Информация в живой природе и технике

Информация в живой природе и технике

Наследственность и изменчивость

Живые организмы похожи на своих предков, т.к. наследственная информация передается из поколения в поколение. Наследственность передается самовоспроизведением генов, находящихся в хромосомах ядра клетки, и вместе с изменчивостью обеспечивает постоянство и многообразие форм жизни. Кроме того, в течение всей жизни организма генетический аппарат следит за тем, чтобы организм оставался самим собой.

Живые организмы с точки зрения кибернетики – науки об управлении, связи и переработке информации – самоорганизующиеся и самообучающиеся системы.

Общим в работе нервной системы животных и компьютера является получение, запоминание и переработка информации. Но в том, как они это делают, есть существенные различия.

Компьютер отличается от мозга животных и человека, прежде всего, большим быстродействием. При этом все вычисления, в соответствии с архитектурой Неймана, компьютер производит только последовательно, шаг за шагом.

Мозг человека, обладает гораздо меньшим быстродействием, однако огромное количество (несколько миллиардов) нервных клеток – нейронов 0 способно производить параллельные «вычисления». Необходимым условием работы мозга является наличие памяти, как оперативной, так и долговременной.

Рассмотрим более подробно, как происходит передача наследственных признаков потомству. Эти вопросы изучает генетика – наука о законах наследственности и изменчивости организмов.

Клетка состоит из ядра и остального содержимого, находящегося в цитоплазме. Органеллы клетки отвечают за различные процессы. Для реализации процессов органеллам нужны белки. Синтезом всех белков занимаются мельчайшие структуры в цитоплазме – рибосомы.

В XIX в. биологи обратили внимание на хромосомы, которые помещаются в ядре клетки. Оказалось, что каждому виду растений или животных свойственно определенное число хромосом. В процессе деления клеток хромосомы удваиваются, и каждая дочерняя клетка снова имеет полное их число. В результате был сделан вывод, что передача потомству наследственных признаков связана именно с хромосомами.

Эксперименты Менделя доказали существование индивидуальных наследственных факторов – генов. Позднее ученые школы Моргана доказали, что гены размещаются в хромосомах, они расположены линейно и сцеплены между собой, а во время созревания половых клеток могут разъединяться.

Материальную природу генов удалось раскрыть Д.Уотсону и Ф.Крику. Они предложили структурную модель так называемой двойной спирали дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) – высокополимерного природного соединения. ДНК вместе с белками образует вещество хромосом. Структурная модель объясняла, каким образом генетическая информация записывается в молекулах ДНК, и позволила высказать предположение о химических механизмах самовоспроизведения этих молекул. Отдельные участки ДНК соответствуют определенным генам. Молекула ДНК состоит из двух цепей, закрученных одна вокруг другой в спираль, поэтому она называется двойной спиралью. Эти цепи построены из большого числа мономеров четырех типов – нуклеотидов. Сочетание нуклеотидов, стоящих рядом в цепи ДНК, составляет генетический код. Нарушение их последовательности приводит к мутациям – наследственным изменениям. ДНК точно воспроизводится при делении клеток. Это обеспечивает передачу наследственных признаков в ряду поколений отдельных клеток и целых организмов.

Основой жизни растений и животных являются белки. Они представляют собой сложные органические соединения, состоящие из различного числа аминокислот. Синтез всех белков происходит в клетках, а их специфические особенности определяются генетической информацией, хранящейся в ДНК хромосом.

Учеными генетиками был изучен механизм поступления информации, закодированной в генах, из ядра клетки в цитоплазму, где происходит синтез белков, необходимых для жизни организма. Для выполнения своих функций органеллам нужны различные белки. Американский молекулярный биолог П. Блобел открыл основные принципы управления подбором белков, необходимых для каждой органеллы. Он обнаружил адресную последовательность в молекуле белка: своеобразную «этикетку с адресом доставки», которая обычно расположена на кончике молекулы. «Прочитав» эту «этикетку», части клетки принимают нужный им белок.

Белковые молекулы выполняют различные функции и являются главным веществом и главной действующей силой организма животных.

Итак, гены представляют собой участки молекулы ДНК. В каждой такой молекуле могут заключаться многие тысячи генов, каждый из которых кодирует определенных наследственный признак.

Успехи молекулярной генетики привели к созданию генной инженерии. Ее задача заключается в целенаправленном конструировании новых, еще не существовавших в природе сочетаний генов с помощью методов биохимии и генетики. Методы генной инженерии основаны на извлечение из клеток какого-нибудь организма одного гена или целой их группы. Гены соединяются с определенными молекулами нуклеиновых кислот, затем полученные гибридные молекулы внедряют в клетки другого организма.

По существу, биотехнология является одним из видов информационных технологий. Специфика ее состоит в том, что информация «зашита» в генах.

Клонирование

Соматические клетки, как и половые, снабжены полной генетической информацией о развитии организма. Но каждая из этих клеток снабжена еще и информацией о своей будущей специализации. Если от соматической клетки получить потомство, то новый организм будет полной генетической копией своего родителя. Такой процесс называется клонированием. Однако клонировать можно все свойства, кроме интеллекта, ума, неповторимых черт личности.

Для клонирования из яйцеклетки удаляют ядро, содержащее половинный набор хромосом. Вместо него помещают ядро соматической клетки с двойным набором хромосом.

Следует сказать, что, хотя способности и характер человека определяются главным образом его индивидуальным генетическим кодом, многое в его поведении и судьбе зависит от среды, в которой он растет, воспитывается и живет.

Нервная система и память

Память – это способность сохранять и воспроизводить следы полученных впечатлений, т.е. сохранять и воспроизводить некую информацию. Именно благодаря памяти человек живет не только в настоящем, но и в прошлом, и в будущем; память дает возможность планировать поведение в соответствии с заложенными инстинктами, опытом, знаниями и окружающей обстановкой, т.е. принимать решения. Память нужна человеку в течение всей его жизни.

Необходимо отметить коренное отличие генетической информации от индивидуальной памяти. Оно состоит в том, что генетическая информация передается по наследству от организма к организму, тогда как индивидуальная память не наследуется, а приобретается человеком в процессе обучения и воспитания.

Источником возбуждения для нас является окружающий мир, его предметы и события, а каждое возбуждение оставляет свой след в нервной системе.

Нервная система состоит из особых клеток – нейронов. Каждый нейрон имеет тело и отростки – несколько коротких (дендриты) и один длинный (аксон). Нейроны в зависимости от формы бывают различных типов – пирамидальные, звездчатые, веретенные. С помощью дендритов и аксонов нейроны образуют общую нейронную сеть, способную воспринимать и передавать информацию, например, сигналы из внешнего мира. Передаваемые сообщения – сигналы – представляют собой последовательные импульсы, проходящие по аксонам и дендритам центральной нервной системы от одного нейрона к другому.

Максимальная частота передачи импульсов по нерву составляет 500 импульсов в секунду. Если сравнивать эту скорость со скоростью передачи сигналов в современном компьютере, близкой к скорости света (300 000 км/с), то она кажется ничтожно малой.

Область контакта между аксоном и нейроном, которому адресуются импульсы, называется синапсом. Число синапсов у различных нейронов различно. Синапс обладает свойством одностороннего проведения импульсов, что обеспечивает определенный порядок распространения возбуждения в нервной системе. Еще одно важнейшее свойство синапса – его пороговый характер. Синапс не реагирует на одиночные возбуждения. Только после накопления возбуждения выше определенного порога он передает их дальше по цепи нейронов, а через некоторый промежуток времени осуществляет синаптическую задержку импульса. Сами импульсы имеют биоэлектрическую природу, а пороговый характер синапсов и синаптическая задержка – биохимическую природу. В нервной системе происходят два противоположных активных процесса – возбуждение и торможение, являющиеся основными законами ее действия на всех уровнях. При этом возбуждение создает основной тон, а торможение его корректирует.

Общее число нейронов в мозге человека составляет гигантскую цифру: десятки миллиардов, а связей между ними – синапсов – на два порядка больше. Все вместе они составляют нейронную сеть.

Нейроны получают раздражение от рецепторов, воспринимающих внешние раздражения – зрительные, слуховые, обонятельные и осязательные. Рецепторы (от лат. receptor – принимающий) – это окончания чувствительных нервных волокон или специализированные клетки (сетчатки глаза, внутреннего уха и др.). Внешние раздражения преобразуются рецепторами в нервное возбуждение, передаваемое в центральную нервную систему.

Реакция организма, осуществляемая по командам центральной нервной системы в ответ на сигналы от рецепторов, - это рефлекс. Многие рефлексы срабатывают автоматически, без участия сознания, с помощью спинного мозга. Безусловные рефлексы являются формой памяти, заложенной в нас генетически, при рождении.

В течение жизни мы приобретаем множество условных рефлексов – еще один вид памяти, представляющий собой реакцию на определенные повторяющиеся события или время.

Оперативная память играет вспомогательную роль, давая возможность запоминать промежуточные результаты. При изучении оперативной (механической) памяти было замечено, что лучше всего запоминаются первые и последние цифры или слоги.

Долговременная память работает совсем не так, как оперативная, поскольку многие вещи нам нужно помнить практически всю жизнь.

Способность к обучению и запоминанию новой информации на многие десятки лет особенно сильно проявляется у детей в возрасте до трех лет. Именно в этот период ребенок получает не менее половины информации, которую он запоминает на всю жизнь.

Ослабление памяти в старости начинается с ослабления оперативной памяти – именно так проявляется склероз. Сохранению долговременной памяти в пожилом возрасте способствует интеллектуальная работа, в особенности при занятии любимым делом. Долговременная память у пожилых людей сохраняется гораздо дольше, чем оперативная.

В чем же состоит коренное отличие долговременной памяти от оперативной? Оперативная память в основном механическая. Однако запоминание можно сделать смысловым, установив какие-либо смысловые связи.

Определенная часть запомненной информации отбирается и передается на хранение в долговременную память.

Предметы и понятия хранятся в нашей памяти в виде образов, имеющих расплывчатый, обобщенных характер. Например, образ стола, стула или шкафа не имеет каких-то конкретных деталей, а носит схематический, условный характер, при этом обладая всеми основными признаками предмета. В памяти человека хранится огромное количество таких образов и понятий.

Какое же количество информации может запомнить человек за всю жизнь? Он способен обработать около 20 бит информации в секунду, т.е. оценить около миллиона различных возможностей за ту же секунду. В день за 14 часов можно обработать 18 млрд бит. Для хранения такой информации достаточно одной тысячной части всех нервных клеток мозга. Человек способен вспомнить нужную информацию за десятые доли секунды, для чего требуется скорость поиска около 50 млрд бит в секунду. Обработка такого гигантского количества информации обеспечивается параллельной работой нервных структур, в отличие от компьютера, где все операции происходят только последовательно.

Общеизвестна догма: нервные клетки не восстанавливаются. Недавние исследования ученых показали, что это неверно. В течение жизни человека в мозговой ткани происходит образование новых нейронов. Предполагают, что этот процесс связан с действием механизма долговременной памяти.

Искусственный интеллект

Одно из самых загадочных явлений – распознавание человеком образов. Человек может узнать в толпе другого человека или его голос по телефону.

Человек распознает образы в течение всей жизни: он сравнивает увиденные и услышанные образы с хранящимися в его памяти и опознает знакомые. В соответствии с этим он принимает решения о своих действиях. Этот процесс представляет собой одну из самых сложных загадок человеческого мозга, на исследование которой уже потрачены многие годы и значительные научные силы. Знать механизмы распознавания образов очень важно для работы по созданию искусственного интеллекта и автономных роботов.

По мере продвижения работ в области искусственного интеллекта появляются новые его определения. Одно из самых полных принадлежит М. Мински: искусственный интеллект – «это наука по созданию машин, которые могут делать то, что им позволяет делать уровень человеческого интеллекта».

Начало работ по созданию машин, обладающих искусственным интеллектом, стимулировал Н. Винер своей книгой «Кибернетика, или Управление и связь в животном и машине», появившейся в 1948 г. Он выдвинул принцип обратной связи, заключающийся в использовании информации, поступающей из окружающей среды, для изменения поведения машины. В своей книге Винер доказывал, что благодаря обратной связи все живое приспосабливается к окружающей среде и добивается своей цели.

В ходе исследований Винер увидел глубокую аналогию между поведением машин и живых организмов в их приспособлении к изменениям в окружающей среде с помощью универсального механизма обратной связи – общего для техники и живой природы. Принцип обратной связи в технике, например, используется в автоматических регуляторах температуры, давления и т.п.

Между нервной системой и вычислительной машиной Винер установил следующую аналогию: важнейшей функцией обеих является память, «способность сохранять результаты прежних действий для использования в будущем». Он отметил, что существует память, необходимая для выполнения текущих процессов, например, умножения. При этом промежуточные результаты не имеют ценности после завершения процесса и должны уничтожаться. Такая память должна позволять быструю запись, считывание и стирание. Но существует память, предназначенная служить частью архива (постоянной записи) машины или мозга и составлять основу будущего поведения.

В то же время Винер увидел различия. Машина предназначена для выполнения многих последовательных программ, ее память может быть очищена при переходе от одной программы к другой, а мозг в нормальных условиях никогда не очищается от своих прошлых записей.

Говоря о памяти, Винер отмечает, что «хороший способ построить кратковременную память- это заставить последовательность импульсов циркулировать по замкнутой цепи до тех пор, пока эта цепь не будет очищена внешним воздействием». Весьма правдоподобно, что это и происходит в нашем мозгу при хранении импульсов, относящихся к так называемому мнимому настоящему. Этот способ был воспроизведен в вычислительных машинах.

Таким образом, Винер указал способ построения схем оперативной памяти с помощью обратной связи.

В 1943 г. нейрофизиолог У. Маккаллох и математик У. Питтс разработали теорию деятельности головного мозга. Основываясь на результатах изучения нейронов, они предложили гипотезу: нейроны можно упрощенно рассматривать как устройства, работающие в двоичном коде. На основе этой гипотезы они построили схему сети электронных «нейронов», способную выполнять любые числовые и логические операции. Конечную цель своих исследований Маккаллох и Питтс видели в создании «адаптивной сети», «самоорганизующейся системы» или «обучающейся машины». Эти устройства должны уметь следить за окружающей средой и с помощью обратной связи изменять свое поведение.

 

Механизм распознавания является одной из самых сложных задач в области искусственного интеллекта. При решении подобных задач важно изучение механизма извлечения знаний из долговременной памяти. У человека этот процесс происходит с помощью ассоциаций. Исследователи искусственного интеллекта пытаются создать нечто похожее. При решении задач приходится перебирать огромное число вариантов. При этом возможны три типа действий: случайный поиск, полный перебор и так называемый эвристический поиск.

Любое действие по поиску знаний заставляет перебирать дерево решений. Его называют так потому, что с каждым шагом поиск «ветвится» на новые варианты. При случайном поиске никакого метода поиска нет, все делается по принципу «если повезет». Но вероятность такого везения ничтожно мала, поэтому эффективность этого пути близка к нулю.

Полный перебор по заранее намеченному плану, безусловно, ведет к цели, но число вариантов может быть столь огромно, что время поиска может приближаться к бесконечности. Ярким примером такого перебора является игра в шахматы. Поэтому шахматисты ограничиваются перебором вариантов только на несколько ходов вперед. Чем глубже перебор, тем лучше играет шахматист. Ведь при этом он перебирает в памяти не только возможные варианты, но и множество уже встречавшихся комбинаций в партиях других шахматистов, известных данному игроку.

Но не только в этом заключается сила игрока. Каждый из шахматистов вырабатывает свои приемы, ведущие к правильной оценке каждой позиции и партии в целом. Творческий подход моделируется при эвристическом поиске.

При эвристическом поиске в каждой его точке применяются эвристики – правила, облегчающие результативность каждого варианта с точки зрения скорейшего достижения цели. Эвристики являются своеобразной заменой ассоциаций для компьютера.

«Шахматные программы» являются важной частью работ по созданию искусственного интеллекта, т.е. способности робота воспринимать и оценивать обстановку, а затем принимать самостоятельные решения в меняющихся условиях.

По прогнозам ученых, в этом веке появятся роботы, которые смогут соперничать по своим способностям с человеком. Пока интеллектуальные возможности современных персональных компьютеров находятся на уровне насекомого, но через несколько десятков лет, возможно, сравняются с млекопитающими. Будут ли компьютеры способны производить себе подобных и самостоятельно развиваться? Самые смелые футурологи надеются, что с использованием биологических технологий интеллект человека сольется с искусственным.

Участников: 0 и 35 гостей онлайн