Основы магнитотерапии и информационной медицины. Семантическая теория информации

22 Апреля в 22:12 559 0


Семантическая теория информации

Классическая теория информации оказалась не в состоянии объяснить смысл упорядоченности живых систем. По физической оценке, в энтропийных единицах, упорядоченность столь сложной системы, как организм человека, связанная с его клеточным составом и всем содержанием белков и ДНК, не превышает примерно 300 э.е. (или 1,3*10 26 бит).

Но такое понижение энтропии может быть скомпенсировано испарением 170 см3 воды, т. е. такая упорядоченность построения системы «ничего не стоит» [Л. А. Блюменфельд, 1977; М. В. Волькенштейн, 1986].

По мнению ряда ученых [Л. А. Блюменфельд, 1977; М. В. Волькенштейн, 1986; А. С. Пресман, 1997; А. Б. Рубин, 1987; Ю. А. Шрейдер, 1965, 1975 и др.] для биологических систем определяющим является не количество, а качество информации, ее «содержание», «смысл», «ценность». Именно такая качественная информация и выступает, с одной стороны, как характеристика организованности биосистемы, а с другой — как средство ее организации.

Любую целостную многоклеточную биосистему, независимо от ее структурной организации, следует рассматривать как кибернетическую, т. к. связанные с ее функционированием вещественно-энергетические процессы и структурные изменения регулируются информационными программами и взаимосвязями.

Мы не можем разгадать алгоритм структурной упорядоченности подавляющего большинства биосистем. Однако в поисках кибернетического критерия живого нас интересует не столько алгоритм структур биообъекта, сколько алгоритм его функциональных систем [А. С. Пресман, 1997].

Советским ученым, доктором философских наук, кандидатом физико-математических наук Ю. А. трейдером были заложены основы семантической теории информации. В отличие от теории Шеннона, где главной была идея кода и канала передачи информации, в теории Шрейдера акцент был сделан на свойствах приемника, воспринимающего информацию, и на оценке семантического (смыслового) значения информации. Вопрос о канале передачи информации при данном подходе к проблеме не имел принципиального характера.

Основная идея семантической теории информации заключается в том, что семантическую информацию, воспринимаемую данной биосистемой, можно оценить по степени изменения содержащейся в этой биосистеме собственной семантической информации за счет накопления внешней информации.

Чтобы вообще воспринимать какую-либо информацию от внешних источников, система-приемник должна обладать соответствующим «запасом знаний», определенным тезаурусом. Под тезаурусом биосистемы следует подразумевать информационную характеристику ее организации, а в качестве внешнего источника информации рассматривать ее организованное окружение, т. е., в конечном счете, всю иерархию систем живой природы [А. С. Пресман, 1997; Ю. А. Шрейдер, 1965,1975].

Наличие начального тезауруса — необходимое условие для извлечения и накопления биосистемой информации извне, а достаточным условием является априорная способность к такому накоплению до определенного уровня. В процессах развития биосистем и функционирования уже сформировавшихся биосистем информационный обмен определяется свойствами приемников информации, а не ее источниками.

Биосистема любого уровня иерархии живой природы является источником сигналов, несущих сведения о ее организации. Но воспринимать эти сигналы как содержательную информацию могут только те системы, которые ее «понимают», т. е. обладают соответствующим тезаурусом. В иерархии живой природы информация передается по типу «все — всем», а воспринимается по типу «тем, кого это касается», т. е. системам, способным ее воспринимать [А. С. Пресман, 1997].

В настоящее время из технических систем наибольшее количество информации способны накапливать и сохранять электронно-вычислительные машины, компьютеры. Компьютерная память — это система чипов, хранящая информацию в форме двоичного кода, где каждая единица информации представлена одним из двух состояний (0, 1). Чип — это полупроводниковый кристалл, в объеме и/или поверхности которого сформированы элементы интегральной микросхемы, а также межэлементные соединения и контактные площадки; это силиконовое плато с впечатанными транзисторами [Физический энциклопедический словарь, 1995].

Биосистема работает не с информацией в компьютерном понимании этого слова, а со смыслом, или значением. А значение — это исторически формируемое понятие, оно находит выражение в процессе взаимодействия индивидуума с природной и социальной средой [М. Б. Менский, 1994]. Основные положения семантической теории информации распространяются на все целостные биосистемы — от одноклеточных до надорганизменных [А. С. Пресман, 1997].

Этапы и законы синтеза информации

Энтропия (S) системы и информация (7) о системе взаимосвязаны. Формально величины I и S идентичны. Считают, что эквивалентность I (бит) и S (Дж/к) в некотором смысле подобна эквивалентности массы и энергии по закону А. Эйнштейна: Е= mc2(E— энергия материальной частицы, m — масса этой частицы, с — скорость света). Это соотношения между энтропией и информацией было выявлено Н. Л. Бриллюэном и сформулировано в виде негэнтропийного принципа информации (информация — отрицание энтропии) [Н. Л. Бриллюен, 1960; A. Einstein, 1950].

Классическое определение синтеза информации — запоминание случайного выбора [Л. А Блюменфельд, 1977; Г. Кастлер, 1985].

Детализация этого определения дает цепочку: случайные выборки на основе закона, процесса или соответствующих условий, с помощью чего этим выборкам сопоставляется некоторое следствие, — запоминание результата в виде устойчивого воспроизведения данного следствия. В физической системе синтез информации может реализоваться разными способами в зависимости от того, что является для этого процесса решающим — закон, процесс или условия [А. М. Хазен, 1992, 1994].

Равновесные фазовые переходы — случайные комбинации атомов на основе закона их взаимодействия образуют всегда одну и ту же молекулу или кристалл. Такую информацию называют семантической, т. к. она предопределена законом, и синтез только выделяет ее из шумов. Синтез информации такого типа в физической системе приводит к равнозначному результату, который может сохраняться сколь угодно долго.



Процесс как основа синтеза информации характерен для сильно неравновесных систем. Связь случайных выборок в виде макроскопических объемов вещества и следствия в виде упорядоченной структуры поверхности в этом случае закреплена устойчивостью динамического состояния системы. Такие устойчивые процессы называются самоорганизацией диссипативных систем или неравновесными фазовыми переходами (в отличие от кристаллизации — равновесного фазового перехода).

Собственно синтез информации реализуется тогда, когда в заданных условиях индивидуальных взаимодействий элементов системы между собой случайности их поведения можно сопоставить детерминированную однозначную величину — энтропию. Упорядоченность как характерная особенность синтеза информации в этом случае возникает благодаря самому факту существованию энтропии.

Приведенные примеры относятся к классическим открытым неживым системам, которым свойственно взаимодействие энергии и количества информации. В живых системах нет обмена между энергией и информацией или потоков информации извне, которые бы сами по себе играли существенную роль в процессах жизни (исключая диссипацию энергии).

Главным отличием энергетических процессов живых систем является то, что для осуществления метаболизма (обмена веществ) живой организм использует электрохимические термодинамические циклы. При этом используется не внутренняя энергия живой системы, связанная с энтропией, а свободная энергия, сосредоточенная в органическом соединении — аденозинтрифосфате (АТФ).

Уникальные свойства АТФ и отсутствие энтропии в качестве независимой переменной величины для термодинамического потенциала делают энергетические циклы метаболизма по отношению к начальным и конечным состояниям практически полностью детерминированными процессами [А. М. Хазен, 1994, 1992, 1994; Р. Mitchell, 1961].

Теоретически обосновано и экспериментально доказано, что в процессе метаболизма в живом организме любой сложности тепло не образуется и поэтому энтропия не возникает. Клетка является динамической системой, работающей при температуре тепловой деструкции своей структуры. В любой клетке в процессе внутренней работы по поддержанию ее структуры и выполнению специализированных функций тепло не генерируется и не выделяется [К. С. Тринчер, 1969].

Синтез информации в живой природе обусловлен следующими особенностями. Прочность ковалентных связей атомов углерода друг с другом и с атомами таких элементов, как азот, фосфор, водород и кислород существенно выше, чем прочность взаимных связей всех остальных элементов таблицы Д. И. Менделеева [Н. Л. Глинка, 1988; К. С. Краснов, 1977].

Соединения на основе углерода (нуклеотиды, аминокислоты, сахара, липиды) можно назвать «атомами» живого вещества. Кроме того, всего 8 нуклеотидов и 20 аминокислот образуют химические соединения, удовлетворяющие принципу структурной комплементарности.

Суть этого принципа заключается в том, что каталитические реакции указанных соединений дают преимущественно стопроцентный выход без образования побочных продуктов, а конечные продукты одних реакций могут полностью использоваться в других. Число непрерывных реакций при этом иногда достигает 20 [А. Ленинджер, 1975].

Из 8 нуклеотидов, участующих в образовании живой материи, 5 способны образовывать молекулу ДНК, для образования молекулы РНК достаточно 4 нуклеотидов. Синтез информации при образовании молекул и кристаллов в неживой природе происходит за счет того, что законы взаимодействия атомов одновременно гарантируют и образование, и запоминание однозначной пространственной структуры.

При образовании РНК и ДНК аналогичные законы создают вместо единственной пространственной структуры множество различных случайных форм. Если в окружающей среде первично есть конкретные вещества и условия, то могут начаться химические реакции, приводящие к самовоспроизведению некоторой единственной формы РНК или ДНК. Тем самым осуществляется запоминание, завершается синтез информации, которую называют генетической.

Реализует запоминание размножение (рекликации РНК и ДНК, их самовоспроизводство), которое по своей природе носит экспоненциальный характер. Дополнительное влияние внешних условий (радиоактивный фон, химические воздействия и др.), а также ошибки при репликации РНК и ДНК в процессе самовоспроизводства дают начало новым формам живого вещества [Б. Альберте и соатв., 1987; Э. С. Бауэр, 1935; С. Гилберт, 1993; Н. Грин и соавт., 1993; Ф. Крик, М. Ниренберг, 1964].

По мере роста уровня иерархии живой системы возрастает роль энтропии как меры информации, не затрагивающей уровень РНК или ДНК. Появление в процессе эволюции жизни нервного импульса заменяет управление организмом напрямую (за счет концентраций непосредственно продуктов основного метаболизма) на управление на основе универсальных соединений — нейромедиаторов, абстрагированных от первичных функций выживания. Именно это требует при взаимодействии организма с окружающей средой осуществить синтез информации: связать между собой биохимически напрямую не сопоставимые причины и следствия [А. М. Хазен, 1992].

Главное отличие жизни как открытой термодинамической системы в том, что внешняя среда взаимодействует с ее формами и процессами на основе синтеза информации путем изменения нормировки энтропии. Энтропия как мера информации соответствующего вида живого есть сумма меры генетической информации и меры информации в процессах самоорганизации, для которых свойства элементов системы задает величина энтропии генетической [А. М. Хазен, 1992].

Илларионов В.Е.
Похожие статьи
показать еще
 
Общее в медицине