本文是“Quanta magazine”文章“What Is an Individual? Biology Seeks Clues in Information Theory” 的全文翻译。译者Peter，原文地址 https://www.quantamagazine.org/what-is-an-individual-biology-seeks-clues-in-information-theory-20200716/

导读：如何定义生物中的个体？通过信息论，可以用更加通用客观的方式，定义何为个体。该定义可以解释生物个体，生物群落，以及天气现象和周围环境的关系，甚至还能用来识别外星生物。

目录

1）区分个体这个问题即普遍又困难

2）个体是一个动词，而非名词

3）个体定义的不同程度

4） 生命并非如我们所知的那样

5）个体信息论的局限：个体性的维持

6）个体信息论在古生物研究中应用

1）区分个体这个问题即普遍又困难

在距今6.35亿年前至5.42亿年前的埃迪卡拉纪 （Ediacaran Period ），一种出人意料的生物统治着地球。这种奇怪的软体动物，超乎我们的想象，但却可能是地球上的第一种大型多细胞生物。这个物种很快就灭绝了，也没有留下现存的直系后代。然而在那个年代代的砂岩和石英岩中，却包含众多这种奇怪生物的化石。

由于其形态的怪异，古生物学家仍然就该生物的最基本问题争辩不休，他们是如何发育，繁衍，以何为食物，甚至无法在化石中区分出个体A和个体B的分隔在那里？这些生物，究竟是一个单独的生物体，还是由更小生物体组成的群落？这些生物体和环境分隔的边界又在哪里？

埃迪卡拉纪的古生物Rangeomorphs化石

不仅仅对于试图从化石中研究古生物的学者，区分何为个体是一个普遍性的难题。寻找外星生物的科学家，也会面对类似的问题。即便在地球上，生物体的边界也不是非黑即白的，例如病毒需要进入其他细胞体内才能繁殖，而不同细菌间则会共享DNA（横向交流），高等生物体间也会有杂交。数千个阿米巴虫合作组成塔状以传播其孢子。无法生育的工蚁会组成一个超级有机物。地衣则是真菌和藻类合作共生组成的。即使人类，也包含了至少和细胞数等量的微生物，而我们的发育，心理状况以及生存，都和体内的肠道菌群密切相关。

地衣 包含进行光合作用的藻类和和寄生的真菌

上述例子，说明了区分个体是一个即普遍又困难的问题。用埃克塞特大学的哲学家 John Dupré的话来说，这些生物体间的联系是如此紧密，以至于无法区分谈论的是某个个体或是多个。

对于科学家来说，区分何为个体这个问题，至关重要。生态学家需厘清决定生态群落的复杂共生关系。研究自然选择如何优胜劣汰的进化生物学，需要搞清楚被选择的个体是由何组成的。对于更抽象的研究问题，例如何种基因通过与数千基因的互动，促成了某种特性，或者大脑中的那一簇神经元作为一个内聚性的整体，表征了一种刺激，如何区分个体仍然是研究的基础。

水螅看起来是一个独立动物，但其实际却由珊瑚虫群落组成

用圣塔菲的计算科学家Melanie Mitchell，《复杂》的作者的话，生物学就是研究何为个体的学科。然而，这一问题常常被掩盖。对个体的定义，如麦吉尔大学的博士后Maxwell Ramstead的比喻。是此处有一堆沙子，你能有一个直观的感受，但却无法给出如此给出有13克沙子这样清晰的定义。

亚利桑那州立大学的理论生物学家 Manfred Laubichler对该问题的看法是，生物学是一个缺少理论的学科，它仍然是一个由实践推动的学科。

而今，不少科学家试图改变这一现状，他们基于一组原理及观测，试图构建个体这一概念的理论框架，并试图通过该框架，指导生物学进入一个新的时代。

2）个体是一个动词，而非名词

通常定义个体时，我们会依赖我们观察到或测量的现象。例如细胞被细胞膜包裹，生物体通过皮肤和外界分离。我们可以对DNA测序，从序列中找到对应的基因。上述例子中，我们对个体的定义来自生物体及其特征，诸如某个个体如何与周围环境物理分隔，DNA可以复制，生物体是自然选择的单元。

但这并不是审视有生命物体的唯一方法，也不是最好的方法。圣塔菲的进化理论学者 David Krakauer常说，如果达尔文是一个微生物学家，我们会有一个截然不同的进化理论，进化论的核心观点将不会再是适者生存。

David Krakauer 圣塔菲研究院主席，关注生物系统和物理系统深层关联

Karkauer和圣塔菲的另一名研究群体行为的科学家Jessica Flack，共同提出的更为自然客观的定义生物个体的方法，避免了外界环境带来的偏见和局限。在不预设太多先验，即假设我们不知道该问题的答案时，通过更具操作性的标准，量化地衡量生物个体存在所基于系统的内生动力学，由此定义何为生物个体。由此，使得该定义更加开放，更为基础。

该定义的核心是，生物体不应该被视为一个空间中的存在，而应当被放在一个时间流中审视，在保持稳定的同时动态变化。用Melanie Mitchell的话来说，个体应该被视为一个动词而非名词。

这并非是该观点的首次亮相。18世纪初的法国动物学家Georges Cuvier将生命描述为：“有时快有时慢，有时复杂有时简单，但却保持同样的方向，携带着类似种类的分子，但总是有某些分子离开生物体，又有一些分子进入。因此，对于生物体来说，其形式比物质更为重要”，之后的很多哲学家和生物学家，也通过过程来看待生命，将其看成流动中出现的模式和关系，而不是固定的物质。

但是当基因成为生物学的热点后，生物学又变成了研究物体的学科，斯沃斯莫尔学院的发育生物学家Scott Gilbert说，二十世纪的生物学是研究物体的学科，二十一世纪的生物学，是研究过程的学科。

如今，科学家手上的工具，已能够形式化的进行精准研究。Eric Smith在圣塔菲研究生物起源问题，他指出如今我们能够用统计及分布化的语言，来更好的研究该问题。

3）个体定义的不同程度

如今，科学家手上的工具，已能够形式化的进行精准研究。Eric Smith在圣塔菲研究生物起源问题，他指出如今我们能够用统计及分布化的语言，来更好的研究该问题。为了定义个体，Krakauer 和Flack 用到的工具是信息论。

该定义假设，所有个体都需要保有时间一致性，尽可能的多的向之后的时间传递信息。他们在3月份发表在“生物理论”的论文“The information theory of individuality”基于以下三个假设。首先是在任何层级的生物组织中，个体都会存在。其次是个体的定义是嵌套的，个体A可以生存在另一个个体在。而最为新颖，甚至有些反直觉的假设是，个体的存在是连续的，个体的程度可以被量化。

圣塔菲的生物物理学家Chris Kempes评价到，该理论中不存在跳跃性的二值函数，而这对他这个物理学家是有吸引力的。该理论绕过了诸如病毒是否应被视为病毒这样难回答的问题，而将该问题变为了，病毒究竟有多少个体性。由此回答了病毒是不是生物这个问题的母问题，即“病毒在何种程度上是活着的”

该理论被称为”个体信息论“，其中用来衡量生物在复杂的充满噪音的环境中的概念是“透镜（lenses），Karkauer这样解释该概念：“借助透镜可以看到信息如何随时间传递”，在该数学框架中，信息流被拆分，通过分析不同环境影响与内生动力学的组合如何预测一个系统未来的行为，来对个体性进行定义。

系统和环境随时间相互作用的因果关系示意图

基于这些信息流所呈现的梯度（互信息），该理论区分了三种不同的个体性。第一种是组织个体性，该类个体由环境因素决定，但其中呈现出很高的自组织特性。所有定义该个体的信息都来自内部，并基于该个体自身之前的状态。人类，哺乳动物，鸟类就符合这样的个体定义。

第二种类型的个体是群落型的，其中内部和外部因素之间的关系更为复杂。这样的个体包含蚁群或蛛网，这样的系统部分由环境塑造，但仍然维持了自身的结构。

第三类个体的未来，几乎完全是由环境因素驱动的。如果去掉其依赖的骨架，该个体就会分崩离析。这类的个体的例子是台风，在不适合的温度和湿度条件下，就会消失。Krakauer指出，地球上最初的生物很可能属于这类。

个体信息论是一种研究生物个体的通用方法。研究者希望基于该定义，开发出能够从环境中获取有生物的算法。Krakauer指出，这样的算法能够找出时序数据中，意味着个体正在涌现的相关性关系。

Karkauer指出：该框架下，个体可以说细胞，组织，有机物，生物群落，公司，政治机关，在线群组，人工智能或者城市，甚至可以说想法或理论。该理论试图发现之前一系列根本不会被称为生物的生命形态。

个体信息论的另一发明者Flack指出，由于我们对其功能和分布很模式，在直觉上，很多上述的概念中，都不被视为个体。然而，在AI初创公司Araya工作的科学家Martin Biehl提出了一套识别人工系统中的个体的数学方法。他指出，我们的大脑能够处理的感官是有限的，我们哪来的自信，认为我们没有忽略众多概念所具有的个体性。

4） 生命并非如我们所知的那样

这种定义生物体的方法，有诸多优点。例如某些基因调控网络和分子信号在细胞中以个体存在，而有些时候，则是在细胞间散步的。也许，对癌症的更好理解是。某些细胞获得了相比它们邻居细胞，更高的个体性。

Karkauer和其他科学家，试图将这一框架，应用到生物起源的问题上。Karkuer指出，行星包含十分复杂的环境，化学上的可能组合空间也是巨大的。在所有这些不同的条件中，有多少种生物起源的方式，会多到令人震惊。“通过个体信息论的评价指标，可以识别出不同生物起源方式的普遍规律和潜在特性。

Kempes指出：”人们愿意关注哪些所有生物都具有的特征，但这些特征和我们所居住星球的进化史有关，并不是一种看待生物体的普遍方法。通过识别地球上生物的特征，无助于识别宇宙中的，远远超乎人类想象的生物，例如科幻小说作家Stanislaw Lem在小说Solaris中描述的有感知的海底岩浆。

索何夫的科幻小说“风暴之心”中，土星气旋是有意识的生命

对个体的更一般定义，不止能帮助科学家找到新的生命形态，还能够用来研究不同的边界条件，会如何影响个体性呈现的程度，以及个体和外界环境的关系。例如，一个生态系统的个体性如何衡量。如果系统中某个个体消失，或者关键的环境因素改变，会发生什么？这些问题的答案，将会影响生态保护，以及我们对不同生物体及其环境间的相互依赖的理解。如果能够更好的理解决定一个系统个体性的因素，对于诸如多细胞生物的诞生这样的进化转折点，就能有更深入的理解。

正如对温度的定义，为新的物理理论奠定了基础。个体信息论使得我们能够看到之前无法看到的动力学变化，理解之前无法过程。Kenpes这样评价个体信息论。

5）个体信息论的局限：个体性的维持

其他从事个体定义理论研究的科学家，认为个体信息论并不一定是回答该问题最好的或最有效的理论框架。对麦吉尔大学的Ramstead来说，该理论能够应用到任何系统中，并不是该理论的优点所在。他认同该研究的起始假设，以及其对信息论的使用，但指出该定义需要能够基于信息流将有生命和无生命个体区分开。

Ramstead的假说是，个体信息论没有考虑个体是如何维持区分个体与环境的边界的。他指出，生物体并不是个体化的，他们可能获得关于其个体属性的信息。然而，个体信息论中用到的信息，对生物体本身是不可知的。对于生物体如何应用个体信息论提出的指标，来维持自身的存在，这个问题的回答仍然不明晰。

Ranstead和英国著名神经科学家Karl Friston合作，基于最小自由能假说，构造了另一个关于生物个体性的理论。Ramstead认为该方法和个体信息论是兼容的，同时基于自由能的理论，描述了生物体如何维持自身的个体性。

自由能假说认为所有个体，都会产生对于其所处环境的预测，并试图最小化预测误差。对于生物体来说，这意味着他们需要持续地让自己的观察和感官体验和自身预期一致。

你可以将个体理解为一个对环境中结构进行估计的组织。Ramstead解释到，通过持续地维持自己的预期与观察间的一致性，个体以此将自身从环境中区分开来。

6）个体信息论在古生物研究中应用

个体信息论是一个重要的理论基石，但目前还远远无法创造出实用的算法，将该理论中的概念应用到实际中。然而，有些生物学家，仍然做出了在实际工作中应用个体信息论的尝试。

埃塞克斯大学的科学家Jennifer Hoyal Cuthill研究埃迪卡拉纪的古生物，研究中常遇到的实际问题是，如何从化石中区分个体。她对对该问题的回答，类似个体信息论，关注信息在时间中如何保持。她最近关于羊齿动物的研究，关注一种6英尺高，以一根导管为中心，呈分形状展开的名为rangeomorphs的动物。

埃迪卡拉纪的古生物Rangeomorphs化石

之前的分析，将该动物和海鳃分为一类。由于海鳃是一种由珊瑚虫组成的生物群落，古生物学家认为rangeomorphs也是这样的。直到10年前，科学家提出一种生长方式，可以有单个个体，产生类似的形态。通过观察反映了其发育史的分形结构，发现其和树木生长过程中的同轴坏状结构（年轮）相同。这种结构背后的信息传递机制，一直不变，因此可以由此研究古生物。

rangeomorphs的发育史，同时也是记录了其生活的环境的信息流，这些环境信息包括其生活的海洋中有机质的扩散情况。通过研究rangeomorphs如何维持该信息，Hoal Cuthill对rangeomorphs在其生命过程中发生何种变化给出了猜想。即使rangeomorphs是一个独立的个体，不同于之前的，该生物是由群落组成的猜想，它们生活的环境，是其发育的骨架，显著地影响了其大小和行为。用个体信息论来看，即使在已知的最早的动物中，我们依然能看到内生的个体性与环境决定所留下的痕迹。

上述的通过在理论或现实中应用信息论，来在自然和生物体的交汇处研究生物学问题的尝试，为扩展生物学的研究范围，奠定了基础。

未来智能实验室的主要工作包括：建立AI智能系统智商评测体系，开展世界人工智能智商评测；开展互联网（城市）云脑研究计划，构建互联网（城市）云脑技术和企业图谱，为提升企业，行业与城市的智能水平服务。

  如果您对实验室的研究感兴趣，欢迎加入未来智能实验室线上平台。扫描以下二维码或点击本文左下角“阅读原文”