mns2012 (mns2012) wrote in biosemiotics,
mns2012
mns2012
biosemiotics

Categories:

Примеры семиотических и несемиотических систем

По заявке ув. livelogic

Для начала введём необходимые определения.

Знаком называется конфигурация частиц вещества, выполняющая определенную роль, или функцию, в системе S обработки информации. Эта роль состоит в том, что знак указывает на/обозначает другую конфигурацию материи или определённый физико-химический процесс (так называемый денотат, или референт), являющиеся следствием обработки знака системой S. Важнейшим условием осуществления знаком своей указательной функции является физико-химическая независимость знака и референта. Только при этом условии существует возможность установления логической (функциональной) связи между знаком и денотатом. Напротив, как только в системе S появляется такая зависимость, S перестаёт быть системой обработки информации. Независимость знака и референта реализуется в так называемых вырожденных состояниях, то есть в состояниях равновесия, характеризующихся минимумом полной потенциальной энергии системы.

Денотатом, или референтом, называется конфигурация частиц вещества или физический/химический процесс, производимые системой обработки информации в результате обработки знака.

Семиóзисом называется обработка знака.

Семиотической называется система, осуществляющая обработку конфигураций материи, выступающих в роли знаков. Всякая система обработки информации по необходимости является семиотической.

Обработка знака — то же, что трансляция. Обработка происходит в соответствии с протоколом, реализующим правила обработки. Обработка определённого знака заключается в производстве соответствующего ему по протоколу физического эффекта (той или иной конфигурации материи). Этот эффект носит название референта, или денотата, то есть буквально "того, что обозначается знаком". Важной особенностью семиотических систем является физико-химическая независимость знаков от референтов. Знаки пассивны по отношению к динамике частиц вещества системы. Они лишь инициируют свою собственную обработку, не определяя каким именно будет производимый системой эффект. Эффект задается независимо от знака посредством протокола. Соответствие между знаком и референтом произвольно относительно законов природы (дозволяется, но не определяется ими). Это соответствие — результат организации системы как целого, или наложения соответствующих граничных условий на движение частиц вещества в системе. Таким образом, трансляция знака реализуется в протекании в системе S тех или иных физических или химических процессов, обеспечивающих логическую связь между знаком и денотатом: подали на вход S знак X1 — получили эффект Y1, подали X2 — получили эффект Y1, и так далее. Логический характер соответствия знаков денотатам заключается в том, что оно дополнительно к законам движения материи, отвечает заданному протоколу, является локальным следствием организации всей системы S как целого и не определено вне её.

Протоколом называются правила обработки знака, устанавливающие логическую/функциональную связь между знаком и денотатом. Протокол реализован организацией системы обработки информации, то есть граничными условиями на протекание процессов в системе. Реализация протокола, в частности, может быть осуществлена посредством особой конфигурации материи, не зависимой от знака и референта.

А теперь рассмотрим условия, необходимые для осуществления семиозиса, на примере музыкальной шкатулки и других систем. Для сравнения рассмотрим также системы, не являющиеся семиотическими.

Итак, примеры.

Пример 1. Музыкальная шкатулка

Заимствовано отсюда.

music.box.PNG
Рис.1. Музыкальная шкатулка: на корпус (1) крепится валик (2), приводимый в движение рукояткой (3), в результате чего колки (4) входят в соприкосновение с пластинами (5).

Шкатулка (рис.1) состоит из корпуса 1, сменного металлического валика 2, приводимого во вращение вокруг горизонтальной оси рукояткой 3 и на поверхности которого расположены радиально ориентированные бугорки, или колки 4, а также ряда горизонтальных металлических пластин 5 в плоскости оси валика, заделанных в корпус так, что их свободные концы могут входить в контакт с колками при вращении валика, не касаясь его цилиндрической поверхности.

При вращении валика колки, соприкасаясь со свободными концами пластин, заставляют их колебаться, в результате чего извлекается звук по принципу действия щипковых музыкальных инструментов. Частоты звуковых колебаний пластин различны вследствие того, что пластины имеют неодинаковую длину.

Вполне очевидно, что взаимное расположение колков и пластин обеспечивает возможность шкатулки играть определенную мелодию. Проанализируем это наблюдение и попытаемся ответить на вопрос, почему это так.

Первым условием, необходимым для осуществления семиозиса, или попросту условием того, чтобы шкатулка работала, является наличие физического носителя информации, обеспечивающего загрузку знаков в систему трансляции. В данном случае носителем информации является сменный валик с колками. Конфигурация колков выполняет роль знаков в системе. Как мы знаем, знаки инициируют процесс собственной обработки, заключающейся в физическом эффекте, или референте. В данном случае эффект состоит в воспроизведении соответствующей мелодии. Поставили другой валик – шкатулка будет проигрывать другую мелодию.

Вторым условием семиозиса является физико-химическая произвольность отношения «знак-референт»; то есть, в нашем примере, произвольность соответствия между позицией колка и воспроизведением шкатулкой звука определенной частоты. Для обеспечения возможности восприятия семиотической системой тех или иных конфигураций в виде знаков, действие каких-либо физико-химических закономерностей между знаком и референтом должно быть исключено. Напротив, отношение между ними должно устанавливаться вне зависимости от действия законов природы в силу организации компонентов системы; в рассматриваемом примере – в силу взаимного расположения валика с колками и пластин. Без особой конструкции шкатулки, устанавливающей взаимное расположение валика и пластин, никакого устойчивого отношения между расположением колков и высотой воспроизводимого звука не было бы. Отношение между данной пластиной в конкретном месте шкатулки и частотой колебаний называется протоколом (соглашением). Реализация протокола возможна физически именно вследствие произвольности (отсутствия жесткой физико-химической зависимости) между знаками и референтами. В случае шкатулки протокол материально представлен конкретным взаимным расположением пластин, что позволяет скоординировать соответствие колков высоте музыкальных звуков. Итак, второе условие семиозиса состоит в существовании протокола, или соглашения, представленного материально в качестве конфигурации материи, устанавливающей не существующее вне контекста системы устойчивое отношение между знаком (конфигурацией колков) и референтом (частотой музыкального тона). Разобрали шкатулку – исчезло соответствие между колками и музыкальными тонами.

Третьим условием семиозиса является обеспечение физическо-химической независимости (разрывности) между знаком и референтом. Это условие означает, что эффект трансляции знака не должен определяться физико-химическими свойствами знака. Знак лишь инициирует физический эффект, являющийся результатом его трансляции, не определяя, в чём именно этот эффект будет состоять. В нашем примере со шкатулкой воспроизведение мелодии невозможно вывести лишь из конфигурации колков ни в какой момент времени в течение трансляции. Напротив, для установления соответствия между расположением колков на валике и воспроизводимым звукорядом необходима вся система целиком. Эффект трансляции вытекает из свойств организации системы как целого: координация между знаком, поступающим на вход системы трансляции, и физическим эффектом возможна с помощью протокола только локально, для данной системы и исключительно в силу особенностей её организации. Можно сказать, что физическая независимость между знаком и референтом позволяет управлять динамикой эффекта трансляции по внешнему предписанию. Этим предписанием и являются последовательности знаков. По выражению М. Поляни, организация системы трансляции представляет собой граничные условия по управлению физическими процессами реализации требуемой функции (“boundary condition harnessing the laws of nature”).

Наконец, четвертым условием является существование однозначной уникальной функции, осуществляемой в результате трансляции знаков. В примере со шкатулкой функцией является воспроизведение определенного звукоряда.

Функция отличает живые организмы от неживой материи (если не учитывать неживые функциональные системы, созданные человеком): объяснение особенностей строения и функционирования живых систем должно делаться на системном уровне, на уровне организации как целого, без сведения всей наблюдаемой биологической сложности к физико-химическому аспекту ее реализации. Как следствие, наличие однозначной функции является одним из признаков, по которым мы можем распознать феномен трансляции информации. Следует сделать лишь одно вполне понятное замечание: поскольку эффекты трансляции информации определяются локальной организацией, а не физико-химической закономерностью, они особенно подвержены отрицательному влиянию шумов, неизбежных в любом физическом канале передачи информации. Реальные системы обработки информации не могут гарантировать отсутствие сбоев в работе и сами со временем деградируют.

По аналогии с разобранным выше примером музыкальной шкатулки, ниже мы вкратце разберём ещё несколько примеров семиотических систем, а также систем, не являющихся таковыми.

Существуют и более экзотические примеры музыкальных аппаратов, постоенных по принципу шкатулки, например, вот эта установка, в которой для звукоизвлечения используются стеклянные шарики, падающие с высоты на металлические пластины.


Пример 2: Проигрыватель грампластинок – семиотическая акустическая система

Носителем информации здесь является виниловая грампластинка с нанесённой на ней непрерывной спиральной канавкой (дорожкой), форма которой модулирована звуковой волной. Для «проигрывания» (воспроизведения звука) грампластинок использовались специально предназначенные для этой цели аппараты: сначала граммофоны, патефоны, и позднее — электропроигрыватели и электрофоны.

При движении по дорожке грампластинки игла проигрывателя начинает вибрировать (поскольку форма дорожки неравномерна в плоскости пластинки вдоль её радиуса и перпендикулярно направлению движения иглы, и зависит от записанного сигнала). При вибрации пьезоэлектрический материал либо электромагнитная катушка звукоснимателя вырабатывает электрический сигнал, который усиливается усилителем и далее воспроизводится акустической системой.

Протоколом является соответствие амплитуды колебаний иглы звуковым характеристикам (частоте и тембру). Это соответствие (соглашение) реализовано материально в проигрывателе в виде пьезоэлектрической головки или электромагнитной катушки и позволяет координировать форму дорожки и характеристики производимого проигрывателем звука.

Физико-химическая разрывность обеспечивается физико-химической независимостью грампластинки как физического тела от производимого проигрывателем эффекта – воспроизведения записанной на пластинке информации.

Функция здесь также вполне однозначна, очевидна и объективно распознаваема: воспроизведение звука.

Важной особенностью данной семиотической системы является обработка аналогового сигнала, в отличие от дискретного в примере со шкатулкой.

Пример 3: Фотоаппарат

Носителем информации является световой сигнал, отраженный от предмета.

Протоколом является соглашение по соответствию интенсивности и цвета светового сигнала интенсивности и цвету изображения на фотопленке или в цифровом представлении изображения в современных аппаратах. Протокол был статичным в аналоговых аппаратах прошлого, но в современных аппаратах он может меняться пользователем (сепия-режим, черно-белый режим, ночная съёмка и пр.). Функция заключается в получении изображения на фотопленке или в цифровом представлении.

В цифровом аппарате, в отличие от аналогового удовлетворяется третье условие семиозиса, а именно: физико-химическая разрывность между знаком и референтом. В аналоговом аппарате свет непосредственно засвечивает различные участки плёнки с разной интенсивностью, поэтому как таковой трансляции информации здесь нет. Поэтому аналоговый аппарат сам по себе не является семиотической системой. Тем не менее, если рассмотреть процесс получения фотографии, включающий аналоговое фотографирование на плёнку лишь как этап, за которым следует проявка и закрепление, то весь производственный цикл целиком будет являться семиотическим, вследствие того, что третье условие будет в этом случае удовлетворено.

Пример 4: Звук от ветра в проводах или в изгибах гор

Движение воздуха относительно поверхностей, сопровождающееся звуковыми колебаниями, нельзя рассматривать в качестве семиозиса, поскольку никакой обработки информации в данном случае не имеется. Не соблюдается и условие физико-химической разрывности знака (если знаком считать конфигурацию поверхности твердого тела) и эффекта, состоящего в генерации звука.

То же самое справедливо и для других естественных природных систем (осадки+порода, вода+камни, ветер+облака и т.д.).

Пример 5: Шахматы

Носителем информации является конфигурация фигур (достоинство фигур и их положения) на шахматной доске.

Протоколом являются правила игры. Материальным выражением протокола являются конфигурации синапсов нейронов головного мозга игрока, сформированные в процессе его обучения.

Референтом является механическое движение фигур в процессе игры (или движение мышц игроков).

Физико-химическая разрывность между знаком (конфигурацией фигур на доске) и референтом (движением фигур) очевидна. Вне контекста игры именно такие движения именно таких фигур не имеют смысла. Соответствие между положениями фигур и их механическим движением (начальными и конечными положениями) локально для данной игры. Шахматные правила безразличны к законам механического движения молекул, входящих в состав доски и фигур.

Пример 6: Регулирование дорожного движения

Носителем информации, с точки зрения водителя, являются дорожные знаки, дорожная разметка, а также положения и скорости других участников движения.

Протоколом являются правила дорожного движения. Материальным выражением протокола являются конфигурации синапсов нейронов головного мозга водителя, сформированные в процессе его обучения вождению.

Референтом является механическое движение автомобиля (или мышц водителя по управлению движением транспортного средства).

Физико-химическая разрывность между знаками и референтами здесь так же, как и в шахматах, вполне очевидна. Вне контекста дорожного движения именно такие движения именно таких групп мышц водителя не имеют смысла. Соответствие между дорожными знаками/разметкой и движением тела водителя произвольно по отношению к законам движения материи (физике и химии органических тканей) и локально относительно регулирования дорожного движения: как только водитель приехал домой, он выбыл из контекста регулирования дорожного движения.

Пример 7: Система трансляции генетического кода


Рис.2. Синтез белка на рибосоме.

Мой излюбленный пример семиозиса — биосемиозис при синтезе белка на рибосомах (рис.2).

Носителем информации являются биополимеры: ДНК, а также информационная РНК (иРНК).

Протоколом является генетический код, то есть соответствие определённому триплету нуклеотидов иРНК одной из двадцати протеиногенных аминокислот. Генетический код реализован особыми ферментами аминоацилсинтетазами (арсазами), нагружающими транспортные РНК (тРНК) аминокислотными остатками, соответствующими триплетам нуклеотидов иРНК. Генетический код реализован в контексте адаптерного распознавания тРНК, транспортирующих аминокислоты к рибосоме для присоединения их к синтезируемой полипептидной цепи. Рибосома обрабатывает иРНК, триплет за триплетом. Адаптерный принцип действия транслятора обеспечивает встраивание в синтезируемый белок только той аминокислоты, которая соответствуют по генетическому коду триплету иРНК, считываемому в данный момент. Для встраивания аминокислоты в белок "вилка" антикодона тРНК (антикодон УАЦ на рис.2 вверху) должна войти в "родную" розетку триплета иРНК (триплет АУГ на рис.2 вверху). Вилка к "чужой" розетке не подойдёт, только к своей "родной"! Распознавание рибосомой молекул тРНК становится возможным локально как результат организации системы трансляции (формы и взаимного расположения триплета иРНК, антикодона тРНК, а также полезного "груза" тРНК, то есть аминокислотного остатка). Триплетность кода обусловлена необходимой c точки зрения защиты от шумов избыточностью.

Физико-химическая разрывность между знаками (последовательностью нуклеотидов ДНК или иРНК) и референтами (синтезируемым протеомом) обеспечивается организацией системы трансляции генетического кода на рибосомах.

Референтом в данном случае является образование полипептида, линейная структура которого задаётся последовательностью нуклеотидов иРНК. Именно это даёт основание рассматривать триплеты иРНК в качестве инструкций по присоединению к полипептиду соответствующих аминокислотных остатков. Синтезированный полипептид впоследствии отделяется от рибосомы и сворачивается в трехмерную молекулу белка.

По критерию энергетической эффективности ДНК является наиболее совершенной системой памяти: передача одного бита информации ДНК требует около 0.2 эВ, что приблизительно в 10 раз больше нормальной температуры (T = 300 К), т. е. минимальной затраты энергии при тепловых шумах. Множитель 10 присутствует в качестве отстройки от тепловых шумов. Подробности см. здесь.

И, наконец, следует упомянуть ещё одно обстоятельство: поскольку генетический код является правилами (в отличие от "обязательных" и везде присутствующих законов природы), можно было бы предположить, что его можно изменить. Это естественное предположение недавно было блестяще экспериментально подтверждено. См. так наз. hachimoji DNA, напр., здесь.
Tags: биосемиотика, семиозис, семиотика, система трансляции генетического кода
Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic
  • 8 comments