科学探索|什么是个体？生物学家在信息论中寻找线索
北京时间7月23日消息 ， 为了识别奇特的外星生物 ， 并解决我们地球上的生物谜团 ， 科学家们正在为生命的基本单位寻找客观的定义 。在5亿多年前的埃迪卡拉纪（元古宙最后一段时期 ， 紧接着是显生宙的开端——寒武纪） ， 地球海底覆盖着一个超现实的生命世界覆盖 。
在那里 ， 怪异的软体动物有着超乎想象的躯体形态：有的像内含夹层的圆团 ， 有的则是长有肋条的圆盘 ， 有的呈分段的管状 ， 有的如同倒扣的钟 ， 还有的呈纺锤形或细长的锥形 。它们可能是地球上最早的大型多细胞生物 ， 但很快就灭绝了 ， 没有留下任何现代后裔；在古老的砂岩和石英岩板上 ， 我们还能找到一些极其怪异的痕迹化石 ， 就是这些奇异生物的全部遗迹 。
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叶状体形态类生命是生活在埃迪卡拉纪时期的奇特海洋动物 。一些研究试图确定是那些因素引导了它们蕨状躯体的生长 ， 其中的思路与最近有关生物个体性的数学理论相似 。
正由于如此的怪异 ， 古生物学家们甚至还在争论关于这些生物最基本的问题：它们是如何演化的？它们如何进食和繁殖？对于某个化石个体 ， 我们甚至不知道它来自哪里 ， 又会去往哪里 。这些动物是单一的有机体 ， 还是由更小个体组成的群落 ， 就像僧帽水母？它们凝胶状的身体最终归于何处？它们的生存环境又是怎样的？
区分生物个体的任务相当困难 ， 不仅对想要弄清楚化石碎片所记录信息的科学家来说如此 ， 对其他领域的研究者也同样如此 。在其他行星或卫星上寻找生命的研究人员肯定会面临类似的问题 。即使在今天的地球上 ， 我们也可以清楚地看到 ， 大自然在“界限”问题上显得是那么的粗心大意：病毒依赖宿主细胞进行自我复制；细菌之间会分享和交换基因 ， 而高等物种之间经常杂交；成千上万的黏菌会聚集在一起形成变形体 ， 传播孢子；工蚁和蜜蜂可能是群居的“超级有机体”中无生殖力的成员；地衣是真菌和藻类或蓝藻的共生体；即使在人类体内 ， 细菌细胞也至少和人类“自己”的细胞一样多 ， 肠道微生物与我们的发育、生理和生存有着千丝万缕的联系 。
英国埃克塞特大学生命科学研究中心主任约翰·杜普雷表示 ， 这些生物体“如此紧密地联系在一起 ， 以至于你不知道应该说它们是一个还是两个 ， 抑或是更多个” 。
然而 ， 对科学家来说 ， 进行这样的区分是极其重要的 。生态学家需要识别个体 ， 以解开复杂的共生关系和相互联系 ， 从而定义一个群落 。演化生物学家研究的是自然选择的机制 ， 以及该机制如何选择个体以确保繁殖的成功 ， 他们需要弄清楚是什么构成了这些被选择的个体 。
同样的道理也适用于个体概念更抽象的生物学领域中 ， 比如在某些更大的行为或活动框架中 ， 大量的实体往往以不同的模式出现 。分子生物学家必须确定在成千上万的基因中 ， 哪些基因作为一个独立的网络相互作用 ， 从而产生特定的性状 。神经科学家必须确定大脑中的神经元丛何时结合为紧密的实体 ， 从而代表刺激信号 。
“在某种程度上 ， （生物学）是一门关于个体的科学 ， ”美国圣菲研究所的计算机科学家梅勒妮·米切尔说道 。
不过 ， 个体意味着什么？这个概念经常被忽略 。“到目前为止 ， 我们对‘个体’的概念与‘堆’的概念非常相似 ， ”加拿大麦吉尔大学博士后研究员麦克斯韦·拉姆斯特德说 ， “如果有一堆沙子 ， 你凭直觉就知道那是一堆沙子 。但‘一堆’并不是一个精确定义的概念 。并不是说多于13粒沙子的话 ， 它就从‘一批’变成了‘一堆’ 。”
美国亚利桑那州立大学的理论生物学家曼弗雷德·劳比希勒表示 ， 之所以缺乏如此基本的定义 ， 部分原因是“生物学作为一个领域尚未完全理论化 。在很大程度上 ， 这仍然是一个由经验驱动的学科 。”
现在 ， 一些科学家正着手改变这种状况 。根据一套原则和测量方法 ， 他们开始将个体的概念正式化 ， 希望以此引导生物学进入一个新时代 。
动词 ， 而不是名词
当涉及到生物个体的定义时 ， 我们倾向于依赖可以观察和测量的东西 。细胞由细胞膜包裹 ， 动物由皮肤包裹；我们可以对DNA进行测序 ， 并在这些序列中划分不同的基因 。最重要的是 ， 我们的定义赋予了有机体和与之相关的特征某种特权：这是一个在物理上与环境分离的实体 ， 它具有DNA ， 可以复制 ， 并服从自然选择 。
然而 ， 这并不是观察生命体的唯一方式 ， 也不一定是最好的方式 。“我总是说 ， 如果达尔文是一个微生物学家 ， 我们会有一个非常不同的演化论 ， ”圣菲研究所的所长、演化理论学家大卫·克拉考尔说 ， “你的思路不会从适者生存开始 。这一理论将会有一个非常不同的前提 。”
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大卫·克拉考尔是一位演化理论学家 ， 也是圣菲研究所的所长 ， 他的职业生涯一直在思考如何在物理学和演化论之间建立更深层次的联系 。
克拉考尔正在探索一种更自然、更客观的方法来识别生物单元 ， 他希望这是一套量化个体特征的可操作度量标准 ， 基于被研究系统的内在动力学 ， 没有外界环境导致的偏差或限制 。
杰西卡?弗莱克同样来自圣菲研究所 ， 是研究群体现象的专家 。在自然选择和其他生物过程的研究中 ， 人们往往主观武断地应用“个体”概念 ， 这令弗莱克感到沮丧 。因此 ， 她和克拉考尔联手 ， 用了近十年的大部分时间 ， 开发了“一个更具开放性、更基本的有效定义 ， 这个定义不假设我们知道答案 ， 或者先验地知道过多答案” 。
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杰西卡?弗莱克同样来自圣菲研究所 ， 是研究群体现象的专家 。在自然选择和其他生物过程的研究中 ， 人们往往主观武断地应用“个体”概念 ， 这令弗莱克感到沮丧 。她已经与同事合作建立一种更规范的方法来识别这些单元 。
这个有效定义的核心思想是 ， 不应该用空间术语来思考个体 ， 而应该用时间术语 。换言之 ， 个体应当视为一种在时间中稳定而动态存在的东西 。“这是看待个体的另一种方式 ， ”并未参与这项工作的米切尔说 ， “（个体）是作为一个动词 ， 而不是名词 。”
这并不是一种新颖的方法 。在19世纪初 ， 法国动物学家乔治·居维叶就把生命描述成漩涡 ， “流速或快或慢 ， 复杂性或多或少 ， 方向不变 ， 并总是携带着类似种类的分子 ， 但单个分子一直在不断进入 ， 也一直在不断离开；因此 ， 作为生命体的形式要比其物质性更为重要 。”许多哲学家和生物学家都接受了这种“过程观” 。具体而言 ， 这种观点认为生命体和其他生物系统都不是作为固定的物体或物质存在 ， 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中 。
不幸的是 ， “一旦基因理论占据了主导地位 ， 就变成了关于事物的生物学 ， ”美国斯沃斯莫尔学院的发育生物学家斯科特·吉尔伯特说道 。但现在情况又发生了变化 ， “20世纪的生物学是一种关于事物的生物学 ， ”吉尔伯特说 ， “21世纪的生物学则是关于过程的生物学 。”
科学家已经开发出一些工具 ， 以规范、精确的方式来研究这些过程 。“其中许多东西可以用我们一直在生物学中研究的对象语言来表达 ， ”在圣菲研究所从事生命起源研究的埃里克·史密斯说 ， “我们意识到 ， 可以用统计学和分布式的语言来表示同样的事物 ， 并且做得更好 。”
个体的多重维度
克拉考尔和弗莱克 ， 以及其他同事 ， 如马克斯普朗克数学科学研究所的尼哈特·奥伊等 ， 已经意识到他们需要求助于信息论 ， 将所谓“作为某种动词”的个体理论形式化 。在他们看来 ， 个体是一个“保存了时间完整性的度量”的集合 ， 在时间上向前传播着接近最大值的信息 。
在3月份发表于《生物科学理论》上的论文中 ， 他们阐述了这一形式体系 ， 其基础是三个原理 。第一个原理认为 ， 个体可以存在于生物组织的任何层次 ， 从亚细胞到社会；第二 ， 个体可以嵌套——一个个体可以存在于另一个体的内部；然而 ， 最新颖（或许也是最违反直觉的）的原理是 ， 个体存在于一个连续体中 ， 不同实体可以具有可量化的个体性程度 。
圣菲研究所的物理生物学家克里斯·肯佩斯没有参与这项工作 ， 他说：“这并不是什么突然跳跃的二元函数 。”在这位物理学家 ， 圣达菲团队的理论具有一定的吸引力 。肯佩斯认为 ， 强调量化而非分类可以为生物学提供更多有益的帮助 ， 部分原因在于这可以绕过复杂的定义问题 ， 比如病毒是不是生物 ， 或者能否视为个体 。“真正的问题是 ， 病毒是如何生存的？”他说 ， “病毒有多少个体特征？”
接下来 ， 克拉考尔和弗莱克等人开始定义“透镜” ， 以便在复杂喧嚣的环境中发现这些个体 。“可以想象成建造一种显微镜 ， 能让我看到信息及时地向前传播 ， ”克拉考尔说道 。他们描述了一个数学框架 ， 能将信息流分解成不同部分 ， 并根据环境影响和内部动态的不同组合如何预测系统的未来状态来评估个体 。
基于信息流的变化梯度 ， 研究团队区分了三种类型的个体 。第一类是有机个体 ， 即一种由环境因素塑造 ， 但具有很强自组织能力的实体 。几乎所有定义这种个体的信息都是内在的 ， 并且基于其自身的先验状态 。克拉考尔表示 ， 透过这种“镜片” ， 你就能看到人类、哺乳动物和鸟类 。
第二类是群体形式的个体 ， 涉及内部因素和外部因素之间更为复杂的关系 。一个蚁群 ， 或是一个蜘蛛网 ， 或许也能视为这样的个体 。这种个体是由环境因素“部分搭建”的分布式系统 ， 但仍然保留着一些自己的结构 。
第三类个体几乎完全由环境驱动 。克拉考尔指出 ， 如果去掉环境因素 ， 这些实体就会分崩离析 。这有点像龙卷风 ， 在错误的温度和湿度条件下会迅速消散 。克拉考尔补充道 ， 地球上最早出现的生命可能就是这样的 。
研究人员将他们的新理论称为“个体信息理论” ， 认为这为理解生物基本单元提供了一种非常普遍的方式 。克拉考尔表示 ， 他们希望该理论能启发新的算法 ， “让你从环境中提取生物 ， 就像从地面提取图像一样” 。这样的算法可以应用于一段时间内收集的数据流 ， 以确定表明个体出现的信息之间的相关性 。
按照克拉考尔的说法 ， 在个体信息理论中 ， 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 ， 甚至是思想或理论 。他说：“我们想要做的是发现完整的一套生命形式 ， 远远超出了我们通常所说的生命 。”
这些个体可能是我们从未考虑过的实体 ， 因为它们不符合我们所熟悉的尺度、功能或空间分布——这些实体“与我们对个体的一般直觉不一致 ， ”弗莱克说道 。
“我们的感官非常有限 。我们在大脑中能够处理的东西 ， 归根结底是有限的 ， 即使相当可观 ， ”东京人工智能公司Araya的研究员马丁·比尔说 ， “那么 ， 我们是从哪里来的信心 ， 认为我们没有错过大量隐藏的个体呢？”他正在开发一种识别人工系统中个体主体的数学方法 。
生命并非如我们所知的那样
这种识别个体的新方法可能会带来许多有益的用途 。也许某些基因网络和信号分子在细胞层面上扮演着个体的角色 ， 而其他的则分散在细胞之间 。也许癌症的成因可以理解为某些细胞获得了比邻近细胞更高程度的个体性 。
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在这种细胞性黏菌中 ， 数百个自由生活的变形虫聚集在一起 ， 牺牲自己组成茎秆 ， 以便其他细胞传播孢子 。在整个生命王国中 ， 个体性的有效定义似乎飘忽不定 。
克拉考尔和肯佩斯等科学家希望应用这种基于度量的理论来解决生命起源的问题 。“行星天体具有丰富、复杂的环境 ， 化学则是一个巨大的组合空间 ， ”肯佩斯说 ， “在所有这些不同的条件下……我们可能将惊讶地发现 ， 生命起源的方式异常多样 。”他希望用克拉考尔等人的度量方法来确定不同生命起源故事中共有的基本属性或一般原则 。
“人们想要关注那些我们已知生命都共有的东西 ， ”肯佩斯补充道 ， “但我们在这个星球上所经历的演化史 ， 以及我们碰巧在这个星球上所经历的生命起源 ， 都是非常特殊的 。这并不是思考生命的一般方式 。”这种思路肯定无法帮助我们识别太阳系之外的生命 ， 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》中想象的具有意识的等离子体海洋 。
更广大的个体定义不仅能帮助科学家寻找新的生命类型 ， 还可以探索不同的边界条件将如何影响实体的个体性程度及其与周围环境的关系 。例如 ， 一个生态系统有多大的“个体性”？如果一个物种消失或一个关键的环境因素发生变化 ， 这种个体性会发生什么变化？如果一个生物的边界不是由它的皮肤定义 ， 而是延伸到周围的环境 ， 那意味着什么？这些问题的答案可能会影响到生态保护工作 ， 以及我们对生物、物种及其自然环境之间相互依赖程度的理解 。如果研究人员能够对影响一个系统个体性的因素有更好的了解 ， 那他们可能就会对演化中的转变——比如多细胞生物的出现——有更深入的认识 。
“我认为 ， 这种对基本量的定义 ， 使我们突然间看到了以往没有见过的动力学 ， 并理解了我们未曾想到的过程 ， ”肯佩斯说道 。这种改变 ， 就好像定义并理解温度有助于形成新的物理理论一样 。
保持个体性
在另一些对“个体”概念进行理论研究的科学家看来 ， 克拉考尔和弗莱克的理论并不一定提供了最好或最有用的框架 。例如 ， 麦吉尔大学的拉姆斯特德表示 ， 克拉考尔等人的框架同样适用于任何一种系统 ， 而这并不完全是一种优势 。他同意研究小组的初始假设以及他们对信息论的使用 ， 但他指出 ， 他们的定义需要一些额外的东西——一种基于信息流将生物实体与非生命系统（如飓风）中的实体区分开来的方法 。
拉姆斯特德推测 ， 研究团队的方法没有考虑到个体如何保持界定自身的边界 。“生物体不是个体化的 ， ”他说 ， “它们可以获得关于自己个体化的信息 。”在他来说 ， 克拉考尔和弗莱克的框架中所使用的信息 ， 对生物体来说可能是“不可知的” 。他说：“我不清楚生物体是否可以使用他们定义的信息度量标准来维持自己的生存 。”
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地衣是一种复合生物 ， 它们由生长在菌丝内的光合藻类或蓝细菌组成 。然而 ， 这种伙伴关系是如此紧密和独特 ， 以至于它们就像单一的有机体一样运作 。
作为替代方案 ， 拉姆斯特德正在与英国伦敦大学学院的著名神经学家卡尔·弗里斯顿合作 ， 建立一个基于弗里斯顿所提出的生物自组织“自由能原理”的理论 。拉姆斯特德认为 ， 这一思路与克拉考尔和弗莱克的形式体系是一致的 ， 但对于生物实体如何保持其自身个体化的叙述则得到了有益的约束 。
自由能原理断言 ， 任何自组织系统看起来都像是对其环境产生了预测 ， 并试图将这些预测的误差降到最低 。对生物体来说 ， 这意味着它们在一定程度上不断在根据预期来衡量自己的感觉和知觉体验 。
“你可以从字面上把有机体解释为对环境结构的猜测 ， ”拉姆斯特德说道 。随着时间的推移 ， 有机体通过保持这些期望的完整性 ， 将自己定义为独立于周围环境的个体 。
古老的分形形式
圣菲研究小组的理论是目前“一个重要的原理证明” ， 劳比克勒说 ， “这一组织方案在生物学的‘蛮荒西部’创造了一些合理的秩序 。”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有很长的路要走 。
尽管如此 ， 一些生物学家已经找到了方法 ， 可以充分地利用信息手段来实现个体化 。他们的工作让我们对克拉考尔、弗莱克和拉姆斯特德所追求的理论思想有朝一日将如何应用有了一定的信心 。
英国埃塞克斯大学的研究者詹妮弗·奥亚尔·卡西尔主要从事埃迪卡拉纪时期生物的研究 。她说：“研究非常久远时期的化石或生命形式 ， 几乎就相当于你在地球上研究外星生物学 。因此在某种程度上 ， 我们面临的实际问题就是如何识别个体？”
卡西尔表示 ， 她和同事开发的解决方案与克拉考尔和弗莱克所描述的概念存在关联 ， 特别是他们所强调的信息在时间中持续存在 。
以卡西尔最近对叶状形态类生命的研究为例 ， 这种形似蕨类的动物可以长到超过1.8米高 ， 其中央茎附着在海底 ， 分形的叶状体分枝从中央茎放射出来 。早期的分析经常将这些动物与海笔（又称海鳃 ， 属于刺胞动物门珊瑚纲）归为一类 ， 后者是一种更常见的无脊椎动物 ， 外形酷似鹅毛笔 。由于海笔实际上是一种群体生物 ， 由一群独立的、有触须的珊瑚虫组成 ， 因此科学家认为叶状形态类生命也是如此 。直到大约10年前 ， 有研究人员提出 ， 叶状形态类可能具有一个特定的生长程序 ， 使其单个个体也能产生分形 。
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海笔看起来像一个独立的动物 ， 但实际上是由一群有触手的珊瑚虫组成 。
这项研究也可以从信息论的角度来考虑 。卡西尔研究了这种动物的分形形式 ， 这些分形反映了它的生长历史 ， 就像树干上的同心环年轮一样 。“它历经时间的考验；我们可以看到它保留了过去的信息 ， ”卡西尔说道 。
这些生长历史也是叶状形态类生命所处环境中信息流的记录 ， 比如溶解有机碳在周围海水中的扩散信息 。通过研究这些信息的持久性 ， 卡西尔和同事们提出了叶状形态类在一生中如何变化的假设 。环境对它们的发育起到了支撑作用 ， 显著影响了它们的大小和形状——尽管按照圣菲研究小组的定义 ， 内部和外部力量的平衡才使它们成为相互关联的有机体 ， 而不是成为群体生物 。借用克拉考尔和弗莱克的论文语言 ， 卡西尔说道：“即使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、有机个体的痕迹 ， 以及由环境决定的痕迹 。”
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埃塞克斯大学的研究者卡西尔研究了6亿年前在海底繁荣的奇异生命形式 。她说：“这几乎就相当于你在地球上研究外太空生物学 。”
卡西尔表示 ， 这种利用信息流的尝试 ， 无论是在理论上还是在实践上 ， 都相当于切开大自然的连接处 。另一方面 ， 这些尝试“勾勒出了某些想法和概念的开端 ， 可能会成为生物学新领域的潜在基础” 。
【科学探索|什么是个体？生物学家在信息论中寻找线索】劳比希勒同意卡西尔的观点 。“生命科学或生物学要成长为一门科学学科 ， ”他说 ， “就需要做这样的事情 。”
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