспомнить закон гомологических рядов Н.И. Вавилова), скорость мутаций может регулироваться (как показывает механизм иммунитета позвоночных) и, главное, мутации и эволюционный отбор действуют лишь на изменение того, что уже имеется.

В этом месте полезно упомянуть идеи, высказанные Карлом Везе относительно раннего периода биоэволюции. С его точки зрения в начальный период клетки не имели достаточно оформленной структуры, их геном состоял из коротких цепей, чрезвычайно быстро мутировал, клетки, возможно, не имели еще мембраны и был легко доступен перекрестный обмен частями геномов. Таким образом, понятия организма в смысле члена генеалогического семейства еще не существовало. Имелся статистический ансамбль “прогенотов”, “эволюционная температура” которого, измеряемая быстротой генетических изменений, была чрезвычайно велика. Судя по распространению современных генных механизмов, раньше всего установились механизмы трансляции. Дальнейшую эволюцию Везе сравнивает с кристаллизацией, когда с понижением “температуры” происходит все новое усложнение генома и постепенное возникновение современной клетки с установившейся логикой транскрипции, репликации и трансляции. При этом упомянутые выше три типа клеток это выделившиеся три эволюционные пути, с общим началом. Для эукариотов эволюция основывалась в основном на мутациях, хотя “горизонтальный перенос” имел значение и для них, но благодаря большей способности к коммуникации им удалось построить многоклеточные организмы, образующие генеалогическое дерево с могучей кроной.

3. Внешняя среда и эволюция. Обычно принято говорить, что эволюция направляется взаимоотношениями с внешней средой. Это не вполне точное утверждение. Согласно А.С. Серебровскому, нужно различать биологическую среду и географическую, понимая под первой “клубок” взаимоотношений организмов, популяций и видов, а под географической — физические, климатические и иные условия данного региона. Иными словами, вид, приспособленный к данной среде, не будет направленно эволюционировать, если одновременно не возникают его противоречивые отношения с другими видами. Вид, живущий в водной среде, должен уметь плавать, но он не будет испытывать давления к приобретению большей скорости или других свойств, если это не требуется для его питания или размножения. (Между прочим, на аналогичное противопоставление психологической и географической среды указывал гештальт-психолог К. Кофка.) Разумеется, резкие изменения географической среды вносят соответствующие глубокие нарушения плавного течения естественной эволюции. Однако, после краткого времени перестройки эволюция снова становится вполне дарвиновской.

Таким образом, движущей силой эволюционного процесса, являются противоречивые отношения, в которые приходится вступать каждому организму в его биологической среде. Информационная составляющая этого процесса определена жесткой языковой логикой генома, направляющего построение организма, его воспроизводство и поведение, а также биологической памятью наследования изменений, соответствующих условиям среды. В зависимости от текущего взаимоотношения геномов организмов и сложившихся биологических отношений, изменения могут вести к стабилизации (стабилизирующий отбор), быть подчиненными некоторому тренду (направленный отбор) или вести к расщеплению популяций (дисруптивный отбор). Во всех случаях ведущую роль играют внешние противоречивые отношения: динамика генома реактивна, обладая только случайной мутационной активностью, зависящей в известной степени от физико-химических условий этой динамики. В понятие биологической среды для данного гена и для систем генов входит также и внутренняя геномная среда организма, как и геномная система целой популяции: гены отбираются на внешнюю приспособленность через их кооперативную согласованность.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ ТОМ 3 № 2 156 КУЗНЕЦОВ, ЛЮБЕЦКИЙ, ЧЕРНАВСКИЙ 4. Катастрофы в эволюции. Особо резкие скачки биоэволюции были связаны с катастрофическими изменениями в природных условиях на Земле, например, катастрофа с динозаврами, падение астероидов, движение материков, смена магнитной оси, ледниковые периоды.

Эти глобальные катастрофы вмешивались в постепенное развитие видов, но замечательно, что они не только не прекращали существование жизни в целом, но приводили к быстрому возникновению более совершенных механизмов и организмов. Так, с появлением кислорода в атмосфере возникло кислородное дыхание, с освоением суши появились рептилии, гибель динозавров дала возможность развитию млекопитающих.

Если при “спокойном” течении событий направляющее влияние среды сказывалось в постепенном взаимном приспособлении видов и сообществ, то при катастрофическом ее изменении получали возможность развития особенно прогрессивные приспособления, среди которых все более ведущую роль получало развитие интеллекта.

Можно думать, что одной из причин этого было то, что в предшествующий период накапливались положительные потенции, которые не могли развернуться из-за доминирования более мощных видов. Последние гибли в катастрофе и освобождали место для новых потенциальных изобретений эволюции.

Замечательной стороной биоэволюции является сочетание удивительного консерватизма первичных жизненных механизмов (геномный язык, синтез АТФ и др.) и не менее удивительной возможности быстрого развития эволюционных новшеств. Среди последних, вероятно, наиболее замечательным является возникновение человека, которое заняло буквально секунды по геологическому отсчету времени.

5. Конструктивная сложность в эволюции. Путь эволюции — это не только усложнение организмов; виды могут становиться и более примитивными. Генетическая память не только сохраняет возможные вариации черт организмов, она позволяет виду использовать новые зоны внешней среды, расширить его биологическую среду. Генетическая память оказывает существенное влияние на эволюцию, определяет ее направление в сторону усложнения.

(Строение паразита и его жизнь в теле хозяина примитивны, но если учесть, что при том же геноме происходит смена нескольких (иногда до семи) его преображений со сменой сред обитания, говорить о примитивности становится затруднительно.) Возникающая сложность и логика генома отражают сложность и логику среды организма, и в этом смысле геном несет информацию о внешнем мире. Язык генома является языком не только в силу своего цепочечного синтаксиса, осложненного различными генными механизмами. Он имеет также многоуровневую семантику, выражающую как непосредственную его функцию — построение белковых молекул, — так и более отдаленные: построение организма и его поведения и в конечном счете отражение (“выражение”) его среды, как биологической, так и географической. Языковая система генома имеет также и прагматику: функционирование гена зависит от “контекста” — от актуального состояния организма и среды, особенно от стадий онтогенеза и проч.

6. Исправление ошибок копирования в клетке. Значение информационно-языковой основы биологической эволюции особенно ярко иллюстрируется системой генной репарации, которая имеется уже у бактерий. При репликации ДНК возникают ошибки. Они обусловлены дефектностью молекул фермента репликации (ДНК-полимераз) и тем, что в момент репликации в клетке оказалась какая-то активная молекула, влияющая на репликацию, и генными мутациями, которые вызываются мутагенами, и т.д. Казалось бы из-за совместного действия всех этих факторов генные мутации должны оказывать слишком большое влияние на наследственность. Однако, в клетках имеются системы репарации, которые следят за сохранностью информации, хранящейся в ДНК. Сейчас у кишечной палочки, например, известно более 50 генов, контролирующих процессы репарации. Эти гены кодируют ферменты, которые умеют, например, вырезать поврежденные участки одной цепи ДНК. Особый ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ ТОМ 3 № 2 О ПОНЯТИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ, 2 фермент ДНК-полимераза достраивает это место цепи до нормы, а ДНК-лигазы “зашивают” разрыв в месте встроенного участка. Такие же системы обнаружены у растений и животных. Имеются специальные ферменты, которые устраняют повреждения ДНК, создаваемые ультрафиолетом, устраняют разрывы, возникающие в цепях ДНК под действием рентгеновских лучей и других излучений.

У клеточных организмов роль наследственного материала играет двухцепочечная молекула ДНК.

Возможно, одна из существенных причин, почему именно ДНК в ходе эволюции стала играть эту роль, состоит в том, что наличие второй (“запасной”) цепи позволяет исправлять дефекты, возникающие в одной из цепей. Наличие избыточной информации (во второй цепи) увеличивает надежность хранения информации. Таким образом, подобно тому, как на уровне организма имеются системы исправления повреждений (заживления ран, а у некоторых организмов и регенерация утраченных частей тела), на молекулярном уровне имеются системы исправления повреждений наследственного материала.

Механизм генной репарации особенно наглядно демонстрирует значение именно информационной составляющей этого процесса, прежде всего дискретно-языкового строения генома, которое только и делает возможным активность указанных механизмов.

7. Энергетика и упорядоченность. Фундаментальные энергетические механизмы, вероятно, были освоены уже около трех миллиардов лет назад. Жизнь возникает как динамически уравновешенное состояние между непрерывной потерей тепла и поглощением энергии, “свободная” часть которой идет на постоянное совершение работы по поддержанию функционирующей структуры организма.

Сутью этой упорядоченности является информационная составляющая метаболизма, которая позволяет в решающие моменты клеточной динамики делать “правильные” выборы. Они определяются не случайным раскладом физико-химических условий (хотя и этим, конечно, тоже), но в критические моменты направляются генотипическим планом организма. Во всяком случае энергетическое обеспечение жизнедеятельности информационно постольку, поскольку жизнь это борьба с вторым законом термодинамики, а информация с самого начала ее теоретического изучения связывалась с “минус энтропией”.

8. Термодинамика и информационность. Особенно важная сторона информационной составляющей клеточной динамики — квантованность. Процессы в живой клетке происходят на нескольких уровнях, но низший существенный уровень — это уровень атомов и электронов: описание жизненных процессов в клетке на молекулярном уровне неполно, а уровень, скажем, кварков не нужен. Наиболее элементарные жизненные механизмы не чисто статистические, они обрабатывают индивидуальные электроны, атомы, ионы и фотоны.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.