Потоки информации в экологических системах

Общие положения

Информационные подходы в экологии

ЛЕКЦИЯ 19

Биологические системы представляют собой сложные и упорядочненные объекты, обладающие уникальной способностью сохранять и передавать информацию в виде структур и функций, которые возникают в результате длительной эволюции.

Понятие «информация» можно определить как существование явлений не в свойственной их природе материальной форме, но в форме отображений, изображений и сообщений. Информация возникает как изменение структуры, формы, свойств или энергии объекта-носителя.

В отличие от вещества и энергии информация может исчезать бесследно, ни во что не превращаясь (закон исчезновения информации).

Носителями информации могут являться все существующие каналы связи. В биологических системах этими каналами являются химические вещества (метаболиты, феромоны и др.), оптические сигналы (зрительные образы, фотопериод), механические колебания среды (звуковые сигналы), электромагнитные волны (биолюминесценция).

При этом информация существует как в структурах организмов, так и в потоках между структурами.

Таким образом, основу внутренней структуры экосистемы составляют не только вещественные и энергетические, но и информационные связи. Последние играют главную организующую роль в связях между популяциями отдельных видов, относящихся к одному или разным функциональным блокам экосистемы. Они, а также информационные связи с неживыми частями системы образуют единую информационную сеть, которая определяет все внутренние процессы.

Трофические связи являются наиболее важными компонентами экосистем, в узлах трофической сети, представленных организмами, накапливается информация и принимаются решения. Поэтому исследования информационных связей и потоков информации и их связей потоками вещества и энергии необходимы для понимания механизмов функционирования экосистем.

В биологии обычно потоки информации описываются независимо от потоков вещества и энергии. В действительности информация передается через материальные носители, для создания и считывания которых необходима энергия.

С точки зрения кибернетики информация (I) представляет собой отрицательную энтропию (S), или негэнтопию, т.е. I = - S. Энтропия характеризуется как величина энергии, поделенная на абсолютную температуру. Она является мерой необратимого рассеяния энергии и согласно принципу Больцмана связана с числом состояний (вероятностей) системы (р):

S = k lnp

где k – универсальная постоянная Больцмана, равная 1,38054 ^. 10^-23 дж/T, где Т - температура, ^оК.

Тогда:

I = -S = - k lnp

Поэтому поток информации энергии (ΔI) cвязан с потоком энергии (ΔF) простой зависимостью:

ΔI = ΔF/T

Поэтому наряду с потоками вещества и энергии в экосистемах существуют и потоки информации. Иногда малые по биомассе популяции, через которые протекает ничтожно малая часть энергии, трансформирующейся в экосистеме, оказывает сильнейшее воздействие на величины и направленность потоков энергии в ней.

Следует отметить, что энергетически слабые сигналы, принимаемые организмами (например, феромоны) имеют огромное значение для управления сложными биологическими системами.

Например, самцы некоторых видов насекомых воспринимают феромоны, выделяемые самками, на расстоянии до нескольких километров. При этом ничтожные (по энергетическому эквиваленту) количества вещества могут вызвать огромные вспышки численности насекомых-вредителей, что окажет огромное воздействие на изменение потоков энергии энергии в экосистеме (эффект светофора).

Отсюда качество, или важность информации (Р_I) можно определить согласно:

Р_I = ΔЕ_SIST/E_Sign

где ΔЕ_SIST - изменение величины потока энергии, проходящей через систему, E_Sign – энергия, затраченная на посылку сигнала.

Синтез вещества, запасание и расходование энергии в организме идут только при участии АТФ и других макроэргических соединений, в том числе нуклеозидов.

Нуклеозиды, являющиеся составными частями ДНК и РНК, участвуют также в переносе генетической информации, а значит, в увеличении и уменьшении энтропии.

Поэтому потоки информации в биологических системах можно определить по потокам фосфора. При отщеплении фосфат-иона от макроэргической связи происходит не только передача энергии, но и передача информации объемом в 1 бит.

Зная атомную массу фосфора и его содержание в организме, нетрудно рассчитать количество его молей. Каждый моль фосфора, проходящий через живые организмы, несет количество информации в битах, равное числу Авогадро (6 ^.10²³). Отсюда зная скорость оборота живой биомассы (P/B-коэффициент) и содержание в ней фосфора, возможно рассчитать количество информации в веществе, продуцируемом организмом за определенный период времени.

Например, количество фосфора, которое вовлекается в круговорот в биогеоценозе луга, составляет около 100 кг га^-1. Это соответствует ежегодному потоку информации, около 2 ^. 10²⁷ бит га^-1. Для сравнения скажем, что количество информации, содержащееся во всех книгах, на 13 порядков ниже.

Конечно, не все информационные потоки можно свести к потокам фосфора, организмы и популяции обмениваются множеством других сигналов. Однако исследования потоков информации в биологических системах еще только начинаются.

Дата добавления: 2014-01-07