И отдельному живому организму, и системам организмов (например, популяциям) свойственны такие же периоды бифуркационных перестроек, как и тем динамическим системам, о которых речь шла выше.
Я еще вернусь к описанию некоторых особенностей механизмов самоорганизации в мире живого, а сейчас – одно важное отступление, посвященное проблемам, связанным с термином «информация». Ибо дальнейшее обсуждение процессов эволюции живого вещества уже невозможно без учета процессов информационной природы.
2. О понятии «информация»
Если описание эволюции неживой материи не требует использования понятия об информации, информационном взаимодействии, то объяснение жизнедеятельности живых организмов, как мы увидим, невозможно без введения в язык термина «информация».
Информация – это очень сложное и многоплановое явление. И с моей точки зрения, оно относится тоже к первопонятиям, поскольку дать однозначное определение информации, опираясь только на другие первопонятия, мне представляется невозможным. Можно лишь описать те ли иные особенности того, что принято называть информацией (что интуитивно называется информацией) и информационным взаимодействием.
Удивительно: уже возникла обширная наука информатика, которая пронизывает многие (если не все) научные дисциплины, наука, которая является основой важнейших направлений развития современной техники, вторгается во все сферы нашей жизни, наука, от успеха которой во многом будет зависеть будущность человека, а между тем центральное понятие этой теории – «информация» – до сих пор не имеет четкого общепринятого определения. И это обстоятельство роднит его с такими фундаментальными понятиями, как материя или энергия.
Многие ученые, прежде всего философы и методологи информатики и кибернетики, считают информацию всеобщим свойством материального мира.
Я же убежден, что подобные взгляды не являются достаточно обоснованными, и склонен считать, что удовлетворяющего всех определения информации, то есть достаточно универсального определения, просто не может быть, ибо оно неотделимо от свойств субъекта, который нуждается не в информации вообще, а во вполне определенной информации, и отбрасывает ненужную ему информацию.
В основе понятия информации и информационного взаимодействия лежит сигнал, хотя он совершенно не эквивалентен понятию информации и может иметь любой источник, а главным в информационном взаимодействии является субъект, принимающий сигнал и формирующий соответствующую реакцию на этот сигнал.
Информация сама по себе ничего не стоит и ничего не означает. Мне кажется бессмысленным говорить о ценности информации как о некоторой абсолютной характеристике. Информация нужна субъекту (организму) для возможности выбора способа действий при стремлении к достижению некоторой цели. Поэтому по отношению к живому организму понятие качества информации вполне закономерно и может быть охарактеризовано ее соответствием тем целям, которые стремится достичь тот или иной субъект, его способностью воспринять информацию и его способностью ее использовать.
Основоположник теории информации К. Шеннон рассматривал простейший вариант информационных процессов: передачу определенного типа сигналов с помощью средств связи. Заметим, что для этой цели он мог бы и не употреблять термина «информация», поскольку и без него можно было бы оценить искажение сигналов случайными помехами и построить соответствующую математизированную теорию.
Субъективное значение информации ни Шеннон, ни его последователи не рассматривали. А это субъективное восприятие информации мне представляется самым важным в теории информации.
Я буду понимать слово «информация» в самом простом житейском смысле – как некоторую совокупность сведений. И не только из-за многообразия ее особенностей, но и в силу того, что необходимость введения этого понятия возникает тогда, когда мы начинаем изучать объекты, способные к целенаправленным действиям.
И по мере усложнения организации материального мира, по мере появления объектов всё большей и большей сложности и с более сложным набором целей потребность в сведениях у организма непрерывно возрастает, и значение информации в развитии биосферы непрерывно растет и усложняется.
Я постараюсь это продемонстрировать.
Заметим еще раз, что получение сведений связано с сигналом, то есть некоторым воздействием среды или некого субъекта на другого субъекта, принимающего сигнал. Этим термином («сигнал») мы можем обозначать некоторое внешнее воздействие на тот или иной объект. Оно может приводить к определенной реакции объекта. Если эта реакция определяется известными законами физики и химии, то в употреблении термина «информация» нет необходимости.
Заметим, что эта реакция вовсе не обязательно однозначна. Так, действие разряда на смесь газов порождает целый ряд химических элементов, как и порыв ветра – целую гамму волн разной длины и амплитуды.
Точно также мы все привыкли говорить о генетической информации и о ее переносе от одного живого организма к другому. Но, по большому счету, и в этом явлении мы можем избежать употребления термина «информация». В самом деле, оплодотворение клетки – это некоторый физико-химический процесс, а неоднозначность результата связана с неизбежным присутствием случайных факторов. И он может быть объяснен на основе этих законов.
Совершенно иное дело, когда реакция объекта на сигнал не может быть объяснена на основе законов физики и химии. Предположим, например, что в поле зрения животного попал хищник. Реакция животного будет зависеть от множества обстоятельств. На основе своего опыта и опыта, приобретенного в результате обучения, животное «проведет анализ полученных сведений». Оно должно будет оценить, сколь опасен для него этот хищник, и «принять соответствующее решение». Вот здесь обойтись уже без понятия «информация» нельзя.
И весь процесс от поступления сигнала до выработки соответствующей реакции мы должны отнести к числу информационных процессов, а связь между действиями обоих животных мы и будем называть информационной. Заметим, что она не однозначна и зависит, например, от степени обученности животного. И не только от этого!
Хотя передача сигнала и реакция на него не могут быть объяснены без использования законов физики и химии, одними этими законами объяснить информационное взаимодействие невозможно. Субъект обладает системой рецепторов, способных принять сигнал. Вот их действия и могут быть описаны на языке физики и химии. Но дальше начинается уже малопонятное: организм способен к селекции сигналов, выделению того, что ему «интересно», и игнорированию сигналов, несущих сведения, не влияющие на характер его жизнедеятельности.
Примечание. Но есть факты, которые до сих пор не поняты. В предыдущей главе я говорил о законе Пастера – Кюри, согласно которому живая клетка отбирает в процессе метаболизма вещества только одного типа симметрии. Каков механизм этого отбора? Ответа на этот вопрос пока нет!
На уровне селекции сигнала появляется и понятие о ценности информации, то есть об информативности сигнала как степени полезности сведений, которые с ним связаны, для обеспечения целей организма. Если сигнал, например, не вызывает никакой реакции, то это означает, что он и не несет никакой информации.
Сейчас порой без особой необходимости используется еще одно понятие информатики – «обратная связь». Его часто используют в тех случаях, когда в материальных системах живой или косной материи возникают компенсационные эффекты, аналогичные проявлению свойств устойчивости. Используя такое понятие, часто забывают о том, что термин «обратная связь» возник в теории регулирования при создании систем автоматического управления техническими системами. Принцип обратной связи позволяет автоматически учитывать новые сведения о состоянии объекта при его малых отклонениях от желаемого состояния и менять соответственно управляющие воздействия без вмешательства управляющего субъекта.
Без понятия об информации нельзя объяснить и действие принципа обратной связи. Он, конечно, согласуется с законами физики, но не является их следствием, ибо все его характеристики полностью определяются субъектом, проектирующим систему. Поэтому, употребляя термин «обратная связь», надо помнить о его происхождении.
Таким образом, на определенном этапе мирового эволюционного процесса возникает вещество, развитие которого уже не может быть объяснено классическими законами физики и химии. Проявляются самостоятельные законы, имеющие информационную природу. Объяснить их природу и механизмы возникновения и реализации информационного взаимодействия в большинстве случаев мы пока не можем.
После этого отступления вернемся снова к описанию механизмов самоорганизации в мире живого и постараемся выяснить те новые качественные изменения, которые связаны с этим уровнем организации материи.
3. Особенности изменчивости и наследственности в мире живого
Изменчивость и наследственность в мире живого, как мы теперь понимаем, определяются прежде всего закономерностями функционирования генетического механизма. Комбинация генов, возникающая случайно из некоторого исходного набора, определяет свойства организма.
Но любой организм является элементом некоторой системы более высокого уровня, и не исключено, что эти системы способны накладывать определенные ограничения на те или иные комбинации генов. Так возникает разнообразие различных типов организмов, принадлежащих одному и тому же виду живого вещества.
Итак, каждый ген, как принято говорить, несет определенную информацию о свойствах будущего организма. Зная генотип, то есть набор генов, можно утверждать о тех или иных свойствах, которыми может (или не будет) обладать организм. При этом часто говорят и об определенной генетической программе.
На этом же принципе основано и понятие наследственности, и мы привыкли произносить фразу о передаче наследственной информации, хотя в этом процессе мы можем и избежать подобных словосочетаний. Но я хотел бы заметить, что наследственность я предложил определять более широко, чем это принято в биологии. Я предложил трактовать наследственность как влияние прошлого на настоящее и будущее. В этом же контексте следует понимать и смысл понятия «память». И это свойство живых систем проявляется не только вследствие действий генетического механизма.
Чисто генетическими причинами, несмотря на их определяющее значение, объяснить все многообразие возможных форм организации живого мира тоже вряд ли возможно: отдельные элементы (организмы) объединяются в системы, обладающие уже новыми системными свойствами. Последние, в свою очередь, являются элементами системы более высокого уровня и т. д. Этот процесс рождает и новые законы, и новые ограничения на уровень царствующих случайностей и неопределенности.
Еще раз обратим внимание на то, что для описания изменчивости и наследственности в живом веществе в их чисто биологическом понимании можно пока обойтись без использования понятия «информация». В самом деле, когда мы говорим о записи информации, ее кодировании теми или иными белками и нуклеиновыми кислотами, о передаче и хранении информации и т. д., мы имеем в виду лишь удачный способ выражения того факта, что в известных условиях создается возможность точного и многократного воспроизведения одного и того же физико-химического процесса. И из работ Эйгена, в частности, следует, что описанный механизм (работа генетического кода в том числе) может функционировать и на уровне биологических макромолекул, и он может быть описан без использования понятия информации, хотя сам Эйген им все время пользуется как своеобразной метафорой, лаконичным способом выражения мысли. И я часто буду использовать понятие «информация» именно в этом «жаргонном» смысле. А вот поведение живого организма описать без использования понятия «информация» уже невозможно.
Со структурой генетического механизма связан другой, как мне представляется, гораздо более глубокий и трудный вопрос, выходящий за рамки теории информации и круга тех вопросов, которым посвящена эта книга. Как могло случиться, что в земных условиях передача наследственной информации, необходимой для развития биоты, при всем ее удивительном многообразии определяется единым генетическим кодом всего из четырех «букв» (четырех нуклеиновых кислот), то есть вполне определенной структурой физико-химического взаимодействия?
Ответа на этот вопрос пока ни у кого нет.
Нет даже и рабочей гипотезы.
4. Особенности отбора в мире живого
Итак, до сих пор при описании схемы процессов самоорганизации мы могли бы обходиться без использования понятия «информация». Но вот объяснить особенность функционирования всего механизма самоорганизации живого вещества, объяснить характер отбора действий, влекущих изменение состояния живыми организмами, без введения понятий информации и информационного взаимодействия невозможно.
Невозможно в принципе.
Отбор на уровне живого не противоречит, конечно, законам физики и химии, но, видимо, и не сводится только к ним. Живой организм – это система, и, получая сигнал или множество сигналов, живой организм их классифицирует, отбирает нужные и принимает «решение» о характере реакции на эти сигналы из каких-то собственных соображений. И эти реакции не однозначны.
Еще раз подчеркну: в общем случае реакции на сигнал не являются однозначным следствием тех или иных законов физики или химии. Одна и та же информация (сигнал) может вызвать разные реакции организма.
И чем сложнее живой организм, тем большее «количество информации» он пропускает через себя. Ибо он нуждается в ней и использует ее в своем сложном образе жизни. Но и тем выше уровень неопределенности в его реакциях на получаемую информацию.
В XIX веке Ч. Дарвин сделал грандиозный шаг – он создал язык, удобный для описания эволюционного процесса. Однако он вкладывал в слова своего языка очень упрощенный смысл, позволявший объяснять механизм усовершенствования организмов, но не возникновения новых!
И, видимо, тот язык, который он использовал для описания отбора, оказался чересчур простым. Так, например, в тех схемах, которые были предложены Дарвином для объяснения того, как произошли виды, многое мне всегда казалось непонятным. Изменчивость, создающая «поле возможностей» для дальнейшего развития, и наследственность предшествуют отбору. Это бесспорно: они создают для него необходимые посылки. Разумеется, если в результате случайных мутаций появляется нежизнеспособный организм, он гибнет, и информация, которая возникла в его генетическом аппарате, не передается по наследству. Но такой дарвиновский отбор, когда выживает более приспособленный организм (выживает тот, кто выживает), не может объяснить многого.
Он не может объяснить, например, как возникают качественно новые виды.
А вот пример, анализ которого не может не вызвать недоумения и не потребовать специального обсуждения.
Палеонтологи утверждают, что птицы в результате сложного эволюционного процесса произошли от динозавров. И это, наверное, так! Динозавры однажды (50–60 миллионов лет тому назад) погибли, а птицы и сегодня один из вполне благополучных представителей живого царства. Как это могло случиться?
По-видимому, первые птицы, археоптериксы или, быть может, птеродактили, произошли от динозавров, бегающих на двух ногах. Передние лапы им служили, вероятнее всего, для выполнения хватательных функций. И вот эти передние лапы превратились постепенно в крылья. Конечно, возможности полета резко увеличили потенциал выживаемости этих типов живых существ по сравнению с их предками. Они-то и обеспечили дальнейшее благополучное развитие потомков динозавров, бегающих на двух ногах.
Но такая трансформация организма не могла произойти за одно поколение. Конечно, теоретически можно допустить, что однажды произошла грандиозная мутация сразу в значительной части генофонда. Но вероятность такой мутации практически равна нулю. Значит, должны были существовать некоторые промежуточные формы.
Но и этот факт тоже кажется невероятным. В самом деле, даже небольшое «крылоподобное» изменение передних конечностей должно было бы резко ухудшить способность передних лап выполнять свои жизнеобеспечивающие функции. И такие промежуточные формы, согласно теории Дарвина, должны быть отбракованы: они были неконкурентоспособны.
И подобных примеров, которые не сводятся непосредственно к реализации принципа «выживает тот, кто выживает» – множество!
Если бы процессы самоорганизации живого вещества основывались бы только на чисто дарвиновской схеме, то для достижения современного уровня развития живого мира потребовалось бы не 4 миллиарда лет, а на много порядков больше. Другими словами, чисто дарвиновская схема естественного отбора на определенном этапе развития живого вела бы к прекращению процесса. Значит, развитие живого мира не может происходить по принципу, что каждое новое свойство, утверждающееся в качестве наследственного признака, дает виду новые преимущества.