Информация как основа жизни - В. Корогодин

В отличие от косных компонентов, живые компоненты биосферы четко структурированы. Элементарными структурами биосферы являются биоценозы, слагаемые, в свою очередь, трофически взаимодействующими популяциями, состоящими из отдельных индивидуумов.

По примерным данным, около 1% от всей биомассы Земли приходится на микроорганизмы и животных (2,3·1016 г), около 99% − на зеленые растения (2,4·1018 г). Только 0,13% биоты обитает в океанах, а остальные 99,87% − на континентах. В настоящее время на Земле известно около 100 тыс. видов микроорганизмов (бактерии, простейшие, грибы и водоросли), 150 тыс. видов высших растений и 1 млн. видов животных, из которых более 800 тыс. приходится на членистоногих. В отдельные биоценозы входят десятки и сотни взаимодействующих друг с другом видов, представленных популяциями, состоящими из сотен (для животных), тысяч (для растений) и миллионов (для микроорганизмов) особей. Жизнедеятельность этих последних (т. е. отдельных индивидуумов) и обусловливает, в конечном счете, стабильность характеристик биосферы и ее элементный состав.

Круговорот веществ в биосфере и факторы, его обусловливающие

Как мы уже отмечали, характерной особенностью элементного состава биосферы является его постоянный круговорот, т. е. переход из косного в живое и обратно. Можно полагать, что различные химические элементы, захваченные в период становления биосферы вихрем этого круговорота, лишь медленно вырываются из него, устремляясь в космическое пространство (молекулы газов) или выделяясь в виде водонерастворимых соединений, слагающих осадочные породы (известняки, сланцы), а также залежей углей, нефти и некоторых рудных месторождений. Столь же медленно им на смену в биосферу включаются новые атомы, извлекаемые хемотрофами из основных пород. Многократное "пропускание" через биологические компоненты одних и тех же атомов вещества есть один из основных законов функционирования биосферы. Но общее количество вещества, находящегося в "обороте", ограничено. Именно это, по-видимому, налагает основные ограничения на изменения количества живого вещества на нашей планете, определяя его постоянство.

Круговорот атомов в биосфере определяется тремя основными факторами: метаболизмом организмов, их размножением и их отмиранием. Во время становления биосферы, когда биомасса живого вещества возрастала, стремясь к своему пределу (на котором находится и по сей день), размножение, в общем, преобладало над гибелью и сопровождалось ростом дифференциации организмов по их трофическим функциям, т. е. увеличением числа видов. Этот период характеризовался вовлечением все большего количества атомов косного вещества в биологический круговорот. Однако по мере формирования биосферы, наряду с продолжающимися сменами ее видового состава и формированием все новых вариантов биоценозов, общая масса биоты возрастала все медленнее и наконец стабилизировалась на современном уровне. Произошло это не менее чем 2-3 млрд. лет тому назад.

Что положило предел этому процессу? Было ли это пределом возможности использования солнечной энергии или пределом доступности первичных источников атомов? Или это – гигантский аналог равновесия химических реакций, когда количество вновь синтезируемого продукта сравнивается с количеством разрушающегося? Или – результат насыщения "емкости" жизненного пространства? Как бы то ни было, можно полагать, что стабилизация количества биомассы на Земле была тесно связана с ускорением образования новых видов, т. е. с ускорением процесса эволюции.

Популяции

Эволюционирующими единицами являются не отдельные индивиды, а популяции [6], которые образуют информационные системы 1-го рода.

Как мы помним, каждый живой организм представляет собой информационную систему 1-го рода, состоящую из генетической информации и кодируемых ею операторов – его цитоплазматических и соматических компонентов. Популяции живых организмов составлены из множества информационных систем – организмов, связанных общностью происхождения и вписанных в тот или иной биоценоз, составляющий, вместе с окружающей средой, их экологическую нишу. Популяции организмов одного и того же вида могут быть включены не только в идентичные, но также в различающиеся биоценозы, в чем проявляется полипотентность присущей им генетической информации.

Каждую популяцию, из каких бы организмов она ни состояла, можно охарактеризовать двумя параметрами: средним временем τ1 удвоения числа слагающих ее особей в условиях данной экологической ниши s и средней продолжительностью их жизни τ2, в данных условиях. Параметр L = τ1/τ2 = VP/Vr отражает надежность системы в условиях s, обусловленную особенностями организации операторов Q1 и, следовательно, задаваемую кодирующей их генетической информацией I. Если τ1> τ2, (т. е. L > I), то, благодаря размножению организмов, происходит возрастание численности слагаемой ими популяции; при τ1= τ2 ( L = 1) наблюдается простое их воспроизведение, и численность популяции сохраняется на некотором постоянном уровне; в случае же τ1< τ2 ( L < I) преобладает отмирание, и численность популяции уменьшается.

Заметим, что при L = 1 состояние системы, представленной популяцией данных организмов Q1, становится нестабильным, точнее − губительным для этой популяции: любые флуктуации среды обитания, в том числе сдвиги внутри экосистемы, вызывающие даже временное превышение τ2, по сравнению с τ1, будут приводить систему к гибели.

Существует давно сформулированная теорема [7], согласно которой при L = 1 популяция обречена на гибель по чисто внутренним причинам. С течением времени численность такой популяции все более флуктуирует, и, когда она приблизится к нулю, популяция исчезнет. Конечно, время гибели популяции при L = 1 сильно зависит от ее исходной численности, но результат остается неизменным: даже при сколь угодно большой исходной численности п0 популяции при t ® ∞ вероятность ее выживания р ® 0. Конечно, уменьшение τ2, ускорит наступление гибели популяции. Поэтому можно утверждать, что стабильность или надежность популяции определяется неравенством L > 1 и тем выше, чем больше величина параметра L [8].

Давление жизни и жизнеспособность популяций

Утверждение, что при L = 1 информационная система обречена на гибель, очень сильное и поэтому требует специального обоснования. Условие L > 1 означает, что численность объектов, представляющих данную информационную систему, возрастает в геометрической прогрессии. В действительности, как мы знаем, этого не происходит – численность природных популяций в среднем стабильна. Значит, отношение L > 1 равносильно "давлению жизни" и отражает ту "силу", с которой данная популяция как бы противостоит разрушительному воздействию на нее различных внешних "помех".

Если численность популяции, по каким-либо причинам, снизилась ниже некоторого критического уровня, такая популяция, как правило, деградирует и исчезает. Только условие L > 1 позволяет популяции сохранять свою численность выше критического уровня при усилении давления извне (усилении помех) и достигать оптимального значения при ослаблении такого давления. В случае же L = 1 ослабление давления среды не будет сопровождаться ростом численности популяции, а любое усиление помех будет приводить к уже некомпенсируемому уменьшению ее численности и, в конце концов, к ее вырождению.

Экосистемы, их компоненты и характеристики

Чтобы яснее представить себе положение популяций в экосистемах, вспомним одно из основных свойств любого целенаправленного действия − сопровождающее его производство побочных продуктов w.

Компоненты, слагающие побочные продукты, по определению не могут быть реутилизированы образующими их в процессе своей жизнедеятельности организмами. Если w "обезвреживаются" в s, они не будут угрожать существованию своих "продуцентов". Но если w накапливаются в s, это неизбежно приведет к "отравлению" среды обитания таких продуцентов и, как следствие, к гибели их популяции, даже при избыточном содержании в этой среде ресурсов, необходимых для их самовоспроизведения: ни один организм не может существовать в среде, перегруженной отходами его жизнедеятельности [9].

Таким образом, условиями существования самовоспроизводящихся информационных систем являются: неуменьшение ресурсов R данной среды обитания s ниже некоторого предела, и неувеличение содержания в ней побочных продуктов w выше некоторого порогового значения.

Таким образом, w представляет собой биогенный компонент среды обитания организмов, угрожающий существованию тем из них, которые его производят.

Но это – лишь один аспект w. Второй его аспект − это то, что w, в принципе, могут быть утилизированы другими организмами, кодируемыми информацией с большим значением В и способными разрабатывать экологическую нишу более высокого яруса жизни (см. главу 5). Если бы этого не происходило, то, сколь бы велико ни было жизненное пространство s, со временем оно оказалось бы перегружено продуктами жизнедеятельности организмов исходной популяции и вместо "кишащего жизнью бассейна" превратилось бы в "выгребную яму".