5 億年以上前のエディアカラ紀には、超現実的な生命の世界が海底を覆っていました。その奇妙で柔らかい体の動物は、想像を絶する物理的な形をしていました。キルティングされた塊とリブ付きディスク、セグメント化されたチューブと上向きのベル、先細りのスピンドルと細いコーンです。彼らはおそらく地球初の大型多細胞生物でしたが、現代の子孫を残さずにすぐに絶滅しました。砂岩と珪岩の古代スラブにある微量の化石が、それらのまったく奇妙で幻想的な生き物の残骸のすべてです。
その奇妙さのために、古生物学者は、彼らがどのように発達したか、どのように食べて繁殖したか、化石化した個体が離れて別の個体が始まった場所でさえも、最も基本的な質問でさえ議論しています.それらの動物は、ポルトガルのマンオブウォーに似た、単一の生物またはより小さな個体のコロニーでしたか?彼らのゼリー状の体はどこで終わり、環境はどこから始まったのですか?
個体を区別する作業は困難な場合があります。これは、断片化された化石記録の意味を解明しようとする科学者に限ったことではありません。他の惑星や衛星で生命を探している研究者は、同じ問題に直面することになります。今日の地球上でさえ、自然が境界をずさんに無視していることは明らかです。ウイルスは宿主細胞に依存して自身のコピーを作成します。細菌は遺伝子を共有および交換しますが、高次種は交雑します。何千もの粘菌アメーバが協力して塔を形成し、胞子を広げます。働きアリとミツバチは、社会的コロニーの「超生物」の非生殖メンバーになる可能性があります。地衣類は、菌類と藻類またはシアノバクテリアの共生複合体です。人間でさえ、少なくとも「自己」細胞と同数の細菌細胞を含んでおり、腸内の微生物は、私たちの発達、生理機能、および生存と密接に関連しています。
エクセター大学の科学哲学者であり、生命科学研究センターであるエジェニスの所長であるジョン・デュプレは、これらの生物は「非常に密接に関連しているため、1つ、2つ、または複数のことを話すべきかどうかわからないことがあります.
しかし、そのような区別ができることは、科学者にとって非常に重要です。生態学者は、コミュニティを定義する複雑な共生と関係を解きほぐす際に、個人を認識する必要があります。自然淘汰と、それが生殖の成功のために個体を選択する方法を研究する進化生物学者は、選択されている個体を構成するものを理解する必要があります.
同じことが、個人のより抽象的な概念を扱う生物学の分野にも当てはまります。つまり、行動や活動のより大きなスキーム内で明確なパターンとして現れる実体です。分子生物学者は、何千もの遺伝子のうち、どの遺伝子が個別のネットワークとして相互作用して特定の形質を生み出すかを特定する必要があります。神経科学者は、脳内のニューロンのクラスターが、刺激を表す 1 つの凝集体として機能する時期を特定する必要があります。
「ある意味で、[生物学] は個性の科学です」と、サンタフェ研究所のコンピューター科学者である Melanie Mitchell は述べています。
それでも、個人であることの意味という概念は、しばしば見過ごされがちです。マギル大学のポスドク研究者であるマクスウェル・ラムステッドは、「これまでのところ、『山』の概念に非常によく似た『個人』の概念があります。 「砂の山があれば、これが砂の山であることが直感的にわかります。しかし、山は正確に定義されたものではありません。 13 粒の後で、コレクションから山に移動するようなものではありません。」
アリゾナ州立大学の理論生物学者であるマンフレッド・ラウビヒラーは、「分野としての生物学は完全に理論化されていない」という理由で、そのような基本的な定義が欠落している. 「それはまだ経験に基づいた分野です。」
現在、科学者のいくつかのグループがそれを変えようとしています。彼らは、生物学を新しい時代に導くことを望んでいる一連の原則と測定に従って、個人の概念を形式化することから始めています.
名詞ではなく動詞
生物学的個体の定義に関しては、観察および測定できるものに頼る傾向があります。細胞は膜に、動物は皮膚に囲まれています。 DNA を配列決定し、それらの配列で遺伝子を区別することができます。何よりも、私たちの定義は、生物とそれに関連する特性を優先します:環境から物理的に分離され、DNA を持ち、複製することができ、自然選択の対象となる実体です。
しかし、それが生き物を見る唯一の方法ではありません。また、常に最良の方法でもありません。 「もしダーウィンが微生物学者だったら、私たちは進化について非常に異なる理論を持っていたでしょう」と、進化論者でありサンタフェ研究所の所長であるデビッド・クラカウアーは述べています。 「あなたは、最も適した生物の生存から始めなかったでしょう。それは非常に異なる前提だったでしょう。」
Krakauer は、生物学的単位を特定するためのより自然で客観的な方法、つまり研究対象のシステムの固有のダイナミクスに基づいて個性を定量化するための操作上の指標を、外部の状況によって課せられるバイアスや制限なしで明らかにしようとしています。
同じくサンタフェ研究所に拠点を置く集団現象研究の専門家であるジェシカ・フラックは、自然淘汰やその他の生物学的プロセスの研究に個性の概念が適用される恣意的な方法に同様に不満を感じていました.そこで二人は協力し、サンタフェからウィスコンシンへの移動、そして再びウィスコンシンへの移動、さらに数人の同僚のプロジェクトへの採用を含む 10 年の大半をかけて、彼らが望んでいたものを開発しました。私たちが答えを知っている、または答えを知りすぎていると仮定しない、アプリオリに終わった基本的な作業定義です」とフラックは言いました.
その実用的な定義の中心にあるのは、個人は空間的な用語ではなく、時間的な用語で考えられるべきであるという考えでした。つまり、時間を通じて安定してしかし動的に存続するものとしてです。 「それは個人についての別の考え方です」と、この作業には関与していないミッチェルは言いました。 「名詞ではなく、動詞のようなものです。」
これはまったく新しいアプローチではありません。 1800 年代初頭、フランスの動物学者ジョルジュ・キュヴィエは、生命を渦として説明しました。絶えず入り、そこから絶えず離れています。 フォーム 生体の物質よりも本質的なものである 」多くの哲学者や生物学者は、生物やその他の生物学的システムが固定された物体や物質として存在するのではなく、流れの川の中で流れるパターンや関係として存在するこの「プロセス ビュー」を採用しています。
残念なことに、スワースモア大学の発生生物学者であるスコット・ギルバートは、「遺伝子理論が引き継がれると、それは物事の生物学になりました.しかし今、それは再び変わり始めています。 「20 世紀の生物学は物の生物学でした」と彼は言いました。 「21 世紀の生物学はプロセスの生物学です。」
そして科学者たちは、これらのプロセスを正式かつ正確な方法で検討するためのツールを開発しました。サンタフェ研究所の生命の起源研究者であるエリック・スミスは、次のように述べています。統計的および分布的な言語を使用して、物事をより適切に行うことができます。」
さまざまな個性
クラカワーとフラックは、マックス プランク数学科学研究所の Nihat Ay などの同僚と協力して、個人の原則を「動詞のようなもの」として形式化するには、情報理論に目を向ける必要があることに気付きました。彼らにとって、個人は「ある程度の時間的整合性を維持する」集合体であり、時間の経過とともに最大に近い量の情報を伝播していました.
彼らが Theory in Biosciences で発表した形式主義 は、3 つの公理に基づいています。 1つは、細胞内から社会的組織まで、生物学的組織のあらゆるレベルで個性が存在できるということです。 2 つ目は、個性を入れ子にすることができるということです。1 つの個人が別の個人の中に存在することができます。しかし、最も斬新な (そしておそらく最も直観に反する) 公理は、個性は連続体の上に存在し、エンティティはその程度を定量化できるというものです。
「これは、突然ジャンプするバイナリ関数ではありません」と、この研究には関与していないサンタフェ研究所の物理生物学者である Chris Kempes 氏は述べています。物理学者としての彼にとって、それはサンタフェのチームの理論の魅力の一部です。分類よりも定量化に重点を置くことは、生物学がもっと活用できるものだと彼は考えています。その理由の 1 つは、ウイルスが生きているかどうか、それが個体であるかどうかなど、難しい定義の問題を回避できるからです。 「問題は、ウイルスがどのように生きているかということです。」彼は言った。 「ウイルスにはどのくらいの個性がありますか?」
その後、クラカワー、フラック、および彼らのグループの残りのメンバーは、複雑で騒がしい環境でそのような個性を見つけるための「レンズ」の定義に着手しました。 「時間の経過とともに伝播される情報を見ることができる一種の顕微鏡を構築することを考えてみてください」と Krakauer 氏は述べています。彼らは、情報の流れを部分に分解し、環境の影響と内部ダイナミクスのさまざまな組み合わせがシステムの将来の状態を予測する方法に基づいて個性を評価する数学的フレームワークについて説明しました。
これらの情報の流れの勾配に基づいて、サンタフェ チームは 3 つのタイプの個性を区別します。 1つ目は、環境要因によって形作られるが、強力に自己組織化するエンティティである有機体の個体です。そのような個人を定義するほとんどすべての情報は内部的なものであり、それ自体の以前の状態に基づいています。 「これを装着すれば、人間、哺乳類、鳥を見ることができるレンズです」と Krakauer 氏は述べています。
個性の 2 番目のタイプは、内的要因と外的要因の間のより複雑な関係を伴う植民地型です。このカテゴリの個人には、アリのコロニーまたはクモの巣が含まれる場合があります。これは、環境によって「部分的に足場が組まれている」が、独自の構造を維持している分散システムです。
3 番目のタイプは、ほぼ完全に環境に左右されます。 「足場を取り外せば、[エンティティ] はバラバラになります」と Krakauer 氏は述べています。それは竜巻のようなもので、不適切な温度と湿度の条件下で消散します。地球上で誕生した最初の生命は、おそらくこのようなものだった、とクラカワーは付け加えた.
この「個性の情報理論」は、研究者が呼んでいるように、生物学的単位について考えるための非常に一般的な方法を提供します.彼らは、「地面から人物を抽出し、環境から生物を抽出することを可能にする」アルゴリズムを刺激することを望んでいる.このようなアルゴリズムは、個人の出現を示す情報の相関関係を特定するために、時間をかけて収集されたデータ ストリームに適用できます。
この理論では、個体は細胞、組織、有機体、コロニー、企業、政治機関、オンライン グループ、人工知能、または都市である可能性があり、クラカワーによれば、アイデアや理論でさえあります。 「私たちがやろうとしているのは、私たちが従来生きていると呼んでいたものをはるかに超えた、生命体の動物園全体を発見することです」と彼は言いました.
そのような個人は、私たちが慣れ親しんでいる空間のスケール、機能、または分布に準拠していないため、私たちが考慮したことのないエンティティである可能性があります。フラックは言った。
「私たちの感覚は非常に限られています。私たちの脳で処理できることは、たとえそれがかなりの量であっても、最終的には限られています」と、人工システム内の個々のエージェントを識別するための数学的アプローチを開発している、東京の AI 企業 Araya の研究者である Martin Biehl 氏は述べています。 「では、大量の隠れた個人を見逃さないという自信はどこから得られるのでしょうか?」
私たちの知らない人生
個人を認識するこの新しい方法には、多くの利点があることが判明する可能性があります。おそらく、特定の遺伝子ネットワークとシグナル伝達分子は、細胞レベルで個別に機能し、他のものは細胞間に広がっています。おそらく、がんは、特定の細胞が隣接細胞よりも高度な個性を獲得した結果としてよりよく理解されています.
Krakauer と Kempes は、他の科学者の中でも、この測定ベースのアプローチを生命の起源の問題に適用したいと考えています。 「これらすべての異なる条件の下で…生命の起源の種類の多さに驚かれることでしょう。」彼は、クラカワーのような指標を使用して、それらの多様な起源の物語によって共有される可能性のある基本的な特性または一般原則を特定したいと考えています.
「人々は、私たちが持っているすべての人生が共有していることを知っていることに焦点を当てたいと思っています」とケンペスは付け加えました. 「しかし、それは私たちがこの惑星で持ってきた進化の歴史と、この惑星でたまたま持っていた生命の起源に非常に特有のものです.それは人生について考える一般的な方法ではありません。」作家のスタニスワフ・レムが 1961 年の小説 Solaris で想像した知覚力のあるプラズマの海のように、人間の理解を完全に超えている可能性がある、私たち自身の太陽系を超えた生命を特定する助けにはならないでしょう。 .
しかし、個性のより広い定義は、科学者が新しい種類の生命を探すことを可能にするだけではありません。また、さまざまな境界条件がエンティティの個性の程度と周囲との関係にどのように影響するかを調べることもできます。たとえば、生態系はどの程度「個体」でしょうか?種が消滅したり、重要な環境要因が変化したりした場合、その個性はどうなりますか?生物の境界が皮膚の周りではなく、さらに外側に描かれ、その環境の一部も含まれるとどうなるでしょうか?その答えは、保全活動や、生物、種、およびそれらの物理的環境の間にどれだけの相互依存関係があるかについての私たちの理解に影響を与える可能性があります。また、研究者がシステムの個性に最大の影響を与える要因をよりよく理解できれば、多細胞性の出現などの進化的移行についてさらに学ぶことができるかもしれません.
「基本的な量を定義することは、以前には見られなかったダイナミクスを突然見始め、以前は考えられなかったプロセスを理解するのに役立つと思います」とケンペスは言いました。温度を定義して理解することで、物理学における新しい理論の定式化。
個性の維持
個性に関する理論的研究を行っている他の科学者は、クラカワーとフラックの理論が答えを見つけるための最良または最も有用なフレームワークを提供することに必ずしも同意していません。たとえば、McGill の Ramstead にとって、Krakauer と Flack のフレームワークがどのような種類のシステムにも同じようにうまく適用できるという事実は、完全に賛成というわけではありません。彼は、サンタフェ グループの最初の仮定と情報理論の使用に同意しますが、彼らの定義には何か特別なものが必要であると彼は言います — 情報の流れに基づいて、生物学的実体を非生物系 (ハリケーンのような) の実体から区別する方法.
ラムステッドは、彼らのアプローチには、個人が自分自身を区切る境界をどのように維持するかについての考慮が欠けていると仮定しています. 「生物は単に個体化されているだけではありません」と彼は言いました。 「彼らは自分の個性に関する情報にアクセスできます。」彼にとって、クラカワーとフラックのフレームワークが使用する種類の情報は、生物にとって「認識可能」ではないかもしれません。
別の方法として、ラムステッドは、ロンドン大学ユニバーシティ カレッジの有名な神経科学者であるカール フリストンと協力して、生物学的自己組織化に関するフリストンの「自由エネルギー原理」に関する理論を構築しています。ラムステッドは、この考え方はクラカワーとフラックの形式主義と互換性があると考えていますが、生物学的実体が独自の個性をどのように維持しているかという説明によって都合よく制約されています。
自由エネルギーの原理は、自己組織化システムは、その環境に関する予測を生成し、それらの予測のエラーを最小限に抑えようとしているかのように見えると主張しています。有機体にとって、それは部分的には、彼らが期待に反して感覚的および知覚的経験を常に測定していることを意味します.
「文字通り、生物の体を環境の構造についての推測として解釈することができます」とラムステッドは言いました。そして、こうした期待の完全性を長期にわたって維持する方法で行動することにより、有機体は周囲から離れた個人として自分自身を定義します。
古代のフラクタル形式
サンタフェのチームの理論は現在、「原理の重要な証明」であり、「生物学の西部開拓時代に合理的な秩序を生み出すことができる組織スキーム」であるとラウビヒラー氏は述べた。しかし、研究者たちは、これらの概念を実践できる有用なアルゴリズムの作成にはまだほど遠いことを認めています.
それでも、一部の生物学者は、個性への情報アプローチを有効に活用する独自の方法をすでに見つけています。彼らの研究は、クラカワー、フラック、ラムステッドが追求している理論的アイデアがいつの日か適用される可能性があることを示しています。
エセックス大学のリサーチ フェローである Jennifer Hoyal Cuthill は、エディアカラ紀に繁栄した生物を研究しています。 「非常に深い時間から化石や生命体に取り組むことは、地球上で地球外生物学に近づくのとほぼ同じです」と彼女は言いました. 「それで、私たちは個人をどのように認識するかという実際的な問題に直面していますか?」
彼女と彼女の同僚が開発したソリューションは、Krakauer と Flack が説明した概念に関連していると彼女は言いました。特に、時間が経っても情報の持続性に重点が置かれています。
海底に取り付けられた中央の茎から放射状に広がるフラクタルな分岐葉を持つ、高さ 6 フィート以上に成長する可能性のあるシダのような動物であるレンジオモルフに関する Hoyal Cuthill の最近の研究を取り上げます。初期の分析では、羽毛ペンに似た無脊椎動物のより一般的なクラスであるウミペンで、レンジオモルフをグループ化することがよくありました。海の囲いは実際には植民地生物であり、個々の触手のあるポリプの集合体であるため、科学者はレンジモーフもそうであると考えていました。約 10 年前までは、つまり:研究者は後に、特定の成長プログラムが代わりに単一の個体でレンジモーフ形状を生成した可能性があると提案しました.
その研究は、情報理論の観点から考えることができます。たとえば、Hoyal Cuthill は動物のフラクタル形式を調べます。これは、木の幹の同心円がその成長を記録するのと同じように、その成長の歴史を反映しています。 「それは時を経ても持続します。その中に保持されている過去を見ることができます」と彼女は言いました.
成長履歴は、周囲の海洋水中の溶存有機炭素の拡散に関する情報など、範囲変異体の環境における情報の流れの記録でもあります。その情報の永続性を研究することにより、Hoyal Cuthill と彼女の同僚は、範囲変異体が生涯を通じてどのように変化したかについて仮説を立てました。サンタフェ チームの定義によると、内外の力のバランスにより、それらはコロニーではなく一貫した生物として残されますが、環境はそれらの発生の足場として機能し、サイズと形状に大きな影響を与えました。クラカワーとフラックの論文の言葉を当てはめると、「知られている最古の動物である可能性が高いものでさえ、本質的な生物の個性と環境決定の両方の痕跡を見ることができます」と Hoyal Cuthill は述べた.
情報の流れを理論的または実践的に利用して自然をその接合部に彫り込もうとするこのような試みは、「生物学の新しい分野の基礎となる可能性のあるアイデアや概念をスケッチすることの始まりです」と、Hoyal Cuthill 氏は述べています。
ラウビヒラーは同意した。 「生命科学や生物学が科学分野として成長するには、このようなことをする必要があります」と彼は言いました。
