首页 > 科技快讯 > 寻找最小的生命单元：生物的“个体”如何定义？

寻找最小的生命单元：生物的“个体”如何定义？

晰数塔互联网快讯
2020-09-11 21:56

本文来自微信公众号：神经现实（ID：neureality），编译：陈滢荧，审校：tangcubibi，编辑：Leon，排版：平原，题图来自：视觉中国

个体是什么？

在五亿年前的埃迪卡拉纪（Ediacaran Period）*，超现实的生物世界占据着海底。这些奇特的软体动物具有不符合想象的物理形态：絮纹的斑点，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。可惜的是，这些精妙的生物生存四千年后灭绝了，没有留下后代，只有化石痕迹。这些大型多细胞生物是如何发育、饮食、繁殖的？是以单一的生物体、还是群落的形式存在，就像僧帽水母？

*译者注：埃迪卡拉纪（Ediacaran Period），又称艾迪卡拉纪、震旦纪，是元古宙最后的一段时期。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：什么是个体？

地球生物种类千变万化——病毒靠依赖在宿主细胞身上复制自身；细菌之间可以共享、交换基因；高阶物种的杂交规律可以极其复杂；黏菌密度低的时候像是单细胞生物，但聚集在一起甚至可以找到人造迷宫的最短路径；工蚁和工蜂是高度社会化群体里的非生殖成员，它们不具备高等生物的智慧，但蚁巢复杂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，独特的合作关系让它们看上去像单一有机体一般运作；人类所包含的细菌细胞也至少与体细胞一样多，成为“共生总体”，例如肠道微生物与我们的发育、生理和生存有紧密的联系......

物种之间和不同物种可以相互依存，多样层级和规模的共生现象让人们开始思考个体与边界的划分问题。

埃克塞特大学科学哲学家及生命科学研究中心主任约翰·杜普雷（John Dupré）认为，区分个体的任务并不容易。“有时候它们联系得如此紧密，以至于不知道是应该以一个单位、两个单位、还是一群来进行讨论。”

麦吉尔大学的博士后研究员麦克斯韦·拉姆斯特德（Maxwell Ramstead）说：“目前我们对‘个体’的认知和‘堆’非常相近。如果这里有一堆沙子，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’。”

怎么可以更好地划分生物单位呢？再者，如何可以在不依靠细胞膜等特征的情况下识别个体？

过程 > 物质

在定义生物个体时，学者一般倾向于可以观察和测量到的证据。细胞以膜为界，动物以皮肤为界，我们可以对DNA进行测序，并在这些序列中划分基因。

但这不是观察生物的唯一方法——也不是最好的方法。

圣塔菲研究所的进化理论家兼总裁大卫·克拉考尔（David Krakauer）努力寻求发现一种更符合自然、更客观的方法去识别生物单位。他认为：“如果达尔文是一名微生物学家，我们将拥有完全不同的进化论，即不一定会从优胜劣汰的生存规则开始。”

- David Krakauer -

圣达菲研究所的集体现象研究专家杰西卡·弗拉克（Jessica Flack）与克拉考尔进行了十年的合作，希望能找到弗拉克所希望的“更加开放、基础的定义。他们认为，个体是稳定地随着时间发展而变化的事物。因而，不应该单纯以空间维度来思考“个体”，而应该以时间维度来考虑。

其实，这样定义也并非全新。在1800年代初期，法国动物学家乔治·居维叶（Georges Cuvier）将生命描述为一个漩涡：“无论是否迅速，是否复杂，漩涡的旋转方向是不变的，而且它总是伴随着种类相似的分子，分子总是不断进入其中，不断离开。因此，活体的‘形式’比它的‘物质’更重要。”

许多哲学家和生物学家都采用了这种“过程观点”，即生物和其他生物系统不是以固定的物体或物质存在，而是像河流一样流动似地与其他分子保持关系。

不同梯度的个体

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（Nihat Ay）也认为，个体是一个“保留时间完整性”的集合体，在一定时间内可以传播接近最大值的信息量。

他们在三月《生物科学理论》发表的论文《The information theory of individuality》得出以下三个理论：（1）个体可以存在于从亚细胞到社会任何生物组织水平；（2）个体可以嵌套，即一单位个体可以存在于另一个的内部；（3）个体存在于一个连续体上，我们可以对这个实体进行量化（这个理论是最新的，虽然也是最反直觉的）。

尽管未参与这项工作，圣塔菲研究所的物理生物学家克里斯·肯佩斯认为，对生物学进行量化而不是单纯分类的思路很值得被借鉴，至少它可以应对复杂的定义类问题：病毒是否存活？如何被称之为存活？是否存在着个体？有多少个体？

基于生物信息流的梯度，圣塔菲团队区分出了三种梯度的个体。第一种是生物个体形式（organismal individuality），虽然受环境影响但具有强烈的自我组织性，几乎所有关于个体定义的信息都是基于外部和个体的先前状态。

第二种个体是群体形式的（colonial individuality），它的内部和外部因素之间的关系更复杂。在这个分类下的个体可能会有像蚁群或蜘蛛网似的分布式系统，部分组织结构受到环境影响，但依然也维持自己的一些特性。

第三种类型完全由环境驱动（environmental determination），克拉考尔认为：“如果去掉环境带给个体的影响，这个‘实体’将会直接崩溃。” 他补充道，地球上最早出现的生物可能就是如此。

- 三种梯度的个体 -

“个体信息论”提供了一种思考生物单位的通用方法，在这个理论中，个体可以是细胞、组织、生物体、群体地、公司、政治机构、网络小组、人工智能、城市——甚至思想和理论。研究人员希望这个理论可以激发出一些能“从地面提取出量化信息，从环境提取生物体”的算法，未来可以被用于表现个体出现的信息。弗拉克说：“这种个体是我们从未考虑过的概念，因为它‘不符合我们对个体的直觉’，也不符合我们熟悉空间中的度量单位和功能分布。”

如何维持个体自定义的边界

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点，因为他们的方法并没有考虑个体是如何维持自定义的边界，两位学者的定义还需要一些额外的东西：将生物实体和和非生物实体（如飓风）分开的方式。

尽管他同意圣塔菲小组最初的假设以及他们对信息论的使用，但前两位学者的定义还需要一些额外的东西：基于信息流将生物实体和和非生物实体（如飓风）分开的方式。

“生物体不只是个体，它还可以获得关于其个体的信息。” 也就是说，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（Karl Friston）合作，围绕着弗里斯顿关于生物自组的“自由能量理论”提出了另一种设想。

“自由能量理论”认为，任何自组系统都会生成对环境的预测，并减小这些预测的误差。对于生物体，这意味着它们会根据预测，不断衡量感官和直觉体验。

拉姆斯特德认为，这种思路和弗拉克与克拉考尔的形式主义想法是兼容的，只是在生物体该如何保持其个体的解释上有些局限。“你可以从字面上，将生物体解释为对环境结构的猜测。” 随着时间发展，为了保持这些预期的完整性，生物体将会把自己定义为不属于环境的个体。

古代分型形式

埃塞克斯大学研究员珍妮弗·霍亚尔·卡特希尔（Jennifer Hoyal Cuthill）研究了埃迪卡拉纪时期蓬勃发展的生物体，她说：“研究远古时期的化石和生命形式，难度与在地球上研究地外生物学相当。所以，我们才面临着识别个体这样实际的问题。”

做研究的过程，卡特希尔和同事们也发展出了和弗拉克、克拉考尔相关的解决思路，强调信息在时间上的持续性。

- Jennifer Hoyal Cuthill -

以霍亚尔·卡特希尔最近对脉形类（Rangeomorph）的研究为例，它们像蕨类植物一样可以长到六英尺高，其分枝状叶从附着在海底的中央茎放射出去。早期的研究经常把脉形类和海笔（sea pen）这种类似于羽毛笔的、更为人熟知的无脊椎动物划分到一起。海笔是一种群体生物，即一种由有触手的珊瑚虫组成的聚集体，基于它们的构造，科学家们觉得这两种生物类似。

直到10年前，研究人员才发现，特定的生长程序是可以在单个个体中产生脉形类的形状的。利用信息论的原理，脉形类被直接归类为群体生物并不合适。

正如树干上的年轮可以记录植物生长过程，脉形类生长史也记录了其成长周边的信息环境，例如有机碳在周边海水地区的扩散信息。通过研究这些信息的持久性，霍亚尔·卡特希尔和她的同事研究发现，外部环境是它们发育的基础，也深刻影响了它们的大小和形状——内部和外部力量的平衡使它们成为连贯的生物体，绝对非圣塔菲团队所定义的群体生物。

对于从理论和实践中使用结构化信息流来构造自然界的方式，霍亚尔·卡特希尔认为：“这些思想和观念的开始会将成为生物学新领域的奠定基础。”

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侧重对于过程的研究。

本文参考自Quanta Magazine，已按其要求对全文做摘录。如欲阅读全文，请登录Quanta Magazine的官方网站。原文：https://www.quantamagazine.org/what-is-an-individual-biology-seeks-clues-in-information-theory-20200716/

本文来自微信公众号：神经现实（ID：neureality），编译：陈滢荧，审校：tangcubibi，编辑：Leon，排版：平原