Природничі науки. 1 частина. 11 клас. Гільберг

Інформація і сенсори

Живе живиться інформацією

Біологи образно кажуть, що «живе живиться інформацією», створюючи, накопичуючи й активно використовуючи її.

Що таке інформація? Здавалось би, просте запитання, але знову потрапляємо в ситуацію, коли не існує загальноприйнятого визначення, і цей термін має певне значення залежно від контексту. Саме слово «інформація» походить від латинського слова «informatio» і складається з префікса «іп-» («в-, на-, при-») і дієслова «form» («надаю форму, створюю»), що може означати:

  • роз’яснення; викладення фактів, подій; витлумачення;
  • уявлення, поняття;
  • ознайомлення, просвіта.

Як ви поставитеся до такого визначення? Інформація - це сукупність відомостей (даних), які сприймають з навколишнього середовища (вхідна інформація), видають у навколишнє середовище (вихідна інформація) або зберігають усередині певної системи. У цьому визначенні не вистачає уточнення: сукупність даних має бути доступною для того хто її отримує. Якщо ми тримаємо в руках китайський рукопис — це інформація? Так. Але її «роз’яснення, уявлення, витлумачення» неможливе, якщо не знаєш китайської мови. Цей приклад свідчить і про те, що з інформацією тісно пов’язаний процес кодування (шифрування) і зворотний — декодування (розшифровування). А які ще процеси? Створення, зберігання й передавання інформації.

Ми вже неодноразово згадували, що сутнісною ознакою живого є обмін з навколишнім середовищем речовиною, енергією та інформацією. Ось і настав час докладніше дослідити питання обміну інформацією в живих системах, зокрема на прикладі організму людини.

Процес обміну інформацією може здійснюватися на всіх рівнях організації живого: молекулярному, клітинному, тканинному, організменому, популяційному, біосферному.

На молекулярному рівні найбільше значення має процес передавання й отримання генетичної інформації, що забезпечує механізми спадковості.

Клітини функціонують завдяки скоординованій дії генів.

Ще на клітинному рівні обмін інформацією здійснюється завдяки сигнальним молекулам — білкам, що розміщені на плазматичних мембранах клітини, — рецепторах. Рецептори «інформують» молекулу й ініціюють відповідь, наприклад, змінюють транспортні властивості мембран. Унаслідок цього може змінюватися полярність мембран, генеруватися нервовий імпульс або змінюватися обмін речовин. А також на цьому рівні відбувається фагоцитоз — явище захоплення й перетравлення чужорідних частинок. Цей процес також пов’язаний з обміном інформацією, зокрема перевіркою й ідентифікацією, і здійснюється в людському організмі лейкоцитами крові.

На тканинному рівні інформаційний обмін пов’язаний з таким відомим явищем, як несумісність тканин під час операцій з пересадки органів. Тому на сучасному етапі дедалі більше вдаються до вирощування органів для пересадки з власних стовбурових клітин хворого.

На рівні організму здійснюється обмін інформацією з навколишнім світом за допомогою органів чуття та нервової системи. Основою такого обміну є рефлекторна діяльність.

На популяційно-видовому рівні здійснюється механізм адаптації в умовах середовища. Спадкова інформація, закодована в генотипі, реалізується певними фенотипними проявами. (Що таке генотип і фенотип — уточнимо в наступному розділі.)

І звісно ж — обмін різноманітною інформацією між людьми. Розрізняють інформаційну діяльність, яка є частиною розумової праці та інформаційне обслуговування (сервіс) — процеси створення, оформлення, збирання, аналітико-синтетичного перероблення, пошуку, поширення, зберігання й організації використання інформації.

Обмін інформацією не менш важливий і на глобальних — біосферному й ноосферному — рівнях, де існує складний взаємопов’язаний і взаємозалежний потік інформації між усіма учасниками живого світу, що перебуває в нерозривному зв’язку з неживою природою.

Нормальне функціонування організмів неможливе без отримання й використання інформації про навколишнє середовище. Інформаційні сигнали можуть мати різну фізичну або хімічну природу, бути вираженими в різних формах. Це пози, дотик, звук, світло, запах тощо.

Живі системи в процесі розвитку здатні підвищувати складність своєї структури. Це пов’язують також зі збільшенням інформації.

Однією з основних функцій живих систем є розмноження, забезпечене наявністю в кожній клітині організму генетичної інформації, яка передається у спадок (про генетичну інформацію ми докладніше поговоримо в наступному розділі).

Приблизно 40 тисяч років тому в процесі еволюції живої природи з’явилася Людина розумна. Людина існує в «морі» інформації, вона постійно отримує інформацію з навколишнього світу за допомогою органів чуття, зберігає її у своїй пам’яті, аналізує за допомогою мислення й обмінюється нею з іншими людьми.

Поведінка людини, так само як і тварин, будується на основі аналізу інформаційних сигналів, які вона отримує за допомогою органів чуття. Чутливі нервові закінчення органів чуття — рецептори — сприймають відповідний вплив і передають його по нервовій системі в мозок.

Людина може використовувати п’ять різних способів сприйняття інформації за допомогою п’яти органів чуття:

  • зору — за допомогою очей сприймає інформацію у формі зорових образів;
  • слуху — за допомогою вух й органів слуху сприймає звуки (мову, музику, шум тощо);
  • нюху — за допомогою спеціальних рецепторів носа сприймає запахи;
  • смаку — рецептори язика дають змогу розрізнити солодке, солоне, кисле й гірке;
  • дотику — рецептори шкіри (особливо кінчиків пальців) дають змогу отримати інформацію про температуру об’єктів і тип їхньої поверхні (гладка, шорстка тощо).

Найбільшу кількість інформації (близько 90 %) людина отримує за допомогою зору, близько 9 % — за допомогою слуху та лише 1 % — за допомогою інших органів чуття (нюху, дотику й смаку).

Отриману інформацію у формі зорових, слухових та інших образів людина зберігає в пам’яті, обробляє за допомогою мислення й використовує для керування своєю поведінкою й досягнення поставлених цілей.

Людина живе в суспільстві. У процесі спілкування з іншими людьми вона передає й отримує інформацію у формі повідомлень. На світанку історії для передавання інформації люди використовували мову жестів, потім виникла усна мова. Для того щоб інформація була зрозумілою, мова має бути відома всім людям, які беруть участь у спілкуванні (мал. 7.1). Що більше мов ви знаєте, то ширше коло вашого спілкування.

Мал. 7.1. Зведення Вавилонської вежі1. В основу картини покладено сюжет з Першої книги Мойсея про будівництво Вавилонської вежі, яка мала, за задумом людей, досягти вершиною неба: «Побудуємо собі місто й вежу висотою до небес». Щоби приборкати їхню гординю, Бог змішав мови будівельників, так що вони більше не могли розуміти один одного, і розсіяв їх по всій землі; тож реалізація задуманого грандіозного плану не була завершена. Звідси пішов фразеологізм — вавилонське стовпотворіння, який вживають на означення справи, що не буде завершена; також є символом сум’яття, безладдя, галасу, метушні, відсутності єдиної підпорядкованості у великому скупченні народу, де люди не розуміють одне одного

1 Пітер Брейгель старший (1525-1569, Голландія).

Із самого початку людської історії виникла потреба накопичення інформації для її передавання в часі з покоління в покоління й у просторі на великі відстані. Процес накопичення інформації почався з винаходу в IV тисячолітті до нашої ери писемності й перших носіїв інформації (шумерських глиняних табличок і давньоєгипетських папірусів).

Для того щоб людина могла правильно орієнтуватися в навколишньому світі, інформація має бути повною й точною. Завдання отримання повної й точної інформації про природу, суспільство й техніку стоїть перед наукою. Процес систематичного наукового пізнання навколишнього світу, у якому інформацію розглядають як знання, почався із середини XV століття після винаходу друкарства.

Для довготривалого зберігання знань (передавання з покоління в покоління) і поширення їх у суспільстві (тиражування) необхідні носії інформації. Матеріальна природа носіїв інформації може бути різною (мал. 7.2).

Мал. 7.2. Еволюція носіїв інформації. 1. Кам’яна Могила1 — єдине місце у світі, де зосереджені малюнки, датовані настільки широким історичним діапазоном: від епохи пізнього палеоліту до середньовіччя (XXIV-ХХ тис. до н. е. — XI—XIII ст. н. е.). 2. Давня шумерська глиняна табличка — торговельна угода, бл. 2 600 р. до н. е. 3. Папірус Едвіна Сміта — рукопис Стародавнього Єгипту, датований XVI ст. до н. е. з текстами медичного характеру, зокрема з хірургії. 4. Рукопис на пергаменті епохи Меровінгів, VII ст. н. е. 5. Стародавній санскрит на папері на основі конопель. Конопляне волокно зазвичай використовували у виробництві паперу від 200 р. до н. е. до кінця 1800-х рр. 6. Т. Г. Шевченко. «Портрет Агати Омелянівни Ускової з донькою Наташею». Папір, сепія

Дотепер як основний носій інформації використовують папір. Від позаминулого століття для зберігання графічної інформації люди почали використовувати фотоматеріали та кіноплівку (мал. 7.3).

1 Археологічна пам’ятка поблизу селища Мирне Мелітопольського району Запорізької області, Україна.

Мал. 7.3. 1. Вільям Тальбот (1800-1877, Велика Британія) у 1835 році створив перший негатив, використавши як носій зображення папір, просочений розчинами аргентум(І) нітрату та натрій хлориду. «Горація Фейлдінг, зведена сестра Талбота, грає на арфі». 2. У 1847 р. Абель Ньєпс де Сен Віктор (1805-1870, Франція) створив фотоплатівку

Складіть рівняння реакції: а) між аргентум(І) нітратом і натрій хлоридом у розчині, запишіть його в повній і скороченій йонній формі; б) розкладання аргентум(І) хлориду під дією світла й проаналізуйте його з погляду окиснення-відновлення.

Нещодавно для зберігання інформації широко використовували також магнітні носії (аудіо- й відеоплівки, гнучкі й жорсткі диски) та оптичні носії — CD- й DVD-диски. Зараз для зберігання інформації широко використовують flash-носії, «хмари» інтернету (мал. 7.4).

Мал. 7.4. До чого дійшов прогрес! Об’єм має значення!

Поки ми зберігаємо інформацію на флешках, науковці записують сонети Шекспіра й відеокліпи групи OK Go на ДНК. Цей метод зберігання інформації дорогий, але перспективний. Якщо закодувати всі досягнення, історію, праці людства й усю інформацію про нього, то ДНК із цими даними займе невелику кімнату. Адже ДНК масою 1 г вміщує інформацію об’ємом 215 млн Гб.

Організм людини складається з безлічі клітин (близько 40 трильйонів). Кожна із цих клітин містить 1,5 гігабайта нашого генетичного коду. Тобто людина зберігає близько 60 секстібайтів (1 секстібайт = 1024 ексабайтів = = 1 180 591 620 717 411 303 424 байти) інформації. Це неймовірно великий обсяг даних. Тепер можна зрозуміти, як багато інформації записано в людині. Але є одне «але»! Адже 99,9 % своєї генетичної інформації ми ділимо з іншими людьми на Землі — тобто це інформація про організм людини як такий. Те, що робить нас унікальними, набагато менше від секстібайта.

Широко відомий термін «засоби масової інформації» (газети, радіо, телебачення, інтернет), які доводять інформацію до кожного члена суспільства (мал. 7.5). Така інформація має бути достовірною, актуальною та корисною. Недостовірна інформація вводить членів суспільства в оману й може бути причиною виникнення соціальних потрясінь. Неактуальна інформація не має застосування в даний момент часу, і тому ніхто, окрім істориків, не читає торішніх газет. Не корисна інформація створює інформаційний шум, який ускладнює сприйняття корисної інформації.

Мал. 7.5. У «морі інформації»: як не потрапити під її негативний вплив?