В аутентичной неживой природе (исключающей технику) на макроскопическом уровне информация выражается, как мы выяснили, в мере свободной энергии – то есть в способности системы совершить некоторую работу – механическую, химическую, электромагнитную и т.д. Каждый процесс такого совершения работы сопровождается необратимой (без внешнего воздействия) потерей свободной энергии, а значит, как мы вывели до этого, и информации. В случае внешнего воздействия некоторая система может получить долю свободной энергии, израсходованной в системе, внешней по отношению к ней, при этом возникает такое состояние частиц, которое позволяет системе совершить работу. Классический пример – намагничивание ферромагнетиков либо другим магнитом, либо ударом молнии. Намагниченность в данном случае будет физическим выражением информации, полученной частицами данной системы. Работу будет совершать магнитное поле. Процессы передачи, хранения и использования информации в данном случае – одноступенчатые и не имеющие цели. Еще одна особенность информационных воздействий в неживой природе – при передаче информации от одной системы к другой возрастание информации в системе-приемнике необходимо сопряжено с ее потерей в системе-источнике. Информация в неживой природе не копируется!
В живой природе мы видим знакомые нам по вычислительной технике схемы работы с информацией. Имеется источник информации – генетический материал в виде ДНК и РНК. Имеется присущий этому источнику входной алфавит – четырехбуквенный генетический код (входной алфавит), состоящий из букв-мононуклеотидов А, Г, Т, Ц (аденин, гуанин, тимин, цитозин), который в РНК модифицирован – тимин заменен на урацил. Буквы эти сочетаются в трехбуквенные слова (триплеты), которые являются кодом для синтеза аминокислот (3 буквы соответствуют или аминокислоте, или же «пустому» слову, означающему прерывание синтеза). Имеется кодирующее устройство – РНК-полимераза, которое создает промежуточное сообщение в виде информационной РНК для декодирующего устройства – рибосомы, которое на основании полученного сообщения синтезирует полипептидные цепочки (в них последовательность аминокислот является выходным алфавитом), которые потом, изменяя конформацию уже без участия генетического источника информации, складываются в молекулы белков. Все эти процессы идут с затратой свободной энергии, запасенной в виде макроэргических связей веществ, их образующих (АТФ, ГТФ, креатинфосфат и некоторые другие). Сама же свободная энергия запасается или при захвате фотонов при фотосинтезе у автотрофов (растений), окислении неорганических субстратов у хемотрофов (хемосинтезирующие бактерии), или же при окислении органических субстратов у гетеротрофов (животных, грибов, бактерий и т.д.). И тот, и другой процессы осуществляются при помощи ферментативных реакций (реакций с участием ферментов, т.е. простых или составных белков, являющихся катализаторами – хотя роль ферментов гораздо сложнее обычного химического катализа, как мы это рассмотрим позже) как правило, многоступенчатых, с последовательным участием различных ферментов, синтезированных на основе имеющегося генетического кода. Кроме белков, участвующих в энергетическом обмене, существует множество регуляторных ферментов, осуществляющих функции обратных связей, которые регулируют как экспрессию генов и синтез белков и других органических соединений, так и энергетический обмен. Кроме того, генетическая информация является самокопирующейся – как внутри клетки при помощи комплементарного преобразования (перекодирования)А-Т и Г-Ц, осуществляющегося при синтезе комплементарной (антисмысловой) спирали ДНК, которая и хранится в виде двойной спирали (кодирующая + комплементарная, они же – смысловая + антисмысловая), так и при процессах деления клетки (митоз и мейоз), при этом осуществляется репликация ДНК в новые двойные спирали, предназначенные для хранения и считывания в дочерних клетках. Таким образом, любой живой организм является самовоспроизводящимся автоматом фон Неймана.
Итак, мы видим в живой природе по сравнению с неживой множество новых особенностей существования информации.
1. Важным является не только количество, но и качественный состав информации – последовательность ДНК кодирует через синтез ферментов процессы, которые эти ферменты осуществляют. То есть каждый фермент является выраженным в виде химического соединения оператором, осуществляющим химические же преобразования веществ в цитоплазме клетки.
2. Ферменты, участвующие в биохимических преобразованиях, функционально соединены в последовательности, реализующие некую конечную цель (синтез определенного продукта), то есть каждый биохимический цикл является выражением некоего алгоритма. Эти алгоритмы надо понимать в общем смысле Маркова – то есть это подстановочные алгоритмы, осуществляющие преобразования в «словах» - органических соединениях (или меняющие концентрацию неорганических, как в водно-электролитном обмене).
3. При наличии в этих циклах регуляторных ферментов (или аллостерических регуляторных центров, стимулирующих или ингибирующих активный центр фермента при соединении с субстратом или продуктом реакции – или же сторонним регулирующим химическим агентом) эти алгоритмы являются циклическими, осуществляющими регуляцию по типу обратной связи.
4. В связи с диффузным расположением молекул субстратов в растворе биохимические циклы-алгоритмы являются не детерминированными, а вероятностными, причем вероятность осуществления следующей ступени алгоритма зависит от концентрации субстрата, температуры, электролитного состава среды и многих других условий. То есть данные алгоритмы по своей реализации представляют из себя недетерминированные автоматы.
5. Отличительным от неживой природы является копирование информации.
Итак, биохимический алгоритм есть процесс, состоящий из последовательности информационных воздействий при посредстве биохимических агентов и увеличивающий вероятность возникновения конкретного состояния-цели в биохимической системе при ступенчатом повышении условной вероятности данного состояния по сравнению с безусловной. Под биохимической системой можно понимать как отдельные клеточные органеллы, например, митохондрии, так и целые клетки и организмы, и даже сложные надорганизменные системы типа системы «самец-самка» в брачный период, поведение которой управляется выделяемыми во внешнюю среду информационными биохимическими агентами – феромонами, и даже экосистемы, состоящие из пищевых цепочек, куда входят различные организмы. Каждая ступень биохимического алгоритма, повышающая вероятность состояния-цели, является конкретной биохимической реакцией, использующей продукт предыдущей ступени в качестве субстрата для настоящей, а продукт настоящей реакции будет являться субстратом для последующей ступени – и так до конечной ступени, синтезирующей конечный продукт.
В отличие от объектов неживой природы в живых объектах реализованы системы памяти разного уровня – самым основным является генетический, но кроме него к памяти можно относить конформацию молекул ферментов, адаптивные изменения в биохимических циклах, не говоря уже о нейрофизиологических (на них подробно остановимся позже). Свойство памяти обусловлено структурой макромолекул, не только запоминающих и копирующих химический состав, но и принимающих устойчивые, но маловероятные при случайных процессах формы (конформации). Таким образом, на примере живых объектов можно заключить, что минимальным уровнем реализации машины-алгоритма с памятью является макромолекулярный.
Интересно совпадение трактовки «машина-алгоритм» в абстрактных моделях Тьюринга, Поста, Черча (для них эти термины были синонимами), с сущностью биохимических процессов. Ферментная система является биохимической машиной, работающей за счет конформационных изменений макромолекул (фактически, из-за участия в этих изменениях состояний электронных оболочек – квантово-механической машиной), и одновременно – она является совокупностью сообщений для молекул субстрата о том, какие изменения должны быть над ними произведены. Биохимическая машина не просто выполняет алгоритмы, а сама является материализованным алгоритмом, записанным на языке химических соединений.
Конечной целью всех информационных процессов в живом организме является передача генетической информации следующему поколению.Для реализации этой цели в биохимических (а также почти не рассматриваемых здесь поведенческих) алгоритмах предусмотрены промежуточные цели:
1. Обеспечение оптимальных условий хранения генетической информации, выражающееся в стремлении к постоянству внутренней среды клетки, которое называется гомеостаз. Цель гомеостаза – максимально противостоять разрушению генетического материала, то есть минимизировать действие закона невозрастания информации.
2. Обеспечение копирования генетической информации как внутри организма (геном каждой клетки в идеале является точной копией соседних), так и при передаче следующему поколению при бесполом или половом размножении.
3. Обеспечение рекомбинации генетической информации при половом размножении при помощи механизма кроссинговера (обмена генами между гомологичными хромосомами) для получения наибольшего генетического разнообразия у следующего поколения. Кроссинговер по своей алгоритмической сути – марковский подстановочный алгоритм.
4. Обеспечение реакций организма на изменения внешней среды, которые потенциально могут быть или полезными для вышеуказанных целей, или же опасными. Для примитивных организмов это чисто биохимические или биофизические алгоритмы – тропизмы и настии, для животных, имеющих нервную систему – поведенческие алгоритмы. Изначально заложенные в нервной системе поведенческие алгоритмы называются безусловными рефлексами, появившиеся в результате многократного реагирования на внешние стимулы – условными.
Дезинформирующими агентами можно считать любые воздействия, нарушающие процесс хранения и передачи генетической информации и реализации биохимических алгоритмов. На генном уровне это радиация и химические мутагены, на субклеточном уровне – яды, свободные радикалы, нарушения водно-электролитного обмена и многие другие. Особого внимания заслуживают вирусы – это также системы хранения и передачи генетической информации, которые тратят пластические и энергетические ресурсы и механизмы экспрессии генов хозяина, тем самым создавая помехи для его информационных процессов. Некоторые вирусы способны встраивать свою ДНК в геном хозяина, тем самым увеличивая количество информации в его ДНК – то есть здесь мы имеем дело с настоящим информационным воздействием извне. При этом семантическая ценность информации ДНК хозяина в общем случае снижается, но в случае, если вирус уже побывал у другого хозяина и захватил в свой геном его гены, а затем эти гены передает другому хозяину, возможно добавление новой информации, имеющей семантическую ценность для данного организма. Это явление называется горизонтальным переносом генов.
Написал несколько сумбурно, но это вполне можно объяснить необъятностью темы - информационные процессы в биологии только-только начинают осмысливаться, и новая наука - биоинформатика - еще очень молода, хотя уже даже на нынешнем этапе делает и теоретические, и практические успехи. Далее попробую рассмотреть некоторые более узкие вопросы более последовательно и подробно.