Ajatuksia Informaatiosta

31.1.2018 klo 23.48, kirjoittaja
Kategoriat: Astrobiologia

Edellisessä blogissa pohdiskelimme aika perusteellisesti elämän kompleksista olemusta. Kuitenkin elämän voi ajatella olevan vain aineellisia rakenteita joita energia rakentaa ja liikuttaa, informaation ohjaamalla tavalla. Tästä kokoonpanossa aine ja energia ovat tuttuja suureita, ja informaatio on se komponentti jonka myötä tuo kompleksisuus syntyy. Mutta mitä informaatio oikein on? Tämäkin kysymys tuntuu johtavan aika syviin epämääräisyyksiin.

Yhteinen tietolähteemme wikipedia määrittelee informaation järjestykseksi, johon voidaan liittää jokin tulkinta. Television kuva on informaatiota, mutta sen kohina (”lumisade”) ei sitä ole, koska siinä ei ole järjestystä. Wikipedia sanoo myös että informaatio on vastaus jonkinlaiseen kysymykseen. Se on tietoa ja asiasisältöä, jotka liittyvät todellisiin tai abstrakteihin asioihin tai käsitteisiin. Jonkun sorttinen (pelkkä olemassaoleva) informaatio ei tarvitse vastaanottajaa, mutta merkitykselliseksi, ymmärretyksi ja toimivaksi se muuttuu vasta sitten jos sillä on vastaanottaja.

Esimerkiksi tietokirja voi sisältää paljonkin tietoa, joka kuitenkin jää aika merkityksettömäksi jos kukaan ei avaa kirjaa; merkittäväksi informaatioksi se muutttuu vasta sitten kun joku lukee ja ymmärtää sen, ja kun se johtaa johonkin tulkintaan tai toimintaan. Tai, maantieteellinen paikka kaikkine yksityskohtineen sisältää loputtomasti paikkatietoa omasta itsestään, mutta informaatioksi se muuttuu vasta sitä kautta että siitä tuotetaan kartta tai kuva johon joku vastaanottaja voi tutustua.

Informaatio on siis jotakin samantapaista kuin viesti joka välittää jonkun merkityksellisen asian tai ohjeen eteenpäin.

Varhaisimpaan elämään liittyvä informaatio olisi ilmeisesti  molekyyliketjuihin liittyvää järjestystä. Kuitenkaan liian tarkka tai toistuva järjestys ei ole kovinkaan informatiivista. Mineraalikiteet ovat järjestyneitä ja säännöllisiä, mutta niiden  informaatiosisältö on hyvin pieni. Ne kuvaavat vain niiden omaa atomi- tai molekyylirakennetta, ja olosuhteita joissa ne ovat muodostuneet.

Molekyyliketjun informaatio syntyy sen sisältämästä vaihtelusta.  Aiemmin mainittu fyysikko Schrödinger määritteli että DNA-nauha vastaa täysin epäsäännöllistä kidettä, ja juuri sen epäsäännöllisyys on samaa kuin sen informaatiosisältö. Mutta pelkkä epäsäännöllisyyskin voi olla vain tyhjää kohinaa. Informaatioksi se  muuttuu vasta sitten kun se sisältää ja välittää viestin, siis jotakin tietoa tai merkitystä.

Varhaisimman elämän kohdalla tuo viesti oli sellainen molekyylin tai molekyylijoukon rakenne joka kopioi itsensä uudeksi, jokseenkin samanlaiseksi; toistuvasti. Tälla tavalla toimivat rakenteet välittivät viestiä eteenpäin: ne tuottivat uusia molekyylejä.

Nuo viestit eivät välittyneet vielä minkäänlaisen koodin tai koodin tulkinnan kautta, vaan toimivat suoraan kyseisten molekyylirakenteiden ja vuorovaikutusten kautta. Rakenteet toimivat suoraan työkaluina. Molekyylirakenteiden sisältämää informaatiota voitaisiin verrata vaikka kansanperinteen suureen tietomäärään, joka aikoinaan välittyi työkalujen, esineiden, tapojen ja perittyjen taitojen ja tietojen myötä. Koodattuun kulttuuri-tiedon siirtoon olemme siirtyneet vasta kirjoitetun kielen myötä.

Nämä informatiiviset molekyylirakenteet muodostuivat ja toimivat juuri niiden ympärillä vallitsevissa olosuhteissa. Niiden sisältämät viestit olivat siis olosuhteisiin sopeutuneita, samoin kuin ovat kansanperinteen muovaamat työkalutkin.

Ketjumaiset molekyylit ovat hyvin potentiaalinen informaation säilyttämisen formaatti siksi että ne rakentuvat pienistä osista. Rakennuspalikoiden tuotetaan sarjatyönä, ja siihen ei kulu paljoakaan vaivaa tai energiaa. Oleellinen informaatio sisältyy vain ketjun sisäiseen järjestykseen, ja se säilytetään järjestystä kopioimalla.  Järjestystä vaihtelemalla sitä voidaan taas loputtomasti muunnella. Elämän varhainen epätarkka kopioituminen muunteli ketjujen sisältöjä  koko ajan, se hukkasi paljon olemassa olevaa informaatiota, joka virheiden myötä muuttui kohinaksi. Toisaalta virheet myös koko ajan tuottivat runsaasti uudenlaisia ketjuja ja rakenteita, ja uudenlaisia ja vaihtoehtoisia informaatiosisältöjä. Luonnonvalinta suosi ja piti yllä sellaisia versioita jotka olivat hyödyllisiä ja merkityksellisiä, nämä hiotuivat ja optimoituivat edelleen ja muuttuivat pysyvämmäksi geeniperimäksi. Tämä geeniperimän muokkaantuminen jatkuu tietenkin edelleen, tosin paljon rauhallisempaan tahtiin kuin elämän alkuvaiheissa.

Tässä kopioitumisen, muuntumisen ja valikoitumisen kiertokulussa informaatio näyttää olevan vain valikoima alati muuttuvia, ohi virtaavia olotiloja, vaihtoehtoisia aineen olomuotoja. Ne ovat olemassa hetken siksi että ne ovat toimivia, ja siis runsaasi energiaa käyttäviä ja entropiaa nostavia, termodynaamisesti edullisia tiloja.  Informaatio siis käyttäytyy jotenkin samalla tavalla kuin energia.

Teoreettiseen fysiikkan taipuvainen kommetaattorini Pentti S. Varis  ehdotteli että informaatio on pohjimmiltaan jotakin aineen kaltaista. Anil Ananthaswany taas siteeraa artikkelissaan ”parallel universes fix black hole hitch” (New Scientist 3159, s. 14) kvanttimekaniikan perussääntöä, jonka mukaan ”informaatiota ei voida luoda eikä hävittää”.  Ei tuo kvanttimaailman sääntö ainakaan näytä sopivan tähän oikeaan ja elävään maailmaan, missä informaatio koko ajan syntyy ja katoaa, ja virtaa läpi.

 

17 kommenttia “Ajatuksia Informaatiosta”

  1. Pekka Janhunen kirjoitti:

    Tämä aihe on todella vaikea. En ole tullut selvittäneeksi itselleni miten ’informaatio’ voidaan määritellään fysiikassa tai onko sen määrittely yksikäsitteinen tai mielekäs. Tässä kirjoituksessa informaatiota pidetään enemmänkin viestintänä eli kolmikon lähettäjä, sanoma ja vastaanottaja kokonaisuutena. Tällainen lähestymistapa kuulostaakin käytännölliseltä. Jos mennään takaisin fysiikkaan, ehkä tarvittaisiin jonkinlaista informaation suhteellisuusteoriaa jossa kohteen informaatiosisältö ei ole absoluuttinen vaan riippuu vastaanottajan eli havaitsijan kontekstista. Esimerkiksi tulevaisuuden kehittyneempi arkeologia voi löytää informaatiota sellaisestakin jäänteestä joka on meille vain kohinaa. Ehkä on olemassa jokin fysiikan rajaama maksimaalinen määrä informaatiota joka kohteessa voi olla (joka on ehkä sukua entropialle), ja sitten tuon informaation havaittava osa, jonka mitta on verrannollinen havaitsijan eventtipuun kokoon ja saavuttaa maksiminsa jos eventtipuu on täydellinen. En tiedä onko tässä järkeä ja jos on, onko se ehkä sukua muille tavoille määritellä informaatio fysiikassa.

    1. Pekka Janhunen kirjoitti:

      Huomautan silti että tuo esiintuomani eventtipuun käsite on todennäköisesti turhan naiivi täsmälliseen määrittelyyn. Eventillä tarkoitan avaruusajan pistettä; suhteellisuusteoriassahan ajatellaan että avaruusaika on kaikkien eventtien joukko eli jokaisella tapahtumalla (event) on määrätyt koordinaatit x,y,z ja aika t, ja mikään muu tapahtuma ei voi sattua täsmälleen samassa paikassa ja samalla hetkellä. Kvanttimekaniikan luonnollinen avaruus on kuitenkin isompi, eli funktioavaruus eli Hilbertin avaruus. Eventtipuutulkinta assosioituukin enemmän Feynmannin diagrammien kanssa, eli kullekin alkeistapahtumalle voidaan piirtää sen historiaa kuvaava Feynmannin diagrammi, joka on avaruusaikagraafi. Tapahtuman historia avaruusaikaan piirrettynä graafina on kuitenkin vain kvanttimekaniikan häiriöteorian apporoksimaatio, joka ei päde kaikissa tilanteissa eikä ole yhtä syvällinen kuin jokin täydellisempi kvanttiteorian maailmanmalli.

    2. Kirsi Lehto kirjoitti:

      Hauskaa pohdiskelua, sekä käytännön että teorian näkökulmasta. Itse havahduin tämän kysymyksen kummallisuuteten kun luin mainitsemastani artikkelista kvanttiteoreettisen väitteen että informaatiota ei voi luoda eikä hävittää; tämähän väittäisi että informaatio olisi jokin pysyvä ja muuttumaton suure maailmankaikeudessa.
      Kuitenkin käytännön maailmassa informaatiota syntyy kaikesta siitä mitä tapahtuu. Ehkä tapahtumien ”flow” on jo sinällään informaatiota, vaikka sillä ei olisi edes ketään havaitsijaa?
      Ja eliökunnan olemassaolo ja evoluutio näyttää pelkistyvän ”vain” biokemiallisia prosesseja ohjaavan geneettisen informaation muunteluun ja leikkiin aineessa. Nobelisti Manfred Eigen, elämän informaatioavaruuden ulottuvuuksien ja vaihtelumahdollisuuksien tutkija, on määritellyt elämä ilmiönä joka hakee paikkaansa moniulotteisessa informaatioavaruudessa. En tiedä olisiko informaatiota edes pysyvästi olemassa – vai olisiko se vain hetkellisesti vallitseva ”asioiden tila”. Jota sitten joku voi havaita, tulkita ja ymmärtää, jos pystyy?

    3. Kirsi Lehto kirjoitti:

      … jotakin tuollaista itsekin ounastelen, ihan mutu-tuntumalla, ilman mitään ymmärrystä kvanttimaailmasta. Jotenkin tuntuisi luontevalle että informaatio syntyy tuon ”eventtipuun” kautta, tai siis kaikesta siitä mikä tapahtuu, joko konkreettisesti tai abstraktisesti, kuten teoreettinen keskustelu.

  2. Jorma Kilpi kirjoitti:

    Kuinkahan monimutkainen itsensä kopioimiseen kykenevän molekyylin rakenne yksinkertaisimmillaan voi olla? Mietin että olisiko mahdollista löytää sellainen uudelleen? Tai olisiko mahdollista edes arvioida sitä kuinka monimutkainen se vähintään on ollut? Sellaisesta arvauksesta voisi päästä siihen kuinka kauan luonnolla on mennyt aikaa ennen kuin tarvittava monimutkaisuuden taso on saavutettu.

    Informaatiosta tuli mieleeni, että jos löytyisi sellaisen eliön geeniperimää jonka elinympäristöstä ja sukupuusta ei olisi mitään tietoa, niin näyttäisikö se geeniperimä meistä täysin satunnaiselta?

    Jos ei puhuta kvantti-informaatiosta, niin informaatiolla on kaksi puolta: informaation määrä ja informaation sisältö. Informaation määrä on se puoli, johon on olemassa jonkin verran teoreettista ymmärrystä ja jota kyetään laskemaan. Informaation sisältö on vaikeampi asia, sillä yksi bitti informaatiota voi olla yhdelle elämän ja kuoleman kysymys, toiselle se sama informaatiobitti voi olla täysin merkityksetön.

    1. Kirsi Lehto kirjoitti:

      Ensimmäiseen kysymykseen löytyy vastaus paperissa:
      James Attwater, Aniela Wochner, and Philipp Holliger*. 2013. In-ice evolution of RNA polymerase ribozyme activity. Nat Chem. 5(12): 1011–1018. doi:10.1038/nchem.1781.
      Tässä kuvataan sellainen RNA-katalyytti (ribozyme) joka on 2014 nukleotidia pitkä, ja se pystyy kopioimaan 2016 nukleotidin pituisen, eli itseään pidemmän juosteen. Tosin, ei mitä tahansa juostetta vaan pelkästään sellaisia helppoja joissa on lähinnä G-nukleotideja. Siis ei vielä oikein ole löytynyt tuollaista joka vois kopioida itsensä – kuitenkin aika lähellä on jo. Kuitenkin tuo 2014 nukleotidia on varsin pitkä ja monimutkainen sekvenssi – tämä on tehty sillai vaiheitta, hyvin tiukalla toiminnallisella testillä valiten, uudelleen ja uudelleen. Enpä osaa sanoa miten pian sellainen ihan satunnainen luonnonvalinta olisi sen löytänyt, mutta ainakin se on tarvinnut siihen aika paljon materiaalia valittavaksi.

      Toinen kysymys: sellaista outoa genomia varmaankin katsottais ensin sillä silmällä että koodaako se mitään proteiinia, eli löytyykä siitä avoimia lukukehyksiä (kolmikkokoodien sarjoja). Jos löytyy, niin se olisi selvästi jotakin toimivaa ja eloperäistä. Toisaalta, jos EI löydy, niin sitten se heti jo näyttäis jollekin satunnaiselle kohinalle, kuten arveletkin. Silti on mahdollista että tuollainen kohinan näköinen sekvenssi voisi koodata toimivia RNA-katalyyttejä.

      Kolmas juttu: Juuri niin kuin sanot. Vaikea arvioida informaatiosisältöjen merkittävyyttä, kun se määräytyy lähinnä laadun, ei määrän mukaan. Pienikin määrä (noin miljoona merkki) virheetöntä ja toimivaa koodia tekee eliön; sitten taas loputtoman suuret määrät kohinaa ei tee mitään.

  3. Pentti S. Varis kirjoitti:

    Joidenkin fyysikkojen mielestä informaatio saattaa olla jotain konkreettista ja luonnon olosuhteisiin vaikuttavaa, eräänlaista ohjaavaa voimaa. Ongelmallista on kuitenkin, että varsinkin elotonta luontoa on vaikea kansoittaa informaatiolla koodauksineen, tulkintoineen ja tietoineen.
    https://www.space.com/29477-did-information-create-the-cosmos.html
    Aiemmin tämä tuntui selvältä ja kirjoitin tästä muutaman sivun mittaisen ketjun ”informaatiota ei luonnossa ole” tarkoittaen luonnolla elotonta luontoa ja perustellen. Tuntui, että elottomalla luonnolla ei olisi mitään tekemistä matemaattisten koodausperusteisten asioiden kanssa. Luonnon lait riittäisivät.
    https://www.tiede.fi/keskustelu/4002325/ketju/informaatiota_ei_luonnossa_ole ( – nimimerkeillä aggris aggris ja 3779 -).
    Ainoa mieleen tuleva mahdollisuus on jonkinlaisen kaikkialle ulottuvan informaatiokentän olemassaolo. Tämä kenttä suorittaisi informaatioon kuuluvat tulkinnan, koodauksen, ohjauksen ym. myös elottomille systeemeille. Elollisissa järjestelmissä tämä kenttä saisi tietoisuuden muodon.

    1. Kirsi Lehto kirjoitti:

      Mielenkiintoinen mahdollisuus!

      1. Kirsi Lehto kirjoitti:

        Mielelläni luen näitä ajatuksia ja mielikuvia (siis tietoisuuden konkreettisia tuotteita), vaikken osaakaan mitään itse sanoa tähän todella vaikeaan kysymykseen. Koen että tietoisina olentoina olemme jotenkin jäävejä sanomaan mitään objektiivista siitä asiasta mikä on niin oleelllinen osa itseämme; siis että tietoisuus ei voi kokonaisvaltaisesti ymmärtää itseään ja alkuperäänsä…

        1. Markku Tamminen kirjoitti:

          Juuri niin. Koirakin voi löytää häntänsä, mutta tietoisuus ei voi tietää syytä omaan olemassaoloonsa. Eikä sitä olekaan.

    2. Markku Tamminen kirjoitti:

      ”Ainoa mieleen tuleva mahdollisuus on jonkinlaisen kaikkialle ulottuvan informaatiokentän olemassaolo. Tämä kenttä suorittaisi informaatioon kuuluvat tulkinnan, koodauksen, ohjauksen ym. myös elottomille systeemeille. Elollisissa järjestelmissä tämä kenttä saisi tietoisuuden muodon.”

      Olet sanonut, että sinun mielestäsi mitään ei voi olla ilman tietoisuutta. Mutta sinulla näyttäisi kuitenkin olevan fysikalistinen tai ainakin materialistinen tulkinta tietoisuudesta. Eikö tässä ole ristiriita? Eikö tietoisuus voisi olla samalla tavalla ontologisesti alkuperäinen kuin materia? Siis että todellisuus ei ole ainetta vaan tietoisuutta aineesta. Tämä poistaisi ainakin tiedeyhteisöä itsepintaisesti vaivaavan tietoisuutta koskevan ongelman, joka tunnetaan nimellä ”hard problem”. Olisi siis vain tietoisuuden ja aivojen välinen vastaavuus, mutta mitään fysikaalista selitystä tietoisuuden olemassaololle ei tarvittaisi. Tämä on ainakin minun näkemykseni asiasta.

      1. Pentti S. Varis kirjoitti:

        Olen aina kummeksunut monien tutkijoiden kykyä pitää elämyksellistä tietoisuutta materiana. Informaation muotona ehkä kylläkin. Edellisen blogin kommenteissa viittasin ”Leidenfrostin pisaran kanssa analogiseen tietoisuuden selitys- yritteeseeni.

        ”Hard problem” ratkeaisi todella, jos oletettaisiin tietoisuuden olevan samalla tavalla ontologisesti alkuperäistä kuin mteria.

        Koska olen saanut päähäni kaiken olevan vakuumiperäistä, voisin ajatella informaation, tietoisuuden ja materian olleen alun perin yhdessä mutta eronneen jonkinlaisessa ”spontaanissa symmetriarikossa”

        1. Pekka Janhunen kirjoitti:

          Kosmisessa inflaatiomallissa ajatellaan että tietyssä vaiheessa syntyneet kvanttifluktuaatiot muodostivat pienet tiheyserot jotka myöhemmin kasvoivat galaksijoukoiksi. Sitten tapahtui pitkään tavallista determinististä astrofysiikkaa, kunnes ihmisaivoissa kvanttifluktuaatoilla taas kerran on makroskooppisia, maailmankaikkeuden historiaan vaikuttavia seurauksia.

          Kvantti-ilmiöiden tarkastelu johtaa ei-deterministiseen maailmankuvaan, ja yksi vaihtoehto on Everettin monimaailmatulkinta. Tietoisen olennon maailmanviivalla voi olla monimaailmasuunnassa nollasta eroava ”paksuus”, ja kenties hän saattaisi kyetä jonkin verran jopa kontrolloimaan mitä monimaailman haaraa hän seuraa.

          1. Kirsi Lehto kirjoitti:

            No kylläpäs nyt esität kummallista. Ei kait kukaan tietoinen olento voi valita tai kontrollioda sitä missä multivarsumissa hän on läsnä; olemme kait kuitenkin kaikki tiukasti oman maailmankaikkeutemme rajoissa. Samoin kuin ei mikään informaatio voi virrata rinnakkaisesta multiversumista toiseen??

          2. Pekka Janhunen kirjoitti:

            Multiversumimallissa tietoinen olento haarautuu koko ajan, kuten muukin todellisuus, eli on olemassa monissa todellisuuksissa joiden lukumäärä kasvaa eksponentiaalisesti ajan myötä.

            Olet oikeassa että viestitys saati hyppääminen haarasta toiseen ei varmaankaan onnistu.

            Mahdollisesti olento voisi kuitenkin vaikuttaa siihen kuinka tehokkaasti jokin hänen asuttamansa haara haarautuu lisää, ja sitä kautta lopulta siihen minkätyyppiset todellisuudet domininoivat sitä todellisuuspopulaatiota jonka jäsenissä hän on olemassa.

            Olennon itsensä on sitä vaikea nähdä koska hän ei koe monistuvansa vaan elävänsä kuvittelemassaan mekanistisessa maailmassa joka on hänen makroskooppisten aistinelintensä multiversumista ottama projektio.

          3. Kirsi Lehto kirjoitti:

            … tämä lienee nyt kuitenkin vain yksi näitä maailmankaikkeuden selitysmalleja? Tullaankohan koskaan tietämään mikä malli on se oikea?? Jos tuo multiversumimaailma on totta, niin ovatko kaikki rinnakkaisversumit samanarovoisia ja yhtä tosia: kuitenkaan ei liene mahdollista että sattumien synnyttämä (makro)todellisuus tapahtuu samanlaisena kaikissa? Ja jos ei tapahdu, niin se taas tarkoittaa että nuo rinnakkaisversumit lähtevät heti syntymästään, tai siis, haarautumisestaan lähtien eteenpäin kehittymään kukin omaan omaan suuntaansa? Ja haarautumisia tapahtuu paljon? Koko ajan? Näiden täytyy olla täysin virtuaalisia? Onko niistä mikään todellinen?

          4. Pekka Janhunen kirjoitti:

            Monimaailmatulkinta on tosiaankin vain yksi kvanttimekaniikan useista tulkintatavoista. Positiivisesti ajateltuna mikään ei siis kiellä ottamasta sitä – tai jotain muuta tulkintaa – työhypoteesiksi. Vähintään yksi tulkinta on oikeastaan pakko ottaa typohypoteesiksi, koska kvanttimekaniikka on totta.

            Kysymykseen todellisuudesta suhtautuisin samoin kuin kosmisen horisontin tapauksessa: emme voi nähdä sen taakse, mutta on loogista ajatella että näkymättömätkin seudut ovat todellisia.

            Periaatteessa multiversumit lähtevät heti synnyttyään etenemään omiinn suuntiinsa, mutta astrofysiikan ilmiöiden osalta (jotka ovat erittäin makroskooppisia verrattuna kvantti-ilmiöihin) tytäruniversumit eivät juuri eroa toisistaan, jolloin klassinen determinismi on hyvä approksimaatio. Klassinen kaaos (alkuarvoherkkyys), mm. taivaankappaleiden törmäykset, generoivat siihen jonkin verran satunnaisuutta, mutta esim. galaksien dynamiikka ei siitä hetkahda.

            Haarautumisia tapahtuu tosiaan valtavan paljon.

            Monimaailmatulkinnassa pääobjekti on itse multiversumi. Se noudattaa determinististä kehityslakia eli liikeyhtälöä, joka on ei-relativistisessa approksimaatiossa Schrödingerin yhtälö. Siinä on paljon vapausasteista, mutta on muuten yksinkertainen ymmärtää. Avoimet kysymykset liittyvät siihen miten klassinen havaitsija pitäisi mallintaa multiversumissa. Multiversumin kannalta ei ole edes itsestäänselvää että sellaisia havaitsijoita on olemassa. Mikä ei sinsänä ole kovin yllättävää, sillä eihän biologiankaan olemassaoloa voi mitenkään helposti päätellä fysiikasta.

            Kuva multiversumista joukkona maailmankaikkeuksia on yksinkertaistus, tai multiversumin kannalta oikeastaan monimutkaistus. Multiversumin näkökulmasta multiversumi on yksinkertainen käsite ja siitä projisoitu maailmankaikkeus monimutkainen.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *