Эдуард Казанцев
Что такое информация?
3.2.2. Эпигенетика
Термин «эпигенетика» был предложен Конрадом Уоддингтоном [28]. Когда Уоддингтон ввёл этот термин, физическая природа генов еще не была известна, поэтому он использовал его в качестве концептуальной модели того, как гены могут взаимодействовать со своим окружением при формировании фенотипа. Эпигенетика может быть использована, чтобы описать любые внутренние факторы, которые влияют на развитие организма, за исключением самой последовательности ДНК. Молекулярная основа эпигенетики достаточно сложна. Пока мы не можем объяснить, почему в дифференцированных клетках многоклеточного организма экспрессируются только гены, необходимые для их специфической деятельности. Особенностью эпигенетических изменений является то, что они сохраняются при клеточном делении. Известно, что большинство эпигенетических изменений проявляется только в пределах жизни одного организма. В то же время, если изменение в ДНК произошло в сперматозоиде или яйцеклетке, то некоторые эпигенетические проявления могут передаваться от одного поколения к другому.
Эпигенетическое (приобретенное) наследование в соматических клетках играет важнейшую роль в развитии многоклеточного организма. Геном всех клеток почти одинаков, в то же время многоклеточный организм содержит различно дифференцированные клетки, которые по-разному воспринимают сигналы окружающей среды и выполняют различные функции. Именно эпигенетические факторы обеспечивают «клеточную память». Изучение эпигенетических механизмов помогло понять важную истину: очень многое в жизни зависит от нас самих. В отличие от относительно стабильной генетической (структурной) информации, эпигенетические «метки» при определенных условиях могут быть обратимыми. Этот факт позволяет рассчитывать на принципиально новые методы борьбы с распространенными болезнями, основанные на устранении тех эпигенетических модификаций, которые возникли у человека под воздействием неблагоприятных факторов. Применение подходов, направленных на корректировку эпигенома, открывает большие перспективы. В последнее время интерес к эпигенетике резко возрос.
В целом, «материальная точка» биологии (геном) вероятней всего является сложной динамической системой с многоуровневой иерархической системой записи генетической информации (не только на ДНК). И успехи в развитии наших представлений о структуре генома будут существенно отражаться на развитии новой теоретической биологии.
3.3. Идентификация образа генотипа
Наши исследования в области генетики, привели к выводу, что надо распознавать не генотип, а – образ генотипа.
3.3.1. Понятие «образ» генотипа
Понятие «образ» генотипа появилось в процессе поиска метода идентификации генотипа растений. В самом начале, применение физических методов давали лишь грубые оценки на уровне отдельных видов [22]. Позднее стало более понятно, почему идентифицировать генотип физическими методами практически невозможно: так как генотип является нематериальным объектом. Перед нами стояла принципиально новая задача: как превратить интуитивную способность выдающихся селекционеров «увидеть» генотип за фасадом фенотипа, в объективный метод распознавания (идентификацию) генотипа.
Используя физические методы, мы фактически пытаемся «увидеть» генотип по одному признаку, в то время как опытный селекционер интуитивно оценивает генотип по многим признакам. Но селекционер не в состоянии передать свою уникальную способность другим людям, так как его умение основано на многолетнем опыте (своём и других селекционеров) и, в большей степени, на своей интуиции. Поэтому для практических целей селекции нужны принципиально новые, объективные методы идентификации генотипа. При достаточно большом наборе различных признаков растений (или животных), возможно найдутся такие, в пространстве которых фенотипы, принадлежащие разным генотипам, не перекрываются (разделяются) даже при учете всего разнообразия внешних воздействий. В рамках этого положения задача генотипической идентификации становится вполне реалистичной. При этом следует понимать, что в такой постановке задачи речь идет не об идентификации генотипа, а об идентификации образа генотипа.
Сведя задачу генотипической идентификации к проблеме идентификации образа генотипа, мы автоматически попадаем в раздел науки, известной как теория распознавания образов. Теория распознавания образов дает нам в руки мощный математический аппарат для решения проблемы генотипической идентификации. Однако эта теория не лишена определенных недостатков, затрудняющих её практическое использование. Обойти данные трудности можно, применяя некоторые модификации теории распознавания образов, в частности, так называемый образный анализ многомерных данных. По существу образный анализ подгоняет данные под некоторую, заранее заготовленную модель. Поскольку для многих природных объектов их дисперсия в пространстве признаков вовсе не совпадает с этой моделью, то неудивительно, что результаты иерархического кластерного анализа, изображенные в виде дендрограмм, будут зачастую весьма плохо выделять взаимосвязи, так как они являются одномерными и не могут выразить, весьма отличные порой друг от друга, сходства между отдельными элементами различных кластеров. Алгоритмы автоматической классификации легко «сбиваются» из-за наличия случайных точек, образующих «мосты» между кластерами. Попытки реализовать на ЭВМ основные принципы анализа и описания образов человеком, с необходимостью требует заложить в нее модели эволюции, фило- и онтогенеза и «всего мира» в целом с тем, чтобы получить человеческое богатство и гибкость целей и способов их достижения. Сейчас мы бы сказали, что эта проблема искусственного интеллекта. Достаточно очевидно, насколько тогда (1980 г.) далека была от реальности данная цель.
3.3.2. Многомерный образ генотипа
Все, перечисленное выше, вызвало повышенное внимание к подходу на основе проектирования объектов в признаковом пространстве с последующим уменьшением его размерности. Опыт разработки и применения методов обучения машин распознаванию образов определил пределы их возможностей и показал необходимость предварительного упрощения многих практических задач путем отбора информативных признаков, значительно сокращающих описание объектов без потери существенной информации.
Автоматический отбор таких признаков на ЭВМ связан с перебором, поэтому задача усложняется экспоненциально с ростом числа компонентов исходного описания и практически нереализуем уже при приближении его к ста. Приходится делать это человеку на основании интуиции, опыта и знания объекта, а если их не хватает – на основании визуального анализа исходных данных. Человек обладает исключительно гибкой многоуровневой иерархической системой описания изображений и ситуаций реального мира. В отличие от ЭВМ он не оперирует жестокой системой признаков, а строит свою систему признаков, исходя из целей и понимания существа задачи, то есть выбирает содержательные и эффективные признаки. В результате, человек пока существенно превосходит ЭВМ в распознавании изображений, речи, письменных текстов и во многом другом. Следовательно, если основная цель – решать задачу, а не заменять человека на ЭВМ, более перспективно следующее распределение функций: машине – четко формализованное беспоисковое преобразование данных в форму, удобную для человеческого восприятия, человеку – распознавание и описание образов. Обучение человека распознаванию и описанию структур данных по их образным представлениям с помощью ЭВМ получило название образного анализа [29].
Отмеченная выше особенность подхода к решению проблемы генотипической идентификации накладывает специфические требования на приборное оснащение генетических исследований. С одной стороны, очевидно, что надо максимально использовать все возможности современной измерительной техники для получения разнообразной информации с биологического объекта (в частности, с растения). С другой стороны, различные биофизические методы должны пройти отбор на наибольшую информативность измеряемых параметров. Причем информативность этих параметров должна соответствовать поставленной проблеме – идентификации генотипа растения. То есть, комплекс измерительных средств должен быть проблемно ориентирован. Поэтому созданию автоматизированного информационно-измерительного комплекса должны предшествовать, во-первых, традиционные биофизические исследования, во-вторых, всесторонний анализ существующих биофизических методов исследования растений, технических средств и вычислительной техники и, в третьих, подробное проектирование всех элементов будущего комплекса с учетом специфики объекта исследования.
Так как с самого начала комплекс должен быть ориентирован на обычного селекционера, как правило, далекого от биофизики и математики, то при его проектировании особое внимание должно быть уделено максимальной надежности и защищенности процесса измерения и обработки данных от субъективного вмешательства извне. Вместе с тем, комплекс должен допускать возможность его непрерывной модернизации и проведения чисто исследовательской работы непосредственно с растением.
Необходимость создания системы комплексного изучения высших растений потребовала детальной разработки всех технологических вопросов от серийного производства датчиков до строительства и автоматизации фитотронного хозяйства. Такая работа была проведена в Институте экологической генетики АН Молдавской ССР в 1980 году. Сотрудниками Института, Центра автоматизации и метрологии (ЦАМ) и Спецального конструкторского бюро (СКБ) в 1980–1982 был создан Биотрон, фитометрическая и компьютерная системы которого обеспечивали одновременную регистрацию и обработку информации большинства параметров растений (фотосинтеза, дыхания, водного потенциала, температуры листьев, скорости ксилемного потока, ауксанометрию и др.) в регулируемых условиях внешней среды (температуры, влажности воздуха и субстрата, фотосинтетической и интегральной облученности, уровней минерального питания и др.) [22].
Используя уникальные возможности созданного Биотрона, нами был проведен ряд исследований и разработан метод идентификации многомерного образа генотипа [30]. Следует еще раз обратить внимание на то, что идентифицировался не генотип, как нематериальный объект, а только его «образ». Конечно, с помощью современной компьютерной техники можно создать многомерный образ генотипа как компьютерную программу, но, даже реализовав данный проект с помощью дорогостоящего автоматизированного информационно-измерительного комплекса, мы столкнулись с необходимостью визуализации многомерного образа генотипа, чтобы он воспринимался нашим трехмерным, материалистическим сознанием. Пришлось, добытую с большим трудом многомерную (многофакторную) информацию, снятую с растения, реализовывать с помощью метода главных компонент в виде двумерного образа генотипа [22]. Естественно, при этом была потеряна существенная доля информации.
К сожалению, с развалом СССР (1991 г.) начатые исследования были прекращены, сотрудники разъехались по разным странам, а дорогостоящее оборудование Биотрона было распродано на металлолом.
Глава 4. Информация в космологии
В виду того, что в литературе все больше появляется сведений о возможном происхождении «сознания» (информации) в процессе рождения и эволюции Вселенной, имеет смысл проанализировать современные данные по данному вопросу.
4.1. Успехи современной Космологии
Еще в начале ХХ столетия наши представления о Вселенной ограничивались визуальной картинкой Млечного Пути (наша галактика). В 1917 г. А. Эйнштейн предложил, на основе своих уравнений общей теории относительности (ОТО), первую теоретическую модель стационарной Вселенной. Однако, в 1922 г. А. Фридман убедительно показал, так же на основе уравнений ОТО, что Вселенная эволюционирует. К тому времени уже стало известно, что наша галактика не единственная во Вселенной. В 1929 г. Э. Хаббл, используя астрономические наблюдения нескольких галактик, подтвердил фридмановскую модель их разбегания и в космологии была принята гипотеза рождения нашей Вселенной в виде Большого Взрыва. Удалось вычислить возраст Вселенной ≈ 14 млрд. лет. Выяснилось также, что основные выводы фридмановской космологии можно получить и в рамках ньютоновской теории тяготения (1934 г.).
С этого момента начался невероятно быстрый процесс создания уникальных средств для астрономических наблюдений: от световых до радиотелескопов, как наземных, так и выводимых с помощью ракетной техники в космическое пространство. Огромный объем наблюдательных данных и бурный прогресс в теоретических расчетах с использованием электронно-вычислительных комплексов, привели в конце ХХ столетия к совершенно новому, на грани фантастики, представлению о Космосе. Успехи физики элементарных частиц позволили объяснить многие вопросы рождения, строения и эволюции Вселенной.
В настоящее время физическая космология является самой прогрессивно развивающейся областью науки, непрерывно интригуя общество сенсационными открытиями. Наиболее интригующим открытием является, так называемая, «невидимая материя». Эффект «невидимой материи» в космическом пространстве впервые «наблюдали» астрономы Джинс и Каптейн, изучая движение звезд в нашей Галактике. Тогда же (1922 г.) появился термин «темная материя» (англ. dark matter). Следует отметить, что термин «темная материя» не способствует пониманию данного феномена[2], поэтому все чаще употребляют термин «невидимая материя» (НМ).
В 1933 г. Цвикки измерил радиальные скорости восьми галактик в скоплении Кома и обнаружил, что для устойчивости скопления приходится допустить, что его полная масса в десятки раз больше, чем масса входящих в него звезд [31]. С 1960-х годов начался бурный прогресс в исследовании НМ и лидером в данной области была признана Вера Рубин [32], которая предпочитала считать причиной найденного эффекта модифицированную ньютоновскую динамику (MOND). В тот же период большую популярность приобрела теория плазменной космологии Альвена, также отрицавшая наличие НМ (но предсказавшая нитевидно-клеточную структуру Вселенной). С 1990 годов наблюдательные данные астрономии стали все больше удовлетворять модели Большого Взрыва с хаотической инфляцией [5] (однако, эффект НМ оставался необъясненным).
В 1998 г. с помощью астрономических наблюдений было обнаружено, что Вселенная, через 7 млрд. лет после окончания Большого Взрыва, стала опять ускоренно расширяться (так же до сих пор необъясненный факт). Сейчас твердо установлено, что сила отталкивания между частицами создается невидимой идеально однородной космической средой, заполняющей все пространство с постоянной плотностью, названной «невидимой энергией» (НЭ). Отталкивающая сила заметно проявляется только на больших космологических расстояниях вблизи горизонта видимого мира и описывается Λ-членом в модели Эйнштейна. Полный бюджет энергии и материи в современной Вселенной представлен так: примерно 73 % составляет НЭ; 23 % составляет НМ; и примерно 4 % – это «нормальная» (барионная) материя, которую мы видим.
В отличие от НЭ, НМ не «размазана» по всей Вселенной, а гравитационно скучивается, обнаруживая тенденцию к концентрации в виде протяженного гало вблизи отдельных галактик или групп галактик. Такая система (с НМ) называется местной группой галактик. Размер местной группы порядка (1–2) Мпс. Расстояние между группами порядка (10–15) Мпс. Несколько соседних групп образуют сверхскопления в виде «блинов» размером порядка 30 Мпс (Местная вселенная). И, наконец, сврхскопления образуют цепочки, филаменты, в которые входят (5 – 20) сверхскоплений. Ближайшая от нас цепочка, Концентрация Шепли, находится на расстоянии около 200 Мпс и имеет размер около 100 Мпс. Пустое пространство между филаментами называется войдами. Масса НМ в местной группе во много раз (5–6) превосходит массу барионной материи. Установлено, что видимая материя распределена по доступной наблюдению Вселенной (3000 Мпс) достаточно однородно и эта однородность обеспечивается НМ в виде «паутины», которая служит гравитационной потенциальной ямой для барионной материи. НМ местной группы, нейтрализует антигравитационное влияние НЭ, в результате чего наша Местная группа является квазистационарной.
Про НМ пока известно очень мало и, в основном, в пределах местных групп. Например, для нашей Местной группы известно следующее [33]:
1) галактики нашей Местной группы (численностью около 40), совместно с НМ образуют систему с центром вблизи двух наиболее крупных галактик (Млечный Путь и Туманность Андромеды). Гравитационное притяжение, в основном благодаря НМ местной группы, нейтрализует антигравитационное влияние НЭ, в результате чего наша местная группа является квазистационарной.
2) масса НМ в местной группе во много раз (5–6) превосходит массу барионной материи. Это позволяет, при анализе поведения местной группы, считать галактики «пробными частицами» в поле НЭ и НМ.
3) небольшому числу карликовых галактик (численностью около 20), под воздействием НЭ, удается преодолеть гравитационное притяжение местной группы и образовать, так называемый, «хаббловский поток» подчиняющийся общему закону разбегания галактик во Вселенной.
4) в некоторых местных группах (в том числе и в нашей местной группе) наблюдается отрыв части НМ от общего гало. Предполагается, что большое количество НМ может располагаться в войдах.
5) замечено, что чем старее галактика, тем больше плотность НМ связанной с этой галактикой.
Однако, вместе с этими открытиями, в космологии появляется все больше необъяснимых явлений, выходящих за рамки современной физики.
4.2. Проблемы современной космологии
Уже давно замечено, что почему-то «счастливая случайность» стала преследовать нашу Вселенную с самого начала ее рождения [6]. В процессе фазовых превращений вакуума, Вселенная удивительно точно попадала в нужный (для возникновения жизни) минимум потенциальной энергии; удивительно точно и своевременно проходили все этапы рождения требуемых (для возникновения жизни) полей и частиц; с невероятной скоростью и точностью проходил нуклеосинтез главных биологических атомов углерода и кислорода. В этой связи Ф. Хойл считает, что «совпадение в синтезе углерод-кислород столь удивительно, что кажется «нарочно подстроенным, а в физике, химии и биологии экспериментировал сверхинтеллект» (цит. по [34]). Подобное же удивление вызывают и случайные совпадения фундаментальных физических констант Вселенной. По данному поводу И. Новиков пишет [35]: «Все это выглядит так, как будто природа специально «подгоняла» значения констант такими, чтобы могли появиться сложные структуры во Вселенной и, в частности, могла появиться жизнь».
Остается также неясным, почему в нашей Вселенной нет антиматерии.
Одним из непонятых явлений в современной космологии является равенство нулю плотности энергии вакуума в космосе, что подтверждается прямыми наблюдениями видимой части Вселенной. Отсюда следует равенство нулю космологической постоянной Λ в уравнениях Эйнштейна. Считается, что данное противоречие между теорией и наблюдениями является самым острым кризисом в современной физике. Приходится допускать, что эффективное значение плотности энергии вакуума состоит из двух одинаковых по абсолютной величине, но противоположных по знаку, значений: Λ = Λ1 – Λ2 = 0. Это можно понимать, как указание на существование некоего дополнительного «второго» вакуума, компенсирующего влияние «первого» физического вакуума в космических масштабах. Заметим, что даже слабое отклонение эффективного значения плотности энергии вакуума в нашей области Вселенной от нуля (а также небольшие изменения фундаментальных физических констант) исключило бы всякую возможность возникновения Мира, пригодного для жизни.
В настоящее время в физических теориях со спонтанным нарушением симметрии предпринимаются многочисленные попытки решить указанную выше проблему энергии вакуума. Например, допускается, что существует, так называемый, «теневой мир» (параллельная Вселенная), взаимодействующий с реальным миром только через посредство гравитационных сил. «Теневой мир» рассматривается с антиподной симметрией, так, что связываются между собой состояния с противоположным знаком энергии [5]. Интенсивно обсуждаются модели с, так называемой, «зеркальной Вселенной». К сожалению, пока что ни один из многочисленных вариантов физических теорий на данную тему не подтверждается астрономическими наблюдениями.
Предполагать, что наша уникальная Вселенная возникла случайно, как один из огромного числа вариантов, так же наивно, как предполагать, что жизнь на Земле возникла в результате случайного сочетания атомов и молекул. Привлечение в космологию идей типа «параллельных миров», или «антропного принципа» показывает, что уже настал момент, когда глобальные физические Теории Всего Сущего необходимо рассматривать совместно с элементами биологического знания. Все чаще, необычные явления в нашей Вселенной, заставляют профессиональных космологов задавать такие «биологические» вопросы. Видимо интуитивно предполагается наличие во Вселенной неких нефизических явлений и образований.