与无生命或无生命的物体不同，生命系统利用周围环境的信息来生存。但并非所有来自环境的信息都有意义或与生存相关。有意义且可能是生存所必需的信息子集称为语义信息。

在《PRXLife》上发表的一篇新论文中，罗切斯特大学的物理学家及其合著者首次将这种语义信息理论应用于生物学和生态学中众所周知的生命系统模型：觅食的有机体或代理为了资源。

研究人员使用数学模型模拟了觅食代理如何在环境中移动并收集有关资源的信息。模拟揭示了研究人员所说的语义阈值：信息对智能体生存至关重要的临界点。高于此阈值，删除一些信息不会影响生存，但低于此阈值，每一位信息都至关重要。

通过量化代理与其环境之间的相关性或联系，研究人员正在帮助揭示信息在该代理维持自身存在的能力中的作用。

相关性作为连接

想象一只鸟在森林里。它知道在哪里可以找到储存的食物来滋养自己。假设您将那只鸟移动100英尺到森林的另一个地方。“通过这样做，你已经切断了鸟儿与其环境的一些相关性或联系，但仍然存在足够的相关性，不会影响生存能力或鸟儿的生存能力，”该研究的负责人达米安·索文斯基(DamianSowinski)解释道。该论文的作者和罗切斯特物理与天文学系的博士后助理。

现在，将鸟移到1,000英尺之外，或者更大幅度地移到1,000英里之外。

“最终，这只鸟将不再了解其环境的任何信息——所有的联系都被切断了。鸟的生存能力从没有真正受到影响到突然开始直线下降，”索温斯基说。

相比之下，将卵石等无生命物体移动100英尺、1,000英尺甚至1,000英里远并不会从根本上改变环境与卵石之间的联系。这是因为卵石没有利用任何有关其周围环境的信息(无论相关或不相关)来维持或繁殖自身。

“生命最基本的事情之一就是在太空航行时消耗资源，”合著者、罗彻斯特物理学教授古拉布·戈沙尔(GourabGhoshal)说。“这些新发现表明，我们的思维方式(即存在与生存相关和不相关的信息的想法)在应用于简单的资源搜寻模型时显示出希望。现在的大问题是，我们的思维方式是否仍然适用于越来越多的人?复杂的模型?”

从粒子到人：能动性是如何出现的?

代理意味着有目的地行动或以非随机的方式响应环境。这需要与环境建立有意义的联系——互动、反应，然后以自我维持和自我生产的方式有意识地采取行动。

那么，个人、团体或系统中的代理何时以及如何出现?

“这是一个深刻的哲学问题，”合著者、物理和天文学系海伦·F·高文和弗雷德·H·高文教授亚当·弗兰克说。“科学进步的全部意义在于解决曾经属于哲学思辨领域的问题，并找到一种定量讨论它们的方法。这篇论文以数学上严格的方式做到了这一点。”

这种广泛适用的语义信息数学定义可以为跨学科(从生物学到认知科学、哲学到物理学)提供关于生命和非生命系统如何相互关联的新见解。这就是约翰·邓普顿基金会(一个慈善组织，资助跨学科、宗教和地理界限的关键主题的学术奖学金)支持该团队研究的原因之一。

“通过使用这种信息论语言，我们正在物理科学中的机械叙述与生命科学中使用的更多信息或行为叙述之间建立一座桥梁，”索文斯基说。

他和他的同事一样，充满活力，继续团队对生命基本奥秘的探索。正如索温斯基所说，“我们的工作是回答一个更大问题的有希望的第一步：到底是什么导致一块充满卵石的无生命岩石最终被有目的的实体所覆盖，这些实体与彼此及其环境进行有意义的相互作用?”

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