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什么是最小的生命单元呢?

个别是什么?在五亿年前的埃迪卡拉纪*,超现实的生物国际占有着海底。这些共同的软体动物具有不契合幻想的物理形状:絮纹的斑驳,罗纹的圆盘,分段的管体,朝上的铃铛状,锥形的纺锤,和细长的圆锥体。惋惜的是,这…

个别是什么?

在五亿年前的埃迪卡拉纪*,超现实的生物国际占有着海底。这些共同的软体动物具有不契合幻想的物理形状:絮纹的斑驳,罗纹的圆盘,分段的管体,朝上的铃铛状,锥形的纺锤,和细长的圆锥体。惋惜的是,这些精妙的生物生计四千年后灭绝了,没有留下子孙,只要化石痕迹。这些大型多细胞生物是怎样发育、饮食、繁衍的?是以单一的生物体、仍是群落的方法存在,就像僧帽水母?

*译者注

埃迪卡拉纪,又称艾迪卡拉纪、震旦纪,是元古宙最终的一段时期。一般指6.35—5.41亿年前。

-化石痕迹-

这也牵扯到了一个生物哲学问题 :什么是个别?

地球生物品种千变万化——病毒靠依托在宿主细胞身上仿制本身;细菌之间能够同享、交流基因;高阶物种的杂交规矩能够极端杂乱;黏菌密度低的时分像是单细胞生物,但集合在一同乃至能够找到人工迷宫的最短途径;工蚁和工蜂是高度社会化团体里的非生殖成员,它们不具备高级生物的才智,但蚁巢杂乱且有序的分工信息网络代代相传;地衣是真菌和藻类或蓝细菌的共生复合物,共同的协作联系让它们看上去像单一有机体一般运作;人类所包括的细菌细胞也至少与体细胞相同多,成为“共生整体”,例如肠道微生物与咱们的发育、生理和生计有严密的联络......

物种之间和不同物种能够相互依存,多样层级和规划的共生现象让人们开端考虑个别与鸿沟的区别问题。

埃克塞特大学科学哲学家及生命科学研讨中心主任约翰·杜普雷以为,区别个别的使命并不简单。“有时分它们联络得如此严密,以至于不知道是应该以一个单位、两个单位、仍是一群来进行评论。”

麦吉尔大学的博士后研讨员麦克斯韦·拉姆斯特德说:“现在咱们对‘个别’的认知和‘堆’十分附近。咱们这里有一堆沙子,你会直观地知道这是一堆沙子。但‘堆’并不是一个精准的概念,这不像是拨出来不多不少正好13粒谷物,而是从一个集合到一个‘堆’。”

怎样能够更好区域别生物单位呢?再者,怎样能够在不依托细胞膜等特征的情况下辨认个别?

进程 > 物质

在界说生物个别时,学者一般倾向于能够调查和测量到的依据。细胞以膜为界,动物以皮肤为界,咱们能够对DNA进行测序,并在这些序列中区别基因。但这不是调查生物的仅有办法——也不是最好的办法。圣塔菲研讨所的进化理论家兼总裁大卫·克拉考尔尽力寻求发现一种更契合天然、更客观的办法去辨认生物单位。他以为:“咱们达尔文是一名微生物学家,咱们将具有彻底不同的进化论,即纷歧定会从优胜劣汰的生计规矩开端。”

-David Krakauer-

圣达菲研讨所的团体现象研讨专家杰西卡·弗拉克与克拉考尔进行了十年的协作,期望能找到弗拉克所期望的“愈加敞开、根底的界说。他们以为,个别是稳定地跟着时刻开展而改变的事物。因而,不应该单纯以空间维度来考虑“个别”,而应该以时刻维度来考虑。其实,这样界说也并非全新。在1800年代初期,法国动物学家乔治·居维叶将生命描绘为一个漩涡:“不管是否敏捷,是否杂乱,漩涡的旋转方向是不变的,并且它总是伴跟着品种相似的分子,分子总是不断进入其间,不断脱离。因而,活体的‘方法’比它的‘物质’更重要。”许多哲学家和生物学家都采用了这种“进程观念”,即生物和其他生物体系不是以固定的物体或物质存在,而是像河流相同活动似地与其他分子坚持联系。

不同梯度的个别

弗拉克,克拉考尔与马克斯·普朗克数学科学学院的尼哈特·奥伊也以为,个别是一个“保存时刻完整性”的集合体,在必定时刻内能够传达挨近最大值的信息量。他们在三月《生物科学理论》宣布的论文《The information theory of individuality》得出以下三个理论:1)个别能够存在于从亚细胞到社会任何生物安排水平;2)个别能够嵌套,即一单位个别能够存在于另一个的内部;3)个别存在于一个接连体上,咱们能够对这个实体进行量化。虽然未参加这项作业,圣塔菲研讨所的物理生物学家克里斯·肯佩斯以为,对生物学进行量化而不是单纯分类的思路很值得被学习,至少它能够应对杂乱的界说类问题:病毒是否存活?怎样被称之为存活?是否存在着个别?有多少个别?依据生物信息流的梯度,圣塔菲团队区别出了三种梯度的个别。第一种是生物个别方法,虽然受环境影响但具有激烈的自我安排性,简直一切关于个别界说的信息都是依据外部和个别的从前状况。第二种个别是团体方法的,它的内部和外部要素之间的联系更杂乱。在这个分类下的个别或许会有像蚁群或蜘蛛网似的散布式体系,部分安排结构遭到环境影响,但仍然也坚持自己的一些特性。第三品种型彻底由环境驱动,克拉考尔以为:“咱们去掉环境带给个别的影响,这个‘实体’将会直接溃散。” 他弥补道,地球上最早呈现的生物或许便是如此。

-三种梯度的个别-

“个别信息论”供给了一种考虑生物单位的通用办法,在这个理论中,个别能够是细胞、安排、生物体、团体地、公司、政治组织、网络小组、人工智能、城市——乃至思维和理论。研讨人员期望这个理论能够激宣布一些能“从地上提取出量化信息,从环境提取生物体”的算法,未来能够被用于体现个别呈现的信息。弗拉克说:“这种个别是咱们从未考虑过的概念,由于它‘不契合咱们对个别的直觉’,也不契合咱们了解空间中的衡量单位和功用散布。”

怎样坚持个别自界说的鸿沟

不过,麦吉尔大学的拉姆斯特德并不认同弗拉克和克拉考尔的观念,由于他们的办法并没有考虑个别是怎样坚持自界说的鸿沟,两位学者的界说还需要一些额定的东西:将生物实体和和非生物实体分隔的方法。虽然他赞同圣塔菲小组开端的假定以及他们对信息论的运用,但前两位学者的界说还需要一些额定的东西:依据信息流将生物实体和和非生物实体分隔的方法。“生物体不只是个别,它还能够获得关于其个别的信息。” 也便是说,弗拉克和克拉考尔的理论并不能让生物体被“了解”。拉姆斯特德与伦敦大学学院的神经科学家卡尔·弗里斯顿协作,围绕着弗里斯顿关于生物自组的“自在能量理论”提出了另一种想象。

“自在能量理论”以为,任何自组体系都会生成对环境的猜想,并减小这些猜想的差错。关于生物体,这意味着它们会依据猜想,不断衡量感官和直觉体会。拉姆斯特德以为,这种思路和弗拉克与克拉考尔的方法主义主意是兼容的,只是在生物体该怎样坚持其个别的解说上有些限制。“你能够从字面上,将生物体解说为对环境结构的猜想。”跟着时刻开展,为了坚持这些预期的完整性,生物体将会把自己界说为不属于环境的个别。

古代分型方法

埃塞克斯大学研讨员珍妮弗·霍亚尔·卡特希尔研讨了埃迪卡拉纪时期蓬勃开展的生物体,她说:“研讨远古时期的化石和生命方法,难度与在地球上研讨地外生物学适当。所以,咱们才面临着辨认个别这样实践的问题。”做研讨的进程,卡特希尔和搭档们也开展出了和弗拉克、克拉考尔相关的处理思路,着重信息在时刻上的持续性。

-Jennifer Hoyal Cuthill-

以霍亚尔·卡特希尔最近对脉形类的研讨为例,它们像蕨类植物相同能够长到六英尺高,其分枝状叶从附着在海底的中心茎放射出去。前期的研讨常常评脉形类和海笔这品种似于羽毛笔的、更为人熟知的无脊椎动物区别到一同。海笔是一种团体生物,即一种由有触手的珊瑚虫组成的集合体,依据它们的结构,科学家们觉得这两种生物相似。

直到10年前,研讨人员才发现,特定的生长程序是能够在单个个别中发生脉形类的形状的。运用信息论的原理,脉形类被直接归类为团体生物并不适宜。

正如树干上的年轮能够记载植物生长进程,脉形类生长史也记载了其生长周边的信息环境,例如有机碳在周边海水区域的分散信息。经过研讨这些信息的持久性,霍亚尔·卡特希尔和她的搭档研讨发现,外部环境是它们发育的根底,也深刻影响了它们的巨细和形状——内部和外部力气的平衡使它们成为连接的生物体,肯定非圣塔菲团队所界说的团体生物。

关于从理论和实践中运用结构化信息流来结构天然界的方法,霍亚尔·卡特希尔以为:“这些思维和观念的开端会将成为生物学新领域的奠定根底。”

上世纪的生物学也许是物质的生物学,但二十一世纪的生物学会更偏重关于进程的研讨。

封面:Tyler Larsen

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