Главная | Обратная связь

Политика учебной дисциплины 10 страница

4. ДНК, информация и теория систем

Работы в области теории информации проливают свет на эволюционную роль ДНК как кодированного сообщения. В главе 7 мы видели, что в термо­динамике порядку и информации соответствуют невероятные сочетания компонентов. В закрытых системах энтропия и беспорядок имеют тенден­цию возрастать, приводя к потере информации. Во время второй мировой войны пытались решить проблему надежной передачи сообщений по ра­дио. В этом контексте шум представляет собой беспорядок, который иска­жает сообщение. Согласно теории информации, существует два способа уменьшения таких потерь: (1) избыточность, когда части сообщения повто­ряются, и (2) правило, которые налагают ограничения, сокращая число допу­стимых сочетаний, в то же время оставляя возможность для новизны и раз­нообразия. С появлением компьютеров сообщения стало возможно надеж­но кодировать в двоичной или цифровой системе (да/нет или 1/0) и выра­жать в «битах» информации. Компьютер реагирует на содержащиеся в про­грамме инструкции, которые определяют соединения в его электрических цепях, после чего он может управлять формой представления введенной в него информации («обработка информации»), и активировать те или иные выходные устройства.

Информация - это упорядоченная группа (звуков, букв, двоичных чисел, оснований ДНК или любых других различимых элементов), соответствую­щая одному из многих возможных состояний системы. Информация передается, когда другая система (слушатель, читатель, компьютер или органичес­кий процесс) избирательно реагирует на нее - то есть, когда информация кодируется, передается и декодируется. В случае белков, формируемых ДНК, существуют внутренние структурные правила, которые ограничивают воз­можные сочетания и уменьшают роль случайности. И в то же время, имеется достаточно возможностей для новых сообщений. Для эволюции стабиль­ных форм мутации должны быть не слишком редкими, но и не слишком частыми. Джереми Кэмпбелл пишет: «Теория информации учит нас, что вы­бор и ограничение могут сосуществовать как партнеры, позволяя системе, будь то живой организм, язык или общество, следовать не по пути энтропии, а по пути истории».

Для того, чтобы происходила эволюция, информация должна переда­ваться в двух направлениях, как от генов, так и к ним. Рассмотрим сначала экспрессию ДНК в развивающемся организме. Линейное сообщение моле­кулы ДНК создает линейную белковую цепочку, однако вследствие суще­ствования характерных углов связывания и складок в цепочке, в результате образуется специфическая трехмерная белковая структура, имеющая актив­ные участки для присоединения боковых групп. Сообщение ведет к струк­туре, а структура - к функции. Крайне сложная группа генетических регуляторных программ с активаторами и репрессорами включает и выключает работу других генов, поэтому клетки нужного типа создаются в нужном месте и в нужное время как в развивающемся эмбрионе, так и при дальнейшем функционировании организма. В этом контексте ДНК воплощает информа­цию для действия, то есть, набор предписаний.

Информация об окружающей среде также передается в гены в процессе естественного отбора. Существует информация о том, что оказалось жиз­неспособным, и о том, как организм может существовать в мире, включая и закодированные инстинктивные модели поведения. Это механизм памяти, посредством которого история жизни записывается в ДНК. Мы могли бы сказать, что система демонстрирует своего рода способность к обучению, к проверке методом проб и ошибок в серии экспериментов по сбору ин­формации, которая накапливается в более крупных структурных едини­цах - организмах, популяциях и экосистемах. В ДНК хранится значитель­ное количество не используемой информации, которая может быть затре­бована при изменении окружающих условий. Здесь действует кибернети­ческая система, или система обратной связи, для получения, хранения, из­влечения и использования информации. Действие ДНК зависит от контек­ста и требует двухстороннего потока информации между уровнями. Та­ким образом, информация, наряду с материей и энергией - один из ос­новных элементов реальности, и она соотносительна по своему характеру. Слова выражают послание, лишь когда они прочитаны. Информация все­гда зависит от контекста.

Представьте себе человека, который пишет книгу, состоящую из глав, разделов, предложений, слов и букв. Выбор букв определяется выбором слов, выбор слов определяется формулировкой предложений и так далее. Писатель также принимает во внимание целый ряд общепринятых норм кодирования: грамматические правила, лингвистические обычаи, алфавит и словарный запас определенной языковой среды. Читатель, в свою очередь, использует те же правила для расшифровки послания. Книгу можно пере­вести на другой язык, или читать вслух, выражая то же сообщение другими средствами.

В случае ДНК, значение части также зависит от значения более крупного целого. Управляющие последовательности (опероны) регулируют целые бло­ки деятельности. Распознающие коды откликаются на определенные моле­кулярные структуры. Программы развития способствуют дифференциации и развитию клеток в тех или иных органах. Гомеостатические механизмы обратной связи, например, механизмы терморегуляции, обеспечивают нор­мы функционирования организма в целом. В каждом случае модели взаимо­действия между компонентами на одном уровне устанавливают погранич­ные условия деятельности на нижележащих уровнях. Коды, содержащиеся в ДНК, не нарушают физических и химических законов, однако их никогда нельзя было бы вывести из этих законов. Информация записывается и исполь­зуется в виде иерархически организованных структур. Значение частей опре­деляется их участием в более крупном целом. Сходное иерархическое упо­рядочивание можно наблюдать в компьютерных программах. И в этом слу­чае сообщение (программное обеспечение) также можно обособить от но­сителя или среды (аппаратного обеспечения). Смысл сообщения, как в коде ДНК, так и в компьютерном коде, зависит от более широкого контекста.

ДНК представляет собой программу развития и функционирования лишь в совокупности с молекулами цитоплазмы, которые обеспечивают необхо­димую окружающую среду и опорную структуру. Генетическая программа сохраняется с прошлого и функционирует в настоящем благодаря поведе­нию более крупных единиц - включая, в конечном итоге, всю взаимозави­симую экосистему с ее циклами и взаимодействиями энергии, материалов и информации. Каждая единица достигает устойчивости благодаря тому, что становится частью большего целого, стабильности и динамике которого она способствует. Как писал Викен: «Природа строится иерархически: устойчи­вость каждого уровня основывается на использовании механизмов, предос­тавляемых нижележащими уровнями, а его функциональные контексты оп­ределяются вышележащими уровнями».

Соотношение между уровнями порядка анализирует теория систем, в первую очередь, теория иерархии. Один из специалистов в области теории информации Герберт Саймон предлагает нам представить себе часовщика, которого то и дело отрывают от работы. Если часовщику приходится каж­дый раз начинать все сначала, он может так никогда и не справиться со своей задачей. Но если он собирает группы деталей в блоки, которые затем соединяет между собой, то может закончить работу быстрее. В живых орга­низмах имеется много таких устойчивых блоков с различной прочностью внутренних связей; эти блоки сохраняются в неизменном состоянии и лишь слабо соединены друг с другом. Более высокий уровень устойчивости не­редко создается функциями, которые относительно независимы от вариа­ций микроскопических деталей. Сложное коллективное поведение можно проще описать на более высоком уровне организации.

Это ключ к ответу на вопрос о том, как эволюция может демонстриро­вать и случайность, и направленность. Случайность присутствует на многих уровнях: это мутации, рекомбинация и дрейф генов, колебания климата и т. п. Эволюция - это неповторимая серия событий, которые было бы не­возможно предсказать; их можно лишь описать с исторической точки зре­ния. Однако история свидетельствует о восхождении к более высоким уров­ням организации, о тенденции к большей сложности и разумности. Природа играет в кости, но это шулерские кости - результат предопределен внут­ренними ограничениями. В частности, благодаря относительной устойчивос­ти модульных структур, достигнутые улучшения сохраняются. Представьте себе зубчатое колесо, которое может случайным образом поворачиваться на небольшой угол в любую сторону. Если у него есть храповик, который время от времени защелкивается, то в конечном итоге колесо будет повора­чиваться в одну сторону больше, чем в другую. Еще одной аналогией может быть шар, который нужно закатить на вершину холма, причем на склоне есть небольшие террасы, на которых шар может покоиться в «метастабильных состояниях», не скатываясь обратно к подножию.

Существует два вида иерархии. Первая, которую следует рассматривать исторически, - это генеалогическая иерархия: ген, организм и вид. Единицы здесь различаются по своей исторической роли в воспроизводстве и эволю­ционных изменениях. Вторая, рассматриваемая в любой момент времени, - организационная иерархия: атом, молекула, клетка, орган, организм, популяция и экосистема. Единицы этой иерархии различаются по своей относительной устойчивости и по своему действию и взаимодействию в качестве целост­ных образований. Объекты на каждом уровне имеют много общих свойств с иными объектами на том же уровне, и относительно мало общих свойств с объектами на других уровнях. В обеих иерархиях происходит передача ин­формации между уровнями. Применительно ко второму случаю Нильс Элдридж и Стэнли Салт говорят о «восходящем влиянии», когда совмест­ное действие многих подсистем более низких уровней создает необходи­мые условия для более крупного целого, и о «нисходящем влиянии», когда функционирование многих подсистем происходит в рамках пограничных условий, которые устанавливает деятельность на вышележащих уровнях.

Лекция 12: Человеческая природа