Как происходят информационные процессы в природе. Информация в живой природе и технике
И вы-числительной техники сейчас во многом определя-ют научно-технический потенциал страны, уровень развития ее народного хозяйства, образ жизни и де-ятельности человека.
Для целенаправленного использования инфор-мации ее необходимо собирать, преобразовывать, передавать, накапливать и систематизировать. Все эти процессы, связанные с определенными опера-циями над информацией, будем называть инфор-мационными процессами .
Получение и преобразование информации явля-ется необходимым условием жизнедеятельности любого организма. Даже простейшие одноклеточ-ные организмы постоянно воспринимают и исполь-зуют информацию, например о температуре и хи-мическом составе среды для выбора наиболее благо-приятных условий существования. Живые сущест-ва способны не только воспринимать информацию из окружающей среды с помощью органов чувств , но и обмениваться ею между собой.
Человек также воспринимает информацию с по-мощью органов чувств, а для обмена информацией между людьми используются языки. За время раз-вития человеческого общества таких языков воз-никло очень много. Прежде всего, это родные языки (русский, татарский, английский и др.), на кото-рых говорят многочисленные народы мира. Роль языка для человечества исключительно велика. Без него, без обмена информацией между людьми было бы невозможным возникновение и развитие общества.
Информационные процессы характерны не толь-ко для живой природы, человека, общества. Чело-вечеством созданы технические устройства — авто-маты, работа которых также связана с процессами получения, передачи и хранения информации. На-пример, автоматическое устройство, называемое термостатом, воспринимает информацию о темпе-ратуре помещения и в зависимости от заданного че-ловеком температурного режима включает или от-ключает отопительные приборы.
Деятельность человека, связанную с процессами получения, преобразования, накопления и переда-чи информации, называют информационной деяте-льностью .
Тысячелетиями предметами труда людей были материальные объекты. Все орудия труда от камен-ного топора до первой паровой машины, электромо-тора или токарного станка были связаны с обработ-кой вещества, использованием и преобразованием энергии. Вместе с тем человечеству пришлось решать задачи управления, задачи накопления, обра-ботки и передачи информации, опыта, знания, воз-никают группы людей, чья профессия связана исключительно с информационной деятельностью. В древности это были, например, военачальники, жрецы, летописцы, затем — ученые и т. д.
Однако число людей, которые могли воспользо-ваться информацией из письменных источников, было ничтожно мало. Во-первых, грамотность была привилегией крайне ограниченного круга лиц и, во-вторых, древние рукописи создавались в единич-ных (иногда единственных) экземплярах.
Новой эрой в развитии обмена информацией ста-ло изобретение книгопечатания. Благодаря печат-ному станку, созданному И. Гутенбергом в 1440 го-ду, знания, информация стали широко тиражируе-мыми, доступными многим людям. Это послужило мощным стимулом для увеличения грамотности на-селения, развития образования, науки, производст-ва.
По мере развития общества постоянно расши-рялся круг людей, чья профессиональная деятель-ность была связана с обработкой и накоплением ин-формации. Постоянно рос и объем человеческих знаний, опыта, а вместе с ним количество книг, ру-кописей и других письменных документов. Появи-лась необходимость создания специальных храни-лищ этих документов — библиотек, архивов. Ин-формацию, содержащуюся в книгах и других доку-ментах, необходимо было не просто хранить, а упорядочивать, систематизировать. Так возникли библиотечные классификаторы, предметные и ал-фавитные каталоги и другие средства систематиза-ции книг и документов, появились профессии биб-лиотекаря, архивариуса.
В результате научно-технического прогресса че-ловечество создавало все новые средства и способы сбора, хранения, передачи информации. Но важ-нейшее в информационных процессах — обработка, целенаправленное преобразование информации осуществлялось до недавнего времени исключительно человеком.
Вместе с тем постоянное совершенствование тех-ники, производства привело к резкому возраста-нию объема информации, с которой приходится оперировать человеку в процессе его профессиона-льной деятельности.
Развитие науки, образования обусловило быст-рый рост объема информации, знаний человека. Ес-ли в начале прошлого века общая сумма человече-ских знаний удваивалась приблизительно каждые пятьдесят лет, то в последующие годы — каждые пять лет.
Выходом из создавшейся ситуации стало созда-ние компьютеров, которые во много раз ускорили и автоматизировали процесс обработки информации.
Первая электронная вычислительная машина «ЭНИАК» была разработана в США в 1946 году. В нашей стране первая ЭВМ была создана в 1951 го-ду под руководством академика
В настоящее время компьютеры используются для обработки не только числовой, но и других ви-дов информации. Благодаря этому информатика и вычислительная техника прочно вошли в жизнь со-временного человека, широко применяются в про-изводстве, проектно-конструкторских работах, биз-несе и многих других отраслях.
Компьютеры в производстве используются на всех этапах: от конструирования отдельных дета-лей изделия, его дизайна до сборки и продажи. Сис-тема автоматизированного производства (САПР) по-зволяет создавать чертежи, сразу получая общий вид объекта, управлять станками по изготовлению деталей. Гибкая производственная система (ГПС) позволяет быстро реагировать на изменение рыноч-ной ситуации, оперативно расширять или сворачи-вать производство изделия или заменять его дру-гим. Легкость перевода конвейера на выпуск новой продукции дает возможность производить мно-жество различных моделей изделия. Компьютеры позволяют быстро обрабатывать информацию от
различных датчиков, в том числе от автоматизиро-ванной охраны, от датчиков температуры для регу-лирования расходов энергии на отопление, от бан-коматов, регистрирующих расход денег клиентами, от сложной системы томографа, позволяющей «уви-деть» внутреннее строение органов человека и пра-вильно поставить диагноз.
Компьютер находится на рабочем столе специ-алиста любой профессии. Он позволяет связаться по специальной компьютерной почте с любой точ-кой земного шара, подсоединиться к фондам круп-ных библиотек, не выходя из дома, использовать мощные информационные системы — энциклопе-дии, изучать новые науки и приобретать различные навыки с помощью обучающих программ и трена-жеров. Модельеру он помогает разрабатывать вы-кройки, издателю компоновать текст и иллюстра-ции, художнику — создавать новые картины, а композитору — музыку. Дорогостоящий экспери-мент может быть полностью просчитан и имитиро-ван на компьютере.
Разработка способов и методов представления информации, технологии решения задач с исполь-зованием компьютеров, стала важным аспектом де-ятельности людей многих профессий.
Информация является мерой увеличения сложности живых организмов. Примерно 3,5 млрд лет назад на Земле возникла жизнь. С тех пор идет саморазвитие, эволюция живой природы, т.е. повышение сложности и разнообразия живых организмов. Живые системы (одноклеточные, растения и животные) являются открытыми системами, так как потребляют из окружающей среды вещество и энергию и выбрасывают в нее продукты жизнедеятельности также в виде вещества и энергии.
Живые системы в процессе развития способны повышать сложность своей структуры, т.е. увеличивать информацию, понимаемую как меру упорядоченности элементов системы. Так, растения в процессе фотосинтеза потребляют энергию солнечного излучения и строят сложные органические молекулы из «простых» неорганических молекул.
Животные подхватывают эстафету увеличения сложности живых систем, поедают растения и используют растительные органические молекулы в качестве строительного материала при создании еще более сложных молекул.
Биологи образно говорят, что «живое питается информацией», создавая, накапливая и активно используя информацию.
Информационные сигналы. В биологии, которая изучает живую природу, понятие «информация» связывается с целесообразным поведением живых организмов. Такое поведение строится на основе получения и использования организмом информации об окружающей среде в форме информационных сигналов. Информационные сигналы могут иметь различную физическую или химическую природу: звук, свет, запах и другие.
Простейшие (например, амеба) могут получать информацию лишь о химическом составе и температуре окружающей среды. Причем информация может быть получена только о ближайших областях окружающей среды путем непосредственного контакта простейшего со средой.
Примерно 40 тыс. лет назад в процессе эволюции живой природы появился Человек разумный (перевод с латинского - Homo Sapiens). Человек может использовать шесть различных способов восприятия информации с помощью различных органов чувств:
- ? зрение, с помощью глаз информация воспринимается в форме зрительных образов;
- ? слух, использующий ухо для восприятия звуков (речи, музыки, шума и т.д.);
- ? обоняние, с помощью специальных рецепторов носа воспринимаются запахи;
- ? вкус, рецепторы языка позволяют различить сладкую, соленую, кислую и горькую пищу;
- ? осязание, рецепторы кожи (особенно кончиков пальцев) позволяют получить информацию о температуре объектов и типе их поверхности (гладкая, шершавая и т.д.);
- ? ориентация в пространстве, гравитационные рецепторы позволяют получить информацию о положении тела в пространстве.
Наибольшее количество информации (около 90%) человек получает с помощью зрения, около 9% - с помощью слуха и только 1% с помощью других органов чувств (обоняния, осязания, вкуса и ориентации в пространстве).
Чувствительные нервные окончания органов чувств (рецепторы) воспринимают воздействие (например, на глазном дне колбочки и палочки реагируют на воздействие световых лучей) и передают его нейронам (нервным клеткам), цепи которых составляют нервную систему.
Нейрон может находиться в двух состояниях: невозбужденном или возбужденном. Возбужденный нейрон генерирует электрический импульс, который передается по нервной системе. В нервной системе происходит кодирование и передача информации с помощью двух состояний нейрона: нет импульса, есть импульс.
В этом случае сами состояния нейрона можно рассматривать как знаки некоторого алфавита нервной системы, с помощью которого происходит передача информации.
Полученную информацию в форме зрительных, слуховых и других образов человек хранит в памяти, обрабатывает с помощью мышления и использует для управления своим поведением и достижения поставленных целей. Например, при переходе дороги человек видит сигналы светофора и движущиеся автомобили, анализирует полученную информацию и выбирает безопасный вариант перехода.
Генетическая информация. Понятие «информация» в биологии используется также в связи с исследованиями механизмов наследственности. Генетическая информация передается по наследству и хранится во всех клетках живых организмов. Гены представляют собой сложные молекулярные структуры, содержащие информацию о строении живых организмов. Последнее обстоятельство позволило проводить научные эксперименты по клонированию, т.е. созданию точных копий организмов из одной клетки.
Рис. 1.7.
Генетическая информация во многом определяет строение и развитие живых организмов и передается по наследству. При этом дети не являются точными копиями своих родителей, так как каждый организм обладает уникальным набором генов, которые определяют различия в строении и функциональных возможностях.
Хранится генетическая информация в клетках организмов в структуре молекул ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты). Молекула ДНК состоит из двух скрученных друг с другом в спираль цепей, построенных из четырех нуклеотидов: A, G, Т и С, которые образуют генетический алфавит.
Молекула ДНК человека включает в себя около 3 млрд пар нуклеотидов, и поэтому в ней закодирована вся информация об организме человека: его внешность, здоровье или предрасположенность к болезням, способности и т.д.
Генно-модифицированные организмы http://900igr.net/prezentacija/ biologija/biotekhnologija-164878/transgennye-organizmy-9.htm
В живых организмах информация передается и хранится с помощью объектов различной физической природы (состояние нейрона, нуклеотиды в молекуле ДНК), которые могут рассматриваться как знаки биологических алфавитов.
Рис. 1.8.
- 1. Какова физическая природа знака при представлении информации в нервной системе? В генетическом коде?
- 2. Какие способы и органы чувств использует человек при восприятии информации?
Живые организмы способны передавать через поколения информацию о своем строении и жизненных функциях. Механизм передачи и сохранения такой информации кроется в генах. Гены представляют собой участки молекул ДНК. В свою очередь ДНК образуют хромосомы. ДНК в клетках способна удваиваться путем матричного синтеза. Поэтому ДНК является основой сохранения информации в ряду поколений. Кроме того в клетках на ДНК синтезируется РНК. РНК обеспечивает синтез белка. От белкового состава зависит строение и функции организма. Таким образом, опосредовано ДНК является основой для реализации информации .
Иногда в генах происходят мутации, т. е. гены изменяются. Кроме того, изменения в дочерних организмах могут происходить за счет новых комбинаций родительских генов. Отсюда следует, что ДНК является основой для изменения информации .
Итак, в живой природе информация способна к сохранению, реализации и изменению. Однако эта информация имеет ограниченную природу. Она содержит только сведения о строении и функциях организма и направлена на его выживание.
Память животного (особенно человека) также хранит, реализует и изменяет информацию. Однако между памятью и ДНК имеются существенные различия. Память не передается по наследству, она хранит иные сведения, имеет иной механизм хранения, реализации и изменения информации.
Память формируют нервные клетки - нейроны. Точнее контакты между ними - синапсы. Через синапсы проходят импульсы, имеющие биоэлектрическую природу. Количество нейронов в мозге человека огромно, еще больше синапсов. Таким образом образуется нейронная сеть.
Различают кратковременную (оперативную) и долговременную память. Благодаря кратковременной памяти человек быстро механически запоминает текущую обстановку, но также быстро забывает текущие факты, когда в них уже нет необходимости. В долговременную память откладываются различные образы, понятия, факты. Благодаря долговременной памяти человек может распознавать образы (узнавать людей, предметы и т. д.), находить правильные решения, предполагать и делать выводы.
Человеческая память хранит данные об окружающем мире, жизненном опыте, научные знания и многое другое. Благодаря памяти человек является разумным существом, наблюдателем во Вселенной, обладает активностью на основе осознанного выбора, способен к творчеству.
Восприятие информации живыми организмами осуществляется с помощью органов чувств. А реализация информации осуществляется с помощью рефлексов или осознанного действия.
У компьютера также есть память. Также есть оперативная и постоянная память. Однако в отличие от животных принцип работы компьютерной памяти иной. Это связано с другим способом реализации памяти. Компьютерная память реализована на микросхемах, хранится в двоичных кодах.
Операции в памяти компьютера происходят с намного большей скоростью, чем в нервной ткани. Однако это последовательные операции. В то время как в мозге одновременно происходит множество процессов. Благодаря этому человек способен распознавать образы, хранить в памяти обобщенные представления о предметах.
Компьютер осуществляет операции с данными в соответствие с программой. При этом одну программу можно заменить на другую.
Разработки в области искусственного интеллекта в основном изучают проблему распознавания образов, самообучения и самоорганизации. Именно этим в отличии от вычислительных машин обладает человек.
Получение и преобразование информации является необходимым условием жизнедеятельности любого организма. Даже простейшие одноклеточные организмы постоянно воспринимают и используют информацию, например о температуре и химическом составе среды для выбора наиболее благоприятных условий существования. Живые существа способны не только воспринимать информацию из окружающей среды с помощью органов чувств, но и обмениваться ею между собой.
Например, в молекулах ДНК хранится наследственная информация, которая передается от родителей к детям. Эта информация обрабатывается организмом в процессе его развития.
Человек также воспринимает информацию с помощью органов чувств, а для обмена информацией между людьми используются языки. За время развития человеческого общества таких языков возникло очень много. Без него, без обмена информацией между людьми было бы невозможным возникновение и развитие общества.
Информационные процессы характерны не только для живой природы, человека и общества, но и для техники. Такая техника моделирует некоторые действия человека и способна в этих случаях частично (а иногда и полностью) заменить его. Человеком разработаны технические устройства, в частности компьютеры, которые специально предназначены для автоматической обработки информации.
Например, информация о товаре в супермаркете хранится в компьютерной базе данных, помечается (обрабатывается) штрих-кодом, передается в кассу (цена) или на склад (количество товара). Другой пример – кварцевые часы. В них вместо маятника, пружин и шестеренок используется микропроцессор, кварцевый кристалл и батарейка. Только для того, чтобы показывать время, микропроцессор должен обрабатывать около 30000 элементов информации в секунду.
Деятельность человека, связанную с процессами получения, преобразования, накопления и передачи информации, называют информационной деятельностью.
В результате научно-технического прогресса человечество создавало все новые средства и способы сбора, хранения, передачи информации.
Компьютеры в производстве используются на всех этапах: от конструирования отдельных деталей изделия, его дизайна до сборки и продажи. Система автоматизированного производства (САПР) позволяет создавать чертежи, сразу получая общий вид объекта, управлять станками по изготовлению деталей. Гибкая производственная система (ГПС) позволяет быстро реагировать на изменение рыночной ситуации, оперативно расширять или сворачивать производство изделия или заменять его другим. Легкость перевода конвейера на выпуск новой продукции дает возможность производить множество различных моделей изделия. Компьютеры позволяют быстро обрабатывать информацию от различных датчиков, в том числе от автоматизированной охраны, от датчиков температуры для регулирования расходов энергии на отопление, от банкоматов, регистрирующих расход денег клиентами, от сложной системы томографа, позволяющей « увидеть» внутреннее строение органов человека и правильно поставить диагноз. Компьютер находится на рабочем столе специалиста любой профессии.
Системы управления
Изучением процессов управления занимается наука кибернетика . Начало кибернетике положил американский ученый Норберт Виннер.
Под управлением понимается целенаправленное взаимодействие объектов, одни из которых управляют, а другие являются управляемыми.
Управление является сложным информационным процессом, включающим в себя получение, хранение, преобразование и передачу информации.
Как она представлена в обществе? А технике? На все эти вопросы можно будет найти ответы в рамках данной статьи.
Важность информации
Получение и преобразование данных необходимо для жизнедеятельности любого произвольного организма. Без этого не обходятся даже простейшие одноклеточные. Так, они собирают данные о температуре, химическом составе среды, чтобы выбрать наиболее подходящие условия своего существования. Причем живые существа могут не только воспринимать информацию, получаемую из окружающей среды благодаря органам чувств, но и обмениваться нею. Это в полной мере относится и к человеку. Так, для получения данных используются органы чувств, которых насчитывается пять, а обмен осуществляется с использованием языков (жестов, естественных, формальных).
Информационные процессы
Они могут осуществляться не только в живой природе (между людьми и в обществе в частности). Так, человечеством были созданы разнообразные устройства - автоматы. Их работа тесно связана с процессами получения, хранения и К примеру, есть такое автоматическое устройство, как термостат. Он занимается работой с информацией о температуре помещения. Зависимо от настроенного человеком температурного режима и ситуации, которая имеется сейчас, он может включить/выключить отопительные приборы. Различают три типа информационных процессов:
- Обработка.
- Передача.
- Хранение.
Как видите, информация живой и неживой природы имеет много чего общего. Следует сказать, что человек все же является более сложно организованным, нежели та же техника, хотя некоторым, может быть, сложно поверить в это. Благодаря органам чувств мы можем воспринимать данные, осмысливать их и, комбинируя свой опыт, знание и интуицию, принимать какие-то решения. Они затем воплощаются в реальные действия, с помощью которых осуществляется изменение окружающего мира.
Информация в живой природе
Это очень интересная тема. Наиболее весомым хранилищем в данном случае является геном. В нём содержатся данные, которые определяют строение и развития Генетическая информация передаётся по наследству. Хранится она в молекулах ДНК. Они состоят из четырех составляющих, которые называются нуклеотидами. Вместе они образуют генетический алфавит. Если речь идет про примеры он позволяет лучше всего представить её. Отдельные участки отвечают за строение и функционирование конкретных частей организма. Гены определяют возможности и предрасположенности к талантам или наследственным болезням. Чем сложнее является организм, тем больше отдельных участков можно выделить в молекулах ДНК. Так, человеческий геном имеет свыше 20 тысяч генов, в которых содержится свыше 3 миллиардов нуклеотидных остатков. продолжалась десятилетиями. Несмотря на широкомасштабное применение компьютерных технологий, основной массив работ был завершен только в нулевых годах. Но это не единственные возможные примеры информации в живой природе. Давайте вспомним про деревья и растительность вообще. К зиме они погружаются в сон, а весной просыпаются. Это самая настоящая передача информации в живой природе: клетки растительности чувствуют, что меняются условия, и начинают сворачивать свою деятельность. Подобный пример можно привести и говоря о животных. Так, посмотрите на медведей. Передача информации в живой природе в данном случае проявляется в том, что они копят жир, а при наступлении холодов впадают в режим спячки. Тут процессы протекают как на уровне всего организма, так и отдельных систем. Здесь существует один интересный аспект, который имеет информация в живой природе. Информатика - вот наука, которая изучает все процессы, связанные с данными. Сейчас под этим понимают в основном техническое направление, а биологическое в её рамках почти не рассматривается. Для этого были специально созданы микробиология, биохимия, биофизика и целый ряд других наук, которые занимаются процессами в живых организмах.
Информация в обществе
Человек является социальным существом. Чтобы общаться с другими людьми, необходимо обмениваться с ними данными. В нашем обществе для них существуют такие обозначения: сообщение, сведения, осведомлённость про положение дел. Что интересно, так это то, что информационные процессы не являются исключительной прерогативой человеческого общества. Почему к осени трава желтеет, листья опадают и вообще вся растительность переходит в режим сна на период холодов? И почему весной всё возрождается? Это всё является результатом информационных процессов, что протекают в растениях. Так, их клетки могут воспринимать изменения, которые происходят во внешней среде и соответственно реагируют на них.
Информация в технике
Данным направлением занимается кибернетика. В данной науке об управления само применяется, чтобы описывать организационные процессы в различных динамических системах (в качестве которых могут выступать живые организмы или технические устройства). Их жизнедеятельность или нормальное функционирование являются тесно связанными с процессами управления. Поэтому все необходимые процессы поддерживаются в необходимом диапазоне значений параметров. К ним относятся получение, сохранение, преобразование и передача информации. В любом процессе подобного типа всегда взаимодействует два объекта - управляющий и управляемый. Они соединены каналом прямой и обратной связи. По первому передаются управляющие сигналы. С их помощью объект управления выводится на необходимый диапазон параметров. По каналу обратной связи осуществляется передача информации о состоянии и текущее положение дел.
Давайте рассмотрим, как это осуществляется на примере регулирования температуры в помещении благодаря кондиционеру. В качестве управляющего объекта в данном случае выступает человек. Управляемым является кондиционер. В помещении размещается термометр, который предоставляет человеку данные о величине температуры. Это канал обратной связи. Чтобы увеличить или уменьшить температуру, или изменить диапазон, человек может включить или выключить кондиционер. Это пример работы канала прямой связи. В конечном результате температура помещения поддерживается в определённом, комфортном для человека, диапазоне. Подобным образом можно проанализировать и работу за компьютером. Человек здесь опять выступает в качестве управляющего (а техника - управляемого) объекта. Благодаря органам чувств (таким как зрение и слух) получается информация о состоянии компьютера посредством устройства вывода информации (монитора или акустических колонок), которое выступает в роли канала обратной связи. Человек анализирует полученные данные и принимает решение о совершении определённых управляющих действий. С помощью устройств ввода информации (мыши или клавиатуры), которые выступают в роли канала прямой связи, они совершаются относительно компьютера. Вот видите, какие особенности имеет информация живой и неживой природы.
Восприятие данных человеком
Отдельно стоит остановиться на тех, кто предоставляет наибольший интерес - людях. Относительно нас можно сказать, что самым ценным, тем, что нас делает такими высокоорганизованными существами, является человеческое мышление. Это очень развитый процесс обработки информации - на данный момент, самый лучший на территории Земли. Человек может выступать в роли носителя большого объема данных, которые представлены как зрительные образы, различные факты, теории и тому подобное. Весь процесс познания, который почти непрерывно протекает, заключается в получении и накоплении информации.
Подход со стороны науки
Кибернетика изучает технические аспекты. В целом данное направление реализуется в рамках информатики, которая занимается изучением данных и всех их особенностей. Но особенность кибернетики заключается в том, что эта наука специализируется на управлении процессами, которые происходят. Она изучает возможности влияния и осторожного наблюдения за перемещением информации и её оптимизацией.
Заключение
Как видите, есть информация в живой природе, обществе, технике, нас самих - куда ни глянь, её найти можно. Обойтись без неё невозможно. А в случае отсутствия части информации человек часто испытывает значительные затруднения.
