Сохранение и передача информации в живой природе

Информация и жизнь

Биологическая жизнь - одна из форм существования материи. Живые организмы отличаются от неживых объектов целым рядом свойств: обменом веществ, раздражимостью (свойством отвечать на воздействия внешней среды изменениями своего состояния или деятельности), способностью к размножению, росту, развитию, активной регуляциии своего состава и функций, к различным формам движения, приспособляемостью к среде и т. п. Все эти свойства живых организмов невозможны без получения и использования информации от окружающей природы и обмена информацией между живыми организмами.

Рассмотрим несколько примеров.

Начинается партия игры в бильярд. Один из игроков производит первый удар кием и разбивает пирамиду бильярдных шаров. На столе они занимают какое-то новое положение. Для самих шаров это, образно говоря, "безразлично".

Но зато для игроков новое положение шаров на столе дает "информацию к размышлению" - какие шары выбрать для следующего удара.

И так для каждого из двух игроков после каждого удара.

Такое же утверждение касается и положения фигур на шахматной доске - так называемой шахматной позиции.

В этих ситуациях видна разница между неживой и живой природой. Понятие "информация" присуще только живой природе - простейшим, растениям, животным, и, конечно, человеку и созданным им автоматическим устройствам.

Каким же образом человек получает, анализирует, хранит и использует информацию? Происходит это в несколько этапов. Первый - получение информации - осуществляется с помощью органов чувств: зрения, слуха, обоняния, вкуса, осязания, восприятия гравитации.

В состав органов чувств входят рецепторы (от лат. receptor - принимающий) - окончания чувствительных нервных волокон или специализированные клетки (сетчатки глаза, внутреннего уха и др.). Рецепторы делятся на экстерорецепторы, воспринимающие информацию из внешней среды, и интерорецепторы (или приорецепторы), воспринимающие информацию из внутренней среды собственного организма. Органы чувств воспринимают, первично анализируют и преобразуют эти раздражения в нервное возбуждение, после чего передают его в центральную нервную систему. Дальнейшие процессы обработки, хранения и использования полученной информации происходят в головном мозгу. Этапы этих процессов познания: восприятие, память и мышление. Восприятие - это способность анализировать воспринимаемые органами чувств изменения окружающей среды. Память - способность хранить информацию, полученную в результате восприятия. Мышление - способность систематизировать (понять причинно-следственные механизмы) хранящуюся в памяти информацию. Память и мышление объединяет в себе понятие "интеллект" (от лат. intellectus - познание, понимание, рассудок) - способность мышления, рационального познания. Это латинский перевод древнегреческого понятия "нус" (ум), тождественный ему по смыслу.

Понятие "информация" присуще не только человеку, но и созданным им автоматическим устройствам.

Поясним последнее утверждение. Посмотрим, как работает домашний холодильник. Охлаждение он производит с помощью холодильного агрегата. Когда вы включаете холодильник, начинает работать электродвигатель, приводящий в действие компрессор, и температура в камере холодильника понижается. Когда она достигает нижней заданной величины, например, +4⁰С, реле отключает электродвигатель и температура в камере начинает повышаться. Когда она достигнет верхней заданной величины, например +6⁰С, реле снова включает электродвигатель и температура в камере снова начнет понижаться. Таким образом, в камере будет поддерживаться температура в пределах от +4⁰С до +6⁰С. Температура в камере является информацией для автоматического холодильника, которая служит сигналом для периодического включения и отключения холодильного агрегата.

Наследственность и индивидуальная память

Человека всегда интересовало, почему он похож на своих родителей и других родственников - братьев, сестер, дедушек, бабушек, причем не только внешне, но и своим характером, привычками. Все это носит название "наследственность". С древних времен люди хотели понять, как наследственная информация передается из поколения в поколение. Хотелось узнать и причины родовой устойчивости животных: почему у слонов родятся слонята, у тигров - тигрята, у лошадей - жеребята. Эти тайны природы были раскрыты только в середине XX века.

Информация проявляется и в растительном, и в животном мире в виде передачи потомству наследственных признаков в ряду поколений. Наследственность обеспечивается самовоспроизведением генов, находящихся в хромосомах ядра клетки. Она вместе с изменчивостью обеспечивает постоянство и многообразие форм жизни. Однако генетический аппарат нужен не только для воспроизведения поколений, но и на протяжении всей жизни каждого индивидуального организма. Ведь его клеточный состав непрерывно меняется, но генетический аппарат следит за тем, чтобы при этом организм оставался самим собой.

Кроме наследственных признаков, каждому отдельному человеку свойственна индивидуальная память, необходимая в процессе его существования.

Память - это способность сохранять и воспроизводить следы полученных впечатлений: зрительных, слуховых, обонятельных, осязательных, вкусовых, то есть некоей информации. Именно благодаря памяти человек живет не только в настоящем, но и в прошлом, и в будущем. Она дает возможность планировать поведение в соответствии с заложенными инстинктами, опытом, знаниями и окружающей обстановкой, то есть принимать решения.

Необходимо отметить коренное отличие генетической информации от индивидуальной памяти. Оно состоит в том, что генетическая информация передается по наследству от организма к организму, а индивидуальная память не наследуется, а только приобретается человеком в течение всей его жизни, в том числе посредством обучения и воспитания.

Генетика, молекулярная биология и генная инженерия

Зачатки генетики существовали еще в доисторические времена, когда люди одомашнивали животных и культивировали растения. Однако основы современных представлений о механизмах наследственности были заложены только в середине XIX века.

Монах Грегор Мендель занимался изучением гибридизации растений в Августинском монастыре в Брюнне (Брно), ныне на территории Чехии.

В 1865 году он обнародовал на заседании местного общества естествоиспытателей результаты исследований о передаче по наследству признаков при скрещивании гороха. Эта работа "Опыты над растительными гибридами" была опубликована в трудах общества в 1866 году. Сформулированные Менделем закономерности наследования признаков позже получили название законов Менделя. При жизни его работы были малоизвестны и воспринимались критически. Однако принципиальные результаты его опытов были поняты и оценены наукой лишь в 1900 году, когда голландский ученый Х. де Фриз, немецкий - К. Корренс и австрийский - Э. Чермак вторично открыли законы наследования признаков, установленные Менделем.

После этого работы Менделя вновь привлекли внимание биологов. В 1905-1906 гг. английский натуралист Уильям Бэтсон ввел в употребление название новой научной дисциплины: "генетика", а в 1909 году датский ботаник Вильгельм Йоханнсен - термин "ген".

Рис. 10.1. Грегор Мендель

В 1910-х годах американский биолог Томас Хант Морган (1866-1945), один из основоположников генетики, лауреат Нобелевской премии 1933 года, и его сотрудники обосновали хромосомную теорию наследственности. Эти ученые доказали, что наследственные факторы - гены - размещаются в хромосомах и что они расположены в них линейно и сцеплены между собой, а во время созревания половых клеток они могут разъединяться. Школе Моргана удалось установить порядок расположения генов в хромосомах для некоторых животных и растений - мухи дрозофилы, кур, кукурузы, ряда бактерий. Муха дрозофила стала излюбленным подопытным насекомым для генетиков из-за ее способности быстро давать потомство, что очень удобно для изучения наследственности.

Рис. 10.2. Томас Морган

Первые работы по генетике в России были начаты в начале XX века. После революции и гражданской войны началось стремительное организационное развитие науки. В 1920-1930 годах выдающийся вклад в развитие генетики внесли советские биологи Н.К. Кольцов (1872-1940) и Н.И. Вавилов (1887-1943). Именно Н.К. Кольцов в 1928 году высказал предположение, что хромосомы - это гигантские молекулы, и обосновал необходимость изучения механизма наследственности на молекулярном уровне.

Рис. 10.3. Н.К. Кольцов

Рис. 10.4. Н.И. Вавилов