Информационная феноменология жизни. Часть I: Внутриклеточные информационные отношения

скачать книгу бесплатно


Активное внедрение в математические исследования компьютерных технологий существенно сдвинуло возможности анализа нелинейных систем, стимулируя развитие направления исследований, которое получило название синергетика.[14 - От греческого ???????? – содействие, соучастие.]

Синергетическая организация и антропный принцип

Одним из побуждающих тезисов для проводимого авторами анализа, или даже императивом, явилось обсуждение, так называемого, антропного принципа. Именно, исходя из него возникла попытка рассмотрения и обсуждения причин эволюции живой природы. Антропный принцип имеет длительную мировоззренческую предысторию, начало которой теряется в истоках человеческой культуры. Идея единства человека и Вселенной разрабатывалась во многих философских и религиозных учениях. На рубеже 20-х веков эта проблема стала все больше привлекать внимание естествоиспытателей, что привело к попыткам более строгих формулировок, как самого принципа, так и концептуального фона, на котором он проявляется. Один из авторов современной интерпретации антропного принципа Б.Картер противопоставлял его безапелляционному тезису, что «мы не должны, не имея на то оснований, предполагать, что занимаем центральное положение во Вселенной». Эта догма, по мнению Б.Картера, несостоятельна, если принять во внимание, что «а) необходимой предпосылкой нашего существования являются благоприятные условия (температура, химический состав окружающей среды и т. д.), б) Вселенная эволюционирует и не является пространственно однородной». Отсюда следует, что «хотя наше положение не обязательно является центральным, оно неизбежно в некотором смысле привилегированное». В чем же состоит эта привилегированность? Большинство исследователей, занимающихся антропным принципом, имеют в виду связь процессов формирования во Вселенной сложно организованных структур (вплоть до человека) не только с локальными, но, прежде всего, с глобальными свойствами расширяющейся Вселенной. Этим подчеркивается определенная универсальность мироздания.

На основе этого антропный принцип представляется не как какое-либо мистическое обоснование появления и развития жизни на Земле, а как, в определенной степени, квинтэссенция результатов теории синергетического анализа, касающихся вопросов эволюции открытых систем в модели современного мира. Обращая внимание на различие в глубине и сложности механизмов моделей классического системного анализа и синергетического подхода, академик Российской академии наук Н. Н.Моисеев, указывая на их связь, подчеркивал отличие эволюции синергетических систем от эффектов простой эмерджентности (спонтанного скачкообразного возникновения нового качества). Синергетический подход обуславливает возможность анализа коэволюции системы в условиях изменяющейся внешней обстановки, но наиболее принципиальное, на наш взгляд, это то, что синергетический подход дает возможность объяснения эволюции открытых систем не как следствие реакции на изменчивость внешней среды, а как процесс развития системы на основе ее внутренних, имманентных факторов в достаточно широком диапазоне стабильности внешней среды.

Работы школы члена-корреспондента Российской академии наук, директора Института прикладной математики имени М. В. Келдыша Российской академии наук С. П.Курдюмова по исследованию нелинейных открытых систем вскрыли процессы их самоструктуризации из первичного «хаоса» не на основе влияния внешних возбуждений, а именно вследствие нелинейности внутрисистемных процессов. Это приводит, на первый взгляд, к парадоксальному явлению: система самоусложняется, а ее структуризация приводит к снижению энтропии не за счет какой-либо внешней «воли», а именно вследствие объективных внутрисистемных (не мистических) потенций. Такое «самосовершенствование» систем вначале было обнаружено отнюдь не на живых системах, а в процессах горения и термоядерного синтеза, что позволяет оставить в покое на этом уровне влияния сверхъестественных сил.

Феноменологический аспект явления возможности имманентного системного самосовершенствования позволяет в несколько новом ракурсе взглянуть на процессы эволюции и коэволюции открытых систем. Признавая живую природу объективно существующей реальностью, следует признать, что нет каких-либо веских причин, исключающих возможность ее имманентного самосовершенствования и усложнения. Если это так, то «генератором» эволюции может выступать не внешняя среда (или ее изменчивость), а именно имманентные свойства организации живой природы. Согласование процессов жизни в живой природе и их объединений со средой порождает процессы коэволюции, которая реализуется по достаточно жестким правилам естественного отбора. Бескомпромиссность этих правил наряду с изменчивостью среды, которая вызвана как внешними гео– и космофакторами, так и влиянием самой живой природы на нашу планету, ограничивают время жизни элементов живой природы, создавая, по-видимому, условия не только поддержания процессов эволюции, но и возможно, при определенных условиях, их ускорение.

Кому-то представленная позиция может показаться очередной убогой интерпретацией автогенеза (номогенеза Л. С.Берга; витализма, берущего свое начало от Платона и Аристотеля, с его энтелехией; аристогенезом с аристогенами), либо ортоламаркизмма, психоламаркизма Ламарка, с их заранее определенной причинностью, целесообразностью развития и сверхестественным жизненным началом, а возможно, наоборот, с эктогенезом, рассматривающим историческое развитие живой природы как процесс прямого приспособления организмов к среде и простого суммирования изменений, приобретаемых организмами под воздействием среды. Выбор такого суждения – право читателя. Претензия очерков не распространяется на декларацию обустройства мира, истинной причинности и целесообразности его существования, включая живую природу. Следует подчеркнуть, что рассматриваются ситуации отсутствия внешнего волевого, целенаправленного воздействия на процессы эволюции систем и процесс коэволюции происходит лишь за счет естественных объективных факторов взаимодействия систем с окружающей средой. Именно в этих условиях, как отмечено, теория исследования систем выявила предпосылки и возможности реализации неуправляемого (в смысле конечной цели) процесса эволюции (усложнения) открытых систем и их последовательного совершенствования в результате естественного отбора, обеспечивающего коэволюцию с внешней средой.

В этом смысле антропный принцип можно интерпретировать как реализацию последовательности стадий естественной самоорганизации систем в условиях баланса действия диссипативных[15 - Диссипация от латинского dissipatio – рассеивание.] факторов и нелинейных факторов, создающих неоднородности. Под балансом понимается состояние, при котором не происходит катастрофических бифуркаций, разрушающих достигнутую структуру системных отношений. Конкуренция между этими классами факторов – действием нелинейных обратных связей и диссипативными, рассеивающими процессами – приводит к различным режимам развития процессов в нелинейных системах.

С.П.Курдюмов подчеркивает:…«главное чудо в том, что мир устроен так, что он допускает сложное. Сложность наблюдаемой Вселенной определяется очень узким диапазоном сечений первичных элементарных процессов и значениями фундаментальных констант». И в этом «прокрустовом ложе» осуществляются пути интеграции различных, развивающихся в разном темпе структур, образующих системные эволюционные целостности. Динамика развития сложной структуры, указывает С. П.Курдюмов: «требует согласованного развития подструктур разного возраста и разных темпов жизни… Это должно обеспечиваться механизмами синхронизации, создающими внутреннюю, имманентную когерентность – согласование темпов жизни структур, объединенных в систему… Одним из таких механизмов является память».

Функция памяти может осуществляться за счет регулирования динамики протекающих процессов, что характерно для большинства физических и физико-химических процессов, обуславливающих развитие и существование Вселенной в космогоническом масштабе, который абсолютно определяется отношениями взаимодействия микрочастиц. Однако возможности процессуально динамической памяти весьма ограничены. Принципиально новые возможности возникают при переходе к информатизации процессов управления динамикой жизни систем. Информатизация управления создает качественно новые отношения обеспечения согласования «жизни» структур, объединенных в систему. Создаются возможности формирования практически неограниченных элементов памяти и нелинейных отношений произвольного вида на основе программного управления, а не только за счет обусловленных уже сложившейся на определенном уровне системной организации динамики процессов.

Информация

Прежде чем начать обсуждение вопросов информационной феноменологии жизни, напомним некоторые представления непосредственно об информации. Мы не будем давать какое-либо из принятых определений понятия «информация», потому что, на наш взгляд, информация – это свойство природы, которое настолько обще и фундаментально, что выделяет его как самостоятельную философскую категорию представления отношений в природе. Встанем на позицию российского биофизика В. И. Корогодина из Объединенного института ядерных исследований, считающего, что «определение информации через описание форм её проявления и её свойств представляется вполне правомочным».

Рассмотрим некоторые из основных свойств, присущих информации. Одними из основополагающих, на наш взгляд, являются следующие три свойства: свойство системности, свойство возможности передачи информации и свойство тиражируемости информации. Специфические особенности этих свойств информации являются предметом исследований самостоятельных прикладных научных направлений, в рамках которых выработаны подходы к формированию и оценке конкретных различных количественных и качественных показателей информации. Попробуем проинтерпретировать их в структуре этих свойств.

Системность

Информации принципиально присущи системные свойства, связанные с обязательным наличием наряду с информацией, как самостоятельным объектом, таких связанных с ней объектов как источники информации и потребители (приёмники) информации. Образно говоря, информация выполняет некоторую «услугу» между «источником» и «потребителем». Только их обоюдное наличие порождает информационные отношения. В противном случае – при их обоюдном отсутствии, информация абсолютно теряет смысл, т.е. перестает существовать как содержательный объект. Отсутствие источника и потребителя информации создает ситуацию ее полного отсутствия. Таким образом, информация как категория представления формы и развития природы достаточно адекватно совпадает с феноменологической моделью системы.

Системные свойства информации проявляются не только в структуризации объектов: источник(информация(потребитель, но и в их жесткой системной связности в информационном смысле. Действительно, информация приобретает смысл только в том случае, когда процедуры формирования информации источником позволяют воспринимать ее потребителю. Это достигается при наличии у источника и потребителя внутренних согласованных механизмов организации процедур формирования и восприятия информации. Согласованность действия таких механизмов обеспечивается на основе выполнения некоторых соглашений, которые в совокупности с алгоритмами реализации этих соглашений составляют самостоятельный системный объект – программное[16 - От греческого ????????? – распоряжение,объявление, наказ, от ??? – впереди ?????? – запись, линия.]обеспечение функционирования источника и приемника информации. Оно является таким же обязательным атрибутом любой информационной системы, как источник и потребитель.

Вместе с тем программное обеспечение само по себе является информационным объектом, в результате чего может возникнуть впечатление некоторого парадокса: «информация создает информацию». Но такие свойства различных объектов достаточно традиционны. Например, в математической теории множеств достаточно естественно представление, что подмножество некоторого исходного множества может включать в себя исходное множество. Однако для феноменологии информационных систем это обстоятельство весьма существенно. Именно на основе его можно предположить возможность формирования системных эволюционных процессов за счет лишь имманентных факторов, без необходимости наличия каких-либо внешних (трансцендентных) целей.

Принципиальным феноменологическим свойством программного обеспечения и, по сути дела, каждой программы является обязательное сопоставление им императива[17 - От латинского imperativus – повелительный, настоятельное требование]внутренней цели: «исполнение программы». Таким образом, организация процессов на основе программного управления становится вполне детерминированной, по крайней мере, в отношении указанной цели. Это выводит системы, имеющие имманентное программное обеспечение и действующие на его основе, в отдельный специфический класс (категорию), для которого внешнему наблюдателю представляется их поведение как целенаправленное. Именно трансцендентная интерпретация целенаправленности систем, функционирующих на основе программ, порождает, на наш взгляд, порой не совсем адекватное представление об их генезисе[18 - От греческого ??????? – происхождение, возникновение; процесс образования и становления развивающегося явления]. Напомним, что императив цели: «реализация (исполнение) программы», – это атрибут программы и совсем не обязательно именно он является первоисточником (либо причиной) появления программы. Так, например, сложившиеся концепции и реальные версии системного программного обеспечения компьютеров третьего и четвертого поколений и персональных компьютеров в значительной степени определили цели их функционального назначения.

Передача информации

В обобщенном виде «услуга», осуществляемая информацией, сводится к передаче информации от источника к потребителю. Это является принципиальным свойством информации, без реализации которого разговор об информации теряет смысл. Напомним, что передача информации может осуществляться как в пространстве, так и во времени. В реальных условиях эти процессы обычно в той или иной степени совмещаются и имеют много общего по форме представления информации, но каждый из них порождает свою специфическую атрибутику для реализации возможностей передачи информации. Передача в пространстве связана с динамическими объектами, такими как сигнал, а передача во времени со статическими объектами – память.

Исследования способов передачи информации в пространстве (по каналам связи) явились основой становления классической теории информации, в рамках которой выявлены и сформулированы основные свойства формы представления и передачи информации. Основополагающим фактором классической теории информации является, пожалуй, парадигма воздействия окружающей среды на информационную систему при передаче информации, в частности, передача информации по каналам связи при наличии помех (шумов – термин, доставшийся в наследство от исследования каналов передачи звуковой информации). Фундаментальными положениями теории информации являются введенные в ней понятия количества и скорости передачи информации при выбранном способе ее дискретного представления. Показано, что дискретное представление информации никоим образом не сужает общего понятия «информация». Это обосновано теоремой академика Российской академии наук В. А.Котельникова, сформулированной им в 1933г. в работе «О пропускной способности "эфира" и проволоки», утверждающей, что любые реальные непрерывные процессы могут быть представлены некоторой дискретной последовательностью без потери информации.

В математике достаточно давно разработаны различные приемы представления разных форм отношений в других формах, более удобных для применения в конкретных ситуациях. Одним из распространенных способов такого представления является разложение в ряд – феноменологически, по сути, переход от континуальной формы к дискретной форме интерпретации отношений. Одной из задач при проведении такой аппроксимации является оценка точности аппроксимации. В. А.Котельниковым доказана теорема (теорема Котельникова). Если непрерывный сигнал x(t) имеет спектр, ограниченный частотой F

, то он может быть восстановлен по его дискретным отсчетам, взятым с частотой f

= 2 F

.

С онтологической точки зрения мы имеем дело с принципиально своеобразным классом объектов. Дискретное представление информации обладает уникальной особенностью – возможность создания копий, абсолютно идентичных с точки зрения их смыслового содержания. Это принципиально не достижимо при аналоговом представлении, т.к. любое воспроизведение аналоговых сигналов доступно лишь с некоторой точностью, зависящей от свойств материальных объектов, участвующих в информационном процессе.

Интересна в этом смысле категориальная модель семантики информации, разработанная отечественным ученым В. Г.Толстовым. Концептуально-методологические основы теории представления этой модели декларируют квантовый (дискретный) характер содержательного смысла (семантики) информации, а не только ее возможностей дискретного представления с целью передачи и тиражирования.

Достигнутые к настоящему времени фундаментальные положения теории определили универсальную форму представления информации в виде кодов[19 - От французского code – система условных обозначений и названий, применяемых для передачи, обработки и хранения различной информации, от латинского codex – книга,], что обеспечивает связь информационных процессов с реальными материальными физическими процессами обработки, передачи и хранения информации.

Алфавит

Кодирование – дискретное представление информации, основано на использовании некоторого алфавита, с помощью которого по определенным правилам создаются кодовые комбинации, своим многообразием обеспечивающие уникальное представление той или иной информации. Каждый алфавит являет собой некоторое конечное множество элементов, которые соответствуют событиям представления информации для ее передачи в том или ином виде (в пространстве, или во времени). Для конкретной информационной системы знаки (буквы) алфавита – элементы множества, обычно соответствуют событиям представления некоторого кванта (минимальной порции) информации.