В. Корогодин - Информация как основа жизни

Биосферу в целом можно подразделить на косные и живые компоненты. Косные компоненты – это химические соединения и физические тела, не входящие в данный момент времени в состав живых организмов. Это, прежде всего, газы, находящиеся в свободном состоянии (в атмосфере) или растворенные в водных бассейнах, вода в виде водяного пара, рек, озер, морей, океанов и ледников, различные неорганические и органические соединения, растворенные в этой воде и накапливающиеся в донных отложениях и почве, еще не претерпевшие полной деструкции отмершие компоненты живых организмов (листья, сучья, сброшенная при линьке шерсть и т. п.) и трупы самих этих организмов (от вирусов и бактерий до слонов и баобабов). По самой приблизительной оценке косные компоненты составляют более 99%, а на живые приходится меньше 1% от общей массы биосферы. Косные компоненты распределены по всей биосфере относительно диффузно. Значительное количество их включено в постоянный биологический круговорот, т. е. периодически входят в состав биоты. Химические соединения, выходящие из биологического круговорота и слагающие мощные осадочные породы, будем считать находящимися вне пределов биосферы.

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 (2,3·10 16г), около 99% − на зеленые растения (2,4·10 18г). 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.

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.

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 τ 1удвоения числа слагающих ее особей в условиях данной экологической ниши s и средней продолжительностью их жизни τ 2, в данных условиях. Параметр L = τ 1/τ 2= V P/V rотражает 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 τ 1= τ 2( L = 1) наблюдается простое их воспроизведение, и численность популяции сохраняется на некотором постоянном уровне; в случае же τ 1< τ 2( L < I) преобладает отмирание, и численность популяции уменьшается.

Заметим, что при L = 1 состояние системы, представленной популяцией данных организмов Q 1, становится нестабильным, точнее − губительным для этой популяции: любые флуктуации среды обитания, в том числе сдвиги внутри экосистемы, вызывающие даже временное превышение τ 2, по сравнению с τ 1, будут приводить систему к гибели.