Что есть информация, что есть жизнь?

Что есть информация, что есть жизнь?

Анатолий Никифорович БАРБАРАШ, к.т.н., с.н.с., биолог

Биология начинается с определения сущности Жизни. В зависимости от того, как сформулировано определение Жизни, в сферу биологии попадают те или другие объекты. Например, Советский Энциклопедический Словарь, 1988 г. определяет живую материю по таким признакам, как обмен веществ, раздражимость, способность к размножению, росту, развитию, по активной регуляции своего состава и функций, по различным формам движения, по приспособленности к среде и т.п. Легко заметить, что, скажем, вирус, находящийся вне клетки, под такое определение не подходит, и в сферу биологии не попадает (вне клетки у него нет размножения и т.п.).

Подобно энциклопедическому варианту, большинство других определений тоже требует от живой материи соответствия нескольким признакам одновременно. Между тем, в пространстве признаков, содержащем лишь два класса объектов – живые и неживые – принципиальным может быть только одно различие между ними, а все остальные отличия должны вытекать из этого принципиального различия как следствия.

* * *

Можно показать, что наиболее характерной особенностью живой материи является её информационная насыщенность. Хотя ХХ век наводнил мир компьютерами, радиостанциями, телевизионными системами, спутниками-ретрансляторами, полиграфией, кинематографией, телефонией и т.п., вся эта информационная индустрия, по сравнению с информацией внутри нас, выглядит не более, чем детским мячиком возле земного шара.

Действительно, одинарный (гаплоидный) набор хромосом человека содержит около 3·109 пар нуклеотидов, что эквивалентно 0,006 терабит информации. Ядро клетки имеет два таких набора, а в 1 мм3 нашего тела (если принять клетку за куб с ребром 21 мкм) содержится около 100000 клеток. Поэтому даже без остальных носителей информации (РНК, генов митохондрий и др.), плотность информации в нашем организме составляет около 1200 терабит/мм3.

Для сравнения – основная память современных персональных компьютеров (жёстких дисков или „винчестеров”) в среднем не более 1 терабита. Иначе говоря, для обеспечения нашей жизни Природе пришлось в каждом кубическом миллиметре тела создать только генетическую память, превышающую память 1 200 компьютеров. А в организме одного человека – память приблизительно 1011 компьютеров (т.е. в сотни раз больше, чем существует компьютеров на Земле)! Такая насыщенность информацией характерна и для любой травинки или мушки. Какие же невообразимые объёмы информации наполняют живой мир вокруг нас!

Неимоверная информативность живой материи ещё не вполне осознана учёными. Одна из причин – в том, что нынешние определения информации так же далеки от совершенства, как и определения Жизни. Формулировок много, каждое подвергается критике, все они недостаточно чётки. Делать серьёзные выводы на основе таких формулировок – явно преждевременно.

Прочтём, например, определение из упомянутого Словаря: „Информация – (от лат. informatio – разъяснение, изложение), первоначально – сведения, передаваемые людьми устным, письменным или другим способом (с помощью условных сигналов, технических средств и т.д.). С середины 20 в. – общенаучное понятие, включающее обмен сведениями между людьми, человеком и автоматом, автоматом и автоматом; обмен сигналами в животном и растительном мире; передачу сигналов от клетки к клетке, от организма к организму, … одно из основных понятий кибернетики”.

Здесь информация мудро определена как сведения и сигналы, а о её сущности сообщено лишь, каким образом, откуда и куда она передаётся.

Обычно понятие информации трактуется очень широко. Определение призвано очерчивать границы определяемого объекта, отделять его в нашем сознании от других объектов. Даже имея все требуемые формальные черты, определение является таковым лишь в той мере, в какой выполняет эту главную функцию. Известные определения информации недостаточно строго выделяют её среди других категорий естествознания.

Сегодня информацию видят не только в электрических импульсах микросхем, в магнитных записях, книгах или других системах сигналов, но буквально во всём – от сочетаний кварков в элементарных частицах до расположения сверхскоплений галактик. Такую позицию, несколько утрируя, можно выразить словами „весь мир – сплошная информация”.

Информацию находят как в последовательности импульсов, несущей полезные сигналы, так и в шумовой помехе, возникающей при неисправности, причём в помехе расчёты показывают даже большее количество информации, чем в наиполезнейшем сигнале! В такой широкой трактовке информации что-то явно неладно.

Если придерживаться распространённой точки зрения, то каждый объект (например, любое материальное тело), обладает информацией. Но при подобной трактовке мы принципиально не можем узнать количество информации, содержащейся в объекте!

Физики давно столкнулись с неопределённостью в квантовой механике. Оказалось, что пары так называемых дополнительных величин (координат и импульса частицы или протяжённости процесса во времени и его прироста энергии) принципиально не могут одновременно принимать точные значения. Произведение ошибок в такой паре величин принципиально нельзя уменьшить ниже постоянной Планка. Но неопределённость количества информации гораздо серьёзнее. В этом случае не удаётся установить даже возможный предел ошибки!

По массе объекта можно судить о суммарном содержании в нём вещества и энергии. В принципе, возможно (с учётом квантовомеханических ограничений) узнать количество потенциальной и кинетической энергии объекта, его электрический и магнитный заряд, количество нуклонов и электронов. Принципиально возможно количественное определение даже таких экзотических характеристик, как лептонный заряд, изотопический спин, странность, „очарование” и др. Вот только выяснить объём содержащейся в объекте информации, при распространённой трактовке этой категории, невозможно!

Невозможно потому, что новые уровни рассмотрения вещества дают новые порции информации о нём. Это понятно и не требует объяснений. Но, кроме того, количество информации зависит от техники измерений, что следует пояснить.

Точность оценки физических характеристик объектов неминуемо ограничивается возможностями приборной базы. Это – общий закон. Есть такая обусловленность и для информации. Но степень зависимости результатов от измерительной техники для физических характеристик 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 отличаться при разном типе весов на приемлемую погрешность 0,001%. Иное положение с информацией о массе, зависящей (как логарифм) от количества возможных дискретных результатов взвешивания, т.е. от степени неопределённости. В нашем случае количество возможных результатов отличается, в зависимости от типа весов, не на доли процента, а в 10 раз или на 900%, что делает оценку бессмысленной!

Количество информации, получаемой при любом эксперименте, зависит не от объекта, в котором якобы содержится эта информация, а от точности измерительного прибора, не являющегося предметом исследований. Как же узнать содержание информации в объекте?

Или другой пример. Спросим себя, какой объект должен содержать больше информации о массе – атом или галактика? Конечно, галактика – хотя бы потому, что она состоит из баснословного количества атомов. Реально же, масса галактики может быть определена с точностью не выше 5–10% и, следовательно, информация о массе составит 4–5 бит, а масса, скажем, атома гелия измерена с точностью более девяти десятичных знаков, чему соответствует объём информации около тридцати бит! Сплошная фантастика – атом содержит почти на порядок больше информации о массе, чем галактика! Здесь впору усомниться – а содержится ли вообще в атоме информация, и обладает ли информацией галактика? Не навязываем ли мы им эти характеристики?

А нельзя ли выйти из тупика, оценивая количество информации о массе при нормированной относительной точности взвешивания? Не тут-то было! При одинаковой относительной точности взвешивания все объекты, от атома до галактики, содержат одинаковое количество информации о массе! Это количество будет зависеть не от взвешиваемого тела, а от точности взвешивания, т.е. будет характеризовать совсем не тот объект, каким мы интересуемся! Такая оценка количества информации лишена смысла.

В результате, при сегодняшнем толковании сути информации, её количество в том или ином объекте, в отличие от остальных характеристик, принципиально неопределимо.

* * *

Важное отличие живой материи (от неживой) в том, что содержащаяся в ней генетическая информация выражена при помощи некоего кода, и это резко отделяет её от океана других сведений об объектах, конкретизирует, чётко обозначает объём и т.д., и т.п.

В генетической информации, как и вообще в закодированной информации, можно заметить явную предназначенность для какого-то использования. И, наоборот, в сведениях, существующих вне всяких кодов, никакой изначальной предназначенности увидеть не удаётся.

Действительно, информация, функционирующая в мире живой материи, разительно отличается от того, 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 лишь непосредственно передаёт, несёт в себе характеристики далёкого небесного тела и пронизанного лучом космического пространства.

Таким образом, перед нами как бы два типа информации. Одна – сплошь заполняющая весь мир живой и неживой материи, неопределённая по объёму, не имеющая предназначения, не связанная с кодированием. Другая – существующая только в мире живой материи или возникшая благодаря живой материи, легко оцениваемая в количественном отношении, имеющая в каждом случае чёткое предназначение и, главное – всегда использующая ту или иную систему кодирования.

Поэтому можно сказать, что мир живой материи выработал для себя и использует в пределах своей досягаемости особый тип информации, резко отличающийся от всего, существующего в девственном мире неживой Природы. Главным отличием информации живого мира является использование кодирования. [Барбараш, 1999; 2001а; 2001б].

Это даёт основание уточнить существующее представление об информации, а именно – разделить её, как одну из важнейших категорий естествознания, на две родственные, но не эквивалентные части. Такие части можно назвать по-разному, и о терминологии ещё можно дискутировать. Сегодня же, автор предлагает называть одну часть – сведениями или данными, а вторую – собственно информацией, в соответствии со следующими формулировками.

Данные или сведения – это отражение характеристик реальных объектов.

Информация – это закодированное обозначение характеристик реальных или воображаемых объектов.

Кодирование является установлением (системой кодирования-декодирования) определённого соответствия, из ряда возможных, между данными и их обозначениями.

Можно заметить, что приведенное выше энциклопедическое определение информации тоже негласно склоняется к кодированным данным.

В новой формулировке, устройства кодирования – это устройства, воспринимающие некие характеристики реальных объектов и формирующие на выходах соответствующие обозначения: электрический сигнал, потемнение фотослоя, запись на бумаге или др. 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), зарядов и 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 новом понимании).

Устройства декодирования – это устройства, использующие информацию для реализации обозначенного ею объекта. Например, такой биологический декодер, как („молекулярная машина”) рибосома, реализует информацию, заключённую в нити РНК, синтезируя на её основе строго определённые молекулы белка.

В новом понимании, системы кодирования-декодирования принципиально отличаются от существующих кодеров и декодеров, которые теперь правильнее называть устройствами перекодирования, так как на их входы обычно поступает уже ранее закодированная информация.

Всякое обозначение выполняется на основе некоторой системы обозначений. Именно систему обозначений и принято называть кодом. Данный текст написан с помощью системы обозначений звуков нашей речи буквами русского алфавита. Каждый алфавит тоже является кодом.

Новое определение систем кодирования-декодирования заставляет причислять к ним и нервные системы животных, вместе с органами чувств и эффекторами. На их входы поступают характеристики окружающих объектов, а на выходе может формироваться информация в виде соответствующих кодовых обозначений (звуков, жестов). Поскольку при обработке входных данных мозг человека способен генерировать воображаемые объекты, он оказывается источником информации не только о реальных, но и о воображаемых категориях.

Таким образом, различие между информацией и данными (сведениями) в том, что информация неотделима от кодирования, с чем не связаны данные (сведения). Последние же ограничены отражением свойств только реальных объектов, тогда как информация не имеет такого ограничения.

Данные или сведения, как правило, фигурируют в процессах контроля, измерений, восприятия. Данные или сведения могут относиться как к миру неживой, так и к миру живой материи, потому что оба этих мира содержат реальную составляющую (для мира неживой материи она является единственно возможной).

Данные или сведения остаются самими собой только до тех пор, пока не подверглись кодированию – после этого они превращаются в информацию. Количество полученной информации даёт косвенное представление об объёме сведений, подвергшихся кодированию. Как при старой трактовке был принципиально неопределённым объём информации, содержащейся в объекте, так теперь неопределимо количество информации, 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 фундаментальных законов естествознания.

Незакодированные сведения или данные всегда характеризуют лишь реально существующие объекты (живые или неживые) и могут быть получены только от них. Информацию же, кроме кодирования, роднит с миром живой материи то, что она способна описывать нереальные, воображаемые объекты – плоды деятельности Разума. Авторы мистических романов описывают оттенки цветов привидений не хуже, чем минерологи фиксируют информацию об окраске вполне реальных камней. Информация, по её новому определению, не может возникать в мире неживой материи уже потому, что только живая материя вносит во Вселенную кодирование.

Кодом может быть названо только такое соответствие между оригиналом и обозначением, которое способно иметь разные варианты. Генетический код назван кодом, в частности, потому, что могли бы существовать и другие варианты соответствий между триплетами нуклеотидов и кодируемыми аминокислотами. Свойства молекул соли, например, нельзя считать кодом структуры её кристаллов потому, что для конкретной соли эти свойства принципиально не могут иметь других вариантов.

* * *

Возникает интереснейший вопрос. Живая материя не существует без информации, а информация – без обозначений. Почему же столь велика роль обозначений? Живая материя составляет некую часть Вселенной, и выходит, что, не будучи обозначенной, эта часть Вселенной не способна существовать?! Для кого или для чего требуется обозначение – если не говорить о Боге?

Ответ очень любопытен и не содержит никакой мистики.

Код, по определению, должен допускать разные варианты построения. Если бы обозначение являлось точной копией обозначаемого объекта (оригинала), то оно было бы однозначным, безвариантным. Поэтому для существования кода принципиально необходимы какие-то отличия обозначения от оригинала. Обычно обозначения отличаются от обозначаемого объекта, уже начиная с элементов. Элементы обозначений, как правило, более удобны (чем элементы обозначаемого объекта) для хранения, передачи, копирования и других операций. Очень часто в большой группе сходных объектов используется какая-то одна удобная, стандартная система обозначений (например, алфавит). К такому приёму прибегают и человек, и Природа. Но, при обязательном отличии обозначений от оригиналов, между ними всегда сохраняется соответствие!

В этом и заключён смысл использования информации, смысл замены оригиналов обозначениями. Выигрыш от использования информации – как для Природы, так и для техники – в удобном отличии свойств обозначений от свойств оригиналов при сохранении принципиального соответствия между ними. Без выполнения этих двух требований замена оригиналов обозначениями была бы бесполезной, лишённой смысла.

Итак, достоинство информации в том, что, при существовании соответствия между оригиналом 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 самой домной. Достоинство генетического кода проявляется, например, в его химической прочности – в истлевших останках мамонта бесполезно искать хорошо сохранившиеся белки, но часто их код можно установить по сохранившейся ДНК. Мы ещё не можем послать за пределы Солнечной системы человека, но уже отправили пластину с информацией о нём и т.д. Вот чем полезна информация, вот почему она так широко используется Природой и человеком.

* * *

На основе нового представления об информации, может быть предложено следующее определение Жизни [Барбараш, 1999; 2001а; 2001б].

Жизнь – это форма существования материи, отличающаяся информационным способом формирования сходных структур, с передачей им на молекулярном уровне информации для дальнейшего воспроизведения.

Можно показать, что все свойства живой материи, отмеченные энциклопедическим Словарём, оказываются следствиями названного принципиального отличия.

1. Формирование структур невозможно без притока веществ, как строительных материалов и энергоносителей. Но химический состав формируемых структур диктуется не поступающими извне веществами, а наследственной информацией, отчего между составом получаемых и используемых веществ всегда есть некоторое расхождение, создающее неизбежные отходы. Кроме того, требуют удаления „продукты сгорания” энергоносителей. Отсюда, принципиальным следствием информационного 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 – преимущественное размножение и сохранение лучше приспособленных к среде форм живой материи.

3. Естественный отбор обнаружил, что концентрация реагентов, например, путём окружения зоны реакций полупроницаемой оболочкой, сокращает средний пробег молекул и интенсифицирует реакции по сравнению с аналогичными процессами в неживой Природе. Это обусловило существование живой материи не в диффузном виде, а в обособленной форме – в виде клеток, вирусов или многоклеточных организмов.

4. Генетическая фиксация удачных структур и процессов позволила естественному отбору вырабатывать в организмах системы автоматического регулирования для приспособления не только к стабильным, но и к изменчивым условиям среды. Для работы такой системы нужно чувствовать воздействия внешней среды, и отбор выработал у живой материи такую способность – раздражимость. Параллельно выработана и способность реагировать на раздражения, осуществлять различные формы движения, например, перемещаться в более благоприятную, освещённую сторону.

5. Информационный способ формирования структур навязывает необходимость питания, инициирует размножение, вызывает общий рост массы живой материи, отчего ограничивающим фактором становятся ресурсы окружающей среды. Поэтому крупный организм не может появиться сразу, во всей красе. Сначала он должен сформироваться в виде малой, но целостной, приспособленной к жизни особи, а уж далее – вырастать по мере питания. Но условия жизни детёныша и взрослого животного не идентичны. Практически, у них разные экологические ниши, отчего параллельно с ростом должна изменяться и организация, анатомия особи, её манера поведения, т.е. должно происходить общее развитие организма.

Таким образом, все важные отличия живой материи, перечисленные энциклопедией, оказались следствием одного главного, принципиального свойства. Но если бы не было изменено определение информации, не была учтена роль кодирования, то, например, кристаллы соли, растущие в насыщенном растворе, по новой дефиниции тоже попали бы в категорию живой материи.

Существенно, что новое определение показывает точку старта биологической эволюции, которая оставалась размытой при многофакторном определении Жизни.

Моментом рождения Жизни во Вселенной является возникновение кодирования, связанное с появлением наследственной информации.

Идея принципиальной важности процесса воспроизведения с использованием генетической памяти, идея важности генетического кодирования уже высказывалась другими авторами, анализировавшими отличие живого от неживого. Например, Джон Бернал писал [Бернал, 1969]:

„Молекулярное воспроизведение есть … средство активного переноса информации, обеспечивающее сохранение отличительных черт отдельных организмов и видов.”

„Именно воспроизведение как механизм, ответственный за продолжение и преемственность нормальных жизненных процессов, и является тем, что отличает живое от неживого.”

„Постепенно стало ясно, что в проблеме возникновения жизни главное – именно это точное воспроизведение молекулярных структур, основанное на сохранении соответствующей информации в самовоспроизводящихся последовательностях нуклеотидов в нуклеиновых кислотах.”

Позже, в работе [Ляпунов, 1984] предложено такое определение:

"Жизнь можно охарактеризовать как высокоустойчивое состояние вещества, использующее для выработки сохраняющих реакций информацию, кодируемую состояниями отдельных молекул".

Однако, только новое определение сущности информации, изложенное выше, позволило довести подобные мысли до логического завершения. 

Список литературы

Барбараш А.Н. О Жизни и Разуме. - Киев, 1999. - 30 с. - Деп. в ГНТБУ 14.06.99, № 152-Ук99. 

Барбараш А.Н. Земная жизнь в космическом разрезе. - Одес. н.-и. ин-т телевизионной техники. - Одесса, 2001а. - 127 с. - Деп. в ГНТБ Украины 9.04.2001, № 66-Ук2001. 

Барбараш А.Н. Новые дефиниции жизни и информации. // Любищевские чтения, 2001б (сборник докладов). – Ульяновск, Гос. пед. унив-т: Оргком. Любищевских чтений. С. 43–45. 

Бернал Д.Д. Возникновение жизни. - М.: Мир, 1969. - 391 с. 

Ляпунов А.А. Биология и информация. - М., 1984.