Терри Пратчетт - Наука Плоского мира. Книга 2. Глобус
В основе широко распространенного убеждения, будто сложность ДНК объясняет сложность организма (даже несмотря на его очевидную ошибочность), лежат два предположения, две научные истории, которые мы сами себе рассказываем. Первая называется «ДНК – это чертеж», и в ней геном рассматривается не только в контексте своего значения в управлении биологическим развитием, но и в качестве носителя информации, необходимой для определения организма. Вторая история называется «ДНК – это сообщение» и представляет собой метафору «Книги жизни».
Обе истории чрезмерно упрощают сложную систему взаимодействия. В первой утверждается, что геном – это молекулярная «карта» организма. А «ДНК – это сообщение» – это история о том, что организм может передавать эту карту следующему поколению, «отправляя» соответствующую информацию.
Но ни одна из них не соответствует действительности. С другой стороны, их можно назвать неплохими примерами научной фантастики – или как минимум плохой, но интересной научной фантастикой с хорошими спецэффектами.
Если у «сообщения» ДНК и есть получатель, то это не организм следующего поколения, который даже не существует во время «отправки» «сообщения», а рибосома, то есть молекулярная машина, превращающая цепочки ДНК (в гене, кодирующем белок) в белки. Рибосома является неотъемлемой частью системы кодирования; она выполняет функцию «переходника», изменяя информацию, содержащуюся в цепочке, на ту, что заключена в последовательности аминокислот в белках. Каждая клетка содержит много рибосом, но мы говорим о них в единственном числе потому, что все они идентичны. Метафора ДНК как информации стала практически универсальной, хотя на самом деле никто никогда не выдвигал предположения, что рибосома может быть крупным вместилищем информации. Сейчас структура рибосомы известна в мельчайших деталях, и никаких признаков того, что она является «носителем информации», как ДНК, нет. Похоже, что рибосома – это всего лишь жестко закрепленная «машина». Так куда же девалась информация? А никуда. Просто это некорректный вопрос.
Корень данного недоразумения заключается в недостаточном внимании к контексту. Наука серьезно относится к контексту, но имеет привычку игнорировать «внешние» ограничения изучаемой системы. А контекст – это важное, но недооцененное свойство информации. Слишком легко зациклиться на комбинаторной ясности сообщения, упустив из виду сложные и запутанные процессы, производимые получателем при декодировании сообщения. Контекст имеет определяющее значение при толковании сообщений, то есть его смысла. Тор Норретрандерс в своей «Иллюзии пользователя» ввел термин «эксформация», определяющий роль контекста, а Дуглас Хофштадтер нашел с ним общую точку в книге «Гёдель, Эшер, Бах». Обратите внимание, как в следующей главе, казалось бы, нечитаемое сообщение «ТИОРСИЯ» становится понятным, как только в расчет принимается его контекст.
Вместо того чтобы рассуждать о ДНК как о «чертеже», в котором закодирован организм, легче порассуждать о компакт-диске с записанной на нем музыкой. Биологическое развитие напоминает компакт-диск, содержащий инструкции по сборке нового проигрывателя. Если у вас нет рабочего проигрывателя, их нельзя «прочитать». Если смысл не зависит от контекста, то код на компакт-диске должен содержать неизменяемый смысл, не зависящий от проигрывателя. Но действительно ли это так?
Сравним две крайности: «стандартный» проигрыватель, преобразующий цифровой код на диске в музыку так, как заложили его разработчики, и музыкальный автомат. В случае с последним единственное посылаемое вами сообщение – это деньги и нажатие кнопки, но он распознает их в своем контексте как несколько минут музыки. Любой номерной код, по идее, может «означать» любую музыку, которую вы желаете услышать; это зависит лишь от настроек автомата, то есть эксформации, сопряженной с его дизайном. А теперь представьте себе автомат, который распознает диски, не проигрывая закодированные на нем мелодии как последовательные биты, а переводя этот код в число и потом проигрывая какой-нибудь другой диск, соответствующий этому номеру. К примеру, допустим, что Пятая симфония Бетховена в цифровой форме начинается с 11001. Это число 25 в двоичной системе. Итак, автомат считывает ее как «25» и ищет диск под 25-м номером, который, допустим, оказывается, записью джазмена Чарли Паркера. С другой стороны, там же в автомате находится диск под номером 973, на котором записана Пятая симфония Бетховена. В таком случае диск с Бетховеном может быть «прочтен» двумя совершенно разными способами: как «указатель» на Чарли Паркера или на саму Пятую симфонию (запущенную любым другим диском, код которого начинается с числа 973, записанного в двоичной системе). Два контекста, две интерпретации, два смысла, два результата.
Каким бы ни было сообщение, оно в любом случае зависит от контекста: отправитель и получатель должны согласовать между собой условия преобразования смысла в символы и обратно. Без этих условий семафор представлял бы собой просто несколько кусков древесины, колыхающихся на ветру. Ветки деревьев – это тоже куски древесины, колыхающиеся на ветру, но никто не пытается расшифровать в них сообщения, передаваемые деревом. Зато кольца деревьев, то есть годичные кольца, которые можно увидеть на спиле ствола, – совсем другое дело. Мы научились «расшифровывать» их «сообщения», содержащие информацию, например о том, какой климат был году в 1066-м. Если кольцо толстое, значит, в том году дерево хорошо подросло – год выдался теплым и влажным; тонкое же кольцо указывает на неблагоприятный год, скорее всего, холодный и сухой. Но последовательность годичных колец стала сообщением, заключающим в себе информацию, только когда мы узнали зависимость между климатом и ростом деревьев. Само же дерево не отправляло нам никаких сообщений.
В биологическом развитии условиями, наполняющими смыслом сообщение ДНК, являются физические и химические законы. В них-то и заключается эксформация. Однако едва ли ее можно представить в количественном виде. Сложность организма определяется не количеством оснований в последовательности ДНК, а сложностью процессов, инициированных этими основаниями в контексте биологического развития. То есть смыслом «сообщения» ДНК, получаемого слаженной и рабочей биохимической машиной. Здесь мы оставляем амеб далеко позади. Развитие эмбриона с маленькими отростками, а затем ребенка с тоненькими ручками включает в себя ряд процессов, при которых образуется скелет, мышцы, кожа и так далее. Каждый этап зависит от текущего состояния других этапов, и все они обусловлены контекстом физических, биологических, химических и культурных процессов.
Центральное понятие в теории информации Шеннона занимает некая энтропия, что в данном контексте означает степень, с которой статистические шаблоны в источнике сообщений влияют на количество передаваемой в них информации. Если одни шаблоны бит оказываются вероятнее других, то они передают меньше информации, так как неопределенность уменьшается на меньшее ее количество. Например, в английском языке буква E встречается гораздо чаще, чем Q. Если бы вам пришлось выбирать между E и Q, вы бы поставили на E. Когда ваш прогноз не сбывается, вы получаете больше информации. Энтропия Шеннона выравнивает это статистическое неравновесие и позволяет «честно» измерять объем информации.
Сейчас, по прошествии лет, кажется досадным, что он выбрал слово «энтропия», поскольку одноименное понятие устоялось в физике, где под ним обычно понимается «беспорядок». Противоположный ей «порядок», как правило, отождествляется со сложностью. Контекст в данном случае лежит в разделе физики, известном как термодинамика, изучающем отдельно взятую упрощенную модель газа. Молекулы газа в термодинамике представляют собой «твердые сферы», микроскопические бильярдные шары. Они периодически сталкиваются и отскакивают друг от друга, будто обладают идеальной эластичностью. Законы термодинамики указывают на то, что большое скопление таких сфер подчиняется определенным статистическим закономерностям. Первый закон гласит, что общая энергия системы постоянна. Тепловую энергия можно преобразовать в механическую, как, скажем, в паровом двигателе; и, наоборот, механическую можно преобразовать в тепловую. Но сумма их всегда остается неизменной. Второй закон при помощи более точных понятий (которые мы вскоре это поясним) определяет, что тепло не может передаваться от более холодного тела более теплому. В третьем же законе говорится о том, что температура газа не может опускаться ниже температуры «абсолютного нуля», составляющего приблизительно –273 °C.
Самый трудный (и интересный) из этих законов – второй. Он детальнее рассматривает величину, называемую энтропией, под которой обычно подразумевается «беспорядок». К примеру, если газ сконцентрирован в одном углу комнаты, то это будет более упорядоченное (то есть менее беспорядочное) состояние, чем то, при котором он равномерно распространяется по комнате. Следовательно, при равномерном распространении газа его энтропия выше, чем при условии, если он весь скапливается в углу. Одна из формулировок второго закона звучит так: количество энтропии во вселенной постоянно возрастает с течением времени. Иными словами, с течением времени вселенная постоянно становится все менее упорядоченной или столь же менее сложной. Согласно этой интерпретации, чрезвычайно сложный мир живых существ неизбежно будет становиться менее сложным до тех пор, пока вселенная не выйдет из берегов и превратится в густой, еле теплый бульон.
