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.