Информация в живой природе и технике

Информация в  живой природе и технике

Наследственность  и изменчивость

Живые организмы похожи на своих предков, т.к. наследственная информация передается из поколения в поколение. Наследственность передается самовоспроизведением генов, находящихся в хромосомах ядра клетки, и вместе с изменчивостью обеспечивает постоянство и многообразие форм жизни. Кроме того, в течение всей жизни организма генетический аппарат  следит за тем, чтобы организм оставался  самим собой.

Живые организмы с точки зрения кибернетики  – науки об управлении, связи  и переработке информации – самоорганизующиеся и самообучающиеся системы.

Общим в работе нервной системы животных и компьютера является получение, запоминание  и переработка информации. Но в  том, как они это делают, есть существенные различия. 
Компьютер отличается от мозга животных и человека, прежде всего, большим быстродействием. При этом все вычисления, в соответствии с архитектурой Неймана, компьютер производит только последовательно, шаг за шагом.

Мозг  человека, обладает гораздо меньшим  быстродействием, однако огромное количество (несколько миллиардов) нервных клеток – нейронов 0 способно производить  параллельные «вычисления». Необходимым  условием работы мозга является наличие  памяти, как оперативной, так и  долговременной.

Рассмотрим  более подробно, как происходит передача наследственных признаков потомству. Эти вопросы изучает генетика – наука о законах наследственности и изменчивости организмов.

Клетка  состоит из ядра и остального содержимого, находящегося в цитоплазме. Органеллы  клетки отвечают за различные процессы. Для реализации процессов органеллам нужны белки. Синтезом всех белков занимаются мельчайшие структуры в цитоплазме – рибосомы.

В XIX в. биологи обратили внимание на хромосомы, которые помещаются в ядре клетки. Оказалось, что каждому виду растений или животных свойственно определенное число хромосом. В процессе деления  клеток хромосомы удваиваются, и  каждая дочерняя клетка снова имеет  полное их число. В результате был  сделан вывод, что передача потомству  наследственных признаков связана  именно с хромосомами.

Эксперименты  Менделя доказали существование  индивидуальных наследственных факторов – генов. Позднее ученые школы  Моргана доказали, что гены размещаются  в хромосомах, они расположены  линейно и сцеплены между собой, а во время созревания половых  клеток могут разъединяться.

Материальную  природу генов удалось раскрыть Д.Уотсону и Ф.Крику. Они предложили структурную модель так называемой двойной спирали дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) – высокополимерного  природного соединения. ДНК вместе с белками образует вещество хромосом. Структурная модель объясняла, каким  образом генетическая информация записывается в молекулах ДНК, и позволила  высказать предположение о химических механизмах самовоспроизведения этих молекул. Отдельные участки ДНК  соответствуют определенным генам. Молекула ДНК состоит из двух цепей, закрученных одна вокруг другой в  спираль, поэтому она называется двойной спиралью. Эти цепи построены  из большого числа мономеров четырех  типов – нуклеотидов. Сочетание  нуклеотидов, стоящих рядом в  цепи ДНК, составляет генетический код. Нарушение их последовательности приводит к мутациям – наследственным изменениям. ДНК точно воспроизводится при  делении клеток. Это обеспечивает передачу наследственных признаков  в ряду поколений отдельных клеток и целых организмов.

Основой жизни растений и животных являются белки. Они представляют собой сложные  органические соединения, состоящие  из различного числа аминокислот. Синтез всех белков происходит в клетках, а их специфические особенности определяются генетической информацией, хранящейся в ДНК хромосом.

Учеными генетиками был изучен механизм поступления  информации, закодированной в генах, из ядра клетки в цитоплазму, где  происходит синтез белков, необходимых  для жизни организма. Для выполнения своих функций органеллам нужны  различные белки. Американский молекулярный биолог П. Блобел открыл основные принципы управления подбором белков, необходимых  для каждой органеллы. Он обнаружил  адресную последовательность в молекуле белка: своеобразную «этикетку с  адресом доставки», которая обычно расположена на кончике молекулы. «Прочитав» эту «этикетку», части  клетки принимают нужный им белок.

Белковые  молекулы выполняют различные функции  и являются главным веществом  и главной действующей силой  организма животных.

Итак, гены представляют собой участки  молекулы ДНК. В каждой такой молекуле могут заключаться многие тысячи генов, каждый из которых кодирует определенных наследственный признак.

Успехи  молекулярной генетики привели к созданию генной инженерии. Ее задача заключается в целенаправленном конструировании новых, еще не существовавших в природе сочетаний генов с помощью методов биохимии и генетики. Методы генной инженерии основаны на извлечение из клеток какого-нибудь организма одного гена или целой их группы. Гены соединяются с определенными молекулами нуклеиновых кислот, затем полученные гибридные молекулы внедряют в клетки другого организма.

По  существу, биотехнология является одним  из видов информационных технологий. Специфика ее состоит в том, что  информация «зашита» в генах.

Клонирование

Соматические  клетки, как и половые, снабжены полной генетической информацией о развитии организма. Но каждая из этих клеток снабжена еще и информацией о своей  будущей специализации. Если от соматической клетки получить потомство, то новый  организм будет полной генетической копией своего родителя. Такой процесс  называется клонированием. Однако клонировать можно все свойства, кроме интеллекта, ума, неповторимых черт личности.

Для клонирования из яйцеклетки удаляют  ядро, содержащее половинный набор  хромосом. Вместо него помещают ядро соматической клетки с двойным набором хромосом.

Следует сказать, что, хотя способности и  характер человека определяются главным  образом его индивидуальным генетическим кодом, многое в его поведении  и судьбе зависит от среды, в которой  он растет, воспитывается и живет.

Нервная система и память

Память – это способность сохранять и воспроизводить следы полученных впечатлений, т.е. сохранять и воспроизводить некую информацию. Именно благодаря памяти человек живет не только в настоящем, но и в прошлом, и в будущем; память дает возможность планировать поведение в соответствии с заложенными инстинктами, опытом, знаниями и окружающей обстановкой, т.е. принимать решения. Память нужна человеку в течение всей его жизни.

Необходимо  отметить коренное отличие генетической информации от индивидуальной памяти. Оно состоит в том, что генетическая информация передается по наследству от организма к организму, тогда  как индивидуальная память не наследуется, а приобретается человеком в  процессе обучения и воспитания.

Источником  возбуждения для нас является окружающий мир, его предметы и события, а каждое возбуждение оставляет  свой след в нервной системе.

Нервная система состоит из особых клеток – нейронов. Каждый нейрон имеет  тело и отростки – несколько коротких (дендриты) и один длинный (аксон). Нейроны  в зависимости от формы бывают различных типов – пирамидальные, звездчатые, веретенные. С помощью  дендритов и аксонов нейроны  образуют общую нейронную сеть, способную  воспринимать и передавать информацию, например, сигналы из внешнего мира. Передаваемые сообщения – сигналы  – представляют собой последовательные импульсы, проходящие по аксонам и  дендритам центральной нервной  системы от одного нейрона к другому.

Максимальная  частота передачи импульсов по нерву  составляет 500 импульсов в секунду. Если сравнивать эту скорость со скоростью  передачи сигналов в современном  компьютере, близкой к скорости света (300 000 км/с), то она кажется ничтожно малой.

Область контакта между аксоном и нейроном, которому адресуются импульсы, называется синапсом. Число синапсов у различных нейронов различно. Синапс обладает свойством одностороннего проведения импульсов, что обеспечивает определенный порядок распространения возбуждения в нервной системе. Еще одно важнейшее свойство синапса – его пороговый характер. Синапс не реагирует на одиночные возбуждения. Только после накопления возбуждения выше определенного порога он передает их дальше по цепи нейронов, а через некоторый промежуток времени осуществляет синаптическую задержку импульса. Сами импульсы имеют биоэлектрическую природу, а пороговый характер синапсов и синаптическая задержка – биохимическую природу. В нервной системе происходят два противоположных активных процесса – возбуждение и торможение, являющиеся основными законами ее действия на всех уровнях. При этом возбуждение создает основной тон, а торможение его корректирует.

Общее число нейронов в мозге человека составляет гигантскую цифру: десятки  миллиардов, а связей между ними – синапсов – на два порядка  больше. Все вместе они составляют нейронную сеть.

Нейроны получают раздражение от рецепторов, воспринимающих внешние раздражения  – зрительные, слуховые, обонятельные и осязательные. Рецепторы (от лат. receptor – принимающий) – это окончания  чувствительных нервных волокон  или специализированные клетки (сетчатки глаза, внутреннего уха и др.). Внешние раздражения преобразуются  рецепторами в нервное возбуждение, передаваемое в центральную нервную  систему.

Реакция организма, осуществляемая по командам центральной нервной системы  в ответ на сигналы от рецепторов, - это рефлекс. Многие рефлексы срабатывают автоматически, без участия сознания, с помощью спинного мозга. Безусловные рефлексы являются формой памяти, заложенной в нас генетически, при рождении.

В течение жизни мы приобретаем  множество условных рефлексов –  еще один вид памяти, представляющий собой реакцию на определенные повторяющиеся  события или время.

Оперативная память играет вспомогательную роль, давая возможность запоминать промежуточные результаты. При изучении оперативной (механической) памяти было замечено, что лучше всего запоминаются первые и последние цифры или слоги.

Долговременная  память работает совсем не так, как оперативная, поскольку многие вещи нам нужно помнить практически всю жизнь.

Способность к обучению и запоминанию новой  информации на многие десятки лет  особенно сильно проявляется у детей  в возрасте до трех лет. Именно в  этот период ребенок получает не менее  половины информации, которую он запоминает на всю жизнь.

Ослабление  памяти в старости начинается с ослабления оперативной памяти – именно так  проявляется склероз. Сохранению долговременной памяти в пожилом возрасте способствует интеллектуальная работа, в особенности  при занятии любимым делом. Долговременная память у пожилых людей сохраняется  гораздо дольше, чем оперативная.

В чем же состоит коренное отличие  долговременной памяти от оперативной? Оперативная память в основном механическая. Однако запоминание можно сделать  смысловым, установив какие-либо смысловые  связи.

Определенная  часть запомненной информации отбирается и передается на хранение в долговременную память.

Предметы  и понятия хранятся в нашей  памяти в виде образов, имеющих расплывчатый, обобщенных характер. Например, образ  стола, стула или шкафа не имеет  каких-то конкретных деталей, а носит  схематический, условный характер, при  этом обладая всеми основными  признаками предмета. В памяти человека хранится огромное количество таких  образов и понятий.

Какое же количество информации может запомнить  человек за всю жизнь? Он способен обработать около 20 бит информации в секунду, т.е. оценить около миллиона различных возможностей за ту же секунду. В день за 14 часов можно обработать 18 млрд бит. Для хранения такой информации достаточно одной тысячной части  всех нервных клеток мозга. Человек  способен вспомнить нужную информацию за десятые доли секунды, для чего требуется скорость поиска около 50 млрд бит в секунду. Обработка  такого гигантского количества информации обеспечивается параллельной работой  нервных структур, в отличие от компьютера, где все операции происходят только последовательно.

Общеизвестна  догма: нервные клетки не восстанавливаются. Недавние исследования ученых показали, что это неверно. В течение  жизни человека в мозговой ткани  происходит образование новых нейронов. Предполагают, что этот процесс связан с действием механизма долговременной памяти.