История биологии с начала XX века до наших дней - [301]

Универсальность этих понятий привела к тому, что информационный подход начал широко применяться и к биологическим проблемам. Большую роль в постановке биолого-информационных проблем сыграли работы А.А. Ляпунова, сформулировавшего ряд задач, относящихся к исследованиям в области управления в биологических системах. С позиции теории информации в настоящее время рассматриваются процессы, протекающие в отдельных клетках, в организмах и в популяциях. Особенно плодотворным оказался информационный подход при изучении работы органов чувств и мозга. Возник и разрабатывается ряд проблем, связанных с выяснением принципов обеспечения помехоустойчивости и надежности элементов, осуществляющих переработку, передачу и хранение информации. С этих же позиций рассматриваются в настоящее время процессы коммуникации между животными, способы решения ими задач ориентации, навигации и локации, проблема памяти и другие проблемы, относящиеся к компетенции бионики.

Одним из наиболее фундаментальных результатов, определяющим в значительной мере состояние современной биологии и связанным с информационным подходом, является расшифровка генетического кода (см. также главы 23 и 24). Впервые эта проблема была, по-видимому, сформулирована Э. Шредингером (1945), который мог поставить ее лишь в общей форме, так как тогда еще не была известна структура ДНК и ее генетическая роль.

Строгая и конкретная постановка и анализ задачи о генетическом коде связаны с исследованиями Г. Гамова (1954). Задача состояла в выяснении соответствия между последовательностями нуклеотидов в молекуле ДНК и последовательностью аминокислот в белках.

Гамов подошел к этой проблеме как к задаче расшифровки текста, использовав ряд простых соображений комбинаторики. Так, совершенно ясно, что один нуклеотид не может определять одну аминокислоту, поскольку нуклеотидов всего 4, а аминокислот — 20. Точно так же не годится код, при котором аминокислоты кодируются последовательностью двух нуклеотидов, так как число сочетаний из четырех по два всего 16. Отсюда первый вывод — генетический код реализуется по крайней мере трехчленными сочетаниями, как это в дальнейшем и было установлено. Однако число сочетаний из четырех по три равно 64 и для 20 аминокислот оно слишком велико. Отсюда было сделано заключение об Избыточности кода и о существовании бессмысленных триплетов. Через семь лет после появления работы Гамова Ф. Крик, Дж. Уотсон, М. Ниренберг и другие, расшифровали генетический код. Влияние теоретико-информационного подхода, подготовившего решение этой проблемы, сказалось даже в терминологии (генетический код, информационная РНК и т. д.).

Информационный подход существен и для понимания других процессов, связанных с поведением и взаимодействием клеток, например, при заживлении ран, регенерации и т. д. При изучении иммунитета встают вопросы о том, как осуществляется процесс «узнавания» своих белков, каким образом чужеродный белок, побывавший в организме всего один раз, «запоминается» на всю жизнь, какое количество разных чужих белков может быть распознано и т. д. Все эти вопросы связаны с проникновением в биологию идей теории информаций.

Вероятно, наибольшее воздействие теория информации оказала на разделы физиологии, изучающие органы чувств и нервную систему. Исследование принципов переработки информации является здесь основным направлением экспериментальных работ. Физиологи в настоящее время интенсивно изучают способы кодирования сигналов об интенсивности света и звука, о цвете или частоте тона, процессы адаптации, явление константности восприятия и т. д. В связи с изучением работы рецепторов и нервной системы было предложено много моделей, имитирующих принципиальные стороны или механизмы процесса переработки информации нейронами. Значительную часть таких моделей составляют так называемые нервные сети.

Начало изучению нервных сетей было положено работой У.С. Мак-Каллока и В. Питтса (1943). Эти авторы рассматривали сети, образованные пороговыми элементами, которые могут находиться только в одном из двух состояний «включено» или «выключено». Они пришли к выводу, что любая функция нервной системы, которая поддается логическому описанию при помощи конечного числа слов, может быть реализована формальной нервной сетью. Тем самым была показана принципиальная возможность моделирования любых формализуемых функций мозга. В этой работе использовалась крайне упрощенная модель нейрона: принималось, что порог нейрона не меняется во времени и что срабатывание любого тормозного синапса полностью затормаживает нейрон. В дальнейшем в теории нервных сетей перешли к рассмотрению структур, образуемых элементами, свойства которых близки к свойствам реальных нейронов.

Физиологические исследования последних лет показали, что органы чувств животных, как правило, не являются простой мозаикой рецепторов, каждый из которых независимо реагирует на свет или темноту, звук или его прекращение и т. д. Оказалось, что уже на уровне органов чувств существуют специальные структуры («детекторы»), которые могут выделять контуры изображения, углы, движущиеся предметы и т. д. Существенно, что эти операции осуществляются в органах чувств не в результате обучения, а вследствие самой конструкции органа, выработанной в процессе эволюции. Моделированию сетей, которые выделяют только определенные группы внешних сигналов или определенные признаки, посвящена большая серия работ.