Живые системы и информация




Как уже отмечалось, живые системы характеризуются упорядоченностью и строгой организованностью. Объединение частей системы в одно целесообразно функциональное целое и называется организованностью. Это такое состояние, когда материальные и функциональные элементы, образующие систему, соединены не случайным образом, а находятся в целесообразных взаимоотношениях между собой (материальных, энергетических и информационных). У искусственно организованных систем (автоматов) степень организованности (упорядоченности) неизменна, а у живых организмов она со временем может увеличиваться, так как это самоорганизующиеся системы. Функции механизмов управления в живой природе и технике аналогичны, их можно рассматривать с единой точки зрения. Этими вопросами занимается кибернетика – наука «об управлении и передаче информации в живых системах и машинах» (Винер).

 

Табл. 5

Сравнительная характеристика ЭВМ и живой системы

(по А. Н. Мосолову)

Признаки Системы
ЭВМ Живая система
Хранимая информация Дискеты Жидкокристаллический носитель (ДНК)
Код Двухбуквенный (двоичный) Четырехбуквенный (троичный)
Оперативная память Вводимая программа Мозг, иммунитет
Механизм декодирования Физический Физический (акустический), химический
Механизм копирования Физический Химический (синтез ДНК)
Механизм репарации нет Есть (самоорганизация)

 

Настройка функций отдельных частей системы предполагает коммуникацию, т.е. передачу сообщений (информации) между динамическими частями системы. Информация – это не материя и не энергия, но переносят ее материальные или энергетические носители (сигналы). Преобразование сообщений, выходящих из источника информации, в сигналы происходит в передатчике. Преобразованные (перекодированные) сигналы затем по каналу связи поступают в приёмнике, где происходит их декодирование и передача информации к «мишени» (получателю).

Рис. 1 Принципиальная схема коммуникационной цепи

(по Э. Гюнтеру и др., 1982)

 

По рассмотренному принципу организована коммуникация и в технических системах (ЭВМ), и в живой природе. Однако существуют различия в компонентах и функциях.

Таким образом, живая система – это система, организующая взаимодействие материи (структуры), энергии и информации. Это триединство, в ходе взаимодействия образует множество функций:

- воспроизведение информации и структуры;

- обработку информации;

Регенерацию (восстановление) и самоорганизацию;

- создание новых адаптивных программ;

- эволюция.

Управление деятельностью организованной системы связано с взаимодействием в системе прямых и обратных связей, т.е. с перестройкой информационных потоков, с цикличностью процессов, результатом которой оказывается формирование наиболее целесообразных (адаптивных) программ.

Рис. 2 Элементарная схема обратной связи (по И. И. Шмальгаузену, 1968)

 

Управление (в биологии и технике) – это влияние информации на деятельность системы.

Например, поток световой энергии воздействует на светочувствительные клетки (зрительные рецепторы), в центральной нервной системе (зрительные доли коры больших полушарий) происходит переработка и оценка поступившего по зрительному нерву импульса. Полученный эффект далее в виде нервного импульса попадает на центр, регулирующий деятельность мышц, изменяющих диаметр зрачка. Это уже обратная связь. Если света мало, зрачок расширяется, много – сужается. Именно обратная связь, основанная на вновь возникшей в системе информации, является регулятором и обеспечивает адаптивную реакцию.

Каждый сигнал обладает по меньшей мере одним изменяющимся параметром, то или иное значение которого и составляет его сущность (информационный параметр). Например, при гормональной регуляции химический сигнал (гормон) попадает во всей части организма, но только определенные органы способны его принять. Так гормон передней доли гипофиза – тиреотропин – воздействует только на щитовидную железу (мишень). Он стимулирует синтез и выделение ее основных гормонов – тироксина и трииодтиронина. Здесь проявляется важное свойство химического сигнала – специфичность, строгая направленность на определенную мишень, а от количества тироксина зависит активность мишени (щитовидной железы) при нервной связи информационным параметром служит частота импульсов и строгая направленность их к определённому органу. Между особями одного или разных видов служит контактная, зрительная, акустическая или химическая (наличие пахучих веществ) коммуникация. Проходя по каналам связи, сигналы могут быть искажены из-за помех («шумов»), что может привести к их неверной расшифровке в приемнике сообщений и в ходе обратной связи к изменению ответного сигнала.

Как мы видим, в живых системах информационные сигналы чрезвычайно разнообразны. Помимо качества сигнала, заметную роль играет его количество. Если один сигнал представляет собой одно событие из двух возможных исходов (орел или решка после падения монеты), то он имеет вероятность ½. Эта величина и принимается за единицу информации – 1 бит (от анг. binary digit – двоичный знак). При четырех возможных равновероятных сигналах, например, А, Т, Ц, Г, каждый из них содержит два бита и т.д. Двукратная передача одного и того же сигнала содержащего 1 бит, дает количество информации 2 бита. Соответственно повторение сигнала, содержащего два бита (например, пара нуклеотидов) содержит 4 бита информации и т.д.

У человека максимальный поток информации, проходящий по зрительному каналу, составляет 108-109 бит/сек. Из этого количества лишь 50 бит/сек доходит до сознания. Это уменьшение потока информации до оптимальной величины – результат естественного отбора. Отфильтровывается только наиболее существенная информация. В памяти может прочно удержаться только 1 бит/сек, что за 80 лет жизни составит 109 бит/сек (для сравнения: книга среднего объёма содержит около 106 бит). Для управления поведением человека необходим выходной поток информации 107 бит/сек. Он обеспечивается подключением программ, содержащихся в памяти.

Если внешняя информация, как уже отмечалось, в биологической системе уменьшается, то внутренняя возрастает, накапливается. В биологических системах, начинающихся с клетки, в ДНК записан значительный объём информации. Четырехбуквенный «алфавит» нуклеотидов позволяет при преобразовании сигналов наследственной информации использовать триплетный код как самый экономный и многообразный. В дальнейшем (при биосинтезе, эмбриогенезе и деятельности взрослой особи) происходит не только «перевод» с одного «языка» на другой, но и расширение информации за счет увеличения числа сигналов. Так генетический код ДНК в клетке преобразуется в ходе синтеза белка. В ДНК сигналы записаны на «языке» четырех нуклеотидов, а в белке – на «языке» аминокислот уже действует двадцатибуквенный «алфавит», делающим возможным резкое возрастание их числа. Последние в ходе эмбриогенеза реализуются во взрослой особи в виде огромного количества признаков. Будучи уникальной, каждая особь вносит свою лепту в многообразие сообществ. Параллельно возрастает и ценность информации. В ходе эволюции менее ценные компоненты системы заменяются на более ценные. Так, в клетках самыми ценными являются незаменимые аминокислоты. Эволюция белков направлена на включение в их молекулу все большего числа этих аминокислот. То же самое в виде или популяции. Каждая биологическая особь является незаменимой, т.к. она обладает уникальным генотипом, что делает популяцию более лабильной в ответ на изменения окружающей среды. Если же в пределах популяции (или вида) много более или менее сходных особей, обратные реакции всей системы будут однотипными. В случае изменения среды такая система обречена на гибель.

В ходе превращения информации в биологических системах, как и технических, возникают помехи («шумы»). В технике помехи нарушают деятельность системы, наносят вред и удаляются в ходе ремонта. В биологических системах такого рода нарушения тоже имеют патологический характер, но их вредной проявление смягчается в первую очередь, за счет избыточности живых систем. Избыточность – это наличие дополнительных средств и возможностей сверх минимально необходимых для выполнения присущих системе функций. В биологических системах избыточность проявляется на генетическом, организменном, биоценотическом и т.д. уровнях. Ее можно подразделять на качественную (разнообразие особей в популяциях, нервно-гуморальная регуляция деятельности живого организма) и количественную (некоторое превышение запасных питательных веществ в организмах и т.д.).

Таким образом, избыточность биологических систем (функциональная, экологическая, морфологическая, качественная, количественная) обеспечивает поддержание единства системы в постоянно меняющихся условиях существования. Что касается возможностей «ремонта» биологических систем, то в дикой природе это невозможно. Человечество только нащупывает пути исправления ошибок методами генной инженерии для лечения наследственных заболеваний.

Наконец, в отличие от технических систем, шумы в живых системах чрезвычайно важны, так как обеспечивают изменчивость, а значит разнообразие реакций в системе «организм-среда». Наиболее распространённый генетический шум – мутации. Они, будучи вредными для организма («дезинтегрирующий эффект») являются необходимым материалом (наследственная изменчивость) для эволюционного процесса. Включение «вредных» мутаций в эволюцию возможно только при половом процессе в ходе комбинации геномов различных особей (женских и мужских) и переводе рецессивных мутаций в гетерозиготное состояние. Накапливаясь в гетерозиготах, они образуют скрытый резерв наследственной изменчивости популяций, делающий популяцию более лабильной, готовой к реакциям, адекватным к изменению среды.

Таким образом, благодаря сложным информационным потокам, поддерживается гомеостаз живых систем. Это обеспечивается:

- внутренними реакциями системы;

- восприятием информации о внешнем воздействии;

- выработкой новой информации;

- внутренней перестройкой информации и адаптивным ответом на изменение условий функционирования.

 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2018-01-31 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: