Монте-Карло

Человек, одержимый роковой страстью, как писали в старинных романах, а попросту говоря, азартный игрок прибыл в Монте-Карло. Не успев толком обосноваться в гостиничном номере, он устремился на улицу. Подошел к дверям игорного дома.

«Не сюда», — говорит ему внутренний голос.

Второй и третий игорные дома также отвергаются. Наконец он вошел в помещение, где вокруг рулетки оживленная толпа. Собрался поставить на номер.

«Не этот», — говорит ему внутренний голос.

Еще одна попытка, еще и еще. В конце концов с молчаливого согласия внутреннего голоса игрок поставил всю свою наличность на некий номер, скажем девятнадцатый. Долго, как томительно долго мечется по столу шарик рулетки! Но всему наступает конец. Зеро! Никто не выиграл: все ставки забирает крупье.

«Вот черт! — сказал внутренний голос. — Кто бы мог подумать, что так получится?»

Ох уж эти внутренние голоса! Сколько больших и малых огорчений принесли они тем, кто имел обыкновение к ним прислушиваться, не обязательно азартным игрокам. Голос, будь то внутренний или не внутренний, служит для передачи информации. Именно поэтому для беседы, посвященной информации, подобный зачин представляется нам вполне правомочным. Да и о внутренних голосах придется еще поговорить. Но со временем. Пока наша ближайшая цель — постараться понять, что же такое информация.

Среди атомов

20-е годы нашего века получили у физиков название эпохи бури и натиска — формировалась новая физика. Одно невероятное открытие следовало за другим. Молодой немецкий ученый Вольфганг Паули сформулировал принцип запрета, представляющий собой один из наиболее универсальных законов природы. Принцип В. Паули утверждает, что ни в какой физической системе, в частности в атоме, не может быть двух электронов, состояния которых характеризовались бы одинаковыми значениями четырех квантовых чисел.

Не станем говорить здесь о том, что такое квантовые числа и какие значения они принимают. Все это общеизвестно, так как изучается в школе. Для нас важно другое. Любой электрон, входящий в состав атома (ограничимся атомами), должен «знать», в каких состояниях находятся все остальные электроны этого атома. А как же иначе? Ведь только зная об этих состояниях, он может подчиняться принципу Паули.

Почему, начав беседу об информации, мы сразу окунулись в область квантовой физики — область, прямо скажем, не слишком наглядную? По той простой причине, что принцип Паули определяет структуру электронных оболочек атомов, стало быть, весь наблюдаемый нами, а заодно и ненаблюдаемый мир. Если бы принцип Паули когда-то нарушался, если бы из него допускались хоть малейшие исключения, мир был бы невообразимо иным. Но мир такой, каков он есть. Атом водорода — всегда атом водорода так же, как атом урана — всегда атом урана, и принцип Паули не допускает ни единого исключения.

Но коли так, то электрон действительно должен знать или, говоря точнее, иметь исчерпывающую информацию о состояниях других электронов в данном атоме и, выбирая собственное состояние, не повторять уже имеющиеся. Какой напрашивается самый простой вывод?

Существует некая физическая сущность, она и дает возможность электрону знать о состояниях других электронов.

Проявим, однако, осторожность. История науки учит нас, что без крайней необходимости не следует вводить какие-либо новые физические сущности. Много их было в свое время! И философский камень алхимиков, и теплород, и пресловутый эфир. А оказывается, что такой большой раздел физики, как термодинамика, — ее нам тоже не удалось обойти стороной на страницах наших бесед — может быть изложен исчерпывающим образом с привлечением только двух основных физических сущностей: энергии и энтропии.

Так не применяем ли мы слово «знает» к электрону в атоме в том же смысле, в каком можно сказать о доске, что она «знает», что прибита к крышке стола? Знает и поэтому не покидает своего места?

Поразмыслив, мы придем к выводу, что аналогия с доской неправомочна. Доску удерживают на месте гвозди. Чтобы удалить доску, надо выдернуть гвозди. На это затрачивается определенное количество работы. Физики считают, что каждая доска в столешнице обладает некой отрицательной энергией, численно равной работе по вытаскиванию гвоздей. Здесь привлекается единственная физическая сущность — энергия. Для того чтобы объяснить, почему доска не покидает своего места, достаточно вычислить энергию.

Каждый электрон в атоме также обладает некоторой отрицательной энергией, численно равной работе, которую нужно затратить, чтобы удалить электрон из атома. Но у нас речь идет о другом. Если из атома любого вещества удалить электрон, образуется положительный ион. В положительном ионе количество электронов на единицу меньше, чем зарядовое число ядра. Каждый электрон в ионе находится в определенном состоянии, и все они, вместе взятые, подчиняются принципу Паули. В ионе опять-таки не бывает двух электронов, состояния которых характеризуются одинаковыми значениями четырех квантовых чисел.

Если где-то поблизости имеются электроны, ион способен захватить один из них и восстановить свою электронную структуру, превратившись в нейтральный атом. Захват ионом «чужого» электрона может не сопровождаться изменением состояния, а значит и энергии, ни одного из «своих» электронов.

То же самое справедливо для захваченного электрона. Все свойства, присущие электрону, находящемуся на свободе, сохраняются после того, как он входит в состав атома. В ионе ничего не изменилось, и в электроне ничего не изменилось. Тем не менее никогда ни при каких условиях электрон не примет состояния, уже занятого другими электронами. А коли так, нам не остается ничего другого, как утверждать, что электрон знает о состояниях, всех электронов того же атома.

Поскольку атом — физическая система и в чудеса мы не верим, придется признать, что действительно существует некая физическая сущность, позволяющая электрону знать о состояниях других электронов и управляющая структурой электронных оболочек атомов.

Мы утверждаем также, что эта физическая сущность отлична от энергии. Энергия подчиняется закону сохранения, и если бы получение электроном знания о состояниях других электронов сопровождалось затратой энергии, то изменились бы состояния других электронов, а этого может и не произойти.

Наконец, эта физическая сущность универсальна, поскольку сказанное справедливо для всех без исключения атомов.

Назовем эту сущность информацией.

Тайны живого

Может быть, все, о чем говорилось, справедливо лишь для электронов в атомах? Это не так уж мало — весь окружающий нас мир состоит из атомов. Но только ли электроны обладают свойством знать или, как мы теперь скажем, располагать информацией о состояниях электронной структуры атома?

Мы уже говорили во второй беседе, что в последнее время стало обычным, хотя это совершенно неправильно, считать, что существуют как бы две физики. Одна — для привычного нам и воспринимаемого нашими органами чувств мира — ее называют классической физикой, а вторая — для мира атомов и молекул, или, иначе, микромира.

Мы привыкли, что в микромире могут происходить всяческие «чудеса», но поскольку прямо нас это не затрагивает: события микромира нашими органами чувств непосредственно не воспринимаются, — то и отношение к физике микромира довольно своеобразное. Верить-то мы, безусловно, верим, но не совсем понимаем, зачем нам все это нужно. Не относится ли информация к таким же микроявлениям?

Ну что ж, рассмотрим пример. Широко известны химические соединения, получившие название аминокислот. У каждой аминокислоты есть основная и боковая цепи, и отличаются различные аминокислоты именно боковыми цепями. Аминокислотам присвоены особые названия, например треонин, аланин, серин, лизин, аспарагиновая кислота и т. п. Всего в природе 20 типов аминокислот, и у всех основная цепь одинаковая, а боковые цепи разные.

Аминокислоты обладают интересным свойством соединяться друг с другом, причем соединяться совершенно определенным образом с помощью пептидных (белковых) связей. Объединяются пептидными связями самые разные аминокислоты и в самых различных сочетаниях. Но поскольку пептидные связи образуются из «крайних» атомных групп, то получающиеся сложные молекулы похожи на нити. Такие нити называют полипептидами; от греческого слова «поли», что значит «много». Нити, состоящие из десятков и сотен аминокислот, образуют основу всех белков, а белки являются одним из четырех основных органических веществ живой материи (белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, жиры).

Молекулы белков содержат сотни и тысячи атомов, поэтому их молекулярные веса измеряются десятками, сотнями тысяч и даже миллионами. Молекула белка представляет собой сложное и изящное архитектурное сооружение. Полипептидная нить еще не молекула белка, только скелет, первичная структура.

Полипептидные нити не натянуты, как струны, а скручиваются — чаще всего в спирали. Спирали удерживаются в скрученном состоянии с помощью дополнительных связей — сшивок. В белках много атомов водорода и кислорода, которые, взаимодействуя между собой, образуют водородные связи. Эти связи и «сшивают» молекулу полипептида в разных местах, придавая ей вид спирали. Спирали получили название вторичной структуры.

Это еще не все. Сшивки между полипептидными нитями образуются не только с помощью водородных связей, но и с помощью атомов серы, входящих в состав одной из аминокислот, — дисульфидные связи.

Хорошо знакомый нам белок инсулин — гормон поджелудочной железы животных и человека — состоит из двух полипептидных нитей. Одна из них содержит 21, а вторая 30 аминокислот. Эти нити связаны друг с другом дисульфидными связями, то есть сшивками между атомами серы.

Спирали из одной или нескольких полипептидных нитей обладают удивительным свойством свертываться в клубки (глобулы) шарообразной или эллипсоидальной формы. Пространственно трехмерная форма белковых молекул называется третичной структурой белка.

Во многих музеях демонстрируются модели белковых молекул, составленные из проволочек и шариков. Они напоминают абстрактные скульптуры. Так или иначе, но и сама белковая молекула и ее модель представляет собой чрезвычайно сложное (сколько там атомов!) и подчас весьма изысканное сооружение. (Подобное сооружение со всеми его мельчайшими подробностями представляет собой молекулу конкретного белка. Даже если бы хоть одна аминокислота изменила пространственное расположение, получился бы совсем другой белок, с иными свойствами.

А теперь хотите узнать нечто любопытное? Полипептидные нити образуются из молекул отдельных аминокислот с помощью пептидных связей — это ясно. Но если составить раствор из аминокислот, взятых в любых пропорциях, никакого белка не получится. В растворе могут содержаться все 20 видов аминокислот или какая-то их часть, но такой раствор сколь угодно долго остается просто раствором несоединившихся друг с другом аминокислот!

Поэтому наш рассказ должен быть продолжен.

Чертеж жизни

Чтобы довести пример до конца, придется познакомиться еще с одной группой химических соединений — нуклеотидами. Молекулы нуклеотидов состоят из трех более мелких молекул: углевода (сахар), фосфорной кислоты и органического основания, прочно соединенных в единое целое. Структура молекулы нуклеотида показана на рисунке . Здесь 1 — фосфорная кислота, 2 — сахар, 3 — органическое основание. Черточки обозначают химические связи, соединяющие отдельные части молекулы.

Рис. 1.

Нуклеотиды различают по составу сахара и органических оснований. Химики условились разделять нуклеотиды (их называют также нуклеиновыми кислотами) на две группы по виду содержащегося в них сахара. Первая группа получила название рибонуклеиновой кислоты (РНК). В состав РНК входит пятиуглеродный сахар — рибоза. Вторая группа — дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). В состав ДНК входит другой сахар — дезоксирибоза. Это тоже пятиуглеродный сахар, но содержащий на один атом кислорода меньше по сравнению с рибозой.

Нуклеотиды различают также по виду органических оснований. Всего имеется пять разновидностей органических оснований и соответственно пять разновидностей нуклеотидов. В состав ДНК входят четыре основания: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т), цитозин (Ц). В состав РНК могут входить аденин (А), гуанин (Г), урацил (У), цитозин (Ц). Таким образом, кроме вида сахара, ДНК отличается от РНК еще и тем, что ДНК содержит в своем составе тимин и не содержит урацила, а РНК, наоборот, содержит урацил и не содержит тимина.

Как и аминокислоты, нуклеотиды способны соединяться между собой и образовывать полинуклеотидные нити. Такие нити бывают очень длинными. У мелких вирусов длина нити молекулы составляет от 0,0016 до 0,052 мм. На первый взгляд, это не много. Но вспомните размер атома. Он имеет порядок 10–7 мм, а это значит, что вдоль одной полинуклеотидной нити укладывается от 16 тысяч до 52 тысяч атомов. Длина молекулы ДНК дрожжей составляет 6,12 мм. Длина нитей ДНК человека достигает двух метров.

Важной характеристикой молекулы ДНК является количество содержащихся в ней органических оснований. ДНК бактерии кишечной палочки содержит около 20 миллионов оснований. В ДНК всех 46 хромосом клетки человека содержится около 9 миллиардов органических оснований. (Не забудьте это число, оно нам еще понадобится.) Молекулы ДНК и РНК обладают способностью свертываться в спираль, иначе говоря, обладают вторичной структурой.

К раствору несоединившихся аминокислот добавьте теперь раствор, содержащий молекулы РНК. При определенных условиях в таком растворе немедленно начнется образование молекул белка. Молекулы аминокислот станут соединяться между собой, образуя сначала пептидные связи, а затем сшивки. Вид образующегося белка определяется видом РНК. Каждая молекула РНК вызывает образование совершенно конкретного белка со всеми его подробностями.

Попробуйте представить себе, что происходит. Например, белок вируса болезни растений табака — табачной мозаики — содержит 2130 белковых субъединиц. Каждая из них, в свою очередь, состоит из 158 аминокислот. Если в раствор, содержащий аминокислоты, добавить соответствующую РНК, всегда будет образовываться именно данный белок. В общей структуре белковой молекулы каждая аминокислота займет строго определенное место. Никогда, ни одного исключения из этого правила!

Понять, как это происходит, можно, если из того, что получилось в нашем растворе, обратно выделить молекулы РНК. Сегодня ученые довольно просто выполняют подобную операцию с помощью ультрацентрифуг. Поскольку это очень важно, давайте еще раз проследим последовательность событий.

Начинается все с раствора аминокислот. Если в растворе только аминокислоты, то в полипептидные цепи они не соединяются. Добавляете в раствор молекулы РНК — и в нем начинается образование белка. В примере с РНК вируса табачной мозаики белок как бы обволакивает молекулы РНК. Молекула РНК в белковом чехле представляет собой вирус. Таким вирусом можно заразить растение, и оно заболеет.

Следующий шаг: помещаете созданные вирусы в центрифугу. Под действием ускорений вещество разделяется по меньшей мере на две фракции. В первой содержится белок, а во второй — РНК. Если подробно проанализировать эти фракции, то окажется, что и белок сохранил свои свойства, и молекулы РНК сохранили все свойства: они имеют тот же состав, ту же структуру и, помещенные снова в раствор аминокислот, немедленно начнут строить новый белок.

Оттого, что молекула РНК приняла участие в образовании, или синтезе, белка, с ней ровным счетом ничего не произошло. Извлеченная из белка, она сохранила свои свойства. Но что же тогда послужило причиной начавшегося процесса синтеза белковых молекул?

Снова не остается ничего другого, как сказать, что причиной явилась некая физическая сущность. Именно физическая, поскольку процесс объединения аминокислот в полипептидную цепь — это объективный физический процесс, сопровождающийся, кстати говоря, изменениями структуры, изменениями энергетических состояний атомов и молекул. Эта физическая сущность передается в раствор и исходит от молекул РНК. Теперь мы точно это знаем, потому что никаким иным способом, кроме добавления в раствор аминокислот молекул РНК, нельзя запустить процесс синтеза белка.

Приняв участие в процессе синтеза, молекула РНК ни в чем не изменилась и может участвовать в подобных процессах любое количество раз. Да, приходится констатировать аналогию только что рассмотренного примера с предыдущим и назвать эту физическую сущность информацией. У нас имеются все основания считать молекулу РНК чертежом белковой молекулы.

Что она может?

Каковы основные свойства физической сущности, названной нами информацией? Первое — способность управлять построением физических структур. Рискуя злоупотребить вниманием читателей, мы потратили много усилий, пытаясь сделать предельно ясной одну мысль. Свойство информации управлять построением структур есть универсальное свойство, присущее всем без исключения физическим объектам, начиная с электрона и кончая живыми организмами. Некоторым запасом информации в числе прочих свойств обладает любой физический объект.

Электрон, скажем точнее, классический электрон, находящийся в покое и ни с чем не взаимодействующий, обладает энергией-массой и электрическим зарядом. С точки зрения этих двух характеристик все электроны абсолютно подобны друг другу. В свое время было поставлено несчетное количество опытов, чтобы выяснить, а не отличаются ли друг от друга заряды электронов хоть на самую малость? Вывод однозначный: у всех электронов заряд одинаковый. Заряд электрона — одна из наиболее фундаментальных физических констант. Он не изменяется даже при скоростях, приближающихся к скорости света, когда меняется очень многое.

Постоянство заряда электрона — интересное и далеко не очевидное свойство нашей Вселенной. Мы принимаем его как должное, но если задуматься, а главное, опереться на наш повседневный опыт, то естественнее было бы предположить, что заряды, да и другие свойства физических объектов, должны хоть немного, но отличаться друг от друга. Но сейчас уже нет оснований делать на этот счет какие-либо предположения, поскольку постоянство заряда электрона — научно доказанный факт. Более того, в точности таким же зарядом обладают все отрицательно заряженные элементарные частицы (кроме кварков, если таковые действительно существуют): отрицательные мюоны, пи-мезоны, гипероны и тому подобные. Другая группа частиц, представителем которой является протон, обладает таким же по величине, но противоположным по знаку электрическим зарядом. Подобные факты наводят на мысль, что Вселенная строилась и продолжает строиться по чертежам. Развивать эту мысль мы здесь не станем, она легко уведет нас в область чистой фантазии.

Вернемся к электронам. Вторым достаточно постоянным свойством электрона является его масса-энергия покоя. Вообще говоря, масса-энергия электрона изменяется в весьма больших пределах, но ни при каких условиях не может стать меньше некоторой постоянной величины, называемой массой покоя. Эта величина одинакова для всех электронов.

Совсем недавно, каких-нибудь пятьдесят лет тому назад, перечисление свойств электрона на этом бы закончилось. Все электроны во Вселенной представлялись в точности подобными друг другу. Но любой электрон обладает еще третьим свойством: собственным моментом количества движения, или, короче, спином. Абсолютная величина спина у всех электронов во Вселенной опять-таки одинаковая, но спин — вектор, он имеет не только абсолютную величину, но и направление. Направления спинов у разных электронов различны. Получается, что каждый электрон несет определенную информацию о самом себе. Эта информация складывается из значений заряда и массы, которые, взятые в совокупности, позволяют отличить электрон от неэлектрона, а также из направления спина, характерного для данного электрона среди других электронов.

Речь идет о классическом электроне. С позиций квантовой физики электрон вообще лишен индивидуальности: про электрон нельзя говорить «тот», «этот», «данный». Надо высказываться осторожно, например так: если вообще есть какие-либо причины выделять некоторый электрон среди других, то основанием к этому может служить направление его спина.

Сказанное поясним примером. Имеется ион атома гелия, то есть ядро гелия, несущее положительный электрический заряд, равный двум единицам, и связанный с этим ядром единственный электрон. Если наш ион находится в окружении свободных электронов, то почти наверняка он захватит один из них и превратится в нейтральный атом гелия. С той же степенью уверенности можно утверждать, что электрон не будет захвачен, если направление его спина совпадает с направлением спина электрона, уже связанного с ядром.

Так проявляется в данном случае принцип Паули, и так информация (некая физическая величина), которой располагает электрон, управляет построением структуры, которую называют атомом гелия.

Другим примером процесса создания структуры под воздействием информации является изготовление сдобной булочки на основе кулинарного рецепта.

Построение атома гелия, испечение сдобной булочки, застройка по архитектурному проекту городского района или целого города — в основе своей одинаковые процессы, отличающиеся лишь количественно.

Кстати, утверждение о количественном различии не совсем обоснованно. Ведь только с позиций сегодняшних знаний мы считаем электрон чем-то достаточно элементарным.

Итак, одним из свойств информации является способность управлять построением структур. Но это далеко не единственное ее свойство.

Второе свойство информации — сохраняться в течение любых промежутков времени. Молекула РНК хранит в себе некий чертеж, который может представлять собой чертеж простейшего организма — вируса или чертеж столь сложной системы, как человеческий организм.

Данные науки показывают, что нет оснований устанавливать пределы для сроков хранения информации молекулами РНК. Под воздействием высокой температуры, жесткого излучения и других внешних факторов молекула РНК может частично или полностью разрушиться. Однако, несмотря на сложность, она весьма стабильна и в широком диапазоне изменения внешних условий сохраняется сколь угодно долго. Это справедливо для молекул, состоящих из миллионов, а подчас и миллиардов нуклеотидов. Что касается более «простых» вещей, таких, например, как молекула воды, то она остается неизменной в течение всего времени существования Вселенной.

Слово «простых» мы не случайно взяли в кавычки. На первый взгляд молекула воды всего-навсего соединенные вместе атом кислорода и два атома водорода. Но есть у нее значительная подробность. Водородные атомы расположены в пространстве под определенным углом, и этот угол одинаков для всех без исключения молекул воды. Так что информация, которую хранит в себе вода, определяется не только составом молекулы, но и величиной угла, под которым расположены водородные атомы.

Третье свойство информации противоположно второму. Это свойство изменяться во времени. Возможно как разрушение, так и совершенствование информации. Приведем такой пример. Общепринято считать, что основным переломным моментом в процессе превращения обезьяны в человека был момент, когда обезьяна взяла палку, то есть научилась пользоваться орудиями труда. Повторяя на разные лады эту общеизвестную истину, обычно мало уделяют внимания слову «научилась». Палку обезьяна могла взять случайно и тут же забыть о достигнутом результате этого действия. Более того, медведицу можно научить кататься на коньках или ездить на мотоцикле, но это умение ни в коем случае не передается по наследству ее медвежатам. Важнейшую роль в процессе очеловечивания обезьяны сыграло то обстоятельство, что, взяв палку, она оказалась в состоянии запомнить, что из этого получилось, и передать это знание потомству.

На молекулярном уровне наблюдается то же самое. Полипептидные нити — белковые молекулы — строятся из отдельных аминокислот под управлением информации, записанной в РНК. Несколько иначе все обстоит с более сложными образованиями — белковыми субъединицами или, короче, блоками. Например, белки некоторых крабов и улиток построены из большого числа блоков — от 24 до 384, поэтому их молекулярный вес крайне велик: от 422 тысяч до 6 миллионов 700 тысяч. Молекула белка одного вида улитки с молекулярным весом 574 тысячи при подщелачивании раствора распадается сперва на половинки, затем на восьмушки, а затем на шестнадцатые доли, то есть на составляющие ее блоки. Если такой раствор подкислить, распавшиеся было субъединицы вновь собираются в единое целое.

Нет никаких ограничений, которые запрещали бы двум любым аминокислотам соединиться друг с другом, образовав дипептид. Ничто не запрещает дипептидам присоединить к себе третью аминокислоту, образовав трипептид, и так далее. А при наличии молекулы РНК в растворе аминокислот синтезируется строго определенный белок, строго определенная последовательность аминокислот. Молекулы белка, синтезированные с помощью данной молекулы РНК, неотличимы друг от друга как две молекулы воды или два электрона. Это замечательное, трудно представимое свойство природы.

При случайном объединении аминокислот всякий раз создается нечто новое. Получаются и сложные полипептиды, но точно так же, как ничто (в смысле физических законов) не запрещает им создаваться, ничто не запрещает им распадаться на более мелкие части. Различные полипептиды обладают разной степенью устойчивости в одинаковой среде. Намечается путь от случайного образования полипептидов к последующему их отбору по признаку устойчивости (выживание) и затем к воспроизведению (размножение) более устойчивых форм.

Большинство ученых склоняются к мнению, что именно таким был процесс зарождения жизни на Земле. Что касается нас, то мы усматриваем в основе этого пути процесс накопления информации.

Четвертое свойство информации — ее способность переходить из пассивной формы (она просто хранится и никак себя не проявляет) в активную, когда информация непосредственно участвует в процессе построения той или иной структуры. Обратное этому свойство — процесс запоминания, или записи, информации, то есть перевода ее из активной формы в пассивную. Примером может служить все тот же процесс синтеза белка с помощью информации, записанной на молекуле РНК.

Когда на страницах этой книги впервые описывался подобный процесс, мы ограничились туманной фразой о том, что, мол, синтез белка начинается при определенных условиях. Мы поступили так, чтобы сразу не усложнять и без того сложное описание. Настала пора сказать, что эти условия более чем определенные. Молекула РНК сколь угодно долго пребывает в растворе аминокислот, и при этом ничего не происходит, если в том же растворе не присутствуют химические соединения, называемые ферментами. Причем для каждой молекулы РНК и соответственно для данного вида белка требуются совершенно определенные ферменты.

Откуда берется фермент? Он вносится в раствор извне или синтезируется в том же растворе из тех же аминокислот на основании информации, записанной на молекуле РНК. При этом большая часть молекулы РНК содержит информацию, используемую при синтезе конечного продукта — белка. Эта информация активизируется лишь под действием фермента. Другая часть молекулы РНК (меньшая) содержит информацию, используемую для синтеза фермента.

На самом деле все происходит гораздо сложнее — мы дали весьма примитивное описание. Однако его довольно, чтобы установить: командой, переводящей информацию из пассивной формы в активную, является та же информация.

Молекулярные загадки

Пятое свойство информации — способность быть переданной на расстояние. Это свойство непосредственно следует из свойства информации сохраняться. Действительно, если информация записана на молекуле РНК, на электроне или на любом другом носителе, то перемещение носителя повлечет за собой перемещение записанной на нем информации.

Наконец, шестое свойство — свойство информации подвергаться переработке. Поясним это свойство на примере молекулы РНК. Молекула РНК представляет собой последовательность нуклеотидов, связанных друг с другом так, что они образуют длинную нить. В случае РНК в построении участвуют четыре типа нуклеотидов: аденин, гуанин, урацил, цитозин (для сокращения этих названий мы использовали большие буквы, так же поступим в дальнейшем). Каждая молекула РНК отличается от аналогичных молекул количеством и порядком расположения нуклеотидов.

Число различных молекул РНК чрезвычайно велико. Нить, составленная из четырех нуклеотидов, может быть построена 256 способами. Нить из ста нуклеотидов может быть образована 4100 способами. Это настолько огромное число (порядка единицы с двадцатью пятью нулями), что нет смысла вычислять здесь его точное значение. Что же говорить о молекуле РНК столь простого организма, как кишечная палочка, которая состоит из двадцати миллионов нуклеотидов?

Количество способов, которыми из заданного количества аминокислот можно построить пептидную нить, или молекулу белка, во много раз больше, поскольку больше типов аминокислот — их двадцать. Трудно удержаться, чтобы в очередной раз не выразить удивления природой, умеющей, пользуясь молекулами РНК, синтезировать совершенно определенный вид белка из бесчисленного количества возможностей.

Как на самом деле происходит процесс синтеза? Представьте себе нить РНК, которая состоит из такой последовательности: А—У—Г—Ц—А—У—У—А—Г—Ц—У—А…, и пептидную нить, также представляющую собой последовательность, но не нуклеотидов, а аминокислот. Каким образом осуществить синтез пептидной нити, то есть заданной последовательности аминокислот, на основании имеющейся последовательности нуклеотидов?

Казалось бы, очень просто. Каждому нуклеотиду нужно ставить в соответствие какую-нибудь аминокислоту. Там, где в цепочке РНК расположен, к примеру, аденин, в пептидной цепи ставить треанин, там, где в цепочке РНК находится гуанин, в пептидную цепь ставить аланин и т. д. Но не тут-то было! Нуклеотидов насчитывается всего четыре типа. Следуя предложенному правилу, можно выбирать лишь четыре типа аминокислот. А различных аминокислот — двадцать, и все они нужны для построения белков. Как выходит природа из подобного затруднительного положения?

Для выбора одной аминокислоты используется не один нуклеотид, а последовательность, состоящая из трех соединенных друг с другом нуклеотидов. Например, три соединенных между собой одинаковых нуклеотида УУУ — подобные тройки называют триплетами — выбирают аминокислоту фенилаланин. Триплет АУГ используется для выбора аминокислоты метионина, триплет ГУУ — валина и т. д.

Задача эта совсем не простая. Каким механизмом пользуется природа, чтобы, располагая одним триплетом, выбрать требуемую молекулу из смеси двадцати видов аминокислот. Что получается? Вроде бы что-то где-то должно помнить таблицу соответствий триплетов аминокислотам, то есть своеобразный словарь. Каким образом составлять триплеты? Можно образовывать триплеты, начиная с первой буквы (то бишь с первого нуклеотида), например, так: АУГ ЦАУ УАГ ЦУА. Но можно иначе: АУГ ГЦА АУУ УАГ и т. д. Да и сам выбор первого нуклеотида снова сложная задача. Реальная, даже относительно простая молекула РНК может содержать сотни тысяч нуклеотидов и так быть закручена в спираль, что где начало, где конец, разобраться весьма и весьма трудно.

Природа разгадывает все эти загадки, причем безошибочно.

Боясь надоесть читателю, все же повторим: данная молекула РНК управляет синтезом конкретного белка, выбранного из бесчисленного множества, всегда без сбоев и ошибок.

Мы еще вернемся к этому и рассмотрим, как решаются подобные задачи не только природой, но и в искусственно создаваемых человеком системах. Пока ограничимся одним-единственным выводом: информацию можно перерабатывать. Способность подвергаться переработке — одно из важнейших свойств информации.

Сколько информации?

Читатель, хотя бы поверхностно знакомый с литературой по теории информации, давно понял, что в этой беседе мы избрали, прямо скажем, нетрадиционный путь изложения. Сделали мы это сознательно, стремясь подчеркнуть ту мысль, что информация — это физическая величина и в той же степени, как энергия, присуща всем без исключения формам существования материи.

Если информация — физическая величина и если мы хотим тем или иным способом создать теорию, которая позволяла бы описывать информационные процессы и предсказывать следствия этих процессов на основании знания причин, то необходимо сделать информацию измеримой величиной. Надо ввести единицу измерения и предложить метод измерения количества информации.

Впервые такую меру предложил в 1928 году американский ученый Р. Хартли. Как рассуждал Хартли? Если перевести его рассуждения (они относились к каналам связи) на уже знакомый нам язык биологии, то это выглядит примерно так. Одно звено цепи нуклеотидов представляет собой либо аденин, либо гуанин, либо урацил, либо цитазин, то есть результат выбора одной из четырех возможностей. Считаем, что «информационная сила» такого звена равна четырем.

Подобное рассуждение вполне правомочно. Действительно, если бы отдельному звену нити РНК можно было бы ставить в соответствие одну аминокислоту, такое звено оказывалось бы способным выбирать одну из четырех аминокислот.

Дальнейший ход рассуждений наталкивается на небольшую трудность. Два звена нити РНК могут присутствовать в 16 различных сочетаниях. Их легко перечислить: четыре начинаются с А, четыре начинаются с Г, четыре начинаются с У и четыре начинаются с Ц. Казалось бы, ничего страшного. Информационная сила для двух звеньев и впрямь равна 16, поскольку два звена позволяют осуществить выбор одной из шестнадцати аминокислот — по одной для каждого из перечисленных сочетаний. Но уж очень все необычно.

С школьной скамьи мы привыкаем, что если одна гиря имеет массу четыре килограмма и другая тоже имеет массу четыре килограмма, две эти гири, взятые вместе, имеют массу восемь килограммов. Восемь, а не шестнадцать. Результаты измерения однородных физических величин, как правило, складываются, если сами величины прибавляются друг к другу. На научном языке такое свойство физических величин называется аддитивностью.

Чтобы удовлетворить требованию к аддитивности меры количества информации, Р. Хартли предложил выбирать в качестве такой меры не саму информационную силу, а ее двоичный логарифм. В этом случае все становится на свои места. Одно звено нити РНК позволяет осуществлять выбор из четырех возможностей, и присущее ему количество информации равно двоичному логарифму четырех, то есть двум. Два звена позволяют осуществить выбор одной из шестнадцати возможностей, а двоичный логарифм шестнадцати равен четырем. Продолжая в том же духе, увидим, что три звена нити РНК позволяют осуществить выбор одной из шестидесяти четырех возможностей, а двоичный логарифм шестидесяти четырех равен шести. Заодно мы получили некоторую идею о том, почему природа избрала именно триплеты нуклеотидов для выбора одной среди двадцати типов аминокислот.

Пересчитать мгновения

Измерить количество информации по Хартли — это значит пересчитать количество возможностей, одна из которых реализуется в данный момент, и затем взять логарифм от этого количества. В случае молекул сделать это не сложно — молекулы состоят из отдельных атомов, и атомы в конечном итоге можно пересчитать. А как быть в тех случаях, когда носителем информации является непрерывно изменяющаяся физическая величина? Наилучшим примером здесь, пожалуй, будет музыка.

Любое музыкальное произведение можно записать на специально разлинованной бумаге с помощью нотных значков. Количество нотных значков можно пересчитать. Более того, можно определить вероятности, с которыми встречаются та или иная нота, то или иное сочетание нот (аккорд), и применить к нотной записи не только меру Хартли, но и меру Шеннона. Однако одно и то же произведение можно сыграть по-разному. Пусть это будет мазурка Шопена.

Под пальцами талантливого пианиста она звучит волшебно, но если эту же мазурку сыграет новичок или человек, лишенный чувства музыки, то слушать ее будет невыносимо. А ведь и тот и другой играют по нотам, то есть нажимают нужные клавиши в том же порядке. Оказывается, и по клавише можно ударить по-разному. Тончайшие оттенки отличают игру мастера от игры дилетанта. Конечно, многое зависит от качества инструмента.

В этой связи нам вспоминается эпизод, относящийся к 1946 году. Это было прекрасное время. Мы работали тогда во Всесоюзном научно-исследовательском институте звукозаписи, располагавшемся на улице Качалова в помещении Всесоюзного дома звукозаписи. Дом звукозаписи был построен в 30-х годах нашего века по замыслу профессора И. Е. Горона. Это уникальное сооружение, в основу проекта которого положена максимальная защита от проникновения внутрь помещений уличных шумов. Видимо, вследствие мер по такой защите восьмиэтажный дом ощутимо покачивался даже тогда, когда мимо по улице проезжал грузовик, и непривычному человеку находиться в одной из комнат верхних этажей (а наша лаборатория помещалась на седьмом этаже) было жутковато. Но цель была достигнута. В помещениях студий, а самая большая из них, так называемая студия А, вмещала весь ансамбль песни и пляски Советской Армии, царила поистине абсолютная тишина. Во всяком случае, так нам казалось.

Мы уже сказали, что это было прекрасное время. Никто не торопился вечером уходить с работы. Как правило, в девять, а то и в десять часов вечера большинство окон института светилось. Это отнюдь не было особенностью нашего института. Таков был общий настрой тех времен, и объяснялся он, по всей вероятности, тем, что каждый раз, уходя с работы, ты чувствовал себя ощутимо богаче — знаниями, свершениями, наконец, просто впечатлениями, — чем утром того же дня. А настоящее счастье дает, наверное, только сознание сделанного дела.

Да простит нам читатель это короткое отступление. Оно понадобилось для того, чтобы перейти к интересующему нас эпизоду. Дело было так. Вместе с Л. А. Кораблевым, который в дальнейшем приобрел известность благодаря своим работам по созданию уникальной аппаратуры для регистрации космических частиц, мы задались целью сделать тракт как можно более высокого качества. Тракт — это система, состоящая из микрофонов, усилительной аппаратуры и громкоговорителей или, пользуясь жаргоном специалистов, динамиков. Собственно, микрофоны нам конструировать не пришлось — они уже существовали и были установлены в студии А, причем установлены некоторым наилучшим образом, о чем в свое время позаботились акустики.

Наша задача состояла в том, чтобы построить усилительную аппаратуру и как можно точнее согласовать ее характеристики с характеристиками имевшихся в нашем распоряжении динамиков. Это не было служебным заданием, просто мы хотели определить предельные возможности радиоэлектронной усилительной аппаратуры. Занимались мы этим в нерабочее время, провозились несколько месяцев, и наконец наступила вожделенная пора испытаний. Мы подсоединили наши усилители к микрофонам, расположенным в студии. Днем, когда из студии шли передачи или в ней проводились репетиции, мы могли слышать все, что там происходило. По вечерам студия пустовала, но тем не менее мы включали аппаратуру, чтобы узнать, не вносит ли она посторонних шумов. К слову сказать, отсутствие посторонних шумов — один из основных показателей качества усилительного тракта.

Шумов нам обнаружить не удалось. Занимались мы совсем другими делами, но по традиции аппаратура включалась каждый вечер. Однажды к нам зашел посоветоваться, а скорее просто поболтать сотрудник соседней лаборатории. Какое-то время мы беседовали с ним, а потом, сейчас уже не вспомнить почему, мы вышли из комнаты, оставив его в одиночестве. Вернулись минут через пять, но застали нашего приятеля не в комнате, а в коридоре. Вид у него был, прямо сказать, неважный. Он признался, что стоило нам выйти из комнаты, как его охватило чувство страха, которое все усиливалось, и в конце концов он не выдержал и выскочил в коридор. В коридоре это чувство сразу прошло.

Мы отнесли это явление за счет оригинальных свойств психики нашего товарища, но все же решили поэкспериментировать. К величайшему удивлению, то же самое повторилось и с другим, и с третьим, и с четвертым испытуемым. Посоветовавшись с разными специалистами, мы разобрались, в чем дело. Установленные в небольшой комнате динамики создавали слуховое впечатление огромного зала. Чувство страха вызывалось несоответствием слухового впечатления со зрительным. Как создавалось это впечатление, неясно до сих пор. Ни на слух, ни с помощью чувствительной аппаратуры мы не обнаружили каких-либо сигналов на выходе усилителей. Но факт остается фактом — опытов мы проделали изрядно. Единственный вывод из этого факта таков: можно слышать тишину или, иначе, информация передается даже весьма слабыми сигналами, настолько слабыми, что их не ощутила аппаратура, находившаяся тогда в нашем распоряжении.

Раз уж мы предались воспоминаниям о Доме звукозаписи, стоит, наверное, сказать, что все виды записи звука реализуют свойство информации сохраняться, или запоминаться. Сейчас широко распространены три метода записи звука: оптический, механический и магнитный. Оптический метод используется в основном для записи звукового сопровождения кинофильмов. Не исключено, что со временем он уступит свое место магнитному.

Механический способ записи — это знают все — изобретен Эдисоном в 1877 году. В приборе Эдисона, фонографе, колебания воздуха, то есть звук, вызывали аналогичные колебания острия специального резца, который прорезал дорожку на поверхности вращающегося воскового цилиндра. После того как цилиндр заменили диском и в конце прошлого века появилась граммофонная пластинка, механический способ записи почти не претерпел изменений. Только в самое последнее время восковые диски, на которых производилась первичная запись, заменили металлическими дисками, покрытыми слоем специальной пластмассы.

Как во времена Эдисона, так и сегодня собственно запись производится с помощью алмазного резца, который прорезает звуковую дорожку на поверхности воска или специальной пластмассы. Резец приводится в движение с помощью специального устройства, называемого рекордером. Качество записи зависит от физических свойств воска или пластмассы, но главным образом — от качества рекордера. Даже на восковом диске и даже в описываемые нами времена, то есть в конце 40-х годов, качество записи было чрезвычайно высоким. Если современные граммофонные пластинки, или, как их теперь называют, диски звучат лучше тогдашних, то это достигнуто благодаря коренному улучшению свойств пластмасс, из которых изготовляются сами диски, а также улучшению характеристик звуковоспроизводящей аппаратуры. Качество первичной записи в те времена мало отличалось от теперешнего.

Рекордеры для Дома звукозаписи создавались инженером А. Бектабековым и механиком Н. Божко. Согласно почти канонической легенде, которую, правда, никому не приходило в голову проверить, Н. Божко окончил два высших учебных заведения, одно в нашей стране, второе, кажется, в Германии. Но призвание нашел как слесарь-механик высочайшего класса. На его рабочем столе, как на столике в операционной, в идеальном порядке располагались сверкающие инструменты. Все, что выходило из его рук, с полным правом можно было назвать произведением искусства. А. Бектабеков разрабатывал конструкции рекордеров, а Н. Божко воплощал их в жизнь.

Каждый рекордер представлял собой уникальное произведение, и, вспоминая сейчас былые времена, невольно приходишь к мысли, что создатели этих маленьких шедевров должны были бы обладать известностью, ничуть не меньшей, чем создатели знаменитых скрипок. В обоих случаях решалась одна и та же задача. Хороший рекордер отличается от среднего теми же тончайшими нюансами, которыми скрипка Страдивари отличается от скрипки массового производства. Действия рекордера так же, как и действия скрипки, без сомнения, могут быть описаны математическими уравнениями. Но тончайшие нюансы, к сожалению, сегодня еще не имеют языка для своего описания.

Наверное, поэтому не получила распространения довольно забавная идея, возникшая в описываемое нами время, идея рисованного звука. И звуковая дорожка на диске, и прозрачная полоска на кинопленке, называемая фонограммой, имеют определенную геометрическую форму. Не так уж трудно установить соответствие между формой отдельных фрагментов этих дорожек и звуками, возникающими в результате воспроизведения этих фрагментов. При создании музыкальных произведений предлагалось записывать их не нотными значками, а непосредственно фрагментами звуковых дорожек. Отсюда — рисованный звук.

В этом направлении провели много экспериментов, но распространения метод не получил. Не исключено, что когда-нибудь к нему еще вернутся.

Резюмируя сказанное, можно сделать вывод, что большие объемы информации передаются с помощью тончайших изменений физических величин, не всегда доступных регистрации с помощью существующей измерительной аппаратуры. Может быть, разнообразие нюансов, характерных, скажем, для электрического сигнала, бесконечно, а значит, бесконечно количество информации, которое способен передать такой сигнал? Сегодня наука отвечает на этот вопрос отрицательно. Согласно К. Шеннону предел многообразию кладут шумы, обязательно присущие любому каналу связи. Именно шумы оказывали такое странное воздействие на наших коллег по Институту звукозаписи. Современная физика говорит о том, что даже в отсутствие шумов предел величине многообразия кладется квантовой природой происходящих во Вселенной процессов.

О демонах

Недостатки теории Шеннона послужили причиной тому, что параллельно с теорией информации возникла и начала развиваться теория ценности информации. В настоящее время теория ценности информации имеет достаточно богатую литературу, в которой предлагаются различные подходы. Сущность их так или иначе сводится к тому, что ценность некоторого сообщения следует измерять в соответствии с тем эффектом, который достигается в результате приема этого сообщения. Идея представляется заманчивой по той простой причине, что, к примеру, на бегах возможность знать заранее, какая лошадь придет первой, явно принесла бы ощутимый эффект. Что касается нас, то упоминание о ценности информации заставляет вспомнить о демонах.

В первой беседе мы говорили, что Н. Винер считал Дж. Максвелла, и совершенно справедливо, основоположником теории автоматического управления. С тем же успехом можно считать Дж. Максвелла основоположником теории ценности информации. Размышляя о статистических свойствах газов, состоящих из отдельных молекул, Дж. Максвелл предложил такую мысленную модель. Имеется ящик, разгороженный перегородкой на две равные части. В перегородке проделаны два отверстия, снабженные заслонками, и возле каждого отверстия сидит демон.

Сначала обе половинки ящика заполнены газом, причем температура газа, а следовательно, средняя скорость его молекул в обеих половинах ящика одинакова. Дальше происходит следующее. Один демон следит за молекулами, находящимися в левой половине ящика. Каждый раз, когда он видит быструю молекулу, движущуюся в сторону отверстия, он открывает заслонку. Наоборот, перед медленной молекулой, движущейся в том же направлении, заслонка закрывается. Второй демон следит за молекулами, находящимися в правой половине, и выполняет противоположные действия, то есть пропускает через отверстие медленные молекулы и закрывает заслонку перед быстрыми молекулами.

В результате подобной деятельности в правой части ящика собираются более быстрые молекулы, то есть температура там повышается, а в левой собираются более медленные молекулы, и это приведет к понижению температуры. Тепло как бы станет перетекать от более холодного тела к более теплому, что запрещено вторым началом термодинамики. Дж. Максвелл и придумал свою модель как попытку опровергнуть универсальность второго начала.

Демоны Максвелла вызвали бурную полемику и описаны, наверное, в сотнях изданий. Мы рискнули повторить здесь рассказ о демонах, поскольку вывод, который мы собираемся сделать, несколько отличается от общепринятого. Если модель Максвелла действительно работает, то это дает возможность оценивать знание (открывая и закрывая заслонку, демон знает направление и скорость молекулы) непосредственно в единицах температуры или в единицах энергии. Это и есть не что иное, как ценность информации. Осуществимы или нет демоны Максвелла? На этот счет существует общепринятая точка зрения, которую, в частности, изложил Н. Винер в своей «Кибернетике». Поскольку мы много раз цитировали его книгу, сделаем это и сейчас.

«Легче отвергнуть вопрос, поставленный Максвеллом, чем ответить на него. Самое простое — отрицать возможность подобных существ или механизмов. При строгом исследовании мы действительно найдем, что Максвелловы демоны не могут существовать в равновесной системе; но если мы примем с самого начала это положение и не будем пытаться доказать его, мы упустим прекрасный случай узнать кое-что об энтропии и о возможных физических, химических и биологических системах.

Чтобы Максвеллов демон мог действовать, он должен получать от приближающихся частиц информацию об их скорости и точке удара о стенку. Независимо от того, связаны ли эти импульсы с переносом энергии или нет, они предполагают связь между демоном и газом.

Но закон возрастания энтропии справедлив для полностью изолированной системы. Поэтому мы должны рассматривать энтропию одного газа. Энтропия газа есть лишь компонент общей энтропии более широкой системы. Можно ли найти другие, связанные с демоном компоненты, входящие в общую энтропию?

Бесспорно, можно. Демон может действовать лишь на основании принимаемой информации, а эта информация, как мы увидим в следующей главе, представляет собой отрицательную энтропию. Информация должна переноситься каким-то физическим процессом, например, посредством какого-нибудь излучения. Можно вполне допустить, что эта информация переносится при очень низком уровне энергии и что перенос энергии от частицы к демону в течение значительного времени имеет гораздо меньшее значение, чем перенос информации. Но согласно квантовой механике нельзя получить какую-либо информацию о положении или количестве движения частицы, а тем более о том и другом, без воздействия на энергию исследуемой частицы, причем это воздействие должно превышать некоторый минимум, зависящий от частоты света, применяемого для исследования. Поэтому во всякой связи необходимо участвует энергия. С течением времени Максвеллов демон будет сам подвергаться случайным движениям, соответствующим температуре окружающей его среды, и, как говорит Лейбниц о некоторых монадах, он будет получать большое число малых впечатлений, пока не впадет в „головокружение“ и будет не способен к ясным восприятиям. По существу, он перестанет действовать как Максвеллов демон».

Как видите, Н. Винер последовательно придерживается шенноновской теории и уподобляет количество информации термодинамической энтропии. Но зачем же наделять демона свойствами физической системы? Наверное, Максвелл ввел в свою модель демонов, а не некие гипотетические механизмы именно потому, что понимал: стоит только произнести слово «механизм», как модель потеряет смысл. Демон потому и демон, что он имеет право не подчиняться законам физики. А большинство среди тех, кто в дальнейшем обсуждал Максвелловых демонов, почему-то не понимал этого. Суть совсем не в том, какую природу имеет канал передачи информации от молекулы к демону. Суть в том, что согласно воззрениям современной физики такой объект, как молекулу, вообще нельзя локализовать в пространстве и, следовательно, определить, находится она вблизи отверстия или далеко от него.

В этом вопросе интересно до конца разобраться. Давайте несколько модифицируем максвелловскую модель. Пусть это будет не ящик, а цилиндр с поршнем. В исходном состоянии поршень выдвинут насколько это возможно, а в пространстве перед поршнем имеется одна-единственная молекула. Молекула эта непрерывно движется, ударяясь о стенки цилиндра и о днище поршня. Каждый раз при ударе о днище поршня молекула передает ему определенное количество движения. Суммарное воздействие всех ударов проявляется как давление на поршень, во всяком случае, так написано в подавляющем большинстве учебников физики.

Мысленно разделим объем цилиндра перед поршнем на две половины. Теперь о молекуле можно знать лишь одно из двух: в данный момент она находится в половине, примыкающей к поршню, или нет. Если молекула находится в дальней половине, то можно вдвинуть поршень в цилиндр, не испытав никакого противодействия со стороны молекулы, которая согласно нашему знанию находится в этот момент далеко. После того как поршень вдвинут, объем перед поршнем уменьшится вдвое, значит, вдвое участятся удары молекулы о днище поршня, вдвое увеличится давление. Под действием этого давления поршень снова вернется в исходное положение, совершив при этом некоторую работу.

Задача демона в этом примере существенно упрощается, хотя бы потому, что вполне достаточно знать местоположение молекулы, да и то с очень малой точностью, один-единственный раз. Остается добавить, что, не зная ничего о положении молекулы, в среднем в половине случаев, вдвигая поршень, вы будете наталкиваться на молекулу и совершать работу, а в остальных случаях работу будет совершать молекула. Суммарная работа в среднем окажется равной нулю. Дает ли описанная модель что-нибудь новое? Беда в том, что классические представления еще сильны у большинства из тех, кто пытается говорить о современной физике. Не избежал этого и Н. Винер, возложивший всю ответственность за неосуществимость модели Максвелла на одних лишь демонов. Как же все это выглядит на самом деле?

Начнем с того, что молекула в той же степени волна, в какой и частица. Согласно теории Шредингера в замкнутом объеме с заключенной в нем молекулой существуют пространственные волны, занимающие весь объем этого ящика. Более того, волны разлагаются на ряд гармонических составляющих, каждая из которых соответствует одному из стационарных состояний молекулы. Длина волны, или частота, каждой гармонической составляющей прямо зависит от размеров объема, занимаемого молекулой, — с уменьшением объема частота увеличивается. Здесь полная аналогия со струной, имеющей основной тон и обертоны: чем короче струна, тем выше основной тон и соответствующие обертоны.

Вдвигая поршень, вы уменьшаете объем, занимаемый молекулой, а значит, увеличиваете соответствующие частоты. Частота пропорциональна энергии. Вдвигая поршень, вы увеличиваете энергию молекулы, и сделать это можете, только совершив работу. Совсем не обязательно, чтобы молекула сталкивалась (такое может случиться только в классической физике) с днищем поршня. Модель Максвелла так же, как и предложенная нами модель, неосуществима потому, что молекулу нельзя точно локализовать в пространстве, независимо от того, следит за ней демон или не следит.

Точка зрения шофера

Следует ли из всего сказанного, что информация не имеет ценности или, ограничиваясь кругом понятий, использованных Максвеллом, что информация никак не связана с работой или энергией? С таким вопросом лучше обратиться к шоферу. Каждый шофер хорошо знает, что такое опережение зажигания. При работе четырехтактного бензинового двигателя чередуются такты выхлопа, всасывания рабочей смеси, сжатия рабочей смеси и рабочего хода, которому должно предшествовать зажигание. Зажигание рабочей смеси производится электрической искрой, которая должна проскочить в строго определенный момент времени, тогда, когда поршень чуть-чуть не дошел до своей верхней точки. Это «чуть-чуть» и называется опережением.

Чтобы искра проскочила в нужный момент времени, система зажигания (сейчас эти системы делают электронными) должна знать положение поршня. Причем знать точно. Если зажигание установлено неверно, искра проскакивает немножко раньше или немножко позже, при прочих равных условиях мощность двигателя существенно уменьшается.

Вот видите, не требуется никаких демонов. Достаточно слегка изменить момент зажигания на очень малую величину, измерить сопутствующее этому уменьшение мощности и поделить одно на другое. Получится величина, пропорциональная отношению изменения момента зажигания к изменению реальной мощности и номинальной мощности двигателя.

Повторяем, чтобы искра проскочила точно вовремя, нужно знать положение поршня. Если это положение известно не точно (количество информации меньше), произойдет то же самое, что мы сейчас проделали нарочно. Отсюда вывод, что мощность двигателя пропорциональна его номинальной мощности (эта величина складывается из объема цилиндра, степени сжатия, вида используемой горючей смеси и т. п.) и количеству информации, которым располагает система зажигания.

Нужно ли называть номинальную мощность двигателя ценностью информации? По всей видимости, нет. Зачем же считать, скажем, теплотворную способность бензина, которая, естественно, может меняться от случая к случаю, одной из характеристик информации? Ясно ведь, что стоимость тех трех килограммов колбасы равна стоимости одного килограмма, помноженной на три. Но никому не приходит в голову назвать стоимость колбасы ценностью массы вообще, измеряемой в килограммах. Аналогичная ситуация имеет место с информацией.

Наш пример с зажиганием (а таких примеров можно привести множество, достаточно вспомнить хотя бы регулятор Уатта) позволяет окончательно убедиться в том, что информация есть физическая величина и количество ее при определенных условиях может оказаться пропорционально мощности. Только надо измерить количество информации не в среднем, по Шеннону, а так, как мы предлагаем. Ясно, что, если момент проскакивания искры в бензиновом двигателе в среднем выдерживается достаточно точно, но иногда искра возникнет не тогда, когда нужно, или ее не будет вообще, двигатель попросту остановится.

Осуществим ли демон Максвелла? Если рассуждать с самых общих позиций, то, наверное, да. Ведь свойство демона Максвелла состоит в том, чтобы распознавать молекулы. Этим свойством в полной мере обладают нуклеиновые кислоты, каждый триплет которых безошибочно выбирает один из двадцати видов аминокислот и не теряет этого свойства, сколько бы раз ни повторялся выбор. Демон, спрятанный в триплете, обнаруживает истинное свойство молекулы аминокислоты — ее структуру, а не кажущееся — точную локализацию в пространстве, которым на самом деле молекула не обладает. Главная ошибка большинства из тех, кто обсуждал демонов Максвелла, состоит в попытке наделить квантово-механические объекты — молекулы — такими классическими свойствами, как температура, давление и даже в некотором смысле энергия, которыми обладают статистические ансамбли молекул, но не обладают отдельные молекулы.

Рассмотренные модели позволили нам окончательно утвердиться в следующих выводах.

Во-первых, информация, безусловно, есть объективная физическая величина, имеющая количественную меру и допускающая точные измерения.

Во-вторых, использование меры Хартли не приводит к бесконечным многообразиям и, следовательно, к бесконечным количествам информации в силу квантованности физических объектов и процессов, порождающих и переносящих информацию. Одним из примеров, подтверждающих это, может служить та же молекула в замкнутом объеме, имеющая счетное множество стационарных и конечное множество различимых состояний.

«Поэзия — та же добыча радия»

Почему мы так обрушились на теорию Шеннона? Ведь, по нашему собственному признанию, теория эта полезна и плодотворна. Если она чего-то и не может объяснить, об этом следовало бы сказать в одной фразе, а не тратить много времени и бумаги. Попытаемся ответить на этот вопрос.

В XVIII веке большое распространение получила так называемая теория витализма, утверждавшая, что между живой и неживой природой существует принципиальное различие. Все объекты живой природы содержат в себе особую «жизненную» силу. Объект живой природы, будь то человеческий организм, растение или бактерия, не может быть сконструирован искусственно из неорганических соединений.

Первый серьезный удар витализму был нанесен в 1828 году, когда немецкий химик Фридрих Веллер синтезировал из неорганических веществ (углекислоты и аммиака) первое органическое соединение — мочевину. То, что мы узнали о белковых молекулах и процессах их синтеза, казалось бы, дает уверенность, что с витализмом покончено. Создание живого из неживых компонентов в пробирке представляет собой на сегодня достаточно ординарную операцию. Появилось даже название «биотехнология» для стремительно развивающейся в последние годы отрасли науки и техники.

Но не тут то было! Не просто оказалось покончить с витализмом. Если вы хотите убедиться в этом, попробуйте предложить гуманитарию, да и необязательно гуманитарию, подсчитать, например, количество информации, содержащейся в стихотворении А. С. Пушкина. Гуманитарий ответит вам, что в стихотворениях А. С. Пушкина надо мерить не информацию, а вдохновение.

Витализм, полностью вытесненный из химии и биологии, как это ни невероятно, еще сохраняет свои позиции в области, связанной с информацией. Одной из причин этому оказался именно шенноновский подход, поскольку, провозгласив зависимость количества информации, содержащейся в сообщении, от свойств ее получателя, он вносит в саму теорию элемент субъективизма, а дальше все, как говорится, дело техники.

Объективность меры количества информации и вообще понятия информации особенно важна потому, что в противном случае открывается широкое поле деятельности для всякого рода «внутренних голосов» и «гениальных озарений». Недаром мы начали эту беседу с упоминания о внутреннем голосе. По свидетельству современников, сразу после выхода в свет пушкинской «Пиковой дамы» многие игроки пытались ставить на тройку, семерку и туза. Вероятно, кто-то из них даже выиграл. К сожалению, такое было не только в XIX веке, но и позже. А сколько разговоров велось о телепатии, и не только разговоров? Сколько потрачено времени и усилий на постановку всякого рода «экспериментов»? Вера в телепатию в основном базируется на том, что многие не до конца отдают себе отчет в истинном существе информации.

Особое значение имеет правильный взгляд на сущность информации при планировании научных исследований, выработке научного метода. Именно в науке больше всего принято верить во внутренний голос и гениальные озарения. В связи с этим приведем выдержки из прекрасной статьи академика А. Мигдала, опубликованной в первом номере журнала «Наука и жизнь» за 1982 год.

«Как рождаются и развиваются теории? Вот история одной из них — закона всемирного тяготения.

Идея о том, что сила, заставляющая планету двигаться вокруг Солнца и яблоко падать с дерева, имеет одну и ту же природу, высказывалась многими учеными и философами. Легенда об упавшем яблоке, которое навело Ньютона на идею об универсальности тяготения, наивна — эта идея в то время повторялась на все лады. За много лет до Ньютона Кеплер пытался доказать, что планеты двигаются не по прямой, а по эллипсам под действием силы притяжения Солнца.

Почему же закон всемирного тяготения называют „законом Ньютона“? Справедливо ли это?

Любая общая идея приобретает ценность, только если она подтверждена научными доводами, и честь открытия принадлежит тем, кто способствовал превращению этой идеи в доказанную истину. Как часто об этом забывают изобретатели общих идей!

В поэтических и туманных образах древнеиндийских сказаний можно усмотреть идею Расширяющейся Вселенной, научно обоснованную в XX веке и блестяще подтвердившуюся с открытием реликтового излучения. Имела ли эта идея какую-либо научную ценность, повлияла ли она на сохранение теории тяготения Эйнштейна? Разумеется, нет. В море смутных и случайных утверждений всегда можно выловить нечто, подтвердившееся дальнейшим развитием науки. Ньютон был первым, кто превратил общую идею всемирного тяготения в физическую теорию, подтвержденную опытом…

Здравый смысл, которым мы пользуемся в практической жизни, руководствуется разумной оценкой вероятности того или иного события. Здравый смысл и интуиция определяют выбор направления поисков. Раньше чем разрывать навозную кучу, надо оценить, сколько на это уйдет времени и какова вероятность того, что там есть жемчужина. Именно поэтому мало серьезных ученых занимаются поисками неожиданных явлений вроде телепатии. Неразумно прилагать большие усилия, если согласно интуитивной оценке вероятность удачи ничтожно мала. Ведь пока нет сколько-нибудь убедительных для ученого теоретических или экспериментальных указаний на само существование телепатии. Зато после первого же научного результата в эту область устремились бы громадные силы. Так и должна развиваться наука. Мы сознательно проходим мимо мест, где, может быть, и можно найти клад, и направляемся туда, где вероятность найти его, по нашей оценке, наибольшая. Иначе не хватит сил и времени на самое главное.

Интуитивная оценка вероятности успеха всегда субъективна и требует большого научного опыта. К сожалению, ничего лучшего для выбора разумного направления поисков, чем научные конференции, семинары и обсуждения со специалистами, придумать пока не удалось.

Вот краткое заключение наших рассуждений о научном методе исследования: схема научного познания выглядит так — эксперимент, теория, правдоподобные предположения, гипотезы — эксперимент — уточнение, проверка границ применимости теории, возникновение парадоксов, теория, интуиция, озарение — скачок — новая теория и новые гипотезы — и снова эксперимент…

Научный метод, в основе которого лежит объективность, воспроизводимость, открытость новому, — великое завоевание человеческого разума. Этот метод развивался и совершенствовался и был отобран как самый рациональный — из требования минимума потерь времени и идей. Уже более трех веков наука руководствуется им, при этом ничего не было загублено.

Неизбежный элемент любого развития — заблуждения, но научный метод придает науке устойчивость, заблуждения быстро устраняются силами самой науки».

В истинной науке нет места для внутренних голосов и гениальных озарений. Представление об информации как о физической величине, допускающей точное измерение, позволяет нам понять, что научные исследования — это нормальный технологический процесс, совершаемый по определенным правилам, а научное открытие — это продукция, получаемая в таком процессе. И процесс выплавки стали, и процесс производства научных исследований в равной степени могут подвергаться усовершенствованию. Усовершенствование научных исследований часто достигается за счет того, что мы называем интуицией.

Интуиция не имеет ничего общего с внутренним голосом. Интуиция — это переработка информации, правда, в отдельных случаях совершаемая подсознательно. Наука знает много примеров, когда некто, совершивший открытие, не мог потом восстановить ход своих рассуждений. Но всякий раз оказывалось, что в его знаниях содержалась вся необходимая исходная информация.

В современных условиях наибольший эффект в совершенствовании научного метода достигается за счет автоматизации отдельных этапов процесса научных исследований, за счет применения средств информатики. Более того, сейчас уже есть целые области исследований, прежде всего в физике элементарных частиц, которые вообще немыслимы без привлечения технических средств информатики. Достаточно вспомнить об ускорителях элементарных частиц.

Основываясь на последних данных науки, мы имеем все основания утверждать, что информация независимо от того, является ли ее носителем электрон, молекула РНК или стихотворение, отпечатанное типографским способом, есть не что иное, как объективная физическая величина, допускающая измерение. Правда, вопрос о мере количества информации на сегодня еще не решен окончательно, однако уже достаточно ясно, что мера Хартли обладает всеми необходимыми свойствами, и если ее нужно усовершенствовать, то лишь для повышения удобства использования.

Получение информации представляет собой нормальный технологический процесс в естественных или искусственных физических системах. В этом смысле извлечение информации ничем не отличается от процесса извлечения железа из железной руды. К слову сказать, в металлургических процессах используется и играет свою необходимую роль опять-таки информация.

Теперь мы можем дать более или менее строгое определение предмета наших бесед. Совокупность научных методов и технологических процессов, связанных с извлечением, преобразованием, передачей, хранением, накоплением и размножением информации, объединяется сейчас под общим названием «информатика». Информатике и посвящены предлагаемые читателю беседы. Что касается основоположника информатики, то таковым, на наш взгляд, справедливее всего считать В. Маяковского, впервые провозгласившего, что «поэзия — та же добыча радия». Мы ведь можем сказать, что для добычи крупинки информации приходится перерабатывать горы словесного мусора.