Теория информации и биология

Эти вопросы приобретают особую остроту в связи с биологической спецификой. Во-первых, информационные системы в живой природе обладают малыми (микроскопическими) размерами. Во-вторых, они функционируют при нормальной температуре, т. е. в условиях, когда тепловые флуктуации не пренебрежимо малы. В-третьих, в биологии особую важность приобретает запоминание и хранение информации. Отметим, что в технике более актуальны проблемы передачи информации на примере оптимизации передачи были разработаны основные положения теории информации. Вопросам же рецепции и хранения информации уделялось меньше внимания. В биологии, напротив, эти вопросы становятся первостепенными. [c.266]

Вполне целесообразно объединить факторы, определяющие дискретность отношений между организованными системами и средой, термином код, часто употребляемым в молекулярной биологии и теории информации. С точки зрения этой концепции понятие кода включает все дискретные факторы, временные и пространственные, которые определяют отношения системы и среды, совместимые с существованием или развитием системы. [c.6]

С термодинамикой связана и теория информации. Увеличение количества информации в системе, рассматриваемой как сообщение, всегда сопряжено с понижением энтропии (см. гл. 9). Информационные аспекты биологии весьма поучительны. Выясняется, что понятие количества информации совершенно недостаточно для рассмотрения развивающихся биологических систем. Оказывается необходимым рассматривать и рецепцию информации, и создание новой информации. И то, и другое возможно лишь в условиях неравновесия, нестационарности и неустойчивости. В биологии важно не количество информации, но ее ка- Чество, смысл или ценность ( 17.8). [c.20]

Как мы увидим ( 17.8), применение теории информации в биологии требует анализа последствий рецепции сообщения. Учет этих последствий означает, что нужно изучить сам акт рецепции как необратимый, неравновесный процесс перехода рецепторной системы из менее устойчивого состояния в более устойчивое. При этом происходит запоминание информации. [c.306]

ТЕОРИЯ ИНФОРМАЦИИ И БИОЛОГИЯ 29 [c.29]

В конце XIX и начале XX века на базе теории вероятностей началось создание современной математической статистики в связи с запросами биологии и экономики. За последние десятилетия математическая статистика как метод исследования стала интенсивно применяться в таких областях науки и техники, как агробиология, медицина, машиностроение и приборостроение, химическая промышленность, металлургия и др. Особенно интенсивное развитие статистических методов исследования наблюдается в последние годы. Совсем недавно на основе теории вероятностей создалась совершенно новая дисциплина—теория информации, первоначальной задачей которой было изучение вопросов, связанных с передачей сигналов в радиотехнике. На базе теории информации стала развиваться кибернетика—наука об управлении. Совершенно неожиданно теория информации нашла применение в оптике. Весьма перспективным представляется сейчас применение идей теории информации при документации научных и технических материалов. В связи с интенсивным развитием ядерной физики появилась новая область применения теории вероятностей—статистика счета ядерных частиц. [c.7]

Впервые вопрос о роли последовательности оснований был поднят около 15 лет назад. Понадобилось целых 10 лет для того, чтобы математики, физики, химики, биологи и специалисты по теории информации, работая в тесном содружестве, сумели выяснить эту роль и получить экспериментальное подтверждение своих выводов. [c.48]

Подводя итоги, отметим, что центральная догма молекулярной биологии, сформулированная Криком, позволяет четко определить структуру взаимоотношений между информационными макромолекулами в биологических системах. Наследственная информация, закодированная в ДНК, передается молекулам РНК и затем через стадию трансляции выражается в структуре белковых молекул. В определенных условиях, например при инфекции некоторыми вирусами, этот общий для всех клеток путь переноса информации может несколько видоизмениться. Так, при вирусной инфекции информация может передаваться от молекул родительской РНК к дочерним молекулам РНК или от молекул РНК к ДНК. Наследственная информация, закодированная в нуклеотидной последовательности, переводится в аминокислотные последовательности белков. По всей вероятности, этот этап переноса информации, включающий стадию трансляции, не является обратимым. Белковые молекулы представляют своего рода ловушку в потоке генетической информации. Эволюционное развитие этой системы должно было завершиться на заре истории возникновения жизни на Земле. Вопрос о том, как конкретно могла протекать эта эволюция, дает прекрасную почву для различного рода теорий и гипотез. К сожалению, проверка какой-либо из таких гипотез сопряжена с необычайными трудностями. [c.62]

Рецепция и возникновение информации. Результаты приведенных расчетов, основанных на представлениях теории информации, подтверждают сделанный выше вывод о том, что специфика информационных процессов в биологии определяется не повышенной информационной емкостью молекулярных структур, а особенностями самих информационных процессов. Речь идет о характеристиках процессов рецепции, запоминания и передачи информации другим акцепторным системам организма. [c.162]

В современной биологии широко используется термин наследственная (генетическая) информация . Под этим термином следует понимать специфические особенности структур и функций, которые могут передаваться от одного элемента живой системы другому. В теориях информации оперируют понятиями кодирование (код) и декодирование . Код — условная система записи, т. е. запись, состоящая из информационных элементов, временно заменяющих действительные структуры или взаимодействующие системы. При декодировании происходит перевод сообщений с языка кода на язык действий этот процесс иначе называется считыванием информации. С помощью кода (кодирования) производится запись информации и ее хранение. Информацию можно размножать, копировать. [c.57]

Современная биология располагает богатой информацией о синаптической передаче. Эти данные пока недостаточны для построения молекулярной теории, но позволяют наметить пути ее развития. [c.382]

Обзор по любому аспекту газожидкостной хроматографии (ГЖХ) значительно обогащается, если ему предшествует относительно короткая история предмета. В 1950 г. подобный обзор был бы совсем коротким. Он содержал бы единственную ссылку на утверждение Мартина и Синга, относящееся к 1941 г. Подвижная фаза не обязательно должна быть жидкостью, она может быть и паром... Можно, следовательно, осуществлять очень тонкие разделения летучих веществ в колонке, в которой сквозь слой геля, пропитанного нелетучим растворителем, течет постоянный поток газа... [1]. В 50-х годах произошло значительное развитие теории, методов и применений ГЖХ. Однако в статье, написанной в 1960 г., кроме того факта, что методы ГЖХ нашли широкое признание в анализе жирных кислот (и в гораздо меньшей степени при определении метилированных сахаров), содержалось бы относительно мало информации, которая могла бы возбудить повышенный интерес любого химика, кроме восприимчивых ко всему новому и полных воображения биохимика и химика-фармацевта . Оказалось, что больше всего усилий в развитии метода было приложено в области анализа углеводородов. Именно в 1960 г. была впервые продемонстрирована возможность успешного применения ГЖХ для анализа биологически активных соединений с большим молекулярным весом. Оказалось, что методы, созданные для анализа стероидов [3], применимы и для анализа алкалоидов [4]. Вследствие этого в течение последующих нескольких лет колонки с сорбентами, с небольшим содержанием высокотемпературной неподвижной фазы на дезактивированных носителях, а также с ионизационными детекторами высокой чувствительности применили для разделения большого числа разнообразных природных и синтетических веществ, представляющих интерес с точки зрения биологии. Среди исследованных веществ были аминокислоты, ароматические кислоты, витамины, растворимые в жирах и маслах, сахара, биогенные амины, различные лекарственные препараты и другие [5]. В последнее время благодаря применению реагентов, которые позволяют полу- [c.282]

Изложенные соображения о явлении ионной сольватации и возможностях его теоретического объяснения не претендуют ни на полноту, ни на строгость. Они только иллюстрируют направление мыслей авторов в этой области в настоящее время. Для развития теории сольватации необходимо охватить всю информацию, в том числе, что очень важно, из смежных областей прикладного характера (например, кинетика химических реакций в органических средах, радиационная химия, биология и т. д.). [c.103]

Дальнейшим стимулом к изучению твердого состояния явилось предположение [161], что теория твердого тела может найти определенное применение в биологии. Основой для таких предположений послужила, конечно, часто встречающаяся в биологических системах относительная одно- и двумерная упорядоченность. Многие биологические проблемы, связанные с передачей информации, могли бы быть в какой-то степени разрешены, если бы большие совокупности молекул можно было рассматривать как полупроводники. К сожалению, это, по-видимому, не так. С точки зрения теории твердого тела совокупности протеиновых молекул не следует придавать большого значения только потому, что она играет биологически важную роль. В сущности дегидратированная биологическая ткань оказывается таким же изолятором, как любое органическое вещество, и не понятно, что нового для теории твердого органического тела можно получить, работая с этими нечистыми аморфными веществами. [c.45]

В 1945 г. Шредингер написал книгу Что такое жизнь с точки зрения физики , оказавшую существенное влияние на развитие биофизики и молекулярной биологии. В этой книге внимательно рассмотрено несколько важнейших проблем. Первая из них — термодинамические основы жизни. На первый взгляд имеется решительное противоречие между эволюцией изолированной физической системы к состоянию с максимальной энтропией, т. е. неупорядоченностью (второе начало термодинамики), и биологической эволюцией, идущей от простого к сложному. Шредингер говорил, что организм питается отрицательной энтропие1и>. Это означает, что организмы и биосфера в целом не изолированные, но открытые системы, обменивающиеся с окружающей средой и веществом, и энергие . Неравновесное состояние открытой системы поддерживается оттоком энтропии в окружающую среду. Вторая проблема — общие структурные особенности органиа-мов. По словам Шредингера, организм есть апериодический кристалл, т. е. высокоупорядоченная система, подобная твердому телу, но лишенная периодичности в расположении клеток, молекул, атомов Это утверждение справедливо для строения организмов, клеток и биологических макромолекул (белки, нуклеиновые кислоты). Как мы увидим, понятие об апериодическом кристалле важно для рассмотрения явлений жизни на основе теории информации. Третья проблема — соответствие биологических явлений законам квантовой механики. Обсуждая результаты радиобиологических исследований, проведенных Тимофеевым-Ресовским, Циммером и Дельбрюком, Шредингер отмечает, квантовую природу радиационного мутагенеза. В то же время применения квантовой механики в биологии не тривиальны, так как организмы принципиально макроскопичны. Шредингер задает вопрос Почему атомы малы Очевидно, что этот вопрос лишен смысла, если не указано, по сравнению с чем малы атомы. Они малы по сравнению с нашими мерами длины — метром, сантиметром. Но эти меры определяются размерами человеческого тела. Следовательно, говорит Шредингер, вопрос следует переформулировать почему атомы много меньше организмов, иными словами, почему организмы построены из большого числа атомов Действительно, число атомов в наименьшей бактериальной клетке [c.12]

К 1940 г. началась новая эпоха генетических исследований. В это время к природе гена стала проявлять интерес группа людей, отличавшихся от классических генетиков как по своему складу, так и по своим устремлениям. Многие из этих новичков были мало знакомы не только с достижениями генетики, накопленными за предыдущие десятилетия, но даже и с биологией вообще. Некоторые из них просто не имели обо всем этом никакого представления. Они по образованию были в основном физиками, и их биологические интересы ограничивались в значительной степени только одной проблемой какова физическая основа генетической информации Конечно, не было ничего нового в том, что физики обратились к решению биологических проблем. Многие выдающиеся открытия в биологии XIX в. были сделаны физиками Луи Пастер, Г. Гельмгольц и сам Мендель были по образованию физиками. Но специфическое обращение физиков к генетике в 40-х годах было вызвано совершенно особой причиной. Как раз в то время, когда в просвещенных кругах перестали исповедовать старомодный витализм (учение о том, что явление жизни в конечном счете можно объяснить только существованием мистической жизненной силы , по своей природе не являющейся ни физической, ни химической), Нильс Бор выдвинул идею, что некоторые биологические явления, возможно, нельзя будет объяснить полностью, исходя лишь из традиционных физических понятий. После того как он сформулировал квантовую теорию атома. Бор развил более общие представления. В соответствии с этим взглядом невозможность описания классической физикой квантового поведения представляет собой лишь эвристический пример того, как столкновение с явлением, кажущимся глубоким парадоксом, приводит со временем к более высокому уровню знания. Бор изложил этот взгляд в речи Свет и жизнь на Международном конгрессе по светолечению в 1932 г. На первый взгляд, —сказал Бор, —это положение может показаться крайне прискорбным, но, как часто случалось в истории науки, когда новые открытия выявляли существенную ограниченность понятий, универсальная применимость которых до того не подвергалась сомнению, это позволило нам расширить свой кругозор и дает большую возможность устанавливать связь между явлениями, которые д о того могли казаться даже противоречащими друг другу . Бор, в час тности, считал, что хорошо бы иметь в виду такую возможность и при исследовании жизни Признание огромной важности существенно [c.31]

Жидкие кристаллы — это агрегатное состояние вещества, промежуточное между кристаллическим твердым телом и аморфной жидкостью. Для жидких кристаллов характерно то, что они обладают чрезвычайно подвижной структурой, изменяющейся под воздействием сравнительно слабых внешних факторов, и это ведет к изменению макроскопических физических свойств образца. Следовательно, жидкие кристаллы — материалы с легко управляемыми свойствами, и в последние годы они нашли практическое применение в самых современных областях науки и техники, Большой интерес ученых к этому состоянию вещества обусловлен также важностью жидкокристаллических структур в молекулярной биологии и тем, что они дают богатую информацию для развития и совершенствования теории конденсированных сред. За последнее десятилетие по проблеме жидких кристаллов проведены 14 международных и региональных конференций, 4 всесоюзных конференции и одна школа. В Советском Союзе опубликован ряд монографий по жидким кристаллам, посвященных экспериментальным исследованиям [1, 3—5], вышли книги теоретического характера [2,6] в переводе на русский язык. [c.5]

Впервые появившись в работе Р. Клаузиуса Механическая теория тепла в связи с формулировкой второго закона термодинамики, понятие энтропия впоследствии прочно утвердилось в различных отраслях научного знания теории информации, биологии, химии, политэкономии и других. Однако, практически, внедрение этого понятия в ту или иную область науки сопровождается многочисленными критическими замечаниями, связанными с обоснованностью термодинамических аналогий. Используемая в теории информации теоретико-информационная энтропия , введенная на строгой формальной основе, имеет гораздо больший авторитет в научных исследованиях и практических приложениях. Обращаясь к современному состояншо развития понятия энтропия , необходимо отметить, что оно было принято более на интуитивном уровне и исходя из многочисленных экспериментов, подтвердивших тот факт, что любая изолированная физическая система, выведенная из первоначального состояния равновесия путем некоторого внешнего воздействия, переходит в новое состояние равновесия с меньшими способностями к превращениям, нежели она имела в первоначальном состоянии. Поэтому на интуитивном уровне стало возможным приращение энтропии интерпретировать как меру способности физической системы к превращениям, а равновесное состояние, которое стремится принять изолированная система в результате внешнего воздействия, считать наиболее вероятным. [c.100]

Монография посвящена молекулярно-физиче-ским основам явлений жизни, причем биофизика рассматривается как область физики. Во введении излагаются общие проблемы взаимосвязи физики и биологии, термодинамика и теория информации применительно к биологическим процессам. Далее рассматриваются химические основы биофизики и физика макромолекул. Центральное место в монографии занимают проблемы физики белков и, в частности, физики ферментативных процессов. Отдельные главы посвящены теоретическим основам рентгенографических, оптических и спектроскопических методов исс.педования биополимеров, а также физике нуклеиновых кислот и их функционированию в биосинтезе белка. Книга основана на достижениях современной науки и, в частности, на работах автора и его сотрудников. [c.4]

M. Ичас, в сб. Теория информации в биологии , ИЛ, 1960. [c.115]

М.б. выделилась из биохимии и оформилась как самостоят. раздел науки в нач. 50-х гг. 20 в., когда была открыта пространств. структура молекул ДНК в виде двойной спирали (Дж. Уотсон, Ф. Крик). В становлении М. б. сыграли большую роль идеи и методы классич. генетики, микробиологии, вирусолопш, физики полимеров, теории информации. Соер. М. б. постепенно переходит к изучению все более сложных вадаюл. структур, включая органеллы клетки и саму клетку. Поэтому в М. б. существует ясно выраженная тенденция сближения с клеточной биологией, изучающей осн. проявления жизни на клеточном уровне. [c.346]

Основные научные работы относятся к физике молекул и макромолекул и биофизике. Автор теории интенсивностей в колебательных спектрах многоатомных молекул (1948), статистической теории физических свойств макромолекул. Выполнил ряд теоретических и экспериментальных (спектроскопических и др.) исследований биополимеров. Разрабатывает математические модели биологических процессов и новые приложения теории информации в биологии. Автор ряда монографий Колебания молекул (1949, совместно с М. А. Ель-яшевичем и Б. И. Степановым), Молекулярная оптика (1951), Строение и физические свойства молекул (1955), Конфигурационная статистика полимерных цепей (1958), Молекулярная биофизика (1975), Общая биофизика (1978) и др. [c.114]

Имя Г. Кастлера хорошо известно всем ученым, интересующимся вопросами применения теории информации в биологии. В этой книге с исключительной четкостью рассмотрены весьма тонкие вопросы об информационном содержании биологических систем, о путях спонтанного возникновения сложных организаций, способных к созданию, накоплению и передаче информации, о конкретных механизмах функционирования ферментов и генетического аппарата с информационной точки зрения. Книга написана прекрасным языком, читается с захватывающим интересом. Хотя изложение всегда строго и книга не может быть отнесена к числу научно-популярных, чтение ее требует знания математики в объеме, не превышающем курса средней школы (если не считать самых элементарных сведений по теории информации). Монография Кастлера, безусловно, привлечет внимание широких кругов биологов, математиков и физиков. Нет сомнения, что она найдет читателей и среди неспециалистов, учащихся старших классов, студентов и просто лиц, интересующихся одним из самых увлекательных вопросов современной науки. [c.432]

В связи с изложенным использовать аппарат механики и термодинамики можно, лишь проанализировав условия его примейй-мости и выделив соответствующие степени свободы (или области фазового пространства) биологической системы. В сущности, это делается при рассмотрении любой искусственной конструкции. Например, рассматривая газ в цилиндре с поршнем, мы Заранее выделяем механические степени свободы (связанные с поршнем) и термодинамические (связанные с газом). В большинстве случаев разделение столь очевидно, что внимание на этом не акцентируется. В биологии это не столь тривиально и требует специального анализа. Дело осложняется тем, что даже в физике Соотношения между Механикой, статистической физикой и теорией информации являются сейчас предметом Дискуссии. [c.259]

Как отмечал один из основоположников теории информации Р. Хартли, в обычном понимании термин информация слищком эластичен и для каждой области исследования необходимо установить его специфический смысл (Hartley, 1928). Так как в дальнейшем мы столкнемся с проблемой количественного измерения информации, целесообразно уточнить некоторые термины, которые были включены в область молекулярной биологии из областей математической статистики и теории связи. [c.89]

Первые панпарадигмы зародились на Земле в прошлом веке. В конце прошлого и начале нашего столетия была завершена их формулировка. С этого момента началась наблюдаемая сейчас научно-техническая революция. Роль панпарадигм играют основные положения теории информации, теории относительности, квантовой механики, астрономии, химии, биологии и т. д. Из них в лидеры вырвались первые три дисциплины, которые принято именовать основой современного естествознания. Именно эта основа служит ныне прокрустовым ложем науки. [c.17]

Своими огромными успехами за последние годы биология связана тому, что она вступила в самое тесное соприкосновение с физикой, химией и математикой. Эти успехи полностью подтвердили основное положение знаменитой книги Шредингера Что такое жизнь с точки зрения физики о том, что механизм жизнедеятельности может быть полностью описан физическими законами. В настоящее время представляется почти очевидным высказанное Шрединге-ром еще около 30 лет назад фундаментальное положение о том, что постоянство наследственных свойств не является молекулярно-статистическим, а существенным образом связано со свойствами индивидуальных молекулярных структур стабильность последних имеет ту же природу, что и стабильность других атомно-молекулярных систем, и объясняется дискретностью их энергетического спектра, а изменения носителя наследственных признаков (ДНК) — мутации — представляют собой квантовые переходы Благодаря этим представлениям, а также существенному использованию идей теории информации, дающих конкретное выражение формулы Шредингера возникновение порадка из йирядка , стали возможными выдающиеся открытия в биологии в области явлений наследственности, приведшие к выяснению роли нуклеиновых кислот. [c.3]

Биофизика есть физика живых организмов. Термодинамический и теоретико-информационный анализ явлений жизни снял кажущиеся противоречия между физикой и биологией. Нельзя не согласиться с Эйгеном, когда он утверждает, что современная физика в принципе достаточна для объяснения явлений жизни, для обоснования биологии [13]. Такое обоснование требует введения новых понятий (например, понятия селективной ценности информации), но не построения принципиально новой физики. Новая физика, скажем, квантовая механика или теория относительности, возникала в результате установления границ применимости ранее принятых представлений. В биологии мы пока не встречаемся с такими границами для физики. [c.46]

В свете современного развития науки стало очевидным истинное содержание так называемой антиэнтропийности жизни. Ранее подчеркивалась высокая упорядоченность клетки организма. Но упорядочены и кристаллы. Антиэнтропийность , если уж пользоваться этим понятием, выражается в ограниченной применимости понятия энтропии (и соответственно эквивалентного понятия количества информации) к живой системе. Будучи динамической, машинной , а не статистической системой, живой организм следует, конечно, законам термодинамики, но должен описываться в иных терминах. Развитию организма отвечают очень малые изменения энтропии. Для информационной трактовки явлений жизнедеятельности понятие о количестве информации бесплодно. В биологии существенно не количество, а качество информации, ее программирующее значение, ее ценность. Так, в теории Эйгена в качестве характеристики, определяющей молекулярную селекцию и эволюцию, фигурирует селективная ценность, выражаемая через кинетические величины. [c.611]

Ф. Гродинз. Теория регулирования и биологические системы. Изд-во Мир , 1906. См. также Процессы регулирования в биологии . Сб. статей, ИЛ, 1960, Концепция информации и биологические системы . Сб. статей. Изд-во Мир , 1966. Л. А. Николаев. ЖФХ, 1966, 11, 2665. [c.73]

Этим мы заканчиваем еще одну главу современной биологии и начинаем новую. Она будет опять-таки посвящена функциональным механизмам, на сей раз так называемым жханизмам регуляции. При этом совершенно иными средствами будет вновь доказано, что клетку никак нельзя уподобить мешку, наполненному ферментами. Правда, актуальность этой главы определяется совсем другим во-первых, тесной связью с точными науками, например с теорией управления, и, во-вторых, установлением того факта, что накопленная информация — это еще далеко не реализованная информация. Хозяйство в клетке ведется отнюдь не беспланово, а исключительно бережливо, при постоянном контроле и даже планировании. [c.269]

Поэтому Аристотель предположил, что роль отцовского семени состоит не в том, чтобы снабжать эмбрион готовыми составными элементами, а в том, чтобы поставлять схемы, в соответствии с которыми бесформенная еще кровь матери должна формировать потомков. Таким образом, Аристотель представлял себе, что в основе биологического наследования лежит не передача от поколения к поколению готовых образцов различных частей тела, а перенос информации, направляющей эмбриональное развитие индивидуума. Это глубокое проникновение Аристотеля в сущность наследственности было забыто на целых двадцать три века. Из аристотелевой биологии воспроизведения помнили в основном лишь описания фантастических гибридов, получаемых якобы от скрещиваний между очень далекими видами животных. Например, верили, что жираф — это порождение верблюда и леопарда, или что угри выходят на берег, чтобы скреститься со змеями. Мало нового в понимание наследственности внесла и эпоха Возрождения, которая вновь пробудила интерес к естественным наукам и положила начало отказу от догматических суеверий. В это время популярность завоевала теория преформации — представление, еще более упрощенное, чем учение Гиппократа. Сторонники этой теории рассматривали процесс индивидуального развития как простой рост преформированного крошечного человечка, гомункулуса, содержащегося либо в семени отца, либо в крови матери. Отсюда вытекало, что все последующие поколения людей уже были преформированы в предыдущих поколениях и в конечном счете — в Адаме или в Еве, в зависимости от той относительной роли, которую отводили мужчине и женщине в этой бесконечной системе вложенных один в другой китайских шаров. Лишь после радикально нового подхода, созданного Менделем, наступила заря новой эры, и в конце концов были открыты механизмы, управляющие процессом самовоспроизведения у человека и других живых существ. [c.14]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология