Использование теории информации в биологии

Несмотря на то, что теория информации поначалу разрабатывалась исключительно для решения проблем технических систем связи, в 50-е гг. появились попытки использовать её и для описания живых систем.  Одна из первых таких попыток принадлежит Г. Кастлеру . Он совместно с С.Д. Данкофом  в 1953 г. предложил оценивать сложность организмов величиной их информационной ёмкости. Для этого нужно выделить структурные элементы живой системы, определить количество видов этих элементов и численность каждого вида элементов. После этого остаётся вычислить  количество двоичных разрядов, необходимых для полного кодирования всех структур. Основная проблема при этом состоит в решении вопроса, что принимать в качестве структурных элементов?

Авторы приняли, что структурными элементами организма являются молекулы, и что количество видов таких молекул более 500. Количество молекул было оценено исходя из того, что каждая молекула состоит в среднем из 100 атомов, а общее число атомов в организме примерно 7•1027. Было учтено также, что 90% массы представлено не структурообразующими молекулами (например, водой), а структурные молекулы могут иметь 12 различных способов ориентации в пространстве. В итоге полученная оценка информации о строении человека составила 5•1025бит. Если же принять за элементарные структуры атомы, то соответствующая оценка составит 2•1028 бит.

Более плодотворным оказалось применение теории информации для оценки систем передачи управляющих сигналов в живых организмах. К таким системам в первую очередь следует отнести кровеносную систему, которая является каналом передачи гормональных воздействий, и нервную систему, передающую сигналы по нервным волокнам в виде электрических импульсов.

Возможности кровеносной системы могут быть оценены исходя из того, что каждая переносимая по сосудам молекула может являться сигналом для соответствующего рецептора. С учётом средних размеров молекул каждый мм2 сечения сосудов может соответствовать примерно 1014 каналам связи. В действительности этих каналов меньше, поскольку не все молекулы могут выполнять сигнальные функции, а из сигнальных молекул не все двигаются по сосудам одновременно. Тогда с учётом скорости движения крови скорость передачи информации только по одному капилляру может достигать 1000 бит/с .

 Аналогичные расчёты для нервной системы, основанные на известных данных о частоте  генерирования нервных импульсов, показывают, что пропускная способность одной нервной клетки также составляет величину не менее 1000 бит/с

Самыми мощными рецепторами по восприятию внешних сигналов являются органы зрения. У высокоразвитых организмов на их долю приходится около 90% принимаемой информации. Световые сигналы воспринимаются клетками сетчатки (колбочки, палочки), которые формируют в глазу человека примерно 240 000 рецептивных участков. Каждый такой участок способен реагировать на смену интенсивности света 18 раз в секунду, что даёт 4,2 бит/с, откуда на глаз в целом приходится 106 бит/с .

Теория информации была применена и для оценки информационной сложности экологических систем. В этом случае за элементарную структурную единицу принимается один организм (особь). С 60-х гг. в экологии широко применяется показатель видового разнообразия биоценозов, получивший название индекс Шеннона-Уивера (Н), определяемый по формуле, полностью идентичной формуле (9.5)

Здесь n – количество биологических видов в экосистеме, рi – доля особей данного (i-го) вида в общем количестве особей.

Пример. Сравним видовое разнообразие деревьев в 2 лесных системах (табл.9.1).

Таблица 9.1

Сравнение древесных экосистем по индексу Шеннона-Уивера

Расчёт по формуле 9.6 показывает:

Н1 = - (0,6 log20,6 + 0,2 log20,2 + 0,1 log20,1 + 0,05 log20,05 + 0,04 log20,04 + 0,01log20,01) = 1,7071;

Н2 = - (0,3 log20,3 + 0,3 log20,3 + 0,3 log20,3 + 0,1 log20,1) = 1,8955.

Первый лес имеет больше видов, но менее разнообразен. Путешествуя по этому лесу, вы чаще всего будете находиться среди берёз, и гораздо реже вам будут попадаться другие виды. Во втором лесу при меньшем количестве видов воспринимаемая картина будет разнообразнее, одновременно будет восприниматься больше видов, чем в первом лесу. Именно эта особенность биоценозов и оценивается индексом Шеннона – Уивера, значение которого можно рассматривать как информационную оценку сообщества с точки зрения его видового состава.