Специфика взаимосвязи информационного и энергетического аспектов в процессах самоорганизации материи

Подчеркивание доминирующего значения информационного аспекта в процессах организации отнюдь не означает отрицание роли энергетических превращений. Здесь важно понять специфику взаимосвязи информационного и энергетического аспектов в процессах организации.

Информационные процессы невозможны без затраты энергии. Этот факт был лишний раз подтвержден при решении известной задачи с демоном Максвелла. Чтобы написать книгу или запечатлеть информацию в виде чертежа, грампластинки или фотографии, необходимо затратить определенную энергию. Соответственно и в живой природе запись, например, генетической информации отнюдь не обходится даром.

Чтение информации также требует немалых затрат энергии. Как показал А. Быховский, в начальной стадии развития живых организмов тепловой эффект, которым сопровождается "чтение" генетической информации, столь велик, что его нельзя не заметить. "Кажется парадоксальным, - пишет А. Быховский, - но яйцо, которое высиживает курица, не поглощает теплоту, а выделяет ее. За 20 дней инкубации выделяется 380 калорий на грамм веса яйца. Роль же курицы чисто термостатная: она задает (и поддерживает) температуру, необходимую для развития яиц (около 40°С). Выделяется теплота и при развитии земноводных из икринок, при размножении бактерий, при прорастании семян растений" [311. По этой же причине взрываются элеваторы, если в них закладывают недостаточно просушенное зерно.

Выделение большого количества тепловой энергии на начальных этапах развития живых организмов действительно можно объяснить тем, что именно на этих стадиях зародыш наиболее интенсивно развивается: из одной (!) клетки образуется великое множество клеток, причем получающееся при образовании одной новой клетки количество распределенной информации на несколько порядков превосходит количество абсолютной информации, содержащейся в молекулах ДНК.

В процессе зародышевого развития считывается информация, зашифрованная наследственным кодом организма в структуре молекул ДНК, которая путем биосинтеза белков и нуклеиновых кислот воплощается в структуру живого организма. Для осуществления этого процесса необходим поток негэнтропин из окружающей среды в организм. А это соответствует отдаче тепла в окружающую среду.

Таким образом, в организме можно выделить два информационных потока: 1) связанный с взаимодействием клеток между собой; 2) обусловленный взаимодействием с окружающей средой. В соответствии с этим и теплопродукция организма слагается из двух тепловых потоков. Справедливость такого толкования подтверждается А. Быховским на основе количественных оценок. Отсюда следует его вывод, что величина негэнтропии системы пропорциональна количеству теплоты, выселенной этой системой.

Весьма интересные данные по теплопродукции в расчете на одну и ту же массу различных по уровню развития живых организмов. Оказывается, что для теплокровных животных эта величина примерно в 25 раз больше, чем для холоднокровных. Следовательно, в процессе эволюции организмов возрастают не только объем и сложность информации, но и обмен энергии в расчете на одну клетку. Чем выше уровень организации животного (данного размера), тем больше интенсивность его теплопродукции и надежность процессов жизнедеятельности. Последнее означает, что с усложнением организмов надежность существования их элементарных составляющих клеток и, следовательно, организма в целом значительно увеличивается. Не это ли является движущей силой развития "от простого к сложному", "от низшего к высшему"? Философский анализ данного явления, на наш взгляд, имеет большое познавательное значение.

Исследования, проведенные А. Быховским и другими естествоиспытателями, показывают, что теплоты в организме выделяется фактически в 20-30 раз больше, чем по подсчетам. Это "несоответствие" также объясняется фактором надежности: из теории информации следует, что увеличение энергетических затрат, необходимых для "чтения" определенной информации, приводит к большей надежности процесса, к уменьшению вероятностных ошибок. "Используя термохимические данные, можно, например, - пишет А. Быховский, - оценить, что вероятность появления ошибочного основания в цепи вновь синтезируемой молекулы ДНК составляет около одной миллионной, а это согласуется с малой частотой спонтанных мутаций и отражает высокую ступень эволюционного развития организмов" [31].

Вернемся к человеку. Находясь даже в состоянии физического покоя, он расходует около 2000 ккал в сутки, и эта теплота является "платой" за информационные процессы в организме. Информация, содержащаяся и циркулирующая в организме (как структурная, так и оперативная), весьма велика. Каждая отдельная клетка подобна сложнейшему химическому заводу, в котором, как запрограммированные "антиэнтропийные" станки-автоматы, работают биологические мембраны, их ионные насосы [32], способные транспортировать вещество и информацию, используя энергию. Организм, создавая -порядок из беспорядка" (Э. Шредингер), с помощью потоков информации управляет согласованной работой тысяч таких заводов-клеток. Это - информационные потоки, связанные с взаимодействием клеток между собой.

Информационные потоки, обусловленные взаимодействием организма с окружающей средой, слагаются из принятия, усвоения пищи (структурной информации), с одной стороны, и восприятия различной оперативной (социальной, научно-технической, зрелищной, музыкальной и т.п.) информации органами чувств-с другой. Организм направляет эти потоки информации (отрицательной энтропии) внутрь его, на что также затрачивается энергия, выделяемая в виде теплоты.

Общим как для биологических организмов, так и для технических систем является то, что высококачественная энергия - химическая, электрическая, световая, механическая - после считывания информации превращается в "низкокачественную", тепловую энергию, в хаотическое колебание молекул среды. Следовательно, здесь одновременно происходят два взаимосвязанных и как бы противоположных процесса: введение новой информации, повышающей негэнтропию системы в кибернетическом смысле, и превращение различных видов энергии в тепловую, означающее повышение энтропии в термодинамическом смысле.

Такова специфика взаимосвязи информационных и энергетических аспектов в процессах развития. Она свидетельствует о том, что сущность жизни нельзя выяснить лишь средствами физики и химии, не принимая во внимание категорию информации, процессы саморегуляции и системный подход. Ошибка теории происхождения жизни (А.И. Опарина, Г.Г. Меллера и др.) заключалась в том, что появление живого трактовалось как простое продолжение химической эволюции.

Жизнь возникла как сказок в развитии материи - скачок, а котором "сошлись" вместе продукты длительной химической эволюции, потоки энергии и потоки информации, что привело к качественно новым взаимодействиям между ними.

Загадка появления жизни - одна из самых сложных в науке. С расшифровкой генетического кода поиски и исследования ведутся уже на атомно-молекулярном уровне. Однако до сих пор полностью раскрыть тайну и. следовательно, опытным путем воспроизвести появление жизни еще не удалось. Идет накопление знаний. добывание все новых "относительных истин".

Вот как формулирует свою концепцию акад. Н.П. Дубинин:

"Доказано, что в условиях первобытной Земли полинуклеотиды могли служить матрицей для неферментного синтеза полипептидов. Белки-полипептиды не обладают такой функцией. Однако полиаминокислоты могут связать определенные полинуклеотиды. Это могло на заре эволюции обеспечить поток информации между полипептидами и полинуклеотидами и затем - появление генетического кода.

Но как бы ни проходил этот процесс, момент возникновения жизни - это появление условий для преобразования одномерной информации от ДНК в трехмерную информацию белков при условии самовоспроизведения всей системы" [33].

Как только установилась элементарная живая система, потребовалась ее защита от продуктов распада и. воздействий среды, нарушающих структуру живого. Это способствовало возникновению обратной связи и саморегуляции в виде ферментной защиты генетического материала, которая стала одним из главных. явлений, свойственных клеткам на всех уровнях их эволюции.

Дубинин Н.П. в своей работе подчеркивает единство изменчивости и устойчивости в развитии живого, указывает, что первая живая система была далека от современной клетки с ее сложной структурой и биохимией. В то же время белки всех живых организмов в своей основе содержат одни и те же аминокислоты. Нуклеиновые кислоты с их четырьмя азотистыми основаниями - аденином, тимином, цитозином и гуанином - также существуют уже более четырех миллиардов лет, характеризуя поразительную устойчивость их воспроизведения в живой системе с первых дней ее появления.