Forscher wenden die Theorie semantischer Informationen auf ein realistisches Modell an und finden den Punkt, an dem Informationen überlebenswichtig sind

Lebende Systeme nutzen – anders als unbelebte oder unbelebte Objekte – Informationen über ihre Umgebung, um zu überleben. Doch nicht alle Informationen aus der Umwelt sind sinnvoll oder überlebensrelevant. Die Teilmenge der Informationen, die bedeutungsvoll und möglicherweise zum Leben notwendig ist, wird als semantische Information bezeichnet.

In einem neuen Artikel veröffentlicht in PRX-Lebenhaben Physiker der University of Rochester und ihre Co-Autoren diese Theorie der semantischen Information zum ersten Mal auf ein bekanntes Modell lebender Systeme in der Biologie und Ökologie angewendet: einen Organismus oder Agenten, der nach Ressourcen sucht.

Mithilfe eines mathematischen Modells simulierten die Forscher, wie sich ein Nahrungssuchender in einer Umgebung bewegt und Informationen über Ressourcen sammelt. Die Simulationen zeigten, was die Forscher als semantische Schwelle bezeichneten: den kritischen Punkt, an dem Informationen für das Überleben des Agenten wichtig sind. Oberhalb dieser Schwelle hat das Entfernen einiger Informationen keinen Einfluss auf das Überleben, unterhalb dieser Schwelle ist jede Information von entscheidender Bedeutung.

Durch die Quantifizierung der Korrelationen oder Verbindungen zwischen einem Agenten und seiner Umgebung tragen die Forscher dazu bei, die Rolle von Informationen für die Fähigkeit dieses Agenten aufzudecken, seine eigene Existenz aufrechtzuerhalten.

Korrelationen als Zusammenhänge

Stellen Sie sich einen Vogel in seinem Wald vor. Es weiß, wo es die Nahrung finden kann, die es für seine Ernährung gespeichert hat. Angenommen, Sie bewegen den Vogel 100 Fuß in einen anderen Teil des Waldes. „Auf diese Weise haben Sie einige Korrelationen oder Verbindungen des Vogels mit seiner Umgebung unterbrochen, aber es gibt immer noch genügend Korrelationen, sodass die Lebensfähigkeit oder die Überlebensfähigkeit des Vogels dadurch nicht beeinträchtigt wird“, erklärt Damian Sowinski, der Leiter Autor der Arbeit und Postdoktorand am Fachbereich Physik und Astronomie in Rochester.

Bewegen Sie den Vogel nun 1.000 Fuß entfernt – oder noch drastischer, 1.000 Meilen entfernt.

„Letztendlich wird der Vogel nichts mehr über seine Umgebung wissen – alle Verbindungen werden unterbrochen. Die Lebensfähigkeit des Vogels geht von völliger Beeinträchtigung zu einem plötzlichen Absinken über, sagt Sowinski.

Im Gegensatz dazu ändert die Bewegung eines unbelebten Dings wie eines Kieselsteins in einer Entfernung von 30 Metern, 300 Metern oder sogar 2.000 Kilometern nicht grundlegend die Verbindung zwischen der Umgebung und dem Kieselstein. Das liegt daran, dass der Kiesel keine relevanten oder irrelevanten Informationen über seine Umgebung nutzt, um sich selbst zu erhalten oder zu reproduzieren.

„Eines der grundlegendsten Dinge, die das Leben tut, ist der Ressourcenverbrauch bei der Navigation im Weltraum“, sagt Co-Autor Gourab Ghoshal, Professor für Physik in Rochester. „Diese neuen Erkenntnisse deuten darauf hin, dass unsere Denkweise – die Idee, dass es für das Überleben relevante und irrelevante Informationen gibt – vielversprechend ist, wenn sie in einem einfachen Modell zur Ressourcenbeschaffung angewendet wird. Die große Frage ist nun, ob unsere Denkweise immer noch zutrifft.“ komplexe Modelle?“

Von Partikeln zu Menschen: Wie entsteht Handlungsfähigkeit?

Handlungsfähigkeit bedeutet, zielgerichtet zu handeln oder auf nicht zufällige Weise auf die Umgebung zu reagieren. Dazu ist es erforderlich, sinnvolle Verbindungen mit der Umwelt herzustellen – zu interagieren, zu reagieren und dann bewusst auf eine Art und Weise zu handeln, die sich selbst erhält und selbst produziert.

Wann und wie entsteht also Entscheidungsfreiheit – bei einem Individuum, in einer Gruppe oder in einem System?

„Das ist eine tiefgreifende philosophische Frage“, sagt Co-Autor Adam Frank, Helen F. und Fred H. Gowen-Professor am Fachbereich Physik und Astronomie. „Der ganze Sinn der Fortschritte in der Wissenschaft besteht darin, Fragen zu untersuchen, die früher Gegenstand philosophischer Spekulationen waren, und einen Weg zu finden, sie quantitativ zu besprechen. Dieses Papier tut dies auf mathematisch strenge Weise.“

Eine solche breit anwendbare mathematische Definition semantischer Informationen könnte fächerübergreifend – von der Biologie bis zur Kognitionswissenschaft, von der Philosophie bis zur Physik – neue Erkenntnisse darüber liefern, wie lebende und nichtlebende Systeme zusammenhängen. Das ist einer der Gründe, warum die John Templeton Foundation, eine philanthropische Organisation, die akademische Stipendien zu kritischen Themen über disziplinäre, religiöse und geografische Grenzen hinweg finanziert, die Forschung des Teams unterstützt hat.

„Indem wir diese Sprache der Informationstheorie verwenden, schaffen wir eine Brücke zwischen den mechanistischen Erzählungen in den Naturwissenschaften und den eher informativen oder verhaltensbezogenen Erzählungen, die in den Lebenswissenschaften verwendet werden“, sagt Sowinski.

Wie seine Kollegen ist er voller Tatendrang, die Forschungsrichtung des Teams zum grundlegenden Geheimnis des Lebens fortzusetzen. Wie Sowinski es ausdrückt: „Unsere Arbeit ist ein vielversprechender erster Schritt zur Beantwortung einer größeren Frage: Was in aller Welt führt dazu, dass ein lebloser Felsen voller Kieselsteine ​​schließlich mit zielgerichteten Einheiten bedeckt wird, die sinnvoll miteinander und mit ihrer Umgebung interagieren?“