Информационная оценка экологических процессов

Свойство организма воспринимать, хранить, (память), анализировать и передавать информацию определяет его способность прогнозировать свое состояние и поведение в окружающей среде. Эта способность живого имеет жизнеобразующее начало. Без способности прогнозировать не существует живого организма. Можно предположить, что информационный генетический код это программа, которая запускается в момент зарождения организма. И эта программа, как бы состоит, из следующих подпрограмм: формирование внешнего облика; формирование физиологического строения (количество и функциональное назначение органов); функционирование и прекращение функционирования свойств или качеств организма в последовательности их появления во времени; психические свойства и качества, определяющие поведение организма во взаимодействии с факторами среды. К свойствам и качествам организма относятся следующие способности (рис. 4.1): воспринимать, использовать и выделять энергию и вещество; ощущать качество среды; воспринимать, передавать и накапливать (память) информацию; анализировать и прогнозировать свое состояние в среде; адаптироваться к условиям среды; воспроизводить себе подобные организмы. Эта программа детерминирована на 99 %. Реализуется закономерность, которая заключается в том, что характер химической организации биогенов и их перегруппировка при формировании и передаче информационного сигнала подчиняется принципу минимизации риска разрушения организма.

Реализация генетической программы происходит в условиях факторов среды, которые имеют случайный характер. Восприятие энергии (пищи, воды газообмен и солнечное тепло) осуществляется из внешней среды, поэтому на состояние организма оказывает влияние количество и качество этой энергии. Имеют место оптимальная величина факторов, верхний и нижний их пределы. Количество и качество энергии, биотические факторы организма и абиотические факторы среды, а так же выше перечисленные свойства организма являются случайными величинами и характеризуются появлением рискованных ситуаций при недостаточном или избыточном их количестве. Из этого следует, что по количеству и качеству значений множества факторов организм (животное и/или растение) осуществляет выбор для оптимального существования, основанный на законе минимальной вероятности собственной гибели.

ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА

ЖИВОЙ ОРГАНИЗМ

Энергия и вещество: восприятие, накопление, использование, выделение

факторов окружающей среды

вну грен него состояния организма

к факторам среды обитания

внутреннего состояния организма

факторам окружающей среды

внутренним критериям организма

Прогноз:

риск ошибочного прогнозирования

Адаптация:

риск ошибочной адаптации

Информация:

восприятие, хранение (память), анализ, передача.

Риск потерь информации при ее хранении;

Воспроизводство:

риск рождения потомства не адекватного

Риск получения недостаточного или избыточного объема информации;

Риск появления ложной информации:

Риск ложных выводов при анализе информации:

Риск потерь информации при ее передаче

Рис. 4.1. Свойства, качества, принцип экстремальности и факторы риска в жизненном цикле живых организмов

Информационные процессы в организме человека {животного). Генетическая передача информации определяет последовательность событий в онтогенезе (табл. 4.1), которые появляются на этапах жизни человека. Разбивка на этапы осуществлялась в соответствии с жизненным процессом при его интерпретации как процесса информационного, состоящего из конечного (бесконечного) числа упорядоченных состояний.

Анализ таких процессов удобно выполнять, используя правила теории алгоритмов (см. параграф 4.1). В соответствии со вторым правилом выполнена разбивка на крупные и более мелкие этапы жизненного цикла человека. В крупных этапах подсчитано количество более мелких событий и вероятности их появления р и непоявления 1-р. По формуле (4.2) и в соответствии с приложением подсчитана энтропия каждого события и суммарная энтропия жизненного цикла человека, которая оказалась равной Yfp ⁼ 6.72 бит (см. табл. 4.1). При разбивке жизненного цикла еще на более мелкие события, например, по количеству молекул ДНК, углеводных групп в хромосоме и количеству хромосом, информационная емкость будет составлять более 200 000 бит. Однако такая разбивка в 30 000 раз более громоздка и не дает наглядного представления об информационных процессах онтогенеза. И, тем не менее, можно утверждать, что при любой разбивке жизненного цикла организма последующее событие (новое качество) является следствием предыдущего. Очевидно, что для формирования нового качества организма передача информации осуществляется по принципу минимизации риска (вероятности) его гибели.

Если имело место предыдущее событие, то возможность появления или нс появления последующего события носит вероятностный характер. Было показано, что генетическая программа детерминирована на 99 %. Однако при ее реализации имеет место элемент случайности на 1 %. Поэтому и генетический сигнал по правилам А.Н. Колмогорова (см. параграф 4.1, правило 3) о необходимости появления следующего качества организма, и события поглощения питательных веществ, воды, газообмен являются случайными факторами. При этом «организм испытывает» состояние неопределенности по отношению к появлению или не появлению генетического сигнала и случайных факторов.

По данным вычислений (табл. 4.1) составлен график (рис. 4.2) зависимости энтропии от вероятности выживания или риска гибели организма. Анализ графика показывает, что если вероятность выживания пропорциональна нулю (р = 0) или риск гибели организма пропорционален единице (г = 1, где г = 1 - р), то энтропия пропорциональна нулю (fp = 0). И если вероятность выживания пропорциональна единице (р = 1) или риск гибели организма пропорционален нулю (г = 0), то энтропия также пропорциональна нулю (fp = 0).

Жизненный цикл человека

Таблица 4.1

Примечание, знак (+А) у жизненных функций организма означает их усиление на величин)' А; Знак (-А) означает их ослабление на величину А.

Из этого следует, что в первом случае организм должен быть мертвым, а во втором случае должен обладать «бесконечной жизнью». И то и другое состояние организма фактически не имеет места. Состояние организма при его зарождении не может быть мертвым, так как «живое появляется только из живого», но и бесконечной жизни нс существует.

Рис. 4.2. Зависимость эн троими от вероятности выживания или риска гибели организма

Анализ последовательности событий в жизненном цикле организма, позволяет сделать вывод о том, что в момент зарождения его энтропия почти равна нулю (fp = 0,0294), а риск его физической гибели близок к единице (г = 0,997) (см. табл. 4.1 и рис. 4.2). Затем энтропия организма увеличивается, а риск гибели уменьшается. По мере развития процесса биологическое состояние организма стабилизируется и достигает некоторого максимума, при котором наблюдается максимальная неопределенность состояния организма. В такой момент энтропия имеет максимальное значение (fp = 1), а риск гибели организма снижается до г = 0,5, (см. табл. 4.1 и рис. 4.2). В этот же момент имеет место генетический сигнал, направленный на дестабилизацию (или ухудшение) биологического состояния организма, которое характеризуется уменьшением энтропии и увеличением риска гибели. В момент максимальной стабилизации (fp = 1, г = 0,5) физиологический механизм принудительного распределения энергии организма сменяется на физиологический механизм противодействия неизбежности его гибели.

Такой процесс развития организма соответствует утолщенной кривой в левой части графика (см. рис. 4.2). Таким образом, жизненный цикл организма состоит из двух этапов: от зарождения до максимальной стабилизации и от максимальной стабилизации до гибели.

Жизненный цикл организма характеризуется потребностью непрерывного или периодического пополнения энергии. При этом он испытывает состояние неопределенности по отношению к наличию и суммарному действию случайных факторов: питательных веществ, воды, газообмену. Их отсутствие приводит к уменьшению энтропии до порогового значения (см. рис. 4.2). При удовлетворении потребностей организма энтропия возрастает, а риск гибели уменьшается. Причем если имеет место первый этап развития, то увеличение энтропии и уменьшение риска гибели происходит с положительным их приращением. И если имеет место второй этап развития, то увеличение энтропии и уменьшение риска гибели происходит с отрицательным их приращением. Отрицательное приращение энтропии приводит к ее убыванию и в конечном итоге к гибели организма. В любом случае при отсутствии возможности пополнения энергии энтропия организма продолжает убывать и при достижении нулевого значения организм погибает. Однако для, казалось бы, погибшего организма вероятность выживания и энтропия не равны нулю (р = 0.003,/р = 0,0294, см. табл. 4.1). Это означает что умирание организма -это процесс, когда степень неопределенности его состояния достигает клинической смерти. Фактическая смерть наступает при появлении в жизненно важных органах необратимых физиологических изменений. Только в этом случае достигается полная определенность состояния организма (fp = 0), вероятность выживания которого равна нулю (р = 0). Кривая в правой части графика (см. рис. 2) соответствует уменьшению риска гибели организма (г < 0,5) при уменьшении энтропии (fp < 1). Это должно соответствовать улучшению состояния организма вплоть до состояния «бесконечной жизни» (г = 0 nfp = 0). Такое развитие процесса в онтогенезе для фактического состояния отдельного организма не может иметь место.

Рассмотренные закономерности информационной неопределенности состояния организма по отношению к появлению или непоявлению его свойств и качеств в онтогенезе относятся только к индивидуальным особенностям отдельного организма. В любом случае происходит минимизация риска гибели организма. В этой связи установлено, что жизненный цикл имеет два этапа. При реализации первого энтропия (неопределенность) увеличивается, а риск гибели уменьшается. Поглощение и расход энергии происходит с положительным наращиванием качеств жизненных функций организма. При реализации второго этапа энтропия (неопределенность) уменьшается, а риск гибели увеличивается. Поглощение и расход энергии происходят с уменьшением качества жизненных функций организма.

Информационные процессы в организме растения. Развитие растения начинается со случайного попадания семени (плода) в благоприятные условия, при которых в пограничном слое поверхности семени имеются в достаточном количестве следующие вещества: вода, газы необходимого состава, почва с сс минеральными составляющими. При этом пограничный слой семени (пограничное пространство) должен характеризоваться проницаемостью, оптимальной температурой, наличием и направлением сил тяготения. По отношению к этим условиям семя находится в состоянии неопределенности путей развития. Эта неопределенность связана с воздействием на семя случайных факторов, которые в благоприятном сочетании приводят к активизации сосредоточенной в веществе семени химической энергии. Высвобождение и использование этой энергии происходит в определенной последовательности появления событий: набухание, активизация ферментов, синтез новых ферментов, гидролиз питательных веществ. Результатом автономного развития семени является формирование проростка, питание которого гетеротрофно. Процесс имеет непрерывный, необратимый и детерминированный характер [Кузнецов, Дмитриева). Детерминированность процесса определяется таким направлением последовательности событий высвобождения и использования химической энергии семени, которое в конечном итоге приводит к формированию первой листовой пластинки и корня. При этом изменяется характер питания проростка. Появляется мезотрофное питание, которое переходит в автотрофное. Автотрофное же питание обеспечивает формирование и накопление прибавочной энергии. Однако распределение количества и качества внешних факторов по пограничному слою семени имеет случайный характер. Поэтому детерминированный процесс последовательности событий прорастания семени либо ускоряется, либо замедляется.

Ускорению процесса развития семени способствует наличие оптимальных значений по количеству и качеству внешних случайных факторов. При этом скорость прорастания семени ограничена максимальной скоростью химических реакций в отдельный момент времени и генетически заданной последовательностью событий высвобождения и использования энергии семени. Замедление же процесса определяется недостаточными или избыточными значениями по количеству и качеству внешних случайных факторов. При этом скорость химических реакций уменьшается и может упасть до нуля. В этот момент формирование проростка либо приостанавливается, либо прекращается.

Таким образом, в каждый момент времени наблюдается неопределенность количественных и качественных характеристик высвобождения и использования энергии семени, а также в формировании количества и качества прибавочной энергии при завершении этапа его прорастания. Поэтому в детерминированной последовательности событий каждое из них может произойти с вероятностью р, а может и не произойти с вероятностью 1-р.

Аналогичные рассуждения можно провести для каждого этапа онтогенеза растения (ювенильного, зрелости, размножения, старости и смерти). Как известно, растения делят на эфемеры, однолетние, двулетние и многолетние, а также на монокарпические и поликарпические. Независимо от продолжительности жизни и количества плодоношений растения за жизнь онтогенез растений дискретен. Поэтому в процессе развития растения будут иметь место следующие события: протекание химических реакций, перераспределение вещества, формирование вегетативных органов, заложение цветков, цветение, формирование плодов, их созревание и отделение, а также отмирание вегетативных органов и смерть растения. При этом четко соблюдается очередность событий в их последовательности, то есть «каждый из этапов имеет свои морфологические и физиологические особенности, которые сходны у растений разных видов, базируется на предыдущем этапе и является структурно-биохимической предпосылкой для следующего».

Появление каждого события определяется частью генеалогической информации, которая реализуется в наследственных свойствах растения. Наследственные же свойства растения определяются точностью репликации ДНК, вероятность погрешности которой нс превышает 1О’¹⁰ (одного случая из 10 млрд нуклеотидов). В то же время происходит выбор направления онтогенеза и ограничение развития в иных направлениях. Выбор же всегда сопровождается состоянием неопределенности растения на предыдущем этапе по отношению к последующему этапу.

Процесс разрешения неопределенности и выбор направления онтогенеза растения осуществляется индукторами, роль которых, предположительно, выполняют сочетания гормонов. То есть индукторы осуществляют информационную функцию выбора момента перехода от предыдущего события онтогенеза растения к последующему. На этапах ювенильном, зрелости и размножения формируется прибавочная энергия, которая равна разности между количеством преобразованной энергии и затратами энергии на ее преобразование. Критерием же выбора является, по всей видимости, накопление предельного количества прибавочной энергии на данном этапе. В этот же момент прекращаются ферментативные реакции, которые зависят от температуры среды, концентрации фермента, концентрации субстрата и кислотности среды (pH). При этом индуктором дезактивируются гены предыдущего этапа и активируются гены, которые ответственны за синтез ферментов следующего этапа. Таким образом, выбор момента перехода от одного этапа к другому имеет также случайный характер, и здесь будут иметь место случайные отклонения в скорости и продолжительности формирования прибавочной энергии этапа. При этом неопределенность перехода растения из одного этапа в другой характеризуется численным значением энтропии, которая устанавливается по формуле (4.2).

В соответствии с правилами теории алгоритмов, А. И. Колмогорова (см. параграф 4.1), устанавливается очередность и количество случайных событий. Для однолетних монокарпических растений эта очередность согласуется с этапами онтогенеза (табл. 4.2), принятыми в физиологии растений. На каждом этапе установлено среднее условное количество событий, значимость которых в жизни растения одинакова, а также вероятности выживания, вероятности гибели и энтропия. При формировании этапов (см. табл. 4.2) наиболее существенным для растительных видов является правило А.Н. Колмогорова о функции процесса переработки (химических реакциях и накоплении прибавочной энергии). Процесс продолжается до тех пор, пока не произойдет либо безрезультатная остановка, либо не появится сигнал о решении. При этом не исключается возможность неограниченного его продолжения во времени, если никогда не появиться сигнал о решении. Это положение согласуется с теорией развития растения по генетической программе.

По результатам вычислений (см. табл. 4.2) составлен график (рис. 4.3) зависимости энтропии от вероятности выживания или гибели однолетнего монокарпического растения. Анализ графика показывает, что если вероятность гибели растения равна единице (г = 1, где г = 1 - р), то энтропия равна нулю (fp = 0). Если же вероятность его гибели равна нулю (г = 0), то энтропия также равна нулю (fp = 0). Из этого следует, что в первом случае растение должно быть мертвым, а во втором будет обладать «бесконечной жизнью». И то и другое состояние растения фактически не имеет места. Состояние растения при его зарождении не может быть мертвым, так как «живое появляется только из живого», но и бесконечной жизни не существует.

От этапа прорастания и до завершения ювенильного этапа развитие растения происходит с увеличением количества и качества жизненных функций (см. табл. 4.2). При этом достигается максимальное состояние неопределенности (энтропия,Ур = max) растения по отношению к будущим событиям (см. рис. 4.3). Эта неопределенность разрешается на этапе зрелости путем некоторого снижения жизненных функций растения и формированием цветков. В этом этапе происходит перераспределение прибавочной энергии. Причем в момент достижения максимума энтропии (fp = max') достигается также максимальное значение вероятности выживания растения (р = 0,5) (см. рис. 4.3) или достигается минимальное значение вероятности его гибели (г = 0,5).

Таблица 4.2

Физиологические события в жизненном цикле однолетних монокарпических растений

Примечание'. Знак (+) у числа событий означает усиление жизненных функций растения; Знак (-) означает ослабление жизненных функций растения.

Рис. 4.3. Зависимость энтропии от вероятности выживания или гибели однолетнего монокарпического растения

Этап размножения растения происходит в направлении концентрации прибавочной энергии в семенах. При этом также достигается максимальное состояние неопределенности (fp = max) растения по отношению к будущим событиям, которое разрешается на этапе старения. Плоды отделяются от материнского растения, а уменьшение жизненных функций растения приводит к его гибели.

Энтропия и вероятность выживания уменьшаются до нуля (fp = 0; р=0), а вероятность гибели возрастает до единицы (г = 1, см. рис. 4.3). Однако на этапе размножения процесс развития однолетнего монокарпического растения разделяется на два направления: первое -жизнь материнского растения (см. табл. 4.2, рис. 4.3), второе - эмбриогенез и жизнь семян (табл. 4.3 и рис. 4.4). В этом случае появляется необходимость выделения событий, которые относятся и к материнскому растению и к формированию семян. Анализ последовательности событий жизни растения с учетом выживаемости семян (см. табл. 4.3, рис. 4.4) показывает, что при прорастании семени вероятность выживаемости будущего растения больше нуля (р > 0) или риск его гибели меньше единицы (г < 1). При этом неопределенность его состояния несколько больше нуля (энтропия, fp > 0). Переход от ювенильного этапа к этапу зрелости характеризуется максимальной неопределенностью появления будущих событий в жизни растения (энтропия, fp —? 1, см. рис. 4.4). Вероятность выживаемости растения в этот момент достигает критического значения равного 0,5 (р = г = 0,5, см. рис. 4.4). Эта неопределенность разрешается путем появления событий этапа зрелости 188

(см. табл. 4.3). При этом происходит перераспределение прибавочной энергии. Часть ее используется на поддержание жизни материнского растения. Большая же ее часть используется на формирование семян.

Таблица 4.3

Физиологические события в жизненном цикле однолетних монокарпических растений с учетом выживаемости семян (плодов)

Рис. 4.4. Зависимость энтропии от вероятности выживания или гибели семян однолетних монокарпических растений.

Точками на кривой показаны моменты завершения этапов (табл. 4.3)

Процесс разделения прибавочной энергии в отдельные семена (этап эмбриогенеза, см. рис. 4.4) зависит от общего количества энергии, накопленной растением в конце ювенильного этапа, минимально необходимого количества прибавочной энергии для развития нового растения из отдельного семени и вероятности выживания отдельного семени в будущих условиях среды. При делении прибавочной энергии вероятность продолжения жизни растения в виде совокупности семян возрастает (табл. 4.3, у; —> 1), а неопределенность состояния этих семян по отношению к ухудшению условий внешней среды убывает (энтропия, jp —> О, см. рис. 4.4).

Процесс перехода от этапа зрелости к этапу размножения является детерминированным. Однако момент смены этапов определяется случайными факторами. Наличие короткого дня, преобладание в спектре света синей составляющей, высокая влажность и большое количество угарного газа в воздушной среде, а в почве - азота, и также низкие температуры усиливают формирование женских цветков и, в конечном итоге, появление большего количества семян. То есть прибавочная энергия растения в большей мере консервируется в виде семян. Следовательно, эти условия способствуют реализации природного способа минимизировать вероятность гибели - продолжения жизни при ухудшении условий среды, тогда как наличие продолжительного дня, преобладание красной составляющей в спектре света, низкая влажность воздуха, высокая температура среды и наличие большого количества кальция в почве приводят к уменьшению развития женских цветков и усилению 190

вегетативного развития растения. Происходит наращивание прибавочной энергии растения. Следовательно, эти условия обеспечивают минимальную вероятность гибели жизни самого растения.

Начало этапа размножения растения определяется индуктором, роль которого, по всей видимости, выполняют сочетания гормонов гиббереллина и антезина. Выбор же момента перехода от этапа зрелости к этапу размножения имеет случайный характер, и здесь будут иметь место случайные отклонения в скорости и продолжительности формирования семян. Формирование же прибавочной энергии связано с определенной последовательностью событий, которые строят растения в процессе выживания. Поэтому одним из природных методов минимизации вероятности гибели жизни является разделение прибавочной энергии растения, накопленной на ювенильном этапе, на множество зачатков этой жизни в виде семян. По всей видимости, количественные характеристики такого разделения определяются специальным геном.

Таким образом, детерминированность процесса развития жизни растения определяется событиями, которые предопределены в своей последовательности. Случайные же факторы оказывают возмущающее влияние, выражающееся в снижении или увеличении сроков появления этапов и событий. Поэтому в заданный момент онтогенеза растение испытывает состояние неопределенности по отношению к действию случайных факторов. На этапах развития растения формируется прибавочная энергия, которая равна разности между общим количеством фотосинтезируемой энергии и энергии, используемой в процессе развития. При этом выбор направления онтогенеза растения определяется максимальным количеством прибавочной энергии при минимальных затратах этой же энергии на поддержание процесса развития. Момент завершения каждого этапа онтогенеза соответствует накоплению достаточного количества прибавочной энергии для количественного ее деления, в конечном итоге, на отдельные семена. Это деление на множество зачатков жизни в виде семян (размножение) является одним из природных методов минимизации вероятности гибели жизни.