第二十九章 信息生命體(九)

　　7.討論

　　我們當(dāng)前對(duì)所有尺度生命更深的理解，都正趨向于將決定生命屬性的概念定義在信息上（Nurse 2008），即使它可能并非真的最重要。正如本文已經(jīng)部分回顧那樣，信息理論的工具已經(jīng)被用來(lái)解釋各種生物現(xiàn)象，從大腦神經(jīng)元的放電（Honey et al. 2007；Vakorin et al. 2009；Ito et al. 2011；Lizier et al. 2011），到魚群的行為（Butail et al. 2014，2016；Mwaffo et al 2017；Crosato et al. 2018），再到細(xì)胞內(nèi)的化學(xué)信號(hào)傳遞（Chong et al. 2011；Rhee et al. 2012；Selimkhanov et al. 2014）。與此同時(shí)，要實(shí)現(xiàn)真正的“生命系統(tǒng)物理學(xué)”，需要對(duì)生命有比目前已知的更基本的理解（Bialek 2012）。其中懸而未決最具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題之一是缺乏區(qū)分生命系統(tǒng)和非生命系統(tǒng)的可量化指標(biāo)（Clel& Chyba 2002; Davies & Walker 2016）。雖然現(xiàn)代生物學(xué)的大部分研究?jī)?nèi)容，可以在沒(méi)有對(duì)生命是什么（以及不是什么）有深入的數(shù)學(xué)理解的情況下進(jìn)行，但在某些科學(xué)領(lǐng)域，客觀的、可測(cè)量的生命構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)是絕對(duì)關(guān)鍵的：這些標(biāo)準(zhǔn)包括生命的起源和對(duì)外星生命的探索（Walker 2017）。在我們努力在實(shí)驗(yàn)室（Cronin & Walker，2016）或其他星球（Walker et al. 2018）尋找新生命實(shí)例的過(guò)程中，可量化的指標(biāo)將成為決定性因素——允許在實(shí)驗(yàn)室中設(shè)計(jì)可進(jìn)化的化學(xué)系統(tǒng)，穿越從非生命到生命的小徑，或允許對(duì)生命進(jìn)行明確探測(cè)，即使它可能存在于與已知生命完全不同的化學(xué)成分中。

　　在建立對(duì)生命的定量理解方面，最大的障礙之一是我們?nèi)狈m當(dāng)?shù)目刂苼?lái)隔離生命過(guò)程的物理機(jī)制。雖然標(biāo)準(zhǔn)物理學(xué)對(duì)生命的運(yùn)作有了一定合理的理解（Schrdinger 1992; Hoffmann 2012），但我們迄今為止還沒(méi)有設(shè)計(jì)出有效的實(shí)驗(yàn)隔離，證明生物系統(tǒng)和非生物系統(tǒng)屬性是否能夠進(jìn)行直接比較，或是否能解決非生命和生命系統(tǒng)之間集群行為的差異。亦或許沒(méi)有這樣的區(qū)分更有意義。為解決研究生命過(guò)程中物理機(jī)制需要更好的控制的問(wèn)題，我們提出了一套想法，建立了一個(gè)框架，在這個(gè)框架中讓生命存在于一個(gè)連續(xù)譜上，從我們目前認(rèn)為可能表現(xiàn)出一些“類生命”行為的非生命系統(tǒng)，一直到行星規(guī)模的文明。這是生命可能存在于一個(gè)光譜中想法的自然結(jié)果，在這個(gè)光譜中，其中一些系統(tǒng)比另一些更有生命力，關(guān)鍵的區(qū)別屬性是它們的信息架構(gòu)。雖然我們認(rèn)為這樣尺度的生命可能存在，但還沒(méi)能為這種尺度建立適當(dāng)?shù)亩攘繕?biāo)準(zhǔn)，也沒(méi)有在上面放置特定的例子。

　　其中面臨的挑戰(zhàn)之一是，對(duì)許多群體系統(tǒng)之間的比較分析仍有待嚴(yán)格制定和界定。我們認(rèn)為信息論方法是最有前途的，因?yàn)樗鼈儾蹲降搅宋锢硐到y(tǒng)在時(shí)空中存在相關(guān)的因果結(jié)構(gòu)，提供了一個(gè)足夠抽象和嚴(yán)格的數(shù)學(xué)框架，是我們發(fā)現(xiàn)生命過(guò)程的各種物理介質(zhì)和尺度中量化生命的候選方法。而為了做出群體決策，個(gè)體必須共享信息，因此對(duì)群體系統(tǒng)中信息流的嚴(yán)格量化是可能提供新見解的一種途徑，使人們了解新的計(jì)算類型（例如決策）如何從單個(gè)代理的行動(dòng)中產(chǎn)生。

　　隨著人工智能和信息理論應(yīng)用的發(fā)展，現(xiàn)在可以通過(guò)許多不同的渠道提取生物行為的算法來(lái)處理生命系統(tǒng)中的信息，例如運(yùn)動(dòng)、形態(tài)學(xué)和生物電場(chǎng)。然而，盡管在概念和技術(shù)應(yīng)用方面都取得了進(jìn)展，但尚未進(jìn)行系統(tǒng)的分析，直接將生命系統(tǒng)的信息特性與非生命系統(tǒng)進(jìn)行比較，對(duì)生命系統(tǒng)的信息特性進(jìn)行量化。大多數(shù)生物模型都是用硅片樹脂或機(jī)器人建造的，這意味著不可能直接將這些模擬系統(tǒng)的物理性質(zhì)與生物系統(tǒng)進(jìn)行比較，畢竟后者存在于潮濕、混亂的化學(xué)環(huán)境中。

　　這在很大程度上限制了當(dāng)前人工生命模型區(qū)分表現(xiàn)為“類生命”和嚴(yán)格作為生命物質(zhì)的能力。

　　“一個(gè)例子：行為相似但機(jī)制不同的跨集體的信息架構(gòu)”一節(jié)中的例子表明，如果它不能捕獲局部級(jí)別的規(guī)則，那么不同系統(tǒng)中相同模擬的行為可能是不夠的，因?yàn)樾畔⒘鲗⒂兴煌?。因此，如果只是天真地?gòu)建硅片模擬系統(tǒng)，可能不足以理解真實(shí)生物過(guò)程中的物理信息流。我們已經(jīng)證明信息理論對(duì)特定規(guī)則選擇是敏感的，而在計(jì)算機(jī)中建模者會(huì)顯式地選擇規(guī)則，這就使得計(jì)算機(jī)模擬生命中的信息結(jié)構(gòu)與真實(shí)世界生物系統(tǒng)相比會(huì)直接存在差異。特別是，真實(shí)生命不允許孤立系統(tǒng)中的信息流結(jié)構(gòu)（譯注：如封閉的計(jì)算機(jī)中），不會(huì)超越或超出物理和化學(xué)法則進(jìn)行外顯編碼（譯注：如人工智能軟件系統(tǒng)的特殊規(guī)則），我們假設(shè)這是理解生命物理學(xué)的關(guān)鍵一步（Walker&Davies 2013）。

　　此外，計(jì)算機(jī)模型通常是真實(shí)世界過(guò)程的低維表示，因此不能捕捉到生物體們處理信息的所有多重信道。向前推進(jìn)的一條可能道路是建立活體系統(tǒng)的物理模擬。例如，油滴混合物中演化的集體行為提供了一種非生命系統(tǒng)物理中模擬生物特性的方法，而不僅僅是在計(jì)算機(jī)中模擬（Taylor et al. 2017；Points et al. 2018）。因此，解決我們?cè)谶@里提出的問(wèn)題的一條途徑是開發(fā)活體系統(tǒng)的物理模擬，作為探索信息流物理的一種手段。

　　當(dāng)然，要確定這種方法是否會(huì)最終能取得成果，還有很多工作要做；但我們認(rèn)為，為理解集群行為，何時(shí)可歸因于生命過(guò)程、何時(shí)又不能，朝這個(gè)方向邁出步伐的努力，尤其是研究并提供新的定量理論和工具，將源源不斷提供新的見解并促使生物學(xué)持續(xù)發(fā)展。