Алексей Шилейко - Информация или интуиция?
ЭНТРОПИЯ живого
Заканчивая главу, посвященную информации в биологических системах, мы вправе задать вопрос: проливает ли все то, что мы узнали, какой-либо дополнительный свет на то, в каких единицах следует измерять количество информации?Каждая клетка и каждый живой организм — это физическая система, которая реализуется одним-единственным способом (система, состоящая из намагниченных и нумерованных шаров). Статистический вес такой системы равен единице, а энтропия нулю. Поэтому применительно к биологическим системам просто нельзя использовать в качестве меры количества информации статистический вес. Правда, если статистический вес, скажем, системы «человек» равен единице, то система «человечество» может быть реализована огромным числом различных способов. Число способов в данном случае равно числу возможных сочетаний из общего количества людей, населяющих Землю (не существует двух полностью одинаковых людей так же, как не существует двух полностью одинаковых клеток). Это огромное число. И все же оно исчезающе мало по сравнению с количеством способов, которым может быть реализовано некоторое состояние газа, занимающего сравнимый объем.Отсюда окончательный вывод: методы, основанные на статистическом весе, и вообще энтропийные методы не применимы для оценки количества информации в биологических системах. Такой вывод был подготовлен всем ходом наших рассуждений.Хуже другое. В биологических системах нельзя также использовать в качестве меры количества информации количество энергии или совершенной механической работы, поскольку даже применительно к клетке энергетические соотношения не являются основными, определяющими ее жизнедеятельность. В этой главе нам придется ограничиться таким малооптимистическим выводом.
С БОЛЬШИМ ЗАПАСОМ
Последний вопрос, который мы хотим рассмотреть в этой главе, это вопрос о надежности биологических систем. Современные наука и техника знают два пути увеличения надежности. Один из них предусматривает увеличение надежности системы за счет увеличения надежности составляющих ее элементов. Этот путь быстро теряет свое значение по мере увеличения сложности системы. Действительно, как бы ни мала была вероятность выхода из строя одного какого-либо элемента, вероятность выхода из строя системы быстро растет с увеличением числа элементов. Для организмов, состоящих из многих миллиардов отдельных клеток, такой путь явно непригоден.Второй путь, наиболее широко используемый в настоящее время, — это так называемое резервирование. В сложных системах рассматривают отдельно аппаратное и информационное резервирование.Наконец, еще один принцип из числа тех, на которых основывается теория надежности, состоит в том, что чем большую роль играет данная часть системы для работы всей системы, тем в большей степени она должна быть защищена от возможных вредных воздействий окружающей среды.В живых организмах широко используются все три метода повышения надежности. Метод аппаратного резервирования можно проиллюстрировать хотя бы примерами с зародышами, когда разрушение семи восьмых зародыша все-таки не приводит к изменениям конечного результата. То же самое справедливо применительно к взрослым организмам. Известно, что даже при очень больших кровопотерях организм человека продолжает функционировать. Кроме того, включаются в действие механизмы «саморемонта», достаточно быстро восстанавливающие нормальное количество крови.Однако самая большая избыточность — информационная. Мы уже не раз говорили, что организм содержит столько своих собственных чертежей, сколько в нем имеется клеток. Это позволяет, в частности, при местных поражениях тут же производить восстановление (заживление раны, например), не обращаясь при этом к некоему центральному архиву, как это наверняка имело бы место в системах технических.Наконец, очень явно просматривается в биологических системах защита главных хранилищ информации. Такими хранилищами являются хромосомы в клеточных ядрах. Вспомним теперь, что хромосомы сами не участвуют в процессах синтеза белка. Они участвуют лишь в создании собственных копий — молекул РНК. Эти копии затем уже используются в процессе синтеза. Если при взаимодействии с веществами цитоплазмы одна такая копия окажется разрушенной, соответствующая информация все равно сохранится в хромосоме.И еще одна весьма интересная деталь. Все клетки организма в процессе жизнедеятельности потребляют энергию. В технических системах, как правило, энергия поступает к системе в одном каком-либо месте и затем по специальным каналам распределяется между отдельными элементами. Следовательно, каналы передачи энергии также оказываются источниками отказов. Для радиотехнических систем и особенно систем, занимающихся переработкой информации (ЭВМ), большая доля отказов приходится как раз на неисправности цепей питания и помехи, распространяющиеся по этим цепям.В организме человека энергия передается общим кровотоком. При этом каждая клетка находится как бы в энергетической ванне — она окружена некоторым запасом энергии. Даже временная приостановка кровотока не приводит к немедленному прекращению функционирования клетки. Этому обстоятельству мы обязаны, в частности, возможностью реанимации в течение достаточно длительных промежутков времени после клинической смерти.
КАСТРЮЛЯ
Что общего между технической информационной системой и кастрюлей, стоящей на плите? Энтропия системы «комната плюс кастрюля» максимальна тогда, когда повсюду в комнате установится одна и та же температура. Нагревая кастрюлю, мы. тем самым создаем разность температур. При этом появляется возможность выполнения механической работы, энтропия системы оказывается меньше максимально возможной и, следовательно,, система «комната плюс кастрюля» получает некоторую порцию информации. Термодинамическим системам и, в частности, тепловым двигателям мы посвятили в нашей книге целую главу, и не было бы никакой нужды возвращаться к ним здесь, если бы не одно на первый взгляд незначительное обстоятельство. Мы знаем, что для приведения в действие теплового двигателя, неважно какого: паровой машины, турбины или двигателя внутреннего сгорания, — необходимо что-то нагреть. В тепловых двигателях это «что-то» называют рабочим веществом. Но совершенно такой же эффект будет получен, если мы не нагреем, а, наоборот, охладим рабочее вещество. Значит, чтобы тепловая энергия могла преобразоваться в энергию механическую или в другие более совершенные виды энергии, необходима разность температур. Именно разность. При этом совершенно неважно, чему равны уменьшаемое и вычитаемое.Если температура окружающей среды равна, к примеру, плюс 20 градусов и мы имеем возможность в некотором заданном объеме поддерживать температуру минус 50 градусов, то, воспользовавшись этим, можно построить паровую машину в точности такую же, как описанная во второй главе. Единственное отличие будет состоять в том, что вместо воды мы возьмем в качестве рабочего вещества какую-нибудь жидкость, кипящую при минус 10 градусах. Таких жидкостей, особенно среди органических веществ, можно найти сколько угодно.Нагреваясь до температуры окружающей среды, жидкость будет испаряться, перегретый пар под большим давлением будет поступать в цилиндр и совершать механическую работу. Отработавший пар следует теперь направить в холодильник, где он сконденсируется, снова превратится в жидкость и т. д. Количество произведенной таким образом работы будет пропорционально разности температур.С другой стороны, чтобы охладить некоторое количество вещества до температуры, меньшей температуры окружающей среды, необходимо затратить механическую работу или определенную порцию энергии другого, более совершенного вида. Все это представляет собой азы термодинамики и известно каждому из курса средней школы. По такому принципу работает любой домашний холодильник.И все же тот факт, что для охлаждения ниже температуры окружающей среды в той же степени требуется затрата энергии, как и для нагревания, менее обычен и поэтому часто забывается. В частности, все сказанное выше упорно игнорируют некоторые изобретатели так называемых тепловых насосов.
ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ
Что такое тепловой насос? Его действие основано на хорошо известном в физике твердого тела эффекте Зеебека — Пельтье. Если нагревать область контакта двух различных металлов или полупроводников, возникает ЭДС, которая так и называется термо-ЭДС. Это явление было открыто немецким физиком Зеебеком еще в 1821 году и сейчас широко используется главным образом для создания различных измерителей температуры. Известно и обратное явление, открытое французским физиком Ж. Пельтье в 1&34 году. Если пропустить электрический ток через контакт двух различных металлов или полупроводников, то область контакта будет нагреваться или охлаждаться в зависимости от на правления тока.Можно, наконец, составить цепочку из чередующихся металлических (или полупроводниковых) стержней двух типов. Тогда при данном направлении тока, протекающего через цепочку, например, все четные спаи будут нагреваться, а все нечетные — охлаждаться. Поместив все нечетные спаи внутри теплоизолированной камеры, мы получим обычный холодильник. Воздух внутри камеры будет охлаждаться, пока не достигнет некоторой равновесной температуры, а контакты, расположенные вне камеры, будут нагреваться. Тепло от наружных контактов будет отводиться окружающим воздухом, и они тоже приобретут некоторую постоянную равновесную температуру. Полученная таким образом разность температур окажется пропорциональной мощности, затрачиваемой от источника тока, протекающего по цепочке стержней.Все это опять-таки общеизвестно. Более того, мощность, расходуемая подобным холодильником, будет в точности равна, например, мощности, расходуемой обычным холодильником с компрессором, если пренебречь некоторыми потерями, имеющими место при работе компрессора.Авторы тепловых насосов предлагают поступать так. Холодные контакты стержней вынести на улицу, где окружающий воздух имеет температуру, скажем,—10° С, а горячие контакты поместить в комнате. При пропускании тока горячие контакты будут нагреваться, а холодные охлаждаться. Поскольку в комнате расположены только горячие контакты, воздух в комнате будет нагреваться до тех пор, пока не установится равновесие.Все это пока совершенно правильно. Таким образом действительно можно нагреть комнату, причем количество затраченной электроэнергии будет в точности равно количеству, потребному для нагревания данного объема воздуха с помощью любого преобразователя. Это легко посчитать. Количество энергии, потребляемой от источника нагревателем, основанным на эффекте Пельтье, в единицу времени, равно произведению силы протекающего тока на сумму термо-ЭДС всех контактов (наряду с эффектом Пельтье, как и следует ожидать, здесь имеет место и эффект Зеебека).Сумма термо-ЭДС пропорциональна разности температур. При данной величине тока количество затраченной энергии пропорционально разности температур вне зависимости от того, помещаем ли мы горячие спаи в теплоизолированный объем (комнату) и таким образом нагреваем его (холодные спаи при этом поддерживаются при температуре окружающей среды) или, наоборот, помещаем холодные спаи в теплоизолированный объем (холодильную камеру), а горячие поддерживаем при температуре окружающей среды.
