Информация как основа жизни - В. Корогодин

"Жить – значит обладать способностью откликаться более или менее целесообразно на воздействия окружающей обстановки", – писал К. Платэ, несколько видоизменив определение живого, предложенное английским философом Г. Спенсером, который полагал, что "жизнь есть определенное сочетание разнородных изменений, одновременных и последовательных, в соответствии с внешними сосуществованиями и последовательностями". По поводу этого определения жизни наш замечательный натуралист В. В. Лункевич [7] остроумно заметил, что оно дает нам "и очень много, и ничего". Очень много, потому что объединяет в единое целое все возможные проявления жизни, и ничего, потому что оставляет в стороне вопрос о причинах, их вызывающих.

По-видимому, нужно идти другим путем. Попробуем найти такое специфическое свойство, отличающее живое от неживого, обладание которым делает объект живым. Эта искомая сущность должна объяснить все проявления жизни, включая способность к прогрессивной эволюции. Среди самых разных свойств живого должно быть одно, объединяющее все многообразие живых существ. Свойство это давно известно, но почему-то до сих пор приписывалось только человеку. Это – способность совершать целенаправленные действия.

"Учение о цели" (телеология) восходит к доаристотелевским временам, когда движение небесных светил и невидимых атомов объясняли существованием единой "движущей силы", находящейся вне "материальных оболочек" привычных и знакомых всем вещей. Лишь с течением времени физики избавили неживой мир от влияния "единого движителя", и в его ведении осталась лишь живая природа. Эта одухотворяющая сила во времена Аристотеля, т. е. более 2000 лет назад, получила наименование "энтелехия". Такие представления под другими названиями просуществовали до начала нашего века [8], но в дальнейшем энтелехия сошла со сцены. На виду осталось очевидное – способность совершать целенаправленные действия. Если не связывать эту способность с сознательным стремлением к цели, то почти не нужно доказывать, что она присуща всем без исключения живым организмам.

Чем же "целенаправленное действие" отличается от других событий, происходящих вокруг нас?

Идет гроза, ветер гнет деревья, раздается грохот грома, молния ударяет в деревянный сарай, и начинается пожар. Можем ли мы по отношению к таким событиям сказать для чего они происходят? Нет, конечно. Мы полностью объясним эти события, если ответим на вопрос: почему'?

Но таким событиям противостоят другие, которые нельзя объяснить, ответив только на вопрос "почему?" и умолчав "для чего?" Это события, идущие с участием живых организмов: когда вирусная частица, прикрепившись к поверхности бактерии, впрыскивает в нее свою ДНК; когда муравьи роют вход в подземный муравейник; когда птица строит гнездо, зверь – нору или человек засевает зерном взрыхленное поле. Во всех подобных случаях, чтобы понять действия живых существ, следует знать, для чего они это делают. Подчас этого ответа достаточно, чтобы понять природу наблюдаемого явления.

Здесь напрашивается аналогия с машинами, изготовляемыми человеком, да и другими изделиями, которые производят разные живые существа – от насекомых до высших млекопитающих: термитниками и муравейниками, гнездами и норами, различными постройками и т. п. В таких случаях прежде всего решают вопрос, для чего они предназначены, а уже затем – почему и как. Цель стоит впереди, а уж насколько то или иное изделие будет ей соответствовать, зависит от искусства его творца. Поэтому-то такие изделия и называют искусственными.

Итак, "искусственный" – термин, применяемый к объекту, изготовленному каким-либо живым организмом согласно "своему желанию", для достижения своей цели – удовлетворить потребность живого. Но таким целям служат, по существу, любые действия, совершаемые живыми организмами, как бы ни был широк их диапазон. Эти целенаправленные действия далеко не всегда однозначно связаны с "конечной целью" – той именно потребностью, которую организм стремится удовлетворить, даже не осознавая этого. Но стоит внимательно понаблюдать за любым живым существом, и станет ясно, что все "конечные цели" сводятся к одной – оставить потомство. Поэтому можно сказать, что живое – это совокупность объектов, способных совершать целенаправленные действия, конечная цель которых – самовоспроизведение.

Целенаправленное действие отличается от спонтанного течения событий прежде всего тем, что оно повышает вероятность осуществления "события цели". Насколько повысится эта вероятность – зависит от искусства исполнителя, от степени его осведомленности о путях достижения цели и о наличии в его распоряжении необходимых ресурсов. Но, независимо от этого, любое целенаправленное действие характеризуется именно повышением вероятности достижения цели, и величина эта позволяет судить об его эффективности [9].

Вторая характеристика целенаправленного действия – те дополнительные изменения в окружающей среде, которые его сопровождают. При любом целенаправленном действии всегда (в соответствии со вторым законом термодинамики) появляются "побочные продукты" – от едва заметного повышения температуры окружающей среды до накопления в этой среде веществ, отравляющих все живое. Чем совершеннее методы достижения цели, тем меньше образуется побочных продуктов.

И, наконец, самое главное в целенаправленном действии – это механизм, который его осуществляет. Такой механизм можно назвать "оператором" [10]. В искусственных устройствах – это машина, изготовленная человеком, или какое-либо иное сооружение, сделанное живыми существами, а в живых организмах это сам организм, его тело, его строение, его навыки и умение пользоваться имеющимися ресурсами для достижения своей цели. Все мы прекрасно знаем, сколь различны организмы по размеру, форме и образу действий и как превосходно они пригнаны к среде своего обитания, своей "экологической нише". И чем больше такое соответствие, тем успешнее они достигают цели и тем менее пагубны побочные продукты, это сопровождающие.

Остановимся подробнее на появлении информационных систем – процессе самоорганизации. Как показал И. Пригожий [11], это должны быть открытые системы, далекие от термодинамического равновесия. В такой системе должны иметь место каталитические и кросс-каталитические процессы. Такие процессы хорошо описываются нелинейными дифференциальными уравнениями. Когда система становится неустойчивой, любые малые возмущения во внешней среде приведут к переходу в новое стационарное состояние. Под влиянием возникающих в это время флуктуации элементы ансамбля могут "кооперироваться", что будет проявляться в новых системных свойствах. В этом процессе необходимо подчеркнуть следующее.

Критерием эволюции является принцип о минимальном производстве энтропии. Он указывает на то, что направленное развитие термодинамической системы происходит вне равновесного состояния и поддерживается слабыми, но постоянными силами. Когда система встречает препятствия к достижению идеального состояния минимального рассеяния, она начинает выбирать следующий наилучший путь и остается в состоянии минимального рассеяния и минимального производства энтропии. Т.е. самоорганизующаяся система появляется всегда, когда возможно "выжить" за счет своих кооперативных свойств при различных воздействиях или для того, чтобы лучше использовать окружающую среду [11-13]. Это можно считать обоснованием "целенаправленного" действия для любых самоорганизующихся систем.

Любое целенаправленное действие можно описать преобразованием (4):

где R - ресурсы, расходуемые на его осуществление; S - условия среды, в которой это действие происходит; Q - объект, или оператор, это действие осуществляющий и построенный согласно некоторому определенному плану, или информации, I - событие цели; w - "побочный продукт", сопровождающий осуществление Z; р и Р - вероятность осуществления Z спонтанно и/или при участии оператора Q. Мы видим, что единственное отличие целенаправленного действия от естественного течения событий состоит в том, что оператор Q, его совершающий, построен на основании данной информации. Только это приводит к тому, что в некоторой ситуации s вероятность осуществления Z при участии Q выше, чем в его отсутствие (Р>р). Яркий пример этому – размножение живых организмов. В отсутствие в данной среде s живых организмов они не способны возникать спонтанно, "самозарождаться", т. е. р=0 даже при самых подходящих внешних условиях. Размножение же живых существ в подходящих условиях среды происходит с вероятностью Р, близкой к единице.

Роль информации в явлении размножения первым отметил, пожалуй, Дж. фон Нейман [14]. Выступая в Калифорнийском технологическом институте на симпозиуме "Механизмы мозга в поведении" с лекцией "Общая и логическая теория автоматов" (1948 г.), он впервые предложил описание универсального самовоспроизводящего автомата. Дж. фон Нейман отметил, что такой воспроизводящийся автомат, по существу, имеет структуру, подобную структуре живых организмов. Мы можем добавить, что этот автомат можно рассматривать как устройство, призванное обеспечить размножение, или аутокатализ, кодирующей его информации. Автомат имеет блок, отвечающий за создание оператора Q и автомата следующего поколения на основе ресурсов R. В живой клетке этот блок организует "метаболизм", и через него осуществляется отбор наилучших образцов. Если посмотреть на автомат фон Неймана с этой точки зрения, то очевидно, что он – схематическое отображение любых информационных систем, устроенных так, чтобы они могли обеспечивать воспроизведение кодирующей их информации. Вирусы и одноклеточные живые существа, многоклеточные растения и грибы, многоклеточные животные, наконец, человек и человеческие сообщества – все это информационные системы, структура которых задается относящейся к ним информацией, а функция обеспечивает воспроизведение этой информации.