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究竟什么是“个体”?生物学向信息论寻求线索(上)

神译局 · 2020-08-06
为了认识奇怪的外星生命,揭开这个星球的生物奥秘,科学家们正在寻找对生命基本单位的客观定义。

神译局是36氪旗下编译团队,关注科技、商业、职场、生活等领域,重点介绍国外的新技术、新观点、新风向。

编者按:什么是生命?什么是个体?你以为这是很直观的事情,但如果你看到6.5亿年前埃迪卡拉纪的那些怪异的“动物”,也许就会动摇自己的看法。事实上,生物学一直是靠经验推动的学科,对于个体的概念并没有一般的定义和区分的标准。但最近圣塔菲研究所利用信息论给出了个体的形式化定义,这会让生物学走向新的领域吗?Jordana Cepelewicz介绍了他们的理论成果,标题是:What Is an Individual? Biology Seeks Clues in Information Theory。篇幅关系,我们分两部分刊出,此为上半部分。

划重点

埃迪卡拉纪怪异的生物给经验驱动的生物学带来了难题:如何识别个体?个体是什么?

自然界对个体与环境的边界傻傻分不清楚

新研究借鉴信息论,个体是一个动态的过程,而不是静态的事物

个体是某种可以随着时间保持稳定而动态的存在的定西

个体可以分为三种:有机个体、群体个体以及环境驱动个体

个体可以是细胞、组织、有机体、群落、公司、政治机构、在线团体、人工智能或城市,甚至思想或者理论

兔子,蜂巢里的蜜蜂,以及龙卷风

何谓个体?研究人员正在利用信息论来做出更综合,更客观的定义。他们希望,这种定义能够反映出不同的个体(如单个动物,群体生物或天气现象)跟环境之间的关系。

生命的起源——埃迪卡拉纪

大约在5亿多年前的埃迪卡拉纪时期,有一个超现实的生命世界占据了整个海床。它那奇异的软体动物有着挑战你的想象力的外形:絮状的团状物,罗纹状的圆盘,分割状的管形虫,倒置的“铃铛”,逐渐变细的“纺锤”,细长的圆锥体。它们也许是地球上出现最早的大型多细胞生物,不过很快就灭绝了,没有留下任何的现代后代。那些古怪而奇异的生物遗留下来的唯一证据,就只有在古代砂岩和石英岩里面的痕迹化石。

鉴于这种生物的怪异,古生物学家们甚至还没有就其最基本的问题达成一致:它们是怎么发育的,怎么吃东西的,还有是怎么繁殖的,甚至连一个化石个体在哪儿消失另一个又在哪儿出现都不清楚。这些动物是单个的生物体还是小规模的群体生物,比如类似僧帽水母那样?它们那胶状的躯体的边界在哪里?它们的环境又是从哪儿开始的?

区分个体的任务也许会很困难——而且这种困难不仅仅是对那些旨在弄清楚那些破碎的化石记录的含义的科学家而言。要到其他行星或者卫星上去寻找生命的研究人员注定也会面临着同样的问题。哪怕是在当今的地球上,自然界显然对边界还是那么的粗心大意:病毒依靠宿主细胞来复制自己。细菌共享和交换基因,而更高阶的物种则会杂交。成千上万的粘液菌变形虫会共同形成塔状来传播孢子。工蚁和蜜蜂可以是社会性群体“超个体”的无生殖能力成员。地衣是真菌和藻类或蓝细菌的共生复合体。甚至人类体内所包含的细菌细胞至少也跟“自身”的细胞一样多,我们肠道里面的微生物跟我们的发育,生理以及生存有着千丝万缕的联系。

一块rangeomorph(地球的第一种生物,长得像根“草”)化石。

Rangeomorphs 是生活在埃迪卡拉纪的奇特海洋动物。科学家在研究是什么引导其长成来羊齿植物状。在研究过程中,他们借鉴了类似于近代关于生物学个体数学理论的思想。

埃克塞特大学科学哲学家,Egenis生命科学研究中心负责人JohnDupré说,这些生物体“有时候相互之间连接得非常紧密,以至于你都不知道该称之为一个、两个还是多个。”

但是,能够做出那样的区分对科学家来说极为重要。要想理顺定义一个社区的复杂的共生关系,生态学家就得识别出个体。对于研究自然选择以及自然选择如何选择个体来实现繁殖成功的进化生物学家来说,则需要弄清楚被选择的个体是由什么构成的。

同样的情况也适用于要跟个体更抽象的概念(即在更大的行为或活动框架中表现出不同模式的实体)打交道的生物学领域。分子生物学家得明确,在成千上万的基因里面,哪些基因的相互作用构成了一个离散的网络,从而产生出特定的特质。神经科学家必须确定,大脑的神经元簇在什么时候会结合成一个实体来表示一种刺激。

圣达菲研究所的计算机科学家Melanie Mitchell说:“从某种意义上说,[生物学]是一门研究个体的科学”。

然而,个体的概念究竟意味着什么往往却被忽视了。麦吉尔大学的博士后研究员Maxwell Ramstead说:“到目前为止,我们关于‘个体’的概念跟‘堆’的概念非常类似。如果有一堆沙子,你就可以很直观地知道这是一堆沙子。但是,一堆并不是精确的定义。不是说沙粒多于13颗之后,它们就从一个集合变成了一堆。”

亚利桑那州立大学理论生物学家Manfred Laubichler说,这么基本的定义居然都缺失,部分原因在于“生物学作为一个领域理论化完全是不足的。这仍然是一个靠经验推动的学科。”

现在,有几群科学家正开始着手改变这种状况——他们会先从对个体的概念进行形式化开始,依据是一组原理和衡量标准,他们希望这能够引领生物学进入到一个新的时代。

动词而不是名词

在定义生物个体时,我们倾向于依靠可以观察和测量的东西。细胞以膜为界,动物以皮肤为界;我们可以对DNA进行测序,给这些序列划分成不同的基因。最重要的是,我们的定义优先考虑了有机体及其相关特征:这是一个跟环境物理分离,具有DNA并可以复制,遵照自然选择的实体。

进化理论家,圣达菲研究所所长David Krakauer一直在思考如何在物理学与进化论之间建立更深的联系。

但这不是观察生物的唯一办法,也未必总是最好的办法。圣菲研究所所长、进化理论学家David Krakaue说:“我一直都在讲,如果达尔文是一名微生物学家的话,我们会有着完全不一样的进化论。你不会从适者生存开始。进化论本来可以有一个非常不同的前提。”

Krakauer想找到一种更自然,更客观的方法来识别生物单位,一套不会受外部环境偏差或限制,基于被研究系统内在动力学对个体进行量化的可操作指标。

Jessica Flack也来自圣菲研究所,她是一名研究群体现象的专家。对于个体的概念被随意运用到自然选择和其他生物过程的研究当中,Jessica Flack一样感到沮丧。所以,最近十年的大部分时间里,两人一起制定了“一个有效的基础性定义,这个定义要开放得多,它不假设我们知道答案,或者先天知道答案的太多部分。”。

这个定义的核心思想是,不应该用空间术语来考虑个体,相反,要用时间术语来考虑:个体是某种可以随着时间保持稳定而动态的存在的定西。未参与这项工作的Mitchell说:“这是对个体的另一种思考方式。作为动词,而不是名词。”

圣达菲研究所的生物学家Jessica Flack研究的是集体现象。令她感到沮丧的是,进化模型似乎经常会对自己选择的单元做出任意的假设。通过跟SFI的几位同事一起合作,她已开始用更加规范化的方式来识别此类单位。

这并不是什么新方法。19世纪初,法国动物学家乔治·居维叶(Georges Cuvier)就把生命描述成涡旋,“多多少少有些急促,多多少少有点复杂,但方向是不变的,而且总是携带着相似类型的分子,但单个的分子会不断进入也会不断离开;因此,生命体的形式要比它的物质性更为重要。”很多哲学家和生物学家都接受了这种“过程观”,也就是生命体和其他生物系统并不是作为固定的物体或物质而存在,而是作为流动的模式和相互关系,存在于一条不断变化的河流之中。

不幸的是,美国斯沃斯莫尔学院的发育生物学家Scott Gilbert 说:“一旦基因理论占据了上风之后,生物学就变成了关于事物的生物学。”不过现在情况又有变了,Gilbert 说,“20世纪的生物学是关于事物的生物学,但21世纪的生物学是关于过程的生物学。”

科学家已经开发了一些工具,用形式化的、精确的方式来分析这些过程。圣菲研究所研究生命起源的Eric Smith说:“我们正在做的东西里面有很多可以用生物学的对象语言表述。我们意识到,那些东西我们都可以用统计性、分布式语言来做,并且可以做得更好。”

许多不同程度的个体

Krakauer 、Flack,还有其他同事,比方说马克斯普朗克数学科学研究所的Nihat Ay等,他们均已意识到需借助信息论来将所谓个体“作为某种动词”的原理加以形式化。在他们看来,个体是一个“保存了一定程度的时间完整性”的集合,在时间的维度上向前传播着数量上接近最大值的信息。

在今年3月发表在《生物科学理论》上的一篇论文里,他们对这套形式体系进行了阐述,其基础是三条公理。第一条公理认为,从亚细胞到社会,个体可以存在于生物组织的任何一个层面;其二是,个体可以是嵌套的——某个体可以存在于另一个体的内部;不过,最新奇(可能也是最有违直觉的)的一条是,个体存在于一个连续体之中,实体是有量化程度的

圣菲研究所的物理生物学家Chris Kempes并没有参与这项工作,他评价道:“这不是某种会突变的二元函数。”在这位物理学家看来,圣达菲团队的理论有一定的吸引力。Kempes认为,强调量化而不是分类可以为生物学提供更多的有益帮助,部分是因为在于这可以绕开复杂的定义问题,比方说病毒是不是生物,或者能不能看作是个体。他说:“其实问题应该是,病毒是如何生存的?病毒具备了多少个体特征?”

在这种细胞粘菌里面,成百上千独立生存的变形虫聚集在一起,然后牺牲掉自己来组成茎秆,从而让其他的能够传播孢子。纵观整个生命王国,个体性的有效定义似乎并不固定。

然后,Krakauer 、Flack以及小组的其他成员开始着手定义“镜头”,以便在复杂,有噪声的环境里面识别出这种个体。Krakauer 说:“可以把它想象成造一种显微镜,让我可以看到信息在时间维度被正向传播。”他们刻画了一个数学框架,这种框架可以将信息流分解为不同部分,并根据环境影响和内部动态的不同组合将如何预测系统的未来状态来评估个体。

基于这些信息流的变化梯度,研究团队把个体的类型分成了三种。第一种是有机个体,也就是由环境因素所塑造,但具备很强的自组织能力的实体。定义这一个体的几乎所有信息都是内部的,并且基于其自身的先验状态。Krakauer表示,从这种“镜头”看过去,你会看到人类、哺乳动物和鸟类。

第二种个体是群体形式的,牵涉到内外部因素之间更为复杂的关系。蚁群,或者蜘蛛网,这些由环境“部分帮搭脚手架”但仍保留自身的部分结构的分布式系统,也许属于这一类。

生物学作为一个领域理论化完全是不足的。这仍然是一个靠经验推动的学科。

——亚利桑那州立大学理论生物学家Manfred Laubichler

第三种个体几乎完全靠环境驱动。Krakauer说:“如果拆掉脚手架的话,这些实体就会散架。”这有点像龙卷风,一旦温湿度不对就会消散。Krakauer补充说,地球最早出现的生命可能就是这样的。

研究人员把这一新理论叫做“个体信息理论”,认为这为思考生物的基本单元提供了一种一般方法。Krakauer表示,他们希望这一理论能为算法提供启发,从而“让你可以从背景中析取出‘人物’,从环境中析取出生物。”这种算法可以用于分析收集到的数据流,从而找出预示着个体出现的信息关联。

按照Krakauer的说法,在这个理论中,个体可以是细胞、组织、有机体、群落、公司、政治机构、在线团体、人工智能或城市,甚至思想或者理论。他说:“我们希望能发现一整套的生命形式,其范围将远远超越传统意义的生命。”

这些个体可能会是我们从未考虑过的实体,因为跟我们所熟悉的实体的尺寸、功能或空间分布都不符合。Flack说:这些实体“跟我们对个体的一般直觉并不吻合。”

Martin Biehl是东京AI公司Araya的研究员,他正在开发一种识别人工系统里面的个体主体的数学方法。。他说:“人的感官非常有限。人的大脑能够处理的东西哪怕非常可观,但总归是有限的。那我们又是从哪儿来的信心认为我们没有漏掉大量隐藏的个体呢?”

译者:boxi


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