В новой работе, опубликованной в журнале PRX Life, физики из Рочестерского университета и их соавторы впервые применили теорию семантической информации к хорошо известной в биологии и экологии модели живых систем: организму или агенту, добывающему ресурсы.

Используя математическую модель, исследователи смоделировали, как кормовой агент перемещается в окружающей среде и собирает информацию о ресурсах. Моделирование выявило то, что исследователи назвали семантическим порогом: критическую точку, когда информация имеет значение для выживания агента. Выше этого порога удаление некоторой информации не влияет на выживание, а ниже — каждый бит информации имеет решающее значение.

Количественно оценивая корреляции или связи между агентом и его окружением, исследователи помогают выявить роль информации в способности агента поддерживать свое существование.

Корреляции как связи

Представьте себе птицу в лесу. Она знает, где найти еду, которую она запасает, чтобы прокормить себя. Допустим, вы перемещаете птицу на 100 футов в другую часть леса. «Тем самым вы прервали некоторые корреляции или связи птицы с окружающей средой, но их осталось достаточно, чтобы это не повлияло на жизнеспособность или способность птицы выжить», — объясняет Дамиан Совински, ведущий автор работы и постдокторант кафедры физики и астрономии в Рочестере.

Теперь переместите птицу на расстояние 1000 футов — или, что еще более радикально, на 1000 миль.

В конце концов, птица не будет знать ничего о своем окружении — все связи оборвутся. Жизнеспособность птицы от отсутствия реального влияния до внезапного резкого снижения, — говорит Совински.

В отличие от этого, перемещение неживого объекта, например камешка, на расстояние 100 футов, 1 000 футов или даже 1 000 миль не меняет принципиально связи между окружающей средой и камешком. Это происходит потому, что камешек не использует никакой информации — ни важной, ни неважной — о своем окружении для поддержания или воспроизводства себя.

Одна из самых основных вещей, которые делает жизнь, — это потребление ресурсов при навигации в пространстве, — говорит соавтор исследования Гураб Гошал, профессор физики в Рочестере.

Эти новые результаты показывают, что наш способ мышления — идея о том, что существует релевантная и нерелевантная информация для выживания, — многообещающ, если его применить в простой модели добычи ресурсов. Теперь главный вопрос заключается в том, будет ли наш способ мышления по-прежнему применим в более сложных моделях?

От частиц к людям: как возникает агентность?

Самостоятельность означает целенаправленное действие или неслучайное реагирование на окружающую среду. Это требует установления значимых связей с окружающей средой — взаимодействия, реагирования, а затем сознательных действий, направленных на самоподдержание и самовоспроизводство.

Итак, когда и как возникает самостоятельность — у индивида, группы или системы?

Это глубокий философский вопрос, — говорит соавтор исследования Адам Франк, профессор кафедры физики и астрономии имени Хелен Ф. и Фреда Х. Гоуэнов.

Весь смысл развития науки заключается в том, чтобы взять вопросы, которые раньше были уделом философских спекуляций, и найти способ говорить о них количественно. В данной работе это сделано с математической точностью.

Такое широко применимое математическое определение семантической информации может дать новые знания по всем дисциплинам — от биологии до когнитивных наук, от философии до физики — о том, как связаны живые и неживые системы. Это одна из причин, по которой Фонд Джона Темплтона, филантропическая организация, финансирующая академические исследования по важнейшим темам, пересекающим дисциплинарные, религиозные и географические границы, поддержал исследование команды.

Используя язык теории информации, мы создаем мост между механистическими описаниями в физических науках и более информационными или поведенческими описаниями, используемыми в науках о жизни, — говорит Совински.

Он, как и его коллеги, полон энергии для продолжения исследования фундаментальной тайны жизни. По словам Совински, «наша работа — это многообещающий первый шаг к ответу на более важный вопрос: Что в мире заставляет безжизненную скалу, полную гальки, в конце концов покрыться целеустремленными существами, которые осмысленно взаимодействуют друг с другом и окружающей средой?»