Ученые нашли критическую точку, в которой информация важна для выживания

Живые системы — в отличие от неживых или неодушевленных объектов — используют информацию об окружающей их среде, чтобы выжить. Но не вся информация из окружающей среды имеет смысл или значение для выживания. Подмножество информации, которая является значимой и, возможно, необходимой для выживания, называется семантической информацией.

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?»

29.11.2023