Даниил Михайлович Платонов
Информационная феноменология жизни. Часть I: Внутриклеточные информационные отношения
Формирование элементов инфраструктуры hardware
Мы рассмотрели формирование «скелета» становления новой категории организации материи в Природе на основе морфизмов, определяемых информационными отношениями. Обращаясь к существующей живой природе, можно отметить, что совокупная масса вещества, обеспечивающего непосредственную реализацию информационных отношений в живой клетке, составляет всего лишь (1–5)% от общей массы клетки. Отметим, что приблизительно такое же соотношение существует и в искусственных технических компонентах компьютеров – сверх больших интегральных схемах (СБИС), разрабатываемых и создаваемых с учетом оптимизации используемого вещественного ресурса.
Действительно, в современных СБИС масса кристалла, на котором воплощаются операционные элементы (с учетом целенаправленной оптимизации коэффициента эффективности использования кристалла под реализацию операционных компонент), составляет небольшую долю от общей массы СБИС. Значительная часть вещественного ресурса СБИС связана с обеспечением коммуникаций между операционными средствами, как между собой, так и для связи с внешним миром. Значительная часть ресурса СБИС связана с энергообеспечением операционных средств. Большая доля вещественных затрат СБИС используется для формирования необходимых конструктивных показателей (жесткость, защита от внешних воздействий и др.). Эффективность функционирования операционных компонент с точки зрения их назначения тесно связана с температурными режимами их работы. Создание необходимых температурных условий для каждой работающей операционной компоненты требует определенных дополнительных затрат в использовании вещественного ресурса СБИС.
Для живых клеток распределение вещественного ресурса по назначению практически аналогично СБИС. Наиболее тесно связаны непосредственно с исполнительными средствами реализации информационных отношений белковые структуры – результат («данные») этих отношений. Образуя нуклеопротеиновые комплексы, белки обеспечивают переход от идеальной схемы реализации информационных отношений на основе «элементной базы» РНК к реальным рабочим структурам – будущим клеточным органеллам.
Пробиотическая масса наряду с элементами-носителями информационных отношений включала большое разнообразие, так называемых, неинформативных биохимических соединений, тиражируемых в ходе катализа реакций пробиотического метаболизма, инициируемых неупорядоченным многообразием первичных пробиотических программ. Достаточно естественно, что процессы тиражирования наиболее эффективно протекали в поле химических соединений, обладающих адекватными каталитическими возможностями и имеющих сходный с информационными компонентами состав химических элементов. Базисной средой, создающей ресурсное обеспечение процессов тиражирования в ходе пробиотического метаболизма, являлся пограничный слой атмосферы, содержащей углеродные соединения в газообразной фазе, активно диффундирующие в пространстве на контакте с водными поверхностями, и водные растворы пробиотических компонентов. Это, по всей видимости, и определило коэволюцию среды и пробиотического субстрата.
Основными классами неинформативных биохимических соединений явились углеводы (сахариды) и липиды. Углеводами называются вещества с общей формулой (CxH2O)y, где x и y могут иметь разные значения. Название «углеводы» отражает тот факт, что водород и кислород присутствуют в молекулах этих веществ в том же отношении, что и в молекуле воды. Такое свойство позволяет водной среде быть неограниченным материальным ресурсом тиражирования углеводов.
Липиды представляют обширную группу очень большого химического разнообразия нерастворимых в воде соединений на основе сложных эфиров жирных кислот и какого-либо спирта. Обладая значительной вязкостью, липиды агрегировали с протеинами (липопротеины) и углеводами (гликолепиды), создавая различного типа коллоидно-дисперсионные системы, являвшиеся прототипом будущих биомембран и оболочек. Липиды (триацилглицеролы), представляющие собой жиры и масла, молекулы которых неполярны и вследствие этого не растворимы в воде, различаются между собой главным образом наличием двойных связей (С=С) в структуре жирных кислот, чем определяется температура плавления липидов. Именно переход фазового состояния этих веществ имел значимые функции в структуре пробиотического субстрата.
В отличие от этого липопротеины и гликолепиды, а также фосфолипиды, образуются полярными молекулами, имеющими гидрофильную (полярную) «голову» и гидрофобный (неполярный) радикал углеводородного «хвоста» жирных кислот. В водных растворах такие структуры могут образовывать пленки и мицеллы, которые являются основой моделей биологических мембран, которую предложили в 1935году британские биологи Х. Давсон и Дж. Даниелли. Появление протомембран обеспечивало возможности локальной консервации и дифференциации пробиотического субстрата. Это способствовало стабилизации условий протекания каталитических реакций, обусловленных инициируемыми информационными отношениями. Так формировались ингредиенты и элементы будущей инфраструктуры клеточной организации живой материи.
Совокупность компонент пробиотического субстрата, создающихся на основе формирующихся информационных отношений, являясь «элементной базой» их реализации и развития, определила принципиально новую форму структурной организации вещества в природе. Это был первый этап появления на нашей планете «живой материи». «Жизнь» еще не возникла. В системе синтеза предпробионтов еще отсутствуют механизмы, обеспечивающие устойчивость сохранения вариантов на уровне пробиотических структур в ходе их воспроизведения. Формы синтезируемых пробиотических компонентов носят еще достаточно случайный характер. Но складывающиеся системные отношения регламентируют комплиментарность образуемых форм пробиотических структур на основе хиральности и стандартизации информационных отношений. Эти свойств фактически формируют границу «системы пражизни» и будущую границу системы биосферы.
Реализация возможностей активной тиражируемости компонентов на основе информационных отношений при возникновении благоприятных условий определила процесс наращивания физической массы пробиотического субстрата, являющейся основой формирования живой материи.
Отметим, что подобного типа процессы с другим или сходным набором базовых элементов вещества протекают на нашей планете непрерывно. Об этом говорят упомянутые факты наличия и в настоящее время ареалов системного неорганического синтеза супрамолекулярных структур на основе углеводородов. Так что сама феноменология процесса формирования пражизни не уникальна. Уникально совпадение ландшафтно-климатических условий и физико-химического состава верхней оболочки земного шара на этапе формирования пражизни. Именно эта совокупность динамики преобразования верхней оболочки в истории нашей планеты обусловила формирование устойчивых системных связей на основе принципиально своеобразного класса информационных отношений в процессах структуризации вещества.
Результатом этапа пражизни является формирование системы элементной базы, лежащей в фундаменте нашей живой материи. Принципиальным феноменологически значимым моментом является закрепление в системе определяющей роли информационных отношений, которые становятся основополагающим имманентным фактором организации системы и ее развития. Оформление системы пражизни определило ее границу условиями хиральности пробиотических объектов и стандартизации действующих информационных отношений.
В Приложении 2 приведена таблица Феноменологической хронологии пражизни.
Начало жизни и прокариоты (Procaryota)
С момента возникновения молекул, способных к конвариантной редупликации (возникновение и сохранение вариантов в ходе воспроизведения), начинается биологическая эволюция.
Н. В. Тимофеев-Ресовский
Жизнь не может быть представлена в виде супа живого вещества. Она представлена организмами
Г.А.Заварзин
В эпоху пражизни на поверхности земного шара появились очаги пробиотического метаболизма, в которых обеспечивалась достаточно стабильная динамика создания и воспроизведения пробиологического вещества. Это явилось прелюдией к возникновению жизни на Земле и к началу биологической эволюции. Тезис Н. В.Тимофеева-Ресовского, приведенный в эпиграфе к настоящему очерку, феноменологически четко формулирует существенные отличительные особенности проявления свойств живой природы с точки зрения ее системного представления. В нем подчеркивается свойство конвариантной редупликации как основы процесса развития жизни, отражая тем самым содержание и, в определенной степени, форму возникающих отношений имманентного и трансцендентного аспектов пробиотических систем на начальном этапе жизни на нашей планете. Взгляд на этот процесс как биологическую эволюцию подразумевает определенную устойчивость проявления отмеченного свойства в системе живой природы. С феноменологической точки зрения приведенное высказывание является определяющим в представлении границы системы Жизни (живой природы) на Земле.
Обратим внимание на фактор сохранения вариантов в ходе воспроизведения. Для пробионтов реализация этого свойства носит достаточно случайный характер. В системе их синтеза отсутствуют механизмы, обеспечивающие устойчивость сохранения вариантов на уровне пробиотических структур в ходе воспроизведения. Эти факторы оставляют системы, возникшие на этапе пражизни, вне рамок живой природы.
Вновь процитируем академика Г. А.Заварзина: «…жизнь не может быть представлена в виде супа живого вещества. Она представлена организмами… Ни один компонент [входящий в состав организма, ред.] не может существовать без взаимодействия с другими. Отсюда жизнь и является свойством системы, в то время как отдельные компоненты несут лишь отдельные функции. Организм как носитель жизни существует лишь как составная часть экосистемы, включающей среду обитания… Все, что не является организмом, не является живым».
Реальная картина окружающей нас живой природы демонстрирует как основополагающее свойство живых организмов наличие у них внутренних механизмов, регламентирующих высокую достоверность сохранения вариантов в ходе воспроизведения. Это и является феноменологическим отличием живых организмов от предпробионтов.
Рассматривая реализацию в живой природе тезиса Н. В.Тимофеева-Ресовского, заметим, что конвариантная редупликация в живых организмах в части сохранения вариантов в ходе воспроизведения обеспечивается в чистом виде лишь на уровне генетического кода (программ развития живых организмов). Соматический же облик особей может существенно отличаться в ходе индивидуального развития. В большинстве случаев при этом не пропадает свойство сохранения варианта первичной программы развития организма. Оценивая значимость информационных отношений на основе индивидуальных программ организмов в живой природе, можно сформулировать тезис имманентного представления феноменологии живой материи, который является, в определенной степени, методологической основой, фактически, всего дальнейшего материала книги.
Проявление живой природы – это реализация имманентных (внутренних) информационных отношений отдельных живых организмов (объектов живой природы), обусловленных именно внутренними программами их развития, на основе которых обеспечивается преобразование ресурсов окружающей среды в структуру и жизнеобеспечение нового живого организма.
Развитие предпробионтов на базе информационных отношений сближает структуры этапа пражизни с живыми организмами, выделяя их из общего универсума неживой природы. Феноменологическая значимость информационных отношений в процессах коэволюции живой материи и ее предыстории на этапе пражизни вызывает интерес к более детальному осмыслению именно процессов развития информационных отношений в ходе биологической эволюции. С этой целью проведем в феноменологическом аспекте некоторое ассоциативное сравнение развития информационных отношений в живой природе с историей, например, развития современных информационных технологий на основе средств вычислительной техники (компьютеров). Для этого вкратце воспроизведем начальные феноменологически значимые эпизоды развития компьютерных технологий.
Краткий обзор становления компьютерных технологий.
Идеи механизации и автоматизации обработки, хранения и тиражирования информации формировались у людей на всем этапе их существования. Мы не будем рассматривать общую историю развития информационных отношений в человеческом обществе, которая охватывает слишком широкий круг событий и типов информационных систем, а ограничимся лишь вопросами, непосредственно связанными со становлением современных компьютерных технологий как средств для реализации информационных отношений.
Следует отметить, что в отличие от естественных систем создание искусственных средств всегда носит целевой характер по их назначению. Это отличие является принципиально значимым с точки зрения посылки непосредственной генерации создания и воспроизводства средств. Но для информационных отношений оно в определенной степени нивелируется объективными условиями возможностей перехода от одного уровня к более высокому уровню сложности в любых информационных системах. Это, в первую очередь, связано с необходимостью адекватности схемотехнических решений (hardware) и программного обеспечения (software), что в значительной степени определяется и регламентируется достигнутым уровнем технологий создания hard– и software. Другим аспектом такой нивелировки является объективность именно эволюционного развития информационных отношений. Это достаточно очевидно интерпретируется на основе тезиса коэволюции систем и внешней среды.
До середины ХХ века уровень технологий был недостаточен для создания необходимой элементной базы и схемотехнических возможностей, обеспечивающих физическую реализацию вычислительных систем с автоматизированным программным управлением. Это не позволяло человечеству перейти Рубикон, разделяющий информационные технологии только передачи и тиражирования информации от возможностей компьютерных технологий: преобразование, обработка и формирование новых видов информации, на основе которых, в свою очередь, создаются принципиально новые подходы организации управления широким спектром процессов жизнеобеспечения на нашей планете.
Развитие вычислительной техники с момента создания первых электронно-вычислительных машин чаще всего стратифицируется в шкале нескольких поколениях на основе элементной базы, используемой при создании компьютеров. Онтология этих взглядов широко представлена в различной литературе по информатике. Тема настолько широка, что мы не берем на себя смелость обсуждать ее в кратком, ограниченном виде. Вместе с тем, мы попытаемся отметить ряд явлений, связанных, на наш взгляд, с качественными изменениями концепций информационной логистики, которые формировали эволюцию информационных технологий на основе средств вычислительной техники в течение этого времени.
Одним из феноменологических ограничений с точки зрения развития информационных отношений являлось то, что операционные устройства в своей совокупности обеспечивают возможность хранения только достаточно ограниченного объема информации. Поэтому, начиная с создания первых электронно-вычислительных машин, разработчики пытались использовать какие-либо средства для увеличения памяти и вследствие этого объемов информации, которую можно использовать для организации вычислительного процесса. Одним из путей решения этой задачи являлась организация, так называемой, внешней памяти. Вначале были перфоленты, перфокарты, магнитные ленты, магнитные барабаны, диски и т.д. На основе новых технологий изготовления носителей внешней памяти разработчики аппаратных средств достаточно эффективно решают задачи увеличения доступных объемов памяти. При этом практически с самого начала появления средств внешней памяти они являются в определенной степени автономными и конструктивно независимыми от непосредственной структуры компьютера. К тому же для внешней памяти обычно применяется своеобразная элементная база, отличная от элементной базы операционных устройств. Отметим два основных акцента требований к носителям внешней памяти. Во-первых, возможность наращивания, в идеале без ограничений, объемов памяти. Во-вторых, устойчивость хранения записанной информации на длительном интервале времени без ее регенерации в различных условиях эксплуатации. Эти свойства превращают средства внешней памяти в качественно новый объект информационной логистики. Именно на их основе обеспечиваются эффективные процедуры тиражирования программного обеспечения.
По-видимому, именно с организации внешней памяти для хранения программного обеспечения начался процесс обособление software и hardware, что в определенной степени схоже с противопоставлением соматики и психики, «души» и «тела» у человека. Сейчас компьютерные дискеты, флеш-устройства и т.п., являясь элементом внешней памяти и одновременно переносчиком информации, распространены не менее чем книги или другая печатная продукция. Поэтому появление внешней памяти в структуре электронно-вычислительных машин по феноменологической значимости, на наш взгляд, сопоставимо, например, с появлением письменности в истории развития человечества. Действительно, работа вычислительной установки только с оперативной памятью в определенной степени эквивалентна устной речи. Даже при наличии развитых коммуникационных возможностей взаимодействия таких средств обработки и преобразования информации остается слишком высокая вероятность искажения информации и, в связи с этим, разного уровня опасность нарушения функционирования информационных систем.
В силу того, что операционные средства обработки и преобразования информации являются конечными структурами, то в результате этого они могут одновременно работать лишь с ограниченными информационными объемами. Преодоление этих ограничений на основе внешней памяти дает возможность структурной редукции организации памяти. Такой подход создает условия применения средств, эффективно технологически ориентированных на процедуры для хранения больших объемов информации. В рамках компьютерных технологий реализация такого подхода обеспечила существенное снижение затрат на создание и эксплуатацию больших хранилищ информации на основе внешней памяти.
Используемая элементная база при создании внешней памяти, существенно отличающаяся от элементной базы операционных средств, в большинстве случаев обеспечивает снижение на несколько порядков масса-габаритных показателей и «стоимости» организации хранения информации в сравнении с аналогичными показателями для операционных элементов и оперативной памяти. При эксплуатации внешняя память в условиях отсутствия информационного обмена обеспечивает функцию хранения информации, не требуя, достаточно часто, энергопотребления.
Редукционный подход к организации памяти наряду с возникающими преимуществами приводит к необходимости некоторого усложнения имманентной структуры операционных средств обработки информации. Это связано с необходимостью реализации определенного редуктора, обеспечивающего согласованное функционирование оперативной и внешней памяти. Отметим, что в современных компьютерах это принципиальная составляющая структура операционных средств, которая существенным образом влияет на организацию и возможности реализации вычислительного процесса. В инженерной практике средства, обеспечивающие редукцию информационных потоков между различными уровнями стратификации памяти, получили название контроллер. С феноменологической точки зрения процессы передачи информации между структурами внешней памяти и операционными средствами информационных систем можно уподобить функциям модуляции в классическом представлении каналов передачи информации.
Не смотря на усложнение имманентной структуры операционных средств, эффект от применения внешней памяти создал принципиально новые качественные возможности информационных технологий за счет осуществления доступа практически к не ограниченным по объему информационным ресурсам.
В структуре компьютеров обычно можно выделить два типа средств внешней памяти:
– внешняя память без сменных носителей информации – это магнитные барабаны в первых поколениях электронно-вычислительных машин; жесткие диски («винчестер») для современных компьютеров и аналогичные им по функциональному назначению средства;
– внешняя память со сменными носителями информации – это магнитные ленты и средства ввода/вывода с перфокарт (в первых поколениях электронно-вычислительных машин), сменные («флопи» и оптические) диски, флеш-устройства и подобные им для современных компьютеров.
Обычно средства внешней памяти со сменными носителями являются пограничными для вычислительной системы структурами, определяя архитектуру ее взаимодействия с потребительской средой. Чаще всего они осуществляют не прямое взаимодействие с операционными средствами обработки и преобразования информации, а через промежуточное взаимодействие со средствами внешней памяти без сменных носителей информации. Поэтому внешнюю память со сменными носителями информации не редко относят к средствам ввода-вывода.
Программное обеспечение взаимодействия со средствами внешней памяти в современных системах обычно строится на основе блоковой (косвенной) адресации. Создаются условия, при которых операционные средства работают непосредственно в небольшом диапазоне адресного пространства, но с помощью специального программного обеспечения осуществляется возможность работы фактически с неограниченными объемами информации на заданных внешних принципах блочной организации адресного пространства внешней памяти. Потребности организации работы операционных средств с внешней памятью в значительной степени определили направление развития программного обеспечения (software) вычислительных средств и, в частности, операционных систем.
Принципиальным положением операционных систем явилось многоуровневая организация памяти. Недаром в названии одной из наиболее распространенных первых операционных систем (Disk Operating System, DOS – дисковая операционная система) идентификатором является именно указатель внешнего хранилища памяти – «диска». Операционные системы обладают наборами специализированных программ управления отдельными устройствами вычислительной установки – «драйверами»[33], что позволяет по мере необходимости подключать ресурсы отдельных устройств для реализации текущего вычислительного процесса. Но все-таки, одной из наиболее важных функций операционных систем, пожалуй, является управление памятью, которое производит необходимое информационное наполнение и распределение ограниченных объемов оперативной памяти в целях текущего поддержания хода выполнения вычислительных процессов. Именно это обеспечивает возможность фактически их безграничной информационной поддержки при ограниченных объемах оперативной памяти.
Такая концепция операционных систем создает предпосылки реализации информационной «открытости» вычислительных систем. Речь идет не о беспрепятственном доступе к вычислительному и информационному ресурсу, а о возможности получать произвольные порции информации из разных источников (включая внешние и внесистемные хранилища информации) непосредственно в ходе выполнения вычислительного процесса. Реализация этих возможностей фактически представляет воплощение уровня имманентного системного представления (отображения) внешней среды. Именно на этой основе в 60-х годах ХХ столетия в рамках третьего поколения вычислительной техники были сформированы основополагающие концепции, обеспечивающие возможности реализации системного подхода при создании вычислительных установок.
Одним из критериев эффективности применения средств внешней памяти в развитии информационных технологий является высокая степень достоверности сохранения информации при перемещении ее во времени и в пространстве в широком диапазоне условий изменчивости среды. Это существенно отличает, например, организацию внешней памяти от оперативных запоминающих устройств компьютеров и систем связи.
По сути, внедрение и дальнейшее развитие средств внешней памяти явилось новым феноменологическим шагом в эволюции современных информационных технологий на основе их компьютеризации. Особенно отчетливо это иллюстрируется с момента (середина 1970-х годов) появления персональных компьютеров (ПК) и их лавинообразного распространения во всех сферах деятельности человечества. К этому времени достижения микроэлектронных технологий обеспечили возможность создания высоконадежных сверхбольших интегральных схем (СБИС), на которых полностью воплощались операционные процессорные компоненты компьютеров со всеми внутренними связями. На основе этой элементной базы, в свою очередь, создались условия и возможности массового производства компьютерных установок, с приемлемыми эксплуатационными показателями для использования в различных сферах производственной, управленческой, научной, документально-информационной и культурной деятельности, включая рекреационные аспекты жизни людей, например, компьютерные игры.
С феноменологической точки зрения произошел качественный переход в эксплуатационных ситуациях применения компьютерных установок. Фактически, с внедрением современных персональных компьютеров были сняты требования специальной подготовки пользователей компьютерных установок в знании аппаратной и программной организации их работы, существовавшие в предшествующие периоды. Основоположниками в середине 1970-х годов и активными претворителями в жизнь ориентации на непрофессионального пользователя (с точки зрения специальных знаний по работе компьютеров) были создатели фирмы Apple: С.Возняк и С.Джобс. Такой подход в значительной степени увеличил инвестиционные потенции общества по обеспечению развития компьютерных технологий, что естественным образом способствовало их активному качественному и количественному развитию.
Отметим при этом два штриха того периода компьютерных технологий. Во-первых, производство СБИС требует сложных высоко затратных технологических комплексов, обеспечивающих экономическую эффективность только при массовой тиражируемости продукции. Это ограничивает количество промышленных предприятий, выпускающих СБИС. Во-вторых, возникают проблемы сложности операционных процессорных компонентов на уровне микропроцессорных архитектур, обеспечивающих возможность их реализации внутри одной СБИС. Оба фактора в совокупности приводят к унификации схемотехнических решений и снижению номенклатуры элементной базы для создания компьютерных установок. Однако, как показал опыт, эти ограничения не оказали существенного влияния на темпы компьютеризации общества. Более того, стандартизация архитектуры hardware в определенной степени способствовала расширению творческих возможностей программистов по созданию многообразия прикладного software на основе стандартизированных операционных систем (в частности Windows и Linux). При этом можно отметить, что взаимовлияние стандартизации software и hardware происходит обоюдно.
Эра персональных компьютеров сопровождается беспрецедентным ростом объемов внешней памяти, доступной индивидуальным пользователям. Только за последние десятилетия емкость локальных носителей внешней памяти увеличилась более чем в 10 тысяч раз, а их масса-габаритные показатели, например, для флеш-устройств с емкостью в десятки Гбайт (еще в начале 2000-х тысячных годов казавшиеся едва ли достижимыми!) составляют в настоящее время всего несколько грамм массы и объем порядка кубического сантиметра.
Представляется, что именно на основе феномена внешней памяти появилась возможность перехода от эксклюзивного способа реализации программного обеспечения на отдельных вычислительных установках к массовому тиражированию программ и переноса их на вновь создаваемые вычислительные средства. Это создало предпосылки системной организации компьютерных технологий. Подчеркнем, что в рамках software вычислительные системы стали фактически самодостаточны. Новые программные продукты создавались на основе и с помощью действующего программного обеспечения. Мы отвлечемся сейчас от вопроса непосредственного влияния software на развитие hardware и обратного влияния. Подчеркнем в этом лишь, что само проектирование и создание вычислительных установок зиждется на системах автоматизации проектирования (САПР) и не может быть эффективно выполнено без применения компьютеров. “CYBER сделал CYBER” – образно выразился главный конструктор одной из мощнейших в свое время вычислительных установок. Таким образом, возникшая система компьютерных технологий, являясь открытой для воздействия человеческого разума, приобрела вместе с тем определенный паритет в развитии информационных отношений и всех, связанных с ними, процессов в современном обществе.
На этом приостановимся в рассмотрении истории становления вычислительной техники и вновь перейдем к проблематике развития информационных отношений в живой природе.