Даниил Михайлович Платонов
Информационная феноменология жизни. Часть I: Внутриклеточные информационные отношения
Институт гистонов, обеспечивая функции стабилизации и компактизации ДНК, наряду с расширением программных возможностей внес решающий вклад в переходе от присущей прокариотам топологии ковалентно замкнутого кольца организации молекулы ДНК для хранения генетической информации к незамкнутой структуре хромосом эукариот. Именно с этим, пожалуй, связаны основные процессы структурной перестройки клеточного hardware. Длительность этих процессов порядка 1,5млрд. лет достаточно впечатляет по сравнению с темпами ароморфоза многоклеточных. Возможно, это связано с отсутствием в этих процессах эволюции hardware жесткого информационного императива, обусловленного чем-то вроде «храповика Мёллера», либо слабыми или медленными коэволюционными отношениями изменяющейся окружающей среды и формирующейся эукариотной биосферы при её «созревании» до многоклеточных организмов. Не будем останавливаться на этой стороне эволюции эукариотной биосферы с её фантастически необъятной палитрой проходивших явлений. По этим вопросам существует огромное количество высококлассного, профессионального научного материала, для которого стиль наших очерков вряд ли уместен.
Оперативная (операционная) память
В предыдущих новеллах было отмечено, что основополагающей парадигмой структурной организации генетической информации эукариот является диплоидность, порождающая феноменологическую мультипрограммность реализации информационных отношений жизненных циклов клеток эукариотных организмов. Необходимо отметить, что реализация этой парадигмы охватывает и имманентные, и трансцендентные системные аспекты. Не смотря на идентичность «элементной базы» в обеих надцарствах биосферы, на каждом системном уровне семантика информационных эукариотных отношений именно феноменологически существенно отличается от подобных реализаций в прокариотной биосфере – прародительнице эукариот.
Эти различия привели к формированию новой эукариотной архитектуры информационных отношений, которая охватывает и hard– и software. Наиболее глубоко это проявилось в организации долговременной памяти на основе хромосом с линейной топологией молекул ДНК – носителей генетической информации. Естественно, эти трансформации затронули интерфейсы и протоколы передачи информации при формировании объектных, а затем и загрузочных программных модулей, которые управляют работой клеточных процессоров (рибосомы), синтезирующих белки – основу фенотипической клеточной информации.
Нечто подобное можно отметить и в развитии (эволюции) искусственных информационно-вычислительных систем. Парадигмой организации вычислительных процессов искусственных систем с точки зрения информационной феноменологии является цикл формирования в определенной последовательности различного уровня информационных объектов (software), обеспечивающих в совокупности возможность обработки на идентифицированных вычислительных ресурсах (hardware) заданного для системы множества «данных». Идентификация hardware создает, в определенной степени, его феноменологический приоритет, в значительной степени регламентируя архитектурные возможности software. При этом на основе сформулированной для системы миссии искусственные системы разрабатываются и функционируют принципиально в целях обеспечения определенных трансцендентных услуг. В связи с этим информационно феноменологическая последовательность организации вычислительных процессов искусственных систем может быть представлена в следующем виде:
– трансцендентный уровень (STТ): постановка задачи в соответствии с миссией системы и разработка алгоритмического обеспечения;
– архитектурные решения (STI): разработка software и постановка его на функционирование;
– имманентный уровень (SII): реализация вычислительного процесса с целью получения решения поставленных задач на идентифицированных ресурсах hardware;
– внедрение полученных результатов во внешней среде (SIT): например, выдача сигналов управления роботизированными и автоматизировано управляемыми объектами, выдача результатов количественной вычислительной обработки исходных данных, выдача результатов аналитической обработки текстовой, аудио и видео информации и т.п.
Для конкретных версий программного обеспечения обычно реализуется лишь одноразовый цикл их разработки и внедрения (тиражирования). Это объясняется тем, что новые версии software обычно актуализируют новые свойства, по крайней мере, в STI и SIT аспектах феноменологического представления системы. Ведь такое структурное изменение системы, по сути дела, в определенной степени, является актом ароморфоза, создающего новую структуру трансцендентно-имманентных отношений, что можно рассматривать как возникновение новой, в феноменологическом смысле, системы.
Практически аналогичная ситуация на клеточном уровне происходит и в биосфере. Однако, в отличие от искусственных систем, в биосфере существенно изменены акценты приоритетов software и hardware. В биосфере фактически фундаментально регламентирован абсолютный приоритет software. Именно software обеспечивает управление процессами передачи генетической информации, на основе которой происходит создание и жизнеобеспечение новых клеток. Напомним, жизненный цикл клетки состоит с создания «с нуля» всей структуры hardware. И только после этого происходит финальное действие конвариантной редупликации (тиражирования) генетической информации с дальнейшим делением клетки на дочерние. В связи с этим, в сопоставлении с искусственными системами, существенно меняется и парадигма развития информационных отношений на жизненном цикле клетки. Ключевой их стратификацией принято считать имманентную последовательность актов изменения «активации» структурных биохимических компонент, на основе которых происходят реализации последовательности выполнения генетически заданных информационных отношений.
Традиционно декларируется схема развития клеточного жизненного цикла в виде:
Эта схема вполне адекватно отражает жизненные циклы одноклеточных прокариотов, в которых для каждого отдельного организма в развитии информационных отношений фактически отсутствуют трансцендентный (STT) и архитектурный (STI) уровни феноменологической модели. В рамках прокариотной биосферы они обеспечиваются для информационных отношений только на экологическом уровне совместного обитания прокариотных организмов (например, параллельный перенос генетической информации). С этой позиции: информационные отношения прокариотных клеток представляют собой замкнутые информационные системы. Здесь мы опускаем обсуждение различных аспектов и форм вариаций прокариотной генетической информации. В информационных отношениях это выходит за рамки прокариотной клетки– системы. Вместе с тем в аспектах материально-энергетического обеспечения (прерогатива hardware) прокариотные клетки естественно проявляют себя в ходе жизненного цикла как активно развитые открытые системы. Именно эти аспекты, формирующиеся на внеклеточных отношениях, являются основой, определяющей устойчивость, как жизненных внутренних циклов бактерий, так и их популяций в целом. Подчеркнем, что в такой интерпретации жизненных циклов прокариот остаются в стороне процессы различного вида параллельного переноса генетической информации, которые, как подчеркнуто, для конкретной клетки являются фактически внесистемными феноменологическими актами. Это связано с тем, что также как и в искусственных информационных системах, в этой ситуации возникает новая структура трансцендентно-имманентных отношений, что эквивалентно в феноменологическом смысле переходу к качественно новой системе (например, к новому виду живых прокариот-организмов).
Феноменологическая ориентация на замкнутость системы внутриклеточных информационных отношений прокариотных организмов при переходе к эукариотной биосфере существенно сужает и ограничивает общую картину организации внутриклеточных жизненных циклов эукариот.
Главные отличия, при этом, связаны с качественным основополагающим феноменологическим переходом к мультипрограммному обеспечению управления жизненными клеточными циклами при возникновении и развитии эукариотных организмов в недрах прокариотной биосферы.
Реализуемая в эукариотной биосфере парадигма диплоидности структурной организации генетической информации эукариот и развившиеся на этой основе половое размножение эукариотных организмов, а также специализация эукариотных клеток многоклеточных организмов, приводят к необходимости активного органичного включения трансцендентных аспектов в модель эукариотических клеточных жизненных циклов. Необходимо учитывать, что изменчивость информационных отношений в эукариотных клетках обуславливаются в первую очередь структурой и вариативностью «данных» (фенотипической информацией), а не вариациями генома (всего пула генетической информации эукариотной клетки). Эти информационные преференции, в основном, касаются процессов вегетативного размножения клеток, включая митоз. При оплодотворении (сингамии) и мейозе, естественно, влияние внеклеточных вариативных процессов на формирование генетической информации приобретает существенную значимость, но, отнюдь, не снижает при этом влияние «имманентной структуры данных» на изменчивость жизненных циклов клеток.
На основе «исторической» памяти жизни предковых клеточных поколений для конкретных клеток вариативность «операционных данных» (квинтэссенция фенотипической информации), обусловленная внутриклеточным метаболизмом за счет программного процесса, активированного в данном клеточном поколении, не смотря на ее имманентную сущность является эквивалентом и аналогом трансцендентных воздействий. Напомним также, что при этом «исходные данные» (номенклатура множества аминокислот), из которых и формируется фенотипическая информация, остаются неизменными не только в структуре клеточных жизненных циклов, но, практически, на всём многообразии Живой природы.
При таком взгляде феноменологическая последовательность организации развития информационных отношений большинства эукариотных клеток в значительной степени совпадает с митотическим клеточным циклом и может быть проинтерпретирована в следующем виде:
– трансцендентный (STT) уровень: для дочерних эукариотных клеток этот уровень воплощает в себе митотический акт деления материнской клетки. Именно в результате этого акта дочерним клеткам наряду с геномом передается совокупность фенотипической информации, которая несет в себе необходимые сведения, обусловленные историей предыдущих поколений клетки. Особенно ярко это проявляется в процессах гистологическокой дифференциации эукариотных клеток многоклеточных организмов;
– реализация архитектурных (STI) и структурных (SII) отношений в эукариотных клетках происходит в режиме итерационных процессов формирования структурной организации клетки (включая структуризацию органелл) в результате внутриклеточного метаболизма на основе генома и исходной для каждой клетки индивидуальной фенотипической информации. Эти процессы охватывают пост-митотический и синтетический периоды митотического цикла. Напомним, в искусственных информационных системах решение поставленной задачи осуществляется на четко идентифицированных ресурсах hardware. В живых же клетках акту финальной конвариантной редупликации (тиражирования) клетки предшествуют процессы непосредственного формирования структуры hardware на основе актуализированного в данный момент software (геном + фенотипическая информация, представляющая «данные» об истории предыдущих поколений). Именно в результате этих возможностей (имманентной эксклюзивной структуризации hardware каждой клетки) обеспечивается необходимый спектр материально целевых функций для реализации жизненных циклов эукариотных клеток. Не это ли совмещение в режиме on-line процессов развертывания программной информации и формирования hardware для её реализации создали в биосфере эукариотов фантастические возможности ароморфоза жизни?;
– реализация уровня SIT происходит, фактически, в течение времени от окончания синтеза ДНК и до начала митоза. В этот период завершается подготовка клетки к митозу (премитотический период митотического цикла): происходит окончательное формирование структурных элементов, обеспечивающих процедуру деления клетки. Активно синтезируются различные белки, в том числе и тубулиновые, из которых образуются нити веретена деления. Наряду с этим, в этот период активно формируются различные РНК структуры и белки для осуществления пост-митомического периода дочерних клеток после митоза.
В отличие от прокариотов, у которых геном практически полностью воспроизводился исполнительными программными кодами, в эукариотических клетках набор исполнительных программ очень существенно отличается от генома клеток данного вида организмов. С феноменологической точки зрения протекания информационных процессов в клетках про– и эукариот это связано с переходом от гаплоидной структуры генетической информации у прокариот к диплоидности эукариот. Действительно, геном эукариот представлен физиологически гомологенными структурами генетической информации (материнскими и отцовскими хромосомами). Естественно, в этих условиях должны активно действовать соответствующие протоколы и интерфейсы, обеспечивающие непротиворечивую реализацию программного обеспечения жизнедеятельностью клеток организма. Простое последовательное считывание генетической информации из ПЗУ (ДНК) в ОЗУ (иРНК) для последующей программной процессорной (рибосома) обработки «исходных данных» (аминокислоты) в «операционные данные» (белки-ферменты), что осуществляется в клетках прокариотных организмов, в случае диплоидности эукариот не может обеспечивать устойчивое и предсказуемое получение результатов для организации жизнедеятельности эукариотных клеток. Протоколы и интерфейсы информационных отношений эукариот должны обеспечивать (и обеспечивают) способы и реализовывать механизмы управляемого выборочного считывания генетической информации из ПЗУ (ДНК) в ОЗУ (иРНК) и дальнейшей её передачи для трансляции на процессорные модули (рибосомы).
В искусственных информационно-компьютерных системах, фактически так же как и в биосфере на клеточном уровне, одним их существенных аспектов эволюции в смысле феноменологии развития и реализации внутрикомпьютерных информационных отношений явился, пожалуй, переход от моно– к мультипрограммным архитектурам. Наиболее активно это связано с внедрением в работу вычислительных компьютерных систем идей параллелизма. Это продолжается на всем протяжении развития вычислительной техники от монопроцессорных установок до современных суперкомпьютеров с массовым аппаратно программным параллелизмом. С этих позиций, самой ранней и наиболее известной является классификация архитектур вычислительных систем, предложенная в 1966 году М.Флинном. Классификация базируется на понятии потока, под которым понимается обрабатываемая процессором последовательность элементов: команд или данных. Подход в этой модели основан на принципиальном феноменологическом разделении потоков команд и данных. Выделяется четыре класса архитектур:
– SISD (single instruction stream / single data stream) – одиночный поток команд и одиночный поток данных (ОКОД);
– SIMD (single instruction stream / multiple data stream) – одиночный поток команд и множественный поток данных (ОКМД);
– MISD (multiple instruction stream / single data stream) – множественный поток команд и одиночный поток данных (МКОД);
– MIMD (multiple instruction stream / multiple data stream) – множественный поток команд и множественный поток данных (МКМД).
Отметим, что данная классификация не акцентирует структурное hardware распараллеливание вычислительного процесса. Внимание обращено лишь на структурную феноменологию информационного обеспечения. Вместе с тем, для конкретной реализации вычислительных процессов распределённость структур hard– и software актуальна именно в совокупности этих компонент. При этом всё-таки можно выделить некоторую специфику подходов учёта физической распределённости hardware и мультипрограммности software. Если решение вопросов увязки физической распределенности hardware в основном ориентируется на топологию коммуникационных отношений между распределёнными ресурсными компонентами, то, как показывает практика, семантическая увязка мультипрогаммных режимов в значительной степени связана со структурной и семантической организацией взаимодействия информационных объектов при переходе с одного уровня памяти на другой, например, с уровня долговременной (внешней) памяти на тот или иной уровень оперативной памяти. При этом именно эта проблематика охватывает без исключения все классы «флинновских» архитектур. Подтверждением этому является популярность в технических информационных системах Нортоновских утилит и дальнейшее развитие этой концепции в современных вычислительных системах.
SISD-архитектура характерна, прежде всего, для классических последовательных машин, или иначе, машин фон-неймановского типа. В таких машинах есть только один поток команд, все команды обрабатываются последовательно друг за другом и каждая команда инициирует одну операцию с одним потоком данных. При этом считается, что не имеет значения тот факт, что для увеличения производительности может применяться некоторая распределённая обработка. Обращаясь к архитектуре внутриклеточных информационных отношений, отметим, что фактически именно к этому классу относится архитектура внутриклеточных отношений прокариот. Ранее отмечалась существенная мультипроцессорность реализации информационных отношений в прокариотных клетках структурно организованное в виде одновременной последовательной «насадки» множества рибосом на одну молекулу иРНК. Это множество рибосом-процессоров производит синтез идентичных белковых структур по каждой последовательно активированной программе гена. Программа, соответствующая этому гену, поступает во всё множество активных рибосом-процессоров именно с одной конкретной молекулы иРНК. Молекулы иРНК реализуют собой оперативную память. Таким способом достигается тиражирование фенотипической информации необходимое для обеспечения реализации жизненного цикла прокариотных организмов.
Напомним, что генетический код на основе комплиментарного взаимодействия соответствующих молекул иРНК и тРНК однозначно идентифицирует адреса и выборку операндов (комплексы аминоацил-тРНК, содержащие необходимую аминокислоту), участвующих в синтезе рибосомными процессорами белковых молекул, которые, по сути, являются конечным продуктом реализации информационных процессов, программируемых генетической информацией. Не смотря на существенную процессорную мультипликативность, внутриклеточная архитектура информационных отношений прокариот, с точки зрения классификации Флинна, остается в классе SISD. Реализация монопрограммной организации внутриклеточного прокариотного информационного обеспечения вполне эффективно осуществляется на основе простой непосредственной транскрипции генетического кода с молекулы ДНК на молекулу иРНК. Происходит передача генетической информации, хранимой на уровне постоянной памяти (ДНК), в информационный объект на носителе оперативной памяти (иРНК). Компиляция генетического кода в коды объектных и одновременно загрузочных модулей иРНК ограничивается лишь идентификацией начала и конца конкретного гена и однозначной заменой пиримидина тимина (Т), комплиментарного пурину адеину (А) в структуре ДНК, на пиримидин урацил (U), комплиментарный адеину (А) в структуре иРНК (однозначная замена одного алфавитного знака).
К настоящему времени эволюция компьютеров на основе современных технологий создания элементной базы привела фактически к тому, что все они относятся к классам архитектур с множественными потоками команд и данных. Это касается не только суперкомпьютерных установок, рабочих станций, серверов, но и оборудования локального применения: различные типы персональных компьютеров (ПК), планшетные компьютеры (iPad и т.п.), смартфоны (iPhon и т.п.), специализированные вычислительные средства и агрегаты. Все они, в том или ином виде, основаны на архитектуре распределенных ресурсов: как процессорных элементов (многоядерные процессорные узлы и блоки), так и физической организации памяти. Уже отмечалось, что увязка физической распределенности hardware в основном ориентируется на топологию коммуникационных отношений между распределёнными ресурсными компонентами. Именно в аспекте этой архитектуры разработчики обычно пытаются найти решения, наиболее эффективные с точки зрения достижения предельной производительности вычислительной установки в рамках ее конкретной элементной базы и функциональной эксплуатации.
Однако, не смотря на высокую практическую значимость этого показателя, во главу угла функционирования любой вычислительной установки ставится, всё-таки, требование достоверности семантической обработки информации. Для мультипотоковых архитектур эта проблематика в значительной степени связана с организацией памяти и доступом к ней, что обеспечивает хранение и доставку к процессорным элементам непротиворечивой и актуальной на каждом этапе вычислительного процесса программной информации и данных, с которыми производится семантическая обработка. Касаясь обоих типов информации, можно выделить для них некоторые общие аспекты, которые связаны с обеспечением достоверности реализации семантики информационных отношений:
– регламентация доступа к информации;
– преобразование информации при передаче с одного уровня памяти на другой;
– организация оперативного доступа информации к операционным средствам – процессорным элементам.
На основе регламентации доступа обеспечивается, в той или иной степени, защита вычислительных процессов от поступления в них посторонней информации. Чаще всего для каждого уровня памяти обеспечиваются свои, специфические для этого уровня, аппаратно программные мероприятия, которые соответствуют выбранной модели возможных нарушений легальных информационных процессов, а так же трафиков потоков команд и данных. Обычно для уровней внешней (постоянной) памяти эти мероприятия направлены на предотвращения несанкционированного доступа (НСД). В зависимости от степени значимости информационно вычислительных систем используется разная совокупность средств защиты на этом уровне: механические (физическая и механическая регламентация и защита доступа, разъемы с ключевыми вставками, смарткарты, и другие аппаратно-электронные приспособления). Переход от уровня внешней к уровням оперативной памяти обычно защищается аппаратно-программными комплексами (например, программно-электронные замки т.п.), а так же средствами криптографической защиты информации.
В структуре внутриуровневых и межуровневых отношений в оперативной памяти регламентация доступа осуществляется с помощью специализированных программ в составе операционных систем, а в ряде случаев и с использованием дополнительных программных утилит и аппаратных средств. Этим достигается оперативность регламентации и организации доступа к информационным объектам в условиях их динамического перераспределения в процессорных средствах и распределённых структурах памяти.
Преобразования информации при передаче с одного уровня памяти на другой обычно достаточно отличны для разных феноменологических типов информационных объектов: программы и «данные». Преобразование программных текстов происходит на основе компиляции с языка хранения программ в структуре внешней (долговременной) памяти в машинные коды. Организация этих процессов происходит под управлением операционных систем по мере необходимости загрузки элементов оперативной памяти новыми программами. Преобразование данных чаще связано с работой того или иного типа браузера для работы с гипертекстами на языках разметки. Оперативный доступ информации к операционным средствам – процессорным элементам, обычно выполняется локальными, связанными с конкретным процессорным элементом, средствами операционных систем.
Некоторая подробность представления организации информационных процессов в искусственных распределенных мультипроцессорных системах объясняется тем, что наблюдается фактически абсолютная феноменологическая адекватность функциональной организации реализации внутриклеточных информационных отношений эукариот и современных вычислительных систем.