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究竟什么是“个体”?生物学向信息论寻求线索(下)

神译局 · 2020-08-06
哪怕是在一些可能是最古老的已知动物身上,我们也可以看到内在的、有机个体以及由环境决定的痕迹。

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,此为下半部分。

划重点

用传统对生命的认知肯定无法帮助我们探索地外生命

对生命的基本单位做出定义为我们打开了一扇认识自然的新窗口

有机体也可以解释为对环境结构的猜测

新概念只是开始,距离创造出能将这些概念付诸实践的有用算法还差得远

我们所不知道的生命

这种识别个体的新方法可能会有很多优点。也许特定的基因网络和信号分子在细胞层面上就充当着个体的角色,而其他的则散布在细胞之间。也许癌症可以更好地理解为是某些细胞正在争取高于邻近细胞个体化程度的结果。

Krakauer 和Kempes等科学家希望用这种基于测辩法的理论来解决生命起源的问题。Kempes 说:“行星体是丰富、复杂的环境,化学则是一个巨大的组合空间。在所有这些不同的情况下……我们可能会很惊讶地发现,生命起源的形态是如何的多样。”他希望用类似Krakauer的指标去识别不同生命起源故事所共有的基本属性或一般原则。

生长在树枝上的地衣。地衣是一种复合生物,由长在菌丝内的光合藻类或蓝细菌组成。但是,这种伙伴关系太紧密太独特了,以至于就像一个单一的有机体一样。

Kempes 补充道:“大家希望把焦点放在我们所知道的生命都共有的东西上。但我们这个星球上所经历的演化史,以及我们这个星球的生命起源,都是非常特殊的。这不是对生命进行思考的一般方式。”这种思路肯定没法帮助我们识别太阳系以外的生命,因为这些生命可能完全超出人类的理解范畴,就像波兰作家斯坦尼斯瓦夫·莱姆在1961年的小说《索拉里斯星》里面所想象的具有意识的等离子体海洋一样。

对个体更广泛的定义不仅能让科学家找到新的生命类型,还可以让他们去研究不同的边界条件会如何影响实体的个体化程度及其与周围环境的关系。比方说,一个生态系统的“个体化”程度如何呢?如果一个物种消失了或某个关键的环境因素发生了变化,这一个体会发生什么变化?如果一种生物的边界不是由它的皮肤定义,而是延伸到周围的环境,会意味着什么?这些问题的答案可能会影响到对生态的保护工作,以及我们对生物、物种及其与自然环境之间相互依赖程度的理解。如果研究人员能够更好地了解对系统个体性影响最大的因素,也许就可以进一步了解演化过渡,比方说多细胞体的出现。

Kempes 说:“我认为对基本量做出定义让我们突然就看到了以往没见过的动态,了解到我们过去从未想到过的过程。”——就像定义并理解温度使得形成了新的物理理论一样。

个体的维持

但在其他一些对“个体”概念进行理论研究的科学家看来,Krakauer和Flack的理论未必提供了寻找答案最好或最有用的框架。比方说,麦吉尔大学的Ramstead认为,Krakauer和Flack的框架可适用于任何一种系统本身未必就是优势。他同意圣达菲研究小组作为出发点的假设以及他们对信息论的利用,但与此同时,他指出对方的定义还要有额外的东西作为补充,也就是一种基于信息流将生物实体与非生命系统(如飓风)中的实体加以区分的方法。

海笔。海笔看似个体动物,但其实是由有触手的珊瑚虫群体

Ramstead推断,该研究团队的方法并未考虑到个体如何维持界定其自己的边界。他说:“生物体不仅仅是个体化的,它们还可以获得关于自己个体化的信息。”在他看来,Krakauer 和Flack的框架所利用的信息对生物体来说也许是“不可知的”。他说:“我不清楚生物体能不能利用他们所定义的信息指标来维持自己的生存。”

作为替代方案,Ramstead跟英国伦敦大学学院著名神经学家Karl Friston一起合作,形成了一个基于Friston所提出的生物自组织“自由能原理”的理论。Ramstead认为,该理论与Krakauer和Flack的形式体系是一致的,但对于生物实体如何维持自己的个体进行了阐述,从而做出了有用的约束。

自由能原理断定,任何自组织系统看起来似乎都对自身环境做出了预测,并试图将这些预测的误差降到最低。对生物体而言,这意味着它们在一定程度上会不断在根据预期来测量自己的感觉和知觉体验。

Ramstead 说:“你完全可以把有机体解释为对环境结构的猜测。”随着时间的推移,有机体会通过保持这些预期的完整性来将自己定义为独立于周围环境的个体。

古老的分形形式

Laubichler说,圣菲研究小组的理论是目前“一个重要的原理证明。一种在生物学的‘西大荒’创造出一定程度上合理秩序的组织体系。”不过,研究人员也承认,他们距离创造出能将这些概念付诸实践的有用算法还差得远。

尽管如此,一些生物学家已经在寻找自己的办法,希望能够充分利用信息化方法来解决个体问题。他们的工作让我们对Krakauer、Flack以及Ramstead等人所追求的理论主张有朝一日会得到什么样的应用有所了解。

埃塞克斯大学的研究人员Jennifer Hoyal Cuthill

埃塞克斯大学的研究人员Jennifer Hoyal Cuthill研究6亿年前在生活中海底的欣欣向荣的奇异生命形式。她说:“这几乎相当于在地球研究外太空生物学。所以,我们多少要面临着一个实际问题,该如何去识别个体?”

她说,她和同事已经开发出跟Krakauer 和Flack所描述的概念相关的解决方案。特别是他们所强调的信息可以穿越时间持续存在这一点。

就拿Hoyal Cuthill最近对Rangeomorph的研究来说吧,这种形状像蕨类的动物最高可以长到超过1.8米高,它的中央茎会附着在海底,而分形的叶状体分枝则自中央茎呈放射状散开。早期的分析经常将这些动物跟海笔(大家稍微熟悉一点的无脊椎动物,形状像羽毛笔)划作一类。由于海笔实际上属于群体生物,由一群独立、有触须的珊瑚虫组成,因此科学家认为Rangeomorph也是如此。直到约10年前,有研究人员提出,Rangeomorph也许有一个特殊的生长程序,从而产生出这种个体形状来。

这一研究也可以从信息论的角度去思考。比方说,Hoyal Cuthill分析过这种动物的分形形式,这能够反映其生长历史,就如同树干的同心环记录着树的生长一样。Cuthill 说:“它一直存在着;它自己保留着自己的过去。”

生长史也记录着Rangeomorphs 所处环境的信息流,比方说关于溶解有机碳在其周围海水扩散的信息。通过研究这一信息的持久性,Hoyal Cuthill 和她的同事们提出了关于Rangeomorphs 在一生当中如何变化的假设。环境对它们的发育起到了脚手架的作用,对其大小和形状产生了显著影响——尽管内外部力量的平衡让它们成为连贯的有机体,而不是圣达菲团队所定义的群体生物。Hoyal Cuthill表示,用Krakauer和Flack论文的话来说,“哪怕是在一些可能是最古老的已知动物身上,我们也可以看到内在的、有机个体以及由环境决定的痕迹。”

Hoyal Cuthill表示,这种利用信息流在理论或实践上在连接处切开大自然的尝试,“是勾勒想法和概念的开端。而那些想法和概念有可能会成为生物学新领域的基础”。

Laubichler表示同意:“生命科学或生物学要想发展成为一门科学学科,就得做这样的事情。”

译者:boxi。



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