信息论与生命之间的联系

╰+攻爆jí腚メ 2024-03-17 13:09 43阅读 0赞

信息论与生命之间的联系促使生物学家开发信息论方法来寻找外星生命。对于解释了为什么我们应该关注宇宙的“计算区域”。

如果宇宙生命的搜寻实际上是在寻找宇宙如何计算呢?

这是一个令人兴奋且令人不安的可能性,我们正在探索这一可能性,以找出我们是否孤独。

自19世纪我们对遗传学的科学理解开始,以及20世纪我们发现像DNA和RNA这样的分子开始,我们发现生命本质上是信息性的。

生物体的核心有某种“代码”。这无疑是一种极其复杂的代码,一种不断随着时间的推移自我重写并不像我们的数字发明那样构建的代码,但我们看到它在遍布地球的湿润的碳基生化中运行。

就像制造和使用您的高功耗个人电脑或游戏主机一样,那个生物圈重塑了这个星球,使其成为盛产水和氧气、氮和碳的盖亚机器。

我们可能会通过像JWST这样的望远镜来寻找这种行星重塑,但要把所有碎片拼凑在一起,以知道一个行星及其生命可以共同成为什么,这是一种科学难题。

关键的问题围绕气候和地球物理如何提供一个可以支持生命的环境,生命如何获得能量和其基本的化学成分,以及它对这些成分做了什么。

将生物学视为信息可能提供一些答案。自1940年代以来,像**克劳德·香农**这样的科学家的工作使我们独立地了解到,信息论和热力学物理学本质上是描述世界的同一种方式。

信息总是以某种形式呈现在物质中——通过1和0,或通过一种分子键或另一种分子键——并且信息反过来可以改变物质的配置。但改变需要能量,因此信息和能量不断交换,所有这些都由热力学定律描述。

将这些线索结合起来,生命开始看起来像是信息控制物质以传播。这通过我们称之为计算的过程实现——通过算法随机组合和重组信息,这些算法本身也是用相同的信息编写的。这是一个令人难以置信且令人迷幻的概念。它也提供了一种非常了解生命及其栖息地的方式。

信息热力学最重要的理论见解之一,基于约翰·冯·诺伊曼在20世纪50年代的工作,并由罗尔夫·兰道尔于1961年提出,是不可逆地改变任何信息位都需要绝对的能量成本,这是无法打破的。

这种所谓的兰道尔限制是由熵引起的(并且事实上有序的改变违背了普遍的无序倾向),仅取决于信息改变发生的温度。

令人惊讶的是,生物学似乎也遵守这一限制,并且可以非常接近地操作。生物学家和复杂性科学家Chris Kempes及其同事在2017年指出,RNA转译过程将氨基酸连接到其他氨基酸链上(在细胞内“计算”或制造蛋白质)所涉及的能量在兰道尔限制的一个数量级之内——在室温下这是一个绝对微小的10-20焦耳。

这些发现暗示了一种重写我们寻找生命方式的方法,而是寻找宇宙的“计算区”,无论是在RNA翻译中还是在数字1和0中,或完全不同的其他方式中。

这就是我和 人工生命专家Olaf Witkowski最近探索的内容。如果计算 universal地受Landauer限制的约束,该限制取决于温度以及可以用于计算的能量和物质的数量,我们可以开始拟定行星和其他地方的计算前景。

计算区域也可以颠覆对生命可能性的常规思维,或“适居区”。如果环境中有能量流动和构建物质,我们可以对计算的潜力做出一定判断,无论是在土星严寒海岸线的富烃浆中,还是金星流动的云层之间跳动的分子中。甚至在中子星的亚原子成分中或整个星系间隙气体的有机分子中。

但我们也必须弄清生命系统的哪些部分真的是计算性的。DNA转录或RNA翻译看起来和闻起来像计算,并且本质上是信息性的。但是新陈代谢过程或基因调节呢?

在这里,我们必须谨慎地将地球生物学视为任何“简单”的计算过程的集合。学习生命复杂的信息层次结构和功能很可能是了解生命在宇宙中的实现方式的关键,在那里相同的原理可能会产生非常不同的结果。

搜索计算区域也消除了我们对生物学和技术的界定。在技术极端是假设性的概念,如杜森结构,可以捕获一颗恒星的所有能量。

如果这些结构是用于计算,那么我们可以根据热力学和信息原理来确定设计选项。计算结果暗示,极其低光度的次恒星天体——所谓的褐矮星,质量为太阳质量的几个百分点,光度高达10万分之一——可能是不抱怨的技术更好的杜森能源来源,但不适用于生物学,生物学有其烦人的温度和营养需求。

然而,宇宙中大部分的计算可能发生在“纯”生物学和纯技术之间的某个地方。人类是一个例子,其外部机器结构现在承担并创造了大部分计算需求。我们已经是一个混合系统,这可能是宇宙中最常见的生命形式,也是我们最有可能最终检测到的生命形式。

混合生命系统也可能是唯一能够发现其他生命系统的系统。其他任何系统都将简单地无法注意或不感兴趣与之共享宇宙的事物。如果这是真的,我们真的存在于地球上曾经出现过的任何物种中最令人兴奋的时代。

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