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生物如何利用有意义的信息来生存?

大问题

Bird perched on large rock against hazy sky.智能手机、智能鸟: 鸟类收集、处理和交流有关其环境的信息。智能手机也是如此。区别在于生物的信息架构如何与自我保护和繁殖密切相关。一组物理学家使用语义信息理论来回答以下问题:比特信息能提供多少可行性?随着更多位的增加,活力如何变化?(Getty Images照片)

研究人员将语义信息理论应用于捕捉生命系统属性的现实模型,并找到了信息对生存至关重要的关键点。

与无生命或无生命的物体不同,生命系统使用有关其周围环境的信息来生存。但并非所有来自环境的信息都对生存有意义或相关。有意义的信息子集,也许是活着所必需的,称为语义信息。

PRX Life上发表的一篇新论文中,罗切斯特大学的物理学家和他们的合著者首次将这种语义信息理论应用于生物学和生态学中著名的生命系统模型:觅食资源的有机体或代理。

研究人员使用数学模型模拟了觅食代理在环境中的移动方式,并收集有关资源的信息。模拟揭示了研究人员所谓的语义阈值:信息对智能体生存至关重要的关键点。高于此阈值,删除某些信息不会影响生存,但低于此阈值,每一点信息都至关重要。

通过量化智能体与其环境之间的相关性或联系,研究人员正在帮助揭示信息在智能体维持自身存在的能力中的作用。

作为连接的相关性

想象一下森林里的一只鸟。它知道在哪里可以找到它储存的食物来滋养自己。假设你把那只鸟移到100英尺高的地方。“通过这样做,你已经切断了鸟类与环境的一些相关性或联系,但仍然有足够的相关性,它不会影响生存能力或鸟类的生存能力,”该论文的主要作者、罗切斯特物理与天文学系的博士后助理达米安·索温斯基(Damian Sowinski)解释说。

现在,把鸟移到1000英尺外,或者更彻底地移到1000英里外。

“最终,这只鸟不会对它的环境一无所知——所有的联系都被切断了。这只鸟的生存能力从没有真正受到影响到突然开始直线下降,“Sowinski说。

相比之下,将像鹅卵石这样的非生物移动到 100 英尺、1000 英尺甚至 1000 英里之外并不能从根本上改变环境和鹅卵石之间的联系。这是因为鹅卵石没有利用任何关于其周围环境的信息(相关或不相关)来维持或复制自己。

“生命所做的最基本的事情之一就是在太空中导航时消耗资源,”合著者、罗切斯特大学物理学教授Gourab Ghoshal说。“这些新发现表明,我们的思维方式 – 存在相关和不相关信息的想法 – 在简单的资源觅食模型中显示出希望。现在最大的问题是,我们的思维方式是否仍然适用于日益复杂的模型?

Scissors cutting across ticker tape of zeroes and ones in conceptual illustration of bits of information that each contribute to living system survival.

生活找到了一条路: 觅食者的生存能力取决于其评估环境和提取有关资源位置的有意义信息的能力。测量每比特信息赋予多少活力是通过缓慢切断从环境到觅食者的转移熵,然后观察觅食者平均寿命的变化来完成的。(插图:Damian Sowinski)

从粒子到人:能动性是如何产生的?

能动性意味着有目的地行动,或以非随机的方式对环境做出反应。这需要与环境建立有意义的联系——互动、反应,然后以自我维护和自我生产的方式有意识地采取行动。

那么,能动性——在个人、团体或系统中——何时以及如何出现呢?

“这是一个深刻的哲学问题,”合著者亚当·弗兰克(Adam Frank)说,他是物理和天文学系的Helen F.和Fred H. Gowen教授。“科学进步的全部意义在于提出曾经是哲学思辨领域的问题,并找到一种定量地谈论它们的方法。这篇论文以一种数学上严谨的方式做到了这一点。

这种广泛适用的语义信息数学定义可以为跨学科(从生物学到认知科学,从哲学到物理学)提供新的见解,了解生命系统和非生命系统之间的关系。这就是为什么约翰邓普顿基金会(John Templeton Foundation)支持该团队研究的原因之一,该基金会是一个慈善组织,为跨越学科、宗教和地理界限的关键主题提供学术奖学金。

“通过使用这种信息论语言,我们正在物理科学中的机械论叙述和生命科学中使用的更多信息或行为叙述之间架起一座桥梁,”Sowinski说。

他和他的同事们一样,充满活力地继续团队对生命基本奥秘的探究。正如索温斯基所说,“我们的工作是回答一个更大问题的有希望的第一步:到底是什么导致一块充满鹅卵石的无生命岩石最终被有目的的实体所覆盖,这些实体与彼此及其环境进行有意义的互动?


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新闻旨在传播有益信息,英文版原文来自https://www.rochester.edu/newscenter/semantic-information-theory-living-systems-574112/