Информация в природе: от первичного бульона до Попки-дурака

О происхождении жизни на Земле известно мало. И все же, хотя бы гипотетически можно представить себе, как в «первичном бульоне» остывающей планеты возникали органические молекулы, как они взаимодействовали между собой, химически меняя друг друга. Если допустить, что такая модель происхождения живых организмов верна, то где провести границу между неживой и живой материями? На каком этапе хаос химичес­ких реакций перешел в биологическую эволюцию первых организмов? 

Наиболее очевидный критерий, который можно использовать для проведения этой границы – способность к самовоспроизведению. Обрывки РНК и белков могли воздействовать друг на друга тысячелетиями, но их отношения не вышли бы за рамки органической химии, если бы в какой-то момент цепочка их взаимодействий не замкнулась бы в цикл. Именно в этот момент, видимо, и возникла жизнь. 

Можно заключить, что в основе жизни лежит способность группы молекул взаимодействовать между собой таким образом, что в результате эта группа молекул образуется заново. Информация, заложенная в их структуре, оказывается сохраненной и воспроизведенной. Круг замыкается. В этот же момент возникает понятие гена – единицы наследственности – и начинается процесс биологической эволюции. В океане случайных химических реакций появляется островок порядка. Его мы и называем жизнью. 

Передача генов из поколения в поколение, таким образом, является самым древним способом информационного взаимодействия в живой природе. Без него само понятие жизни не имеет смысла. Однако со временем, когда жизнь уверенно закрепилась в числе форм существования материи на Земле, появилась необходимость и в других способах обмена информацией.

Человека создал язык?

Промотав естественную историю на несколько миллиардов лет вперед, мы увидим планету, покоренную человеком. Она освещена электричеством, засеяна геометрически правильными рядами растений, невиданных в дикой природе. Она охвачена сетями сотовой связи, моментально соединяющими людей за тысячи километров друг от друга. 

Чем же обязан человек такому триумфу? Ответ, казалось бы, очевиден: достижения цивилизации стали возможны благодаря беспрецедентному развитию нашей нервной системы. Но человек, который родился и вырос в изоляции от общества, при всем интеллектуальном потенциале своей нервной системы, едва ли способен на открытия в ядерной физике или инновации в сельском хозяйстве. 

Нет, достижения человека – результат возникновения нового, ускоренного метода передачи информации: языка. Только при помощи языка мы можем сохранять и передавать накопленные знания в отрыве от передачи генов из поколения в поколение. Только языком обеспечивается прогресс: наука, культура, общественно-политическая организация. 
Мы создали новый, негенетический метод обмена данными. Фактически, с появлением языка появилось новое информационное пространство, «культурные единицы» которого развиваются, распространяются и эволюционируют по своим собственным законам. Если задача любой генетичес­кой системы – поддержание самой себя в как можно более неизменном виде (слишком резкие изменения чреваты потерей способностей к выживанию и размножению), то культурная система куда более подвижна. 

Поэтому для возникновения новой информации в «традиционной» генетической форме требуются миллионы лет осторожной, постепенной эволюции. В системе культуры и языка те же изменения могут происходить за годы, месяцы и даже минуты. «Языковая революция» дала человеку возможность приспосабливаться к любой среде с невиданной скоростью. Быстрее даже бактерий. 

Человеческий язык не имеет аналогов в природе и по универсальности: он применим практически к любому аспекту жизнедеятельности. Но если «нетрадиционная» передача информации приносит столь богатые плоды, неужели человек – первый, кто об этом задумался? На самом деле, это далеко не так. Человек достиг совершенства в навыке передачи информации, но формально аналоги всех «уникальных» свойств нашего языка существуют и в дикой природе.

Горизонтальный поворот

В чем основной недостаток исходного, древнего метода передачи информации с помощью генов? Он слишком плохо подходит для адаптации к быстро меняющимся условиям среды. В генах, передаваемых «вертикально», из поколения в поколение, заложена важнейшая информация об организме – постоянно менять ее слишком опасно. 

Поэтому самой очевидной модификацией «генетического языка» является его дополнение горизонтальным переносом информации – то есть не из поколения в поколение, а между взрослыми особями. Этот способ «общения» активно используют бактерии. Все они обладают основным геномом, который, как и в других организмах, строго охраняется от изменений и повреждений. Но помимо этого, бактерии имеют дополнительные «подвижные островки» ДНК, плазмиды. Ими они могут обмениваться с другими бактериями. 
Таким механизмом обес­печивается, например, распространение устойчивости к антибиотикам – если одной бактерии случайно удалось найти способ нейтрализовать действие смертельного для нее вещества, она может «рассказать» об этом способе своим сородичам. 

Примерно по этой же логике работает генетическая модификация бактерий: в наиболее распространенной форме она осуществляется введением в клетку плазмид. Фактически, генетическая модификация – искусственная форма горизонтального переноса генов. Можно сказать, что, создавая трансгенную бактерию, мы просто объясняем ей, что от нее хотим, на «бактериальном языке».

Химическая почта

«Социальный» арсенал бактерий не ограничивается генетическими ухищрениями. Бактерии, как и люди, изобрели дополнительный путь передачи информации – химический. Выделяя в среду определенные вещества, бактерии могут обмениваться «знаниями» о том, что происходит вокруг них, и даже согласовывать совместные реакции. 

Например, таким способом они могут координировать формирование биопленок – тесных сообществ микроорганизмов, живущих на поверхностях жидкостей или твердых тел. Биопленки обладают собственной пространственной организацией и микросредой. Это аналоги городов в бактериальном мире. 

«Химический язык» помогает бактериям защищаться от тяжелых условий – например, от тех же антибиотиков (по понятным причинам этот аспект общения бактерий волнует нас больше других). Кишечная палочка, улавливая попадание антибиотиков в среду, выделяет сигнальные вещества, оповещающие сородичей о начале атаки. В результате часть бактерий переходит в «спящую» форму, чтобы иметь возможность восстановиться, даже если большая часть популяции погибнет. 

Существуют даже данные о том, что эти химические «переговоры» могут «прослушиваться» представителями других видов. Например, в примере с антибиотиками болезнетворная сальмонелла может реагировать на сигналы кишечной палочки, хотя сама этих сигналов не производит. Под влиянием «слухов» об антибиотиках сальмонелла тоже начинает образовывать устойчивые клетки, что чревато крайне неприятными для человека последствиями.   

Одна из особенностей растений заключается в том, что, в отличие от животных, которые больше полагаются на электрические взаимодействия – передачу нервных импульсов – они оперируют почти исключительно химичес­кими сигналами. Отчасти это определяет их малоподвижность – диффузия химических веществ протекает гораздо медленнее, чем распространение электрического тока по нервным волокнам. 

Неудивительно, что растения в процессе эволюции развили невообразимый для животных «химический арсенал». Задумайтесь о миллионах алкалоидов и их причудливых цветах, запахах, вкусах и действии на мозг и организм животного. Пока животные развивали зоркое зрение и острые зубы, растения оттачивали мастерство химика-синтетика, позволяющее им отпугивать вредителей, привлекать опылителей – и общаться между собой. 

Например, ростки тополя и клена при повреждении листьев вырабатывают летучие вещества, отпугивающие насекомых. Неповрежденные растения, стоящие неподалеку, получают химический сигнал от поврежденных, и в течение считанных часов начинают вырабатывать те же вещества. 

Некоторые виды фасоли идут дальше. Они не только отпугивают травоядных клещей – своих главных вредителей – но и привлекают другие, хищные виды клещей, охотящиеся на травоядных. Одновременно с этим, конечно, оповещаются об опасности и соседи. Более того, фасоль отличает вред, наносимый клещами, от простого механического повреждения. Если растение пострадает от ветра или руки мальчишки, никакого сигнала «паники» оно не произведет. 

Воздушная среда – не единственный «канал связи» для растений. Томаты, например, могут использовать микоризу – нити симбиотических грибов, опутывающие корни сразу многих растений – в качестве «телефонных линий» для передачи информации. Перерезание этих «проводов» приведет к нарушению контактов между растениями: они больше не синхронизируют свою защиту от вредителей. Кроме того, ученым с помощью генной инженерии удалось вывести «глухие» и «немые» растения, иллюстрируя сходство «химического» общения с привычным нам звуковым или зрительным.

Я милого узнаю по феромону

Несмотря на общее предпочтение животными физических взаимодействий, химические сигналы широко распространены и среди них. Наиболее известным примером являются феромоны – вещества, выделяемые животными во внешнюю среду и вызывающие определенную реакцию у других особей своего вида. Чаще всего она бывает связана с половым размножением: феромоны самца мыши вызывают агрессию у других самцов, возбуждение у самок и ускорение полового созревания у самок-подростков. 

Феромоны – это фиксированные информационные сообщения, присущие обычно всем представителям определенного вида и вызывающие автоматическую реакцию. Сторонник антропоцентризма обратит на это внимание и скажет: в этом и заключается уникальность человеческого общения. Любые другие способы взаимодействий вызывают врожденную реакцию, напрямую воздействуя на организм. В случае же человека, язык не заложен в нас генетически, а формируется в процессе обучения. 

На самом деле, примеров, при которых информационное взаимодействие требует обу­чения, множество. В случае с химическими сигналами можно вспомнить смеси-идентификаторы, отделяемые некоторыми учеными от феромонов. Они представляют собой не одно конкретное соединение, а довольно сложную комбинацию различных веществ в определенных пропорциях. В отличие от феромонов в классическом понимании, смеси-идентификаторы индивидуальны для каждой особи или, в некоторых случаях – для популяции (например, колонии пчел). 

Человеческий мозг тоже реагирует на феромоны. Желтым цветом показаны участки мозга, активирующиеся под действием запахов половых гормонов (AND – андростерон, EST – эстроген) или просто человеческого тела (OO, Оrdinary Оdors). Вверху обозначены активные участки, общие у гомосексуальных мужчин (HoM) и гетеросексуальных женщин (HeW). Внизу – общие у мужчин традиционной сексуальной ориентации (HeM – гетеросексуальные мужчины)

С помощью смесей-идентификаторов животные могут отличать одних особей от других. Распознавание этих смесей – гораздо более сложный процесс, чем механичес­кий ответ на феромоны, и в большинстве случаев требует обучения. Например, омар не вступит в схватку с противником, которому проиграл на прошлой неделе, определив его по индивидуальному запаху.

Информационная роль песни и пляски

С приближением к человеку по степени эволюционного родства методы передачи информации между живыми существами начинают все больше походить на привычные нам. После выхода животных на сушу получает распространение новый способ общения – звуковой. «Разговаривать вслух», несмотря на свою репутацию молчунов, умеют и рыбы – например, рыбы-жабы только и делают, что рычат или гудят, в зависимости от агрессивного или романтического настроения. Но по-настоящему голосовое общение получает развитие лишь на суше. Оно широко распространено не только среди позвоночных, но и, например, у насекомых. 

При довольно простой организации нервной системы, многие насекомые имеют слух, которому позавидовал бы хороший звукорежиссер. Кузнечики, например, имеют способность к «коктейль-эффекту» – из какофонии леса или поля они умеют выделять тончайшие детали стрекота сородичей. О чем разговаривают кузнечики? В целом, о том же, о чем и большинство других животных – как бы поскорее с кем-нибудь спариться. 

Впрочем, среди более продвинутых в интеллектуальном плане социальных насекомых – муравьев, пчел, термитов – распространены и более высокие темы. Например, муравьи координируют социальные роли, в том числе, при помощи звуковых сигналов (хотя главную роль здесь, все-таки, играют феромоны). Существуют даже муравьи-социальные паразиты, которые подражают таким ролевым сигналам: «заговаривая зубы» рабочим муравьям, они устраиваются в чужой колонии и живут там припеваючи, беззаботными иждивенцами. 

Но наиболее известным «языком» насекомых являются танцы пчел. Двигаясь по определенной схеме, пчелы передают сородичам информацию о направлении и расстоянии до источника провианта или воды – например, до цветочной поляны – и потенциальном богатстве найденного ресурса. Пчелиный танец, на самом деле, еще сложнее, чем кажется: как показывают недавние исследования, информация, заложенная в танце, сообщается другим пчелам не зрительным путем, а при помощи определенных электрических полей, производимых двигающейся пчелой.

Интеллектуальные колоссы

Разумеется, чем более развиты у животного мозг и нервная система, тем более совершенны его возможности для взаимодействия с другими особями. Человеку зачастую сложно оценить, насколько сложен может быть «язык» другого вида – мы невольно строим свои суждения о «разговорчивости» животных на их способности усваивать понятные нам идеи и слова. Но на каком основании мы используем себя, как меру для всей остальной природы? 

Например, человеку час­то кажется, что он понимает эмоции своей собаки – в той или иной ситуации мы сознательно или подсознательно «переводим» собачий язык на человеческий. Однако простыми экспериментами можно показать: зачастую мы принимаем желаемое за действительное. Например, то, что нам кажется виноватым видом собаки, на самом деле является выражением подчинения. Собаки могут скулить и выглядеть понуро, даже если они не делали ничего плохого – значение имеет обычно только интонация хозяина. 

Тем не менее, даже с поправкой на неизбежное очеловечивание взаимодействий между животными, способности многих высших позвоночных к общению впечатляют. Дельфины и другие китообразные, например, пользуются в своем языке свистков и щелчков абстрактными категориями – например, такими, как «много» или «мало». Они имеют подобие синтаксиса: порядок «слов в предложении» влияет на его смысл. 

Многие авторы даже говорят о самой настоящей культуре китообразных, ведь некоторые особенности их вокального репертуара меняются со временем – так же, как меняются и человеческие языки. Известен, например, случай, когда группа горбатых китов с одного берега Австралии мигрировала к другому берегу. В течение трех лет местные киты переняли манеру «речи» мигрантов. Похожее наблюдается и с другими аспектами культуры – например, с традициями коллективного поиска пищи. 

Если мышление и социальные взаимодействия умных млекопитающих – дельфинов, собак, свиней и особенно обезьян – мы можем хотя бы попытаться понять, то ситуация с птицами сложнее для человеческого восприятия. Птичий мозг резко отличается от мозга млекопитающего. Тем не менее, об интеллекте, например, ворон хорошо известно – они пользуются инструментами, умеют решать абстрактные задачи и выручать друг друга в трудной ситуации.   

Эти птицы не только подражают человеческой речи, как принято считать. Они способны формулировать осмысленные ответы на вопросы, используя человеческие слова. Они могут усваивать семантические элементы языка: например, слово «хочу», которым попугаи способны разграничивать называние и запрос. Они способны генерализировать предметы и понимать, что те относятся одновременно к двум разным категориям: например, мячик одновременно «синий» и «круглый». 

В какой степени попугаи используют свои интеллектуальные способности собственно для обмена информацией в природе, известно плохо – «разговоры» животных между собой на воле изучать гораздо сложнее, чем общение попугая, сидящего в клетке, с человеком. Однако допустить, что способность к восприятию символов и абстрактных понятий в языке развилась у птиц «просто так», довольно абсурдно. 

Обмен информацией в природе так же важен, как и обмен генами. Но и сами гены важны не из-за их химического состава или пространственной структуры – они тоже являются информационными единицами, кодом, с помощью которого описывается жизнь. Можно сказать, что живая природа – это и есть обмен информацией. 

В этой статье мы сознательно избегали обсуждения приматов, самой продвинутой в интеллектуальном плане группы млекопитающих, к которым относимся и мы. Человекообразные обезьяны, действительно, обладают самыми совершенными из известных нам инструментами социальных взаимодействий. Но наше представление о «разум­ности» обезьян во многом строится на том, что в силу нашего родства мы говорим с ними почти на одном языке. 

Человек, бесспорно, умнее любых других животных на Земле. Но нельзя забывать о том, что само понятие ума придумано человеком. Для профилактики мании величия полезно иногда оглянуться по сторонам.