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第二十九章 信息生命体九（第1页）

7.讨论

我们当前对所有尺度生命更深的理解，都正趋向于将决定生命属性的概念定义在信息上（Nurse2008），即使它可能并非真的最重要。正如本文已经部分回顾那样，信息理论的工具已经被用来解释各种生物现象，从大脑神经元的放电（honeyetal.2007；Vakorinetal.2009；Itoetal.2011；Lizieretal.2011），到鱼群的行为（butailetal.2014，2016；mwaffoetal2017；crosatoetal.2018），再到细胞内的化学信号传递（chongetal.2011；Rheeetal.2012；Selimkhanovetal.2014）。与此同时，要实现真正的“生命系统物理学”，需要对生命有比目前已知的更基本的理解（bialek2012）。其中悬而未决最具挑战性的问题之一是缺乏区分生命系统和非生命系统的可量化指标（clel&chyba2002;davies

walker2016）。虽然现代生物学的大部分研究内容，可以在没有对生命是什么（以及不是什么）有深入的数学理解的情况下进行，但在某些科学领域，客观的、可测量的生命构成标准是绝对关键的：这些标准包括生命的起源和对外星生命的探索（walker2017）。在我们努力在实验室（cronin&walker，2016）或其他星球（walkeretal.2018）寻找新生命实例的过程中，可量化的指标将成为决定性因素——允许在实验室中设计可进化的化学系统，穿越从非生命到生命的小径，或允许对生命进行明确探测，即使它可能存在于与已知生命完全不同的化学成分中。

在建立对生命的定量理解方面，最大的障碍之一是我们缺乏适当的控制来隔离生命过程的物理机制。虽然标准物理学对生命的运作有了一定合理的理解（Schrdinger1992;hoffmann2012），但我们迄今为止还没有设计出有效的实验隔离，证明生物系统和非生物系统属性是否能够进行直接比较，或是否能解决非生命和生命系统之间集群行为的差异。亦或许没有这样的区分更有意义。为解决研究生命过程中物理机制需要更好的控制的问题，我们提出了一套想法，建立了一个框架，在这个框架中让生命存在于一个连续谱上，从我们目前认为可能表现出一些“类生命”行为的非生命系统，一直到行星规模的文明。这是生命可能存在于一个光谱中想法的自然结果，在这个光谱中，其中一些系统比另一些更有生命力，关键的区别属性是它们的信息架构。虽然我们认为这样尺度的生命可能存在，但还没能为这种尺度建立适当的度量标准，也没有在上面放置特定的例子。

其中面临的挑战之一是，对许多群体系统之间的比较分析仍有待严格制定和界定。我们认为信息论方法是最有前途的，因为它们捕捉到了物理系统在时空中存在相关的因果结构，提供了一个足够抽象和严格的数学框架，是我们发现生命过程的各种物理介质和尺度中量化生命的候选方法。而为了做出群体决策，个体必须共享信息，因此对群体系统中信息流的严格量化是可能提供新见解的一种途径，使人们了解新的计算类型（例如决策）如何从单个代理的行动中产生。

随着人工智能和信息理论应用的发展，现在可以通过许多不同的渠道提取生物行为的算法来处理生命系统中的信息，例如运动、形态学和生物电场。然而，尽管在概念和技术应用方面都取得了进展，但尚未进行系统的分析，直接将生命系统的信息特性与非生命系统进行比较，对生命系统的信息特性进行量化。大多数生物模型都是用硅片树脂或机器人建造的，这意味着不可能直接将这些模拟系统的物理性质与生物系统进行比较，毕竟后者存在于潮湿、混乱的化学环境中。

这在很大程度上限制了当前人工生命模型区分表现为“类生命”和严格作为生命物质的能力。

“一个例子：行为相似但机制不同的跨集体的信息架构”一节中的例子表明，如果它不能捕获局部级别的规则，那么不同系统中相同模拟的行为可能是不够的，因为信息流将有所不同。因此，如果只是天真地构建硅片模拟系统，可能不足以理解真实生物过程中的物理信息流。我们已经证明信息理论对特定规则选择是敏感的，而在计算机中建模者会显式地选择规则，这就使得计算机模拟生命中的信息结构与真实世界生物系统相比会直接存在差异。特别是，真实生命不允许孤立系统中的信息流结构（译注：如封闭的计算机中），不会超越或超出物理和化学法则进行外显编码（译注：如人工智能软件系统的特殊规则），我们假设这是理解生命物理学的关键一步（walker&davies2013）。

此外，计算机模型通常是真实世界过程的低维表示，因此不能捕捉到生物体们处理信息的所有多重信道。向前推进的一条可能道路是建立活体系统的物理模拟。例如，油滴混合物中演化的集体行为提供了一种非生命系统物理中模拟生物特性的方法，而不仅仅是在计算机中模拟（tayloretal.2017；pointsetal.2018）。因此，解决我们在这里提出的问题的一条途径是开发活体系统的物理模拟，作为探索信息流物理的一种手段。

当然，要确定这种方法是否会最终能取得成果，还有很多工作要做；但我们认为，为理解集群行为，何时可归因于生命过程、何时又不能，朝这个方向迈出步伐的努力，尤其是研究并提供新的定量理论和工具，将源源不断提供新的见解并促使生物学持续发展。

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