Даниил Михайлович Платонов
Информационная феноменология жизни. Часть I: Внутриклеточные информационные отношения
Феноменологический подход к концепциям эволюции информационных систем.
История и практика создания искусственных информационных систем, реализуемых на основе некоторого программного обеспечения, на наш взгляд, позволяют сформулировать определенную гипотезу феноменологического подхода к концепциям их эволюции. Ограничимся в этом вопросе рамками дуального представления таких систем на всех уровнях их феноменологической стратификации в виде: hardware – аппаратно-техническая реализация и software – алгоритмическое и программное обеспечение действующих в системе информационных отношений.
Как показывает практика, на всех этапах эволюции технически реализуемых информационных систем в роли «заказчика» в этом процессе всегда выступали информационные отношения. Вместе с тем создание качественно новых аппаратно-программных реализаций в большинстве случаев приводит к возможностям качественного изменения (усложнения) и информационных отношений, обеспечение которых осуществляется более мощным (на новых технических средствах) программным обеспечением. Это дает возможность расширить проблемную область, доступную искусственным информационным системам, и сформулировать представления о дальнейшем (в смысле доступности ее реализации) ее расширении. Это и становится целью «задания» очередного этапа развития hardware.
Возникает некоторый итерационный процесс: целевое задание информационных отношений проблемной области на создание hardware (адекватное технологическим возможностям его реализации, что нередко приводит к активному стимулированию развития именно этих технологий) ( аппаратно-техническая реализация новых средств и создание их программного обеспечения ( ассимиляция новых аппаратно-программных средств в проблемную область (обычно связано с расширением границ этой области) ( оценка возможности дальнейшего расширения проблемной области для ее реализации на новом уровне технологий создания hardware ( далее цикл повторяется переходом на следующий этап эволюционного развития.
При этом, в отличие от принятия конкретного решения на основе итерационного процесса, когда вводится критерий, определяющий приемлемость достигнутого решения, в процессах общей эволюции информационных систем, и биологических в частности, критерия остановки развития не существует. По крайней мере, на наш взгляд, никакого прагматического представления о таком критерии кроме апокалиптического «конца света» пока что не придумано.
Для искусственных систем характерной особенностью эволюционного процесса является то, что расширение доступной прикладной области происходит за счет технологий создания hardware. И первую очередь это касается непрерывного совершенствования элементной базы для аппаратно-технической реализации. Правда в истории вычислительной техники были и исключения из этого правила. Об одном из них уже упоминалось – это появление и лавинообразное распространение персональных компьютеров. Отход от стереотипа эксклюзивной компьютерной установки позволил выйти на новый уровень реализуемых информационных отношений. Это, прежде всего, сказалось на реализации возможностей межкомпьютерных отношений. Вначале это были коммуникации в основном на сменных информационных носителях. Но эти каналы явно не удовлетворяли расширяющимся потребностям информационного межкомпьютерного трафика. Для устранения этой коллизии были вполне оправдано затрачены существенные ресурсы с целью перевода этого трафика в телекоммуникационное русло. Сейчас всемирная паутина Интернета охватывает весь Земной шар, обеспечивая беспрецедентную гетерогенность вычислительных сетей. При этом процесс создания и развития Интернета не был в своей основе обусловлен совершенствованием элементной базы как первопричины его распространения и реализации на этой основе широкого спектра новых информационных отношений.
Этот пример показывает, что эволюция искусственных информационных систем происходит не только на основе совершенствования технологических возможностей реализации имманентных аспектов, но и в преобразовании межграничных отношений, что раскрывает более широкую сферу взаимоотношений с трансцендентным аспектом – прикладной областью. В свою очередь расширение сферы взаимодействия с окружающей средой вносит обычно вклад в ресурсное обеспечение систем, что способствует, в явном виде (ведь информационные системы – открытые системы), их функционированию и развитию.
Кажущееся различие причин эволюции информационных систем на основе совершенствования элементной базы, либо на модернизации межграничных отношений, снимается при переходе на точку зрения целевой обусловленности их создания. В обоих случаях реализуется рассмотренный итерационный цикл эволюционного поколения. И в обоих случаях преференции формирования цели создания или преобразования системы остаются за трансцендентными аспектами информационных отношений. Именно они диктуют необходимость совершенствования имманентной структуры (и soft-, и hardware).
Концептуальной парадигмой подобной системной эволюции, основанной на целях, формулируемых трансцендентными отношениями, и воплощаемой на основе развития технологий для создания качественно новых элементных баз, является такая смена поколений информационных систем, при которой полностью уходят в небытие предшествующие поколения и классы информационных систем. В настоящее время абсолютно отсутствуют ламповые электронно-вычислительные машины, которые представляли первое поколение компьютерных технологий. В Лету канули и системы на дискретной транзисторной элементной базе. При переходе на новый этап эволюционного развития hardware предыдущего поколения полностью выходит из употребления, пропадая навеки. В принципе, это в определенной степени касается и имманентного программного обеспечения, хотя software, как некоторый класс информационных отношений, кажется более консервативным к эволюционной изменчивости, чем hardware. Обычно отношения системного software предыдущего поколения достаточно активно участвуют в обеспечении функционирования информационных систем нового поколения в начале их внедрения. Но вряд ли можно конструктивно сравнивать современные операционные системы с управляющими программами электронно-вычислительных машин первых поколений. Таким образом, наблюдаемая концепция эволюции смены поколений искусственных информационно-технических систем зиждется на абсолютной замене систем предыдущего поколения системами нового поколения.
Вместе с тем, если отойти от класса технически воплощаемых искусственных информационных систем, к системам другой природы, то влияние трансцендентных аспектов в процессах их эволюции может не нести какой-либо концептуальной прокламации. Конечно, трансцендентные отношения и воздействия могут внести определенный вклад и в их эволюцию, но это явно не концептуальный фактор, а скорее некоторый сопутствующий случайный эпизод. Впечатление, что такие эпизоды, выходящие за рамки концепции эволюции систем, чаще всего являются катастрофами, приводящими либо к гибели системы, либо к такой трансформации системы, что фактически эквивалентно ее гибели с точки зрения предыдущего существования системы.
Природа и человечество создало целый ряд подобного рода систем. В качестве примера такой информационной системы можно привести Науку. Развитие Науки происходит принципиально лишь в структуре имманентных аспектов. Другим подобным примером может служить система отношений производства и распределения ресурсов на протяжении истории развития человечества. В этой связи интересен тезис, поддерживаемый многими исследователями этих отношений (К.Маркс, П. А.Кропоткин, В. И.Ульянов (Ленин) и др.), что общественные традиции (читай – информационные отношения) значительно консервативнее производственной базы общества. Не это ли приводит к ряду катастрофических ситуаций на всем протяжении развития человеческих цивилизаций? Эта мысль довольно ярко обсуждается П. А.Кропоткиным в его работах по этике. Приведя эти примеры, мы хотели показать лишь то, что эволюция информационных систем отнюдь не всегда обусловлена целевыми трансцендентными обстоятельствами.
Наиболее мощным примером эволюции на основе имманентных потенций системных информационных отношений является Живая Природа Земли. Она представляет собой иерархическую совокупность почти беспредельного (если смотреть на всем историческом периоде ее развития и будущих прогнозах) гетерогенного многообразия информационных систем, интегрированных в единую биосферу.
Феноменология концепции эволюции Живой природы, на наш взгляд, опирается на фактическое единство «элементной базы», обеспечивающей реализацию и развитие информационных отношений живых организмов. В Природе организовалась качественно новая категория существования Материи – Живая материя. Биологические организмы, являясь открытыми системами, именно на основе присущих им имманентных информационных отношений обеспечивают своё формирование, развитие, и динамический круговорот Живой материи в рамках биосферы Земного шара в определенном единстве организации этой материи. И именно на этой основе создались условия совместного сосуществования многообразия видов живых организмов от архебактерий до человека.
Дальнейшие материалы в значительной степени ориентированы на иллюстрацию этой концепции. Хотим отметить, что при обсуждении биологических вопросов, наряду с использованием материала специальных работ, мы в значительной степени опирались на современное руководство по общей биологии, написанное английскими авторами Н.Грин, У.Стаут, Д.Тейлор, под редакцией Р.Сопера. Биология: В 3-х томах. Пер. с английского. – М.:Мир, 1990. (Biological science. N. P. O. Green B.Sc., M. I.Biol, G. W. Stout B.Sc., M.Ed. M. I.Biol, D. J. Taylor B.Sc., M. I.Biol, Editor R. Soper B.Sc., M. I.Biol. Cambridge University Press – Cambridge, London, New York, New Rochelle, Melbourne, Sydney).
Вероятно, читателю может показаться слишком длинным приведенное Вступление. Конечно, это от ограниченного умения авторов кратко излагать мысли. Но даже Гораций признавался:
Brevis esse labore, obscurus fio, –
стараюсь быть кратким, делаюсь темным.
Нам хотелось дать тот фон ассоциаций, на основании которого формировалось представление о приведенных в дальнейшем гипотезах информационной феноменологии жизни.
Пражизнь
Химия живого – это алгоритмическая химия, в отличие от обычной, стохастической химии.
В. И. Гольданский
Рассматривая последовательность качественных изменений живой природы, естественно возникает потребность представления: а как все это начиналось, что послужило основанием того что, называется живой природой? Эти вопросы настолько многогранны, что над ними на протяжении всего существования человечества бьются его лучшие умы, но до сих пор так и не найдено достаточно вразумительного и обоснованного ответа. Любая теория, какой бы обоснованной она не казалась, в этих вопросах все равно остается лишь гипотезой с той или иной степенью доверия. Ведь ее опытная, экспериментальная проверка неосуществима – не можем же мы заново построить живую природу! Именно это останавливает обычно попытки в серьезных исследованиях увязки всех форм существования живой материи в единую систему.
Опираясь на тезис, приведенный в эпиграфе к этому очерку, проследим возможные этапы формирования «химии живого» в представлении, что это «алгоритмическая химия», основанная, следовательно, на определенных информационных отношениях.
Что же с этих позиций вкладывается в представление: пражизнь? Напомним: фундаментальным феноменологическим понятием, выделяющим любую систему из внешней среды, является представление о границе системы. Хотелось бы отметить, что понятие границы системы – это не какое-либо формальное, абстрактное суждение, порождаемое нашими представлениями о мире. Да, при рассуждении о моделях систем, либо об абстрактных, умозрительных системах, это действительно является некоторой условностью. Но в реальных системах граница существует объективно, представляя собой или некоторые материальные образования с их отношениями, или объективные критерии, обеспечивающие феноменологическую автономизацию системы. Так вот, с точки зрения нашего феноменологического подхода, этап пражизни фактически соответствует формированию границы системы. На этом этапе она как бы размыта, и реализация возникающих имманентных возможностей не дает еще эффективного результата по консолидации и организации функционирования системы жизни на Земле.
За последние десятилетия достаточно уверенно установлено, что история существования живых организмов на планете Земля насчитывает болеет 3,5 млрд. лет. Обращает на себя внимание тот факт, что состав химических элементов живых организмов практически совпадает с составом устойчивых элементов неживой природы, наиболее активных в химических отношениях. Это, в определенной степени, создает возможность представлений о единстве мироздания и естественности происхождения живой природы (Приложение1).
В эпоху архея физико-химические условия на границе поверхности твердой оболочки земного шара и его атмосферы значительно отличались от существующих в настоящее время. Рассматриваются различные гипотезы модели глобального климата в том историческом периоде развития Земли, но, несомненно, одно – существовал широкий спектр локальных неоднородностей, которые, по сути своей, представляли собой огромное количество различных природных химических реакторов.
Ведется давняя, активная дискуссия о возможном месте зарождения жизни на Земле. Рассматриваются различные варианты. Ч. Дарвин считал, что жизнь возникла в теплом маленьком пруду – локальные реакторы предбиологического синтеза. Широко распространена гипотеза океанического (морского) расположения ареалов небиологических процессов первичных этапов формирования ингредиентов для зарождения жизни. Рассматриваются различные стратиграфические аспекты локализации таких ареалов по территории планеты, по глубине и по связи с геотектоническими структурами. Высказывается возможность занесения первичных ингредиентов из космоса. Все эти взгляды не создают антагонистической коллизии гипотезе естественности происхождения жизни, хотя и продолжают оставлять вопросы дислокации начала предбиологического, а затем первичного биологического синтеза живой материи на земном шаре.
Эта дискуссия в познавательном смысле интересна сама по себе, но в фенологическом поле все приведенные гипотезы эквивалентны в отношении представлений о естественности происхождении живой природы. В этой связи достаточно значимым становятся факты, убедительно показывающие возможности небиологического синтеза простейших углеводородов – основополагающих химических соединений нашей живой материи.
Процесс естественного небиологического синтеза углеводородов на нашей планете происходит непрерывно и активно продолжается и в наши дни. Для его детальной регистрации необходима сложнейшая скрупулезная организация глубокого химического и биохимического мониторинга планеты, что представляет собой непосильное для современного общества бремя, требующее огромных капитальных и интеллектуальных затрат. Вместе с тем постепенно увеличивается количество фактов конкретно подтверждающих наличие процессов естественного небиологического синтеза углеводородов на нашей планете. Одним из последних таких открытий (D. S. Kelley, G. Proskurowski – Вашингтонский университет, 2005– 2007г.г.) было сообщение, что в геотектонической структуре Атлантического океана «Потерянный город» (около 3тыс. км от восточного побережья Флориды) в результате простого химического взаимодействия морской воды со скалами происходят процессы синтеза углеводородов (подобные реакции Фишера – Тропша) – формирующие молекулы, важные для зарождения жизни. Анализ исключил органическое происхождение этих углеводородов. Исследователи полагают, что в глубинах океана может существовать еще достаточное количество неоткрытых образований подобного типа.
В связи с этим, вполне вероятна гипотеза о значимости небиологического синтеза углеводородов, включая супрамолекулярные структуры на их основе, которые обеспечивали в дальнейшем зарождение жизни в период охлаждения первичной атмосферы Земли и формирования океанов. Эти процессы сопровождались значительными турбулентностями различного пространственного и временного масштаба, создавая широкий спектр динамических состояний в условиях фазовых переходов агрегатного состояния вещества. Нам не известны какие-либо экспериментальные исследования или модельные оценки таких процессов, но эта гипотеза вполне возможно коррелируются с гипотезой о занесении первичных ингредиентов из космоса. Именно этот период в формировании многих космических объектов сходен по динамике трансформации вещества газовых оболочек космических объектов.
До момента открытия функции ДНК, как носителя генетической информации, большинство гипотез о естественном происхождении жизни на Земле отдавало первичную значимость в этом процессе белкам и формирующим их аминокислотам. По-видимому, это объяснялось значительной долей массы этих компонент в активных биологических структурах, обеспечивающих жизнедеятельность живых организмов. Признание информационной компоненты (одним из носителей которой является ДНК) ведущей в процессе эволюции живой природы, существенно поколебало примат белков в зарождении жизни. Все больше гипотез акцентируют свое внимание при исследовании этой проблемы на сахариды, которые являются первичными структурными «кирпичиками» целого ряда классов органических соединений живых организмов: углеводов, нуклеиновых кислот, коферментов и др.
Возможно попытки выявления именно «чистой линии» в предбиологической химической эволюции создают системные сложности при рассмотрении этого этапа истории Земли. В рамках существовавших на тот период термодинамических отношений в пограничной с атмосферой оболочке земного шара возможно целесообразнее говорить о гетерогенезисе среды химических соединений в локально неоднородных областях земной поверхности. В отличие от других оболочек планеты на этой границе активно проявляется неравновесность в термодинамическом отношении различных сред химических веществ, находящихся в различных агрегатных (фазовых) состояниях. Это, наряду с пространственной неоднородностью среды, стимулировало кинетику химических реакций, обусловленную суточными и сезонными изменениями температуры и внешней ионизации.
Существенное влияние на специфику химических преобразований на поверхности планеты оказывало то, что они в значительной степени происходили в фазе водных растворов. Недаром водная среда считается основой биологической жизни. Наличие водных растворов обеспечивало мощную динамику химических реакций. В отличие от твердых фаз состояния вещества в оболочках Земли, в водных растворах обеспечивался высокий уровень диффузии, усиливаемый за счет процессов диссоциации, что повышало подвижность и реакционную способность растворенных химических веществ, а также увеличивало выбор комбинаций протекающих реакций. В отличие от газового состояния, обладающего более высокой скоростью диффузии, чем жидкая среда, – плотность водных растворов значительно выше и межмолекулярные расстояния (сопоставимые с плотностью упаковки вещества в твердых телах) обеспечивают эффективное химическое взаимодействие растворенных ингредиентов. Таким образом, именно водные ареалы земной поверхности явились наиболее плодотворной ареной для осуществления возможностей широкого спектра реакций формирования различных химических веществ.
Кроме того, водная среда за счет большой теплоемкости воды обладает высокими изотермическими свойствами, что способствует стабильности химической кинетики в условиях достаточно кратковременного суточного хода на поверхности Земли. К тому же, большая теплота испарения обеспечивает стабильность даже небольших водных ареалов в широком диапазоне изменения температуры атмосферы и воздействии солнечной радиации.
Образование гидросферы на земной поверхности было тесно связано с изменением состава первичной атмосферы планеты. В настоящее время наиболее распространено представление, высказанное академиком В. И.Вернадским что современная атмосфера Земли – «земная газовая оболочка, наш воздух, есть создание жизни». Наиболее распространенная гипотеза предполагает, что первичная атмосфера над еще неостывшей поверхностью земного шара состояла из летучих веществ, образовавшихся в земных недрах: H2, H2O, CO2, CH4, NH3. По мере остывания земной поверхности и атмосферы происходила конденсация водных паров и образование гидросферы на поверхности планеты. Естественно этот процесс сопровождался активным вовлечением всех компонентов атмосферы в формирующиеся ареалы гидросферы. При этом именно элементы будущей «органической химии» составляли наиболее активное содержание формировавшихся растворов. Не это ли определило химическую природу жизни на нашей планете?
Высокая концентрация растворов активными соединениями и неоднородность термодинамических условий в различных точках формирующейся гидросферы содействовали активному формированию химических процессов синтеза широкого спектра углеводородных соединений. В отличие от активно вовлеченного в газовую оболочку земного шара трехвалентного азота, углерод обладал более устойчивыми конфигурационными ковалентными связями, обеспечивающими широкую гамму различных мономеров на основе межуглеродных связей. Нестабильное термодинамическое состояние земной поверхности и прилегающей к ней атмосферы создали условия, при которых достаточно естественным является процесс накопления вещества, структура молекул которых обусловлена ковалентными связями, наиболее сильными и устойчивыми в широком термодинамическом диапазоне. Именно к такому классу веществ относится большинство углеводородов и родственных им соединений живой материи.
Большинство мономеров этих соединений (например, моносахариды, аминокислоты, гетероциклические азотистые основания – мономерные составляющие клеток живых организмов) имеют достаточно простую молекулярную структуру и хорошо растворимы в воде. Это обеспечивает им высокую подвижность и достижение высокой концентрации в водных растворах. Учитывая широкий спектр условий синтеза химических соединений, естественно ожидать возможность формирования среды, обладающей ресурсом (по составу и концентрации), создающим предпосылки перехода к активным процессам генезиса будущего пробиотического субстрата.