УДК 523.07
М.В. Воль кенштейн
БИОЛОГИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ И ТЕОРИЯ ИНФОРМАЦИИ
Я хочу остановиться на связи между биологической эволюцией и эволюцией
Вселенной. Здесь говорилось, что мы должны рассматривать биологическую эволюцию
как совершенно необходимое следствие эволюции Вселенной. Но, коли так, то Может
быть, уже в момент биг-банг, первичного взрыва, было
запрограммировано это наше совещание? Такого рода фатальной детерминированности,
очевидно, здесь нет, и нет, мне кажется, никаких научных оснований утверждать,
что из эволюции Вселенной с неизбежной необходимостью вытекает возникновение и
эволюция жизни. Но что она существовала и существует — в этом мы не
сомневаемся. Что же общего между эволюционными процессами, с которыми
встречается астрофизика, и биологическими эволюционными процессами? Общее. как я думаю, состоит в следующем:
и в том и в другом случае переход системы от одного состояния к другому
происходит в результате неустойчивости предшествующего состояния,
неустойчивости в строгом физико- математическом
смысле этого слова, причем в ряде случаев выходов из этой неустойчивости может
быть несколько, те. возможен выбор, в этом смысле эволюция звезд сходна с
эволюцией живых существ. Возникают Различные этапы, различные стадии этой
эволюции. У звезд также существует своего рода борьба за существование,
конкуренция за вещество. Действительно, из всех областей физики ближе всего к
биофизике астрофизика, потому что и та и другая — исторические науки, в то
время как обычная физика не исторична (откуда произошел данный электрон, нас не
интересует, когда мы его изучаем).
Информационные подходы к такого
рода историческим явлениям представляются обещающими и интересными. Я не стал
бы утверждать, что они уже очень многое дали развитию реальной науки, но то,
что они усугубляют понимание, по-видимому, не подлежит сомнению.
В выступлении по одному из докладов я уже говорил о том, что создание новой
информации, а таковое происходит и в эволюции Вселенной, и в эволюции
биологической, означает запоминание случайного выбора Очень яркий пример этого
в биологической эволюции — половое размножение ,
81
потому что в нем
происходит запоминание случайного выбора. Никакими законами божескими или
человеческими (можно внести лишь некоторую поправку на половой отбор и
объявления е брачной газете) не предусмотрено. что именно данная пара особей даст потомство. Между тем это
потомство и есть запоминание выбора, потому что это запоминание рекомбинантного генотипа, который возник от сочетания
материнской яйце- клетки и отцовского сперматозоида. Значит с этого момента возникает неограниченное, по
существу, богатство информации, которое и служит основой для эволюции.
В неживой природе мы тоже встречаемся с неограниченным богатством информации.
Скажем, нет двух камешков, одинаковым образом обкатанных морским прибоем. Но
это не имеет никакого значения, потому что там нет автокатализа, т.е. нет
наследственности, а здесь она есть. Таким образом, мы можем говорить о возникновении,
накоплении и передаче информации в ходе эволюции. Попытка перевода языка теории
эволюции на язык теории информации принадлежит крупнейшему советскому биологу— академику И.И. Шмальгаузену, который, во-первых, использовал
для этого язык обычной канонической теории информации, пользующейся понятием
количества информации. Микроинформация эквивалентна
энтропии и переводима в энтропию количественно: мы можем сказать, сколько стоит
в знтропийных единицах один бит микроинформации
— очень дешево, приблизительно 10-16 эрг/град. Но более существенно
второе утверждение Шмальгаузена — его слова о том, что в биологии важно не
количество, но содержание или ценность информации.
Попытку анализа этой проблемы мы опубликовали вместе с Д.С. Чернавским,
в последнее время этой проблеме был посвящен целый ряд работ.
В отличие от количества информации, которое сегодня фигурирует и в популярных
книгах, и в учебниках, понятие ценности информации не является универсальным
уже потому, что то. что ценно
для одного приемника — рецептора информации, может не иметь никакой ценности
для другого. Я приведу такой пример: какое количество информации содержится в
структуре головного мозга быка? С точки зрения ученого — сотни и тысячи бит. С
точки зрения мясника — не более 5 бит, потому что мозг быка — это всего навсего одна из примерно
тридцати частей, которые идут в пищу. А логарифм при основании два от тридцати
— это величина порядка пяти. Так что это относительные величины, и прежде всего нужно разобраться в том, что такое ценность.
Мы не можем определять ценность информации независимо от процесса рецепции —
восприятия информации, в то время как в канонической теории информации это
понятие полностью отсутствует. Рецептор в обычной канонической теории
информации умеет только одно: он умеет отличить одну букву от другой, а что
значит эта буква, его не интересует. Это достоинство, а не недостаток
канонической теории. Если я хочу говорить о ценности, я должен рассмотреть
процесс рецепции информации, ибо о ценности я могу судить только по последствиям
рецепции. И тогда, при внимательном анализе этой ситуации, выясняется, что
рецепция информации есть, во-первых, процесс неравновесный. Во-вторых, для того
чтобы рецептор воспринимал информацию, он должен находиться в неустойчивом
состоянии, и восприятие информации должно его из этого состояния переводить в более устойчивое. Грубый пример — скажем, я могу получить
новую информацию, прочитан некую книгу. для того чтобы ее прочитать, я должен прежде всего знать
язык, на котором эта книга написана, значит, должен быть определенный уровень
рецепции. И, во-вторых, я должен хотеть ее прочитать, т.е. у меня должна быть
цель, а наличие цели означает наличие неустойчивости, потому что если я хочу
что-то прочитать, то перейду в более устойчивое состояние, прочитав оное.
Следовательно, рецепция — процесс достаточно сложный ,
который требует учета всех этих ситуационных моментов. Но мы можем
поступить проще, мы можем сказать, что мерой ценности информации м впяется незаменимость этой
информации для какого-то процесса.
Теперь я немного отклонюсь в сторону.
Обсуждается вопрос о том, как понять необратимость эволюции, направленность
эволюции, какие принципы необходимы для понимания биологической эволюции. В
недавно опубликованной журналом “Знание— сила” посмертной статье Н.В.
Тимофеева-Ресовского указывается, что, по видимому,
тех двух принципов, которыми мы пока располагаем, для этого недостаточно. Он
справедливо считает установленными следующие принципы: естественный отбор и то,
что Тимофеев-Ресовский называл конвариантной
редупликацией генетических молекул ДНК и РНК. Конвариантны — это означает, что
если я внес какие-то мутационные изменения в исходный геном, то они дальше
неограниченно воспроизводятся. Что же можно к этим двум принципам
добавить, ибо их все-таки недостаточно? Следует ли из них непосредственно, что
эволюция должна быть необратимой и направленной? В качестве третьего принципа
независимо от этой статьи выдвигается усложнение в ходе эволюции. Прежде всего нужно определить, что такое сложность? Строгое
определение этого понятия имеется в работах математиков Колмогорова, Чаитина, Мартина-Лёфа.
Определение состоит в том, что мерой сложности сообщения может служить
количество бит, т.е. количество информации, заключенное в кратчайшей программе,
кодирующей или генерирующей это сообщение. Ну, например, я передаю на другую
планету, где уже сидят инопланетяне, и их фотографируют представители прессы,
последовательность цифр 3, 14, 16 и т.д., могу передать очень большое число
цифр, казалось бы, неупорядоченных. Но есть кратчайшая программа, одна
греческая буква π, означающая отношение
длины окружности к ее диаметру. Это случай большой простоты. В случае сложности
— система оказывается тем более сложной, чем длиннее минимальная программа. Наиболее сложное из всего, что мы знаем, это, во-первых,
индивидуум, человеческая индивидуальность, и творческое создание человека,
скажем, художественное произведение. И то и другое мы не можем
запрограммировать укороченным способом, хотя в англо-американской литературе, насколько
мне известно, существует сокращенное изложение великих произведений мировой
литературы и можно за очень короткое время прочесть, скажем, “Войну и мир” на
трех страничках. Но это, очевидно, не адекватная передача.
В связи с этим я хотел бы указать, что сложность живого организма, жизни,
единственной, которую мы знаем, имеет иерархический характер. Я уже говорил что максимально сложна человеческая личность.
Заменимых нет. В каком смысле? В смысле личности. Но если говорить о человеке,
о том же Льве Толстом, как о представителе вида Ноmю sарiеns, то он эквивалентен любому
другому представителю этого вида из людей, населяющих или населявших Землю.
Если говорить о млекопитающих, то он эквивалентен любой двуутробке. Если
говорить о позвоночных вообще, то он эквивалентен любой камбале и т-д. Короче говоря, имеется объективно существующая
иерархия, и первое ее открытие, одно из величайших событий в истории
естествознания, была именно классификация видов, которую дал Линней, без Линнее ни о каком Дарвине речи быть
не могло. Вот то, что относится к сложности.
Возрастает ли сложность в ходе эволюции? да, конечно, человек много сложнее
сине-зеленой водоросли. Однако имеются и обратные ситуации, когда сложность,
как бы мы ее не определяли — будем пользоваться приведенными
определениями, — убывает, а именно: во всех случаях, когда виды, ранее
существовавшие независимо, приобретают паразитический образ жизни. Чтобы лучше
это запомнить, я приведу один яркий пример:
имеется такой морской червь, самка которого имеет макроскопические размеры до
Что это означает? Ну, скажем можно построить шкалу Взаимозаменимости
аминокислотных остатков белка, условную шкалу, на
основании тех данных, которыми мы располагаем по реальным мутантам белков, и
шкалу взаимозаменяемости, вероятности замен кодонов, кодирующих эти
аминокислотные остатки. Тогда выясняется, что, скажем, триптофан наименее
заменим, или наиболее незаменим, а аланин наиболее
заменимая аминокислота. И действительно, если посмотреть на эволюционирующие
гомологичные белки, на цитохром с,
в частности (а это белок универсальный, фигурирующий и
в дрожжах и в человеке), то выясняется, что с ходом эволюции ценность,
незаменимость, несомненно, возрастает. Мы можем сказать, что незаменимость
вообще возрастает при биологическом развитии. Приведу такой пример: в
онтогенезе, в индивидуальном развитии тоже происходит рост незаменимости.
Имеются классические опыты Шпемана, сделанные в
начале века на амфибиях, на тритонах, в которых было показано, например, что на
очень ранней стадии змбриогенеза, на очень ранней
зародышевой стадии уже можно указать, какой участок тела зародыша будет в
будущем глазом. Это презумптивный (предполагаемый)
глаз. Если пересадить этот участок на очень ранней стадии, не буду употреблять
биологических терминов, на тело тритона в разные места этого тела, то этот презумптивный глаз даст то, что положено этому месту:
если его посадить на лапу, то это будет ткань лапы, если посадить на хвост —
ткань хвоста и т.д. Однако если взять этот зачаток на более поздней стадии, то
при пересадке он даст только глаз, т.е. презумптивный
глаз превращается в детерминированный. Но это означает
возрастание незаменимости, ценности в онтогенезе.
Если возрастает сложность, то, конечно, возрастает и незаменимость
то, что более сложно, не может быть заменено более простой программой. Тут есть
тонкие вопросы, связанные с теоремой Геделя, я не буду их касаться. Но как же
быть с теми ситуациями, е которых сложность не возрастает? Дело в том, что
незаменимость есть понятие более широкое и глубокое, чем сложность, потому что
если я говорю о сложности, то я говорю только о структуре, если же я говорю о
незаменимости, то я говорю и о функции. Если я говорю о сложности, то имею в
виду систему в целом, если же я говорю о незаменимости, то могу говорить о
незаменимости отдельных элементов этой системы. Скажем, отдельной аминокислоты
в белке. Я могу спросить, например, какое слово обладает большей ценностью:
слово в научной статье или слово в стихотворении? Конечно, второе, если
это настоящие стихи. Потому что в научной статье я могу заменить это слово
синонимами, я могу одно и то же положение выразить многими способами, а в
хорошем стихотворении без ущерба для его художественного содержания и
эстетической ценности я не могу заменить ни одного слова. Мы видим, что речь
идет о глубоких и общих представлениях.
Нужно, однако, подчеркнуть, что если я говорю о росте незаменимости в ходе эволюции,
то это вовсе не означает, что это абсолютно новый принцип. Он, конечно, связан
с адаптацией к экологическим нишам, т.е. с естественным отбором. Важно то, что
если я понял, что возрастает незаменимость, то я понял, что эволюция имеет
направленный характер. Это не независимый принцип, но важный. Требуется его
дальнейшая разработка, это все еще только начальные стадии, тут есть ряд
вопросов, которых по недостатку времени я не касался, и вопросов достаточно
глубоких, но мне кажется, что это тот путь, на котором можно в дальнейшем
развивать эволюционную теорию. В это развитие включились сейчас и физики, что
означает лишь то, что в биологии, вероятно, уже накоплен настолько большой
материал, что оказалось возможным формулировать физические задачи.
В заключение два слова о предмете нашего совещания. Я не знаю, существуют ли
инопланетные цивилизации, а если существуют, то установится ли с ними
когда-либо контакт. Но обсуждение вопросов, сюда относящихся, полезно уже
потому, что мы лучше познаем то, что произошло и происходит на нашей планете, —
добиологическую, биологическую и социальную эволюцию.