Τι είναι ένα άτομο; Η Βιολογία αναζητά στοιχεία στη θεωρία της πληροφορίας.

Πάνω από μισό δισεκατομμύριο χρόνια πριν, κατά την περίοδο Ediacaran, ένας σουρεαλιστικός κόσμος ζωής κατέκλυσε τον πυθμένα του ωκεανού. Τα παράξενα, μαλακά ζώα του είχαν φυσικές μορφές που αψηφούν τη φαντασία:καπιτονέ σταγόνες και ραβδωμένους δίσκους, διαχωρισμένους σωλήνες και αναποδογυρισμένα κουδούνια, κωνικούς άξονες και λεπτούς κώνους. Ήταν ίσως οι πρώτοι μεγάλοι πολυκύτταροι οργανισμοί του πλανήτη — αλλά σύντομα εξαφανίστηκαν χωρίς να αφήσουν πίσω τους σύγχρονους απογόνους. ίχνη απολιθωμάτων σε αρχαίες πλάκες από ψαμμίτη και χαλαζίτη είναι όλα όσα έχουν απομείνει από αυτά τα εντελώς παράξενα και φανταστικά πλάσματα.

Εξαιτίας αυτής της παραξενιάς, οι παλαιοντολόγοι εξακολουθούν να συζητούν ακόμη και τα πιο βασικά ερωτήματα σχετικά με αυτούς:πώς αναπτύχθηκαν, πώς έτρωγαν και αναπαράγονταν, ακόμη και πού φεύγει ένα απολιθωμένο άτομο και ξεκινά ένα άλλο. Ήταν αυτά τα ζώα μεμονωμένοι οργανισμοί ή αποικίες μικρότερων ατόμων, παρόμοια με τον Πορτογάλο άνθρωπο του πολέμου; Πού τελείωσαν τα σώματά τους που έμοιαζαν με ζελέ και πού ξεκίνησε το περιβάλλον τους;

Το έργο της διάκρισης ατόμων μπορεί να είναι δύσκολο - και όχι μόνο για επιστήμονες που στοχεύουν να κατανοήσουν ένα κατακερματισμένο αρχείο απολιθωμάτων. Οι ερευνητές που αναζητούν ζωή σε άλλους πλανήτες ή φεγγάρια είναι βέβαιο ότι θα αντιμετωπίσουν το ίδιο πρόβλημα. Ακόμη και στη Γη σήμερα, είναι σαφές ότι η φύση αδιαφορεί για τα όρια:οι ιοί βασίζονται στα κύτταρα-ξενιστές για να δημιουργήσουν αντίγραφα του εαυτού τους. Τα βακτήρια μοιράζονται και ανταλλάσσουν γονίδια, ενώ τα είδη υψηλότερης τάξης υβριδοποιούνται. Χιλιάδες αμοιβάδες μούχλας λάσπης συγκεντρώνονται σε πύργους για να διαδώσουν τα σπόρια τους. Τα μυρμήγκια εργάτες και οι μέλισσες μπορεί να είναι μη αναπαραγωγικά μέλη «υπεροργανισμών» κοινωνικής αποικίας. Οι λειχήνες είναι συμβιωτικά σύνθετα μυκήτων και φυκών ή κυανοβακτηρίων. Ακόμη και οι άνθρωποι περιέχουν τουλάχιστον τόσα βακτηριακά κύτταρα όσα «εαυτά» κύτταρα, τα μικρόβια στο έντερο μας άρρηκτα συνδεδεμένα με την ανάπτυξη, τη φυσιολογία και την επιβίωσή μας.

Αυτοί οι οργανισμοί είναι «τόσο στενά συνδεδεμένοι μερικές φορές που δεν είναι σαφές αν πρέπει να μιλήσετε για έναν ή δύο ή πολλούς», είπε ο John Dupré, φιλόσοφος της επιστήμης στο Πανεπιστήμιο του Exeter και διευθυντής του Egenis, του Κέντρου Μελέτης των Επιστημών της Ζωής.

Ωστόσο, το να μπορούν να κάνουν τέτοιες διακρίσεις είναι εξαιρετικά σημαντικό για τους επιστήμονες. Οι οικολόγοι πρέπει να αναγνωρίζουν τα άτομα όταν ξεμπερδεύουν με τις περίπλοκες συμβιώσεις και τις σχέσεις που καθορίζουν μια κοινότητα. Οι εξελικτικοί βιολόγοι, που μελετούν τη φυσική επιλογή και τον τρόπο με τον οποίο επιλέγει τα άτομα για αναπαραγωγική επιτυχία, πρέπει να καταλάβουν τι συνιστά το άτομο που επιλέγεται.

Το ίδιο ισχύει και σε τομείς της βιολογίας που ασχολούνται με πιο αφηρημένες έννοιες του ατόμου — οντότητες που εμφανίζονται ως διακριτά πρότυπα μέσα σε μεγαλύτερα σχήματα συμπεριφοράς ή δραστηριότητας. Οι μοριακοί βιολόγοι πρέπει να εντοπίσουν ποια γονίδια από πολλές χιλιάδες αλληλεπιδρούν ως ένα διακριτό δίκτυο για να παράγουν ένα δεδομένο χαρακτηριστικό. Οι νευροεπιστήμονες πρέπει να προσδιορίσουν πότε οι ομάδες νευρώνων στον εγκέφαλο λειτουργούν ως μια συνεκτική οντότητα για να αναπαραστήσουν ένα ερέθισμα.

«Κατά κάποιο τρόπο, η [βιολογία] είναι μια επιστήμη της ατομικότητας», δήλωσε η Melanie Mitchell, επιστήμονας υπολογιστών στο Ινστιτούτο Santa Fe.

Κι όμως, η έννοια του τι σημαίνει να είσαι άτομο συχνά μπερδεύεται. «Μέχρι στιγμής έχουμε μια έννοια του «ατομικού» που μοιάζει πολύ με την έννοια του «σωρού»», δήλωσε ο Maxwell Ramstead, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Πανεπιστήμιο McGill. «Αν υπάρχει ένας σωρός άμμου, διαισθητικά ξέρετε ότι αυτό είναι ένα σωρό άμμου. Αλλά ένα σωρό δεν είναι ένα ακριβώς καθορισμένο πράγμα. Δεν είναι σαν μετά από 13 κόκκους, μετακινείται από μια συλλογή σε ένα σωρό.”

Ένας τέτοιος θεμελιώδης ορισμός απουσιάζει εν μέρει επειδή «η βιολογία ως πεδίο είναι εντελώς υποθεωρητικοποιημένη», είπε ο Manfred Laubichler, θεωρητικός βιολόγος στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Αριζόνα. "Είναι πολύ ακόμα μια πειθαρχία που καθοδηγείται εμπειρικά."

Τώρα, μερικές ομάδες επιστημόνων ξεκινούν να το αλλάξουν αυτό — και αρχίζουν επισημοποιώντας την έννοια του ατόμου σύμφωνα με ένα σύνολο αρχών και μετρήσεων που ελπίζουν ότι θα οδηγήσουν τη βιολογία σε μια νέα εποχή.

Ένα ρήμα, όχι ουσιαστικό

Όταν πρόκειται για τον ορισμό των βιολογικών ατόμων, τείνουμε να βασιζόμαστε σε αυτά που μπορούμε να παρατηρήσουμε και να μετρήσουμε. Τα κύτταρα οριοθετούνται από μεμβράνες, τα ζώα από το δέρμα τους. μπορούμε να προσδιορίσουμε την αλληλουχία του DNA και να οριοθετήσουμε γονίδια σε αυτές τις αλληλουχίες. Πάνω απ 'όλα, οι ορισμοί μας προνομίζουν τον οργανισμό και τα χαρακτηριστικά που σχετίζονται με αυτόν:μια οντότητα που είναι φυσικά διαχωρισμένη από το περιβάλλον της, που έχει DNA και μπορεί να αναπαραχθεί, που υπόκειται σε φυσική επιλογή.

Αλλά αυτός δεν είναι ο μόνος τρόπος για να δεις τα ζωντανά πράγματα – ούτε είναι πάντα ο καλύτερος τρόπος. «Πάντα λέω, αν ο Δαρβίνος ήταν μικροβιολόγος, θα είχαμε μια πολύ διαφορετική θεωρία της εξέλιξης», είπε ο Ντέιβιντ Κράκαουερ, θεωρητικός της εξέλιξης και πρόεδρος του Ινστιτούτου Σάντα Φε. «Δεν θα ξεκινούσατε με την επιβίωση του πιο ικανού οργανισμού. Θα ήταν μια πολύ διαφορετική υπόθεση."

Ο Krakauer προσπαθεί να ανακαλύψει έναν πιο φυσικό, αντικειμενικό τρόπο αναγνώρισης βιολογικών μονάδων, μια λειτουργική μέτρηση για την ποσοτικοποίηση της ατομικότητας με βάση την εγγενή δυναμική του συστήματος που μελετάται, χωρίς προκαταλήψεις ή όρια που επιβάλλονται από εξωτερικές συνθήκες.

Η Jessica Flack, ειδικός στη μελέτη συλλογικών φαινομένων που επίσης εδρεύει στο Ινστιτούτο Santa Fe, ήταν παρομοίως απογοητευμένη από τους αυθαίρετους τρόπους που εφαρμόζονταν οι έννοιες της ατομικότητας στη μελέτη της φυσικής επιλογής και άλλων βιολογικών διεργασιών. Έτσι, το ζευγάρι συνεργάστηκε και κατά το μεγαλύτερο μέρος μιας δεκαετίας - που περιελάμβανε μια μετακίνηση από τη Σάντα Φε στο Ουισκόνσιν και ξανά, και την πρόσληψη αρκετών ακόμη συναδέλφων στο έργο - ανέπτυξαν αυτό που ήλπιζαν ότι ήταν «ένα πολύ πιο ανοιχτό -Τελικός, θεμελιώδης ορισμός εργασίας που δεν προϋποθέτει ότι γνωρίζουμε την απάντηση ή γνωρίζουμε πάρα πολλά από την απάντηση, εκ των προτέρων», είπε ο Flack.

Στον πυρήνα αυτού του λειτουργικού ορισμού ήταν η ιδέα ότι ένα άτομο δεν πρέπει να θεωρείται με χωρικούς όρους αλλά με χρονικούς όρους:ως κάτι που επιμένει σταθερά αλλά δυναμικά στο χρόνο. «Είναι ένας διαφορετικός τρόπος σκέψης για τα άτομα», είπε ο Μίτσελ, ο οποίος δεν συμμετείχε στη δουλειά. "Σαν είδος ρήματος, αντί για ουσιαστικό."

Δεν είναι μια εντελώς νέα προσέγγιση. Στις αρχές του 1800, ο Γάλλος ζωολόγος Georges Cuvier περιέγραψε τη ζωή ως μια δίνη, «περισσότερο ή λιγότερο γρήγορη, περισσότερο ή λιγότερο περίπλοκη, η κατεύθυνση της οποίας είναι αμετάβλητη και η οποία πάντα φέρει μαζί μόρια παρόμοιων ειδών, αλλά στην οποία βρίσκονται μεμονωμένα μόρια. εισέρχονται συνεχώς και από όπου αναχωρούν συνεχώς· ώστε η μορφή ενός ζωντανού σώματος είναι πιο ουσιαστικό για αυτό από την ύλη του .» Πολλοί φιλόσοφοι και βιολόγοι έχουν υιοθετήσει αυτήν την «άποψη διαδικασίας», στην οποία οι οργανισμοί και άλλα βιολογικά συστήματα δεν υπάρχουν ως σταθερά αντικείμενα ή υλικά αλλά ως ρέοντα μοτίβα και σχέσεις σε ένα ποτάμι ροής.

Δυστυχώς, «από τη στιγμή που η γονιδιακή θεωρία κυριάρχησε, έγινε βιολογία των πραγμάτων», δήλωσε ο Scott Gilbert, αναπτυξιακός βιολόγος στο Swarthmore College. Τώρα όμως αυτό αρχίζει να αλλάζει ξανά. «Η βιολογία του εικοστού αιώνα ήταν μια βιολογία των πραγμάτων», είπε. "Η βιολογία του εικοστού πρώτου αιώνα είναι μια βιολογία διαδικασιών."

Και οι επιστήμονες έχουν αναπτύξει τα εργαλεία για να εξετάσουν αυτές τις διαδικασίες με επίσημους, ακριβείς τρόπους. «Μπορούμε να πάρουμε πολλά από αυτά τα πράγματα που κάναμε με μια γλώσσα αντικειμένων στη βιολογία», είπε ο Έρικ Σμιθ, ερευνητής της προέλευσης της ζωής στο Ινστιτούτο Santa Fe, και «να συνειδητοποιήσουμε ότι μπορούμε να κάνουμε το ίδιο πράγματα και κάντε τα καλύτερα, με μια γλώσσα στατιστικής και κατανομής.»

Πολλοί βαθμοί ατομικότητας

Ο Krakauer και ο Flack, σε συνεργασία με συναδέλφους τους όπως ο Nihat Ay του Ινστιτούτου Max Planck για τα Μαθηματικά στις Επιστήμες, συνειδητοποίησαν ότι θα έπρεπε να στραφούν στη θεωρία της πληροφορίας για να επισημοποιήσουν την αρχή τους για το άτομο «ως ένα είδος ρήματος». Για αυτούς, ένα άτομο ήταν ένα άθροισμα που «διατήρησε ένα μέτρο της χρονικής ακεραιότητας», διαδίδοντας έναν σχεδόν μέγιστο όγκο πληροφοριών προς τα εμπρός στο χρόνο.

Ο φορμαλισμός τους, τον οποίο δημοσίευσαν στο Theory in Biosciences τον Μάρτιο, βασίζεται σε τρία αξιώματα. Το ένα είναι ότι η ατομικότητα μπορεί να υπάρχει σε οποιοδήποτε επίπεδο βιολογικής οργάνωσης, από το υποκυτταρικό έως το κοινωνικό. Το δεύτερο είναι ότι η ατομικότητα μπορεί να είναι φωλιασμένη - ένα άτομο μπορεί να υπάρχει μέσα σε ένα άλλο. Το πιο πρωτότυπο (και ίσως το πιο αντιδιαισθητικό) αξίωμα, ωστόσο, είναι ότι η ατομικότητα υπάρχει σε ένα συνεχές και οι οντότητες μπορούν να έχουν ποσοτικοποιήσιμους βαθμούς της.

«Αυτή δεν είναι κάποια δυαδική συνάρτηση που ξαφνικά έχει ένα άλμα», είπε ο Chris Kempes, φυσικός βιολόγος στο Ινστιτούτο Santa Fe που δεν συμμετείχε στην εργασία. Για αυτόν ως φυσικό, αυτό είναι μέρος της απήχησης της θεωρίας της ομάδας Santa Fe. Η έμφαση στον ποσοτικό προσδιορισμό έναντι της κατηγοριοποίησης είναι κάτι που η βιολογία θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει περισσότερο, πιστεύει - εν μέρει επειδή ξεπερνά τα δύσκολα προβλήματα ορισμού σχετικά με, ας πούμε, εάν ένας ιός είναι ζωντανός και εάν είναι άτομο. «Το ερώτημα είναι πραγματικά:Πόσο ζωντανός είναι ένας ιός;» αυτός είπε. "Πόση ατομικότητα έχει ένας ιός;"

Ο Krakauer, ο Flack και η υπόλοιπη ομάδα τους στη συνέχεια ξεκίνησαν να ορίσουν «φακούς» για τον εντοπισμό μιας τέτοιας ατομικότητας σε πολύπλοκα, θορυβώδη περιβάλλοντα. «Σκεφτείτε να φτιάξετε ένα είδος μικροσκοπίου που θα μου επέτρεπε να βλέπω πληροφορίες να διαδίδονται προς τα εμπρός στο χρόνο», είπε ο Krakauer. Περιέγραψαν ένα μαθηματικό πλαίσιο που χωρίζει τις ροές πληροφοριών σε μέρη και αξιολογεί την ατομικότητα με βάση τον τρόπο με τον οποίο διαφορετικοί συνδυασμοί περιβαλλοντικών επιρροών και εσωτερικής δυναμικής μπορούν να προβλέψουν τις μελλοντικές καταστάσεις ενός συστήματος.

Με βάση αυτές τις κλίσεις της ροής πληροφοριών, η ομάδα του Santa Fe διακρίνει τρεις τύπους ατομικότητας. Το πρώτο είναι το οργανικό άτομο, μια οντότητα που διαμορφώνεται από περιβαλλοντικούς παράγοντες αλλά είναι έντονα αυτο-οργανωμένη. Σχεδόν όλες οι πληροφορίες που ορίζουν ένα τέτοιο άτομο είναι εσωτερικές και βασίζονται στις δικές του προηγούμενες καταστάσεις. "Αυτός είναι ένας φακός που, αν τον φορούσατε, θα σας επέτρεπε να δείτε ανθρώπους, θηλαστικά και πουλιά", είπε ο Krakauer.

Ο δεύτερος τύπος ατομικότητας είναι η αποικιακή μορφή, η οποία περιλαμβάνει μια πιο περίπλοκη σχέση μεταξύ εσωτερικών και εξωτερικών παραγόντων. Τα άτομα αυτής της κατηγορίας μπορεί να περιλαμβάνουν μια αποικία μυρμηγκιών ή έναν ιστό αράχνης — κατανεμημένα συστήματα που είναι «εν μέρει σκαλωσιά» από το περιβάλλον τους, αλλά εξακολουθούν να διατηρούν κάποια δομή από μόνα τους.

Ο τρίτος τύπος καθοδηγείται σχεδόν εξ ολοκλήρου από το περιβάλλον. «Αν αφαιρέσετε τη σκαλωσιά, η [οντότητα] θα καταρρεύσει», είπε ο Krakauer. Είναι σαν ανεμοστρόβιλος, που διαλύεται κάτω από λάθος συνθήκες θερμοκρασίας και υγρασίας. Η πρώτη ζωή που εμφανίστηκε στη Γη ήταν πιθανώς έτσι, πρόσθεσε ο Krakauer.

Αυτή η «θεωρία πληροφοριών της ατομικότητας», όπως την αποκαλούν οι ερευνητές, προσφέρει έναν πολύ γενικό τρόπο σκέψης για τις βιολογικές μονάδες. Ελπίζουν ότι θα εμπνεύσει αλγόριθμους που θα μπορούσαν «να σας επιτρέψουν να εξάγετε φιγούρες από το έδαφος, οργανισμούς από το περιβάλλον», είπε ο Krakauer. Τέτοιοι αλγόριθμοι θα μπορούσαν να εφαρμοστούν σε ροές δεδομένων που συλλέγονται με την πάροδο του χρόνου για να εντοπίσουν συσχετίσεις πληροφοριών που δηλώνουν την εμφάνιση ατόμων.

Μέσα σε αυτή τη θεωρία, τα άτομα μπορεί να είναι κύτταρα, ιστοί, οργανισμοί, αποικίες, εταιρείες, πολιτικοί θεσμοί, διαδικτυακές ομάδες, τεχνητή νοημοσύνη ή πόλεις — ακόμη και ιδέες ή θεωρίες, σύμφωνα με τον Krakauer. "Αυτό που προσπαθούμε να κάνουμε είναι να ανακαλύψουμε έναν ολόκληρο ζωολογικό κήπο μορφών ζωής που εκτείνονται πολύ πέρα ​​από αυτό που συμβατικά αποκαλούμε ζωή", είπε.

Τέτοια άτομα μπορεί να είναι οντότητες που δεν έχουμε σκεφτεί ποτέ επειδή δεν συμμορφώνονται με τις κλίμακες ή τις λειτουργίες ή τις κατανομές στο χώρο με τις οποίες είμαστε εξοικειωμένοι — οντότητες που «δεν ταιριάζουν με την κοινή μας διαίσθηση για το τι είναι ένα άτομο». είπε ο Flack.

«Οι αισθήσεις μας είναι πολύ περιορισμένες. Αυτό που μπορούμε να επεξεργαστούμε στον εγκέφαλό μας είναι, τελικά, περιορισμένο, παρόλο που είναι σημαντικό», δήλωσε ο Martin Biehl, ερευνητής στην Araya, μια εταιρεία τεχνητής νοημοσύνης στο Τόκιο, ο οποίος αναπτύσσει μια μαθηματική προσέγγιση για τον εντοπισμό μεμονωμένων παραγόντων σε τεχνητά συστήματα. "Λοιπόν από πού αντλούμε αυτήν την εμπιστοσύνη, ότι δεν μας λείπουν τόνοι κρυμμένων ατόμων;"

Η ζωή δεν είναι όπως την ξέρουμε

Αυτός ο νέος τρόπος αναγνώρισης ατόμων μπορεί να αποδειχθεί ότι έχει πολλά πλεονεκτήματα. Ίσως ορισμένα γονιδιακά δίκτυα και μόρια σηματοδότησης ενεργούν ως άτομα στο επίπεδο του κυττάρου, ενώ άλλα είναι απλωμένα μεταξύ των κυττάρων. Ίσως ο καρκίνος γίνεται καλύτερα κατανοητός ως το αποτέλεσμα ορισμένων κυττάρων που αποκτούν υψηλότερο βαθμό ατομικότητας από τα γείτονά τους.

Ο Krakauer και ο Kempes, μεταξύ άλλων επιστημόνων, ελπίζουν να εφαρμόσουν αυτήν την προσέγγιση που βασίζεται σε μετρήσεις στα ερωτήματα της προέλευσης της ζωής:«Τα πλανητικά σώματα είναι πλούσια, περίπλοκα περιβάλλοντα και η χημεία είναι ένας τεράστιος συνδυαστικός χώρος», είπε ο Kempes. «Υπό όλες αυτές τις διαφορετικές συνθήκες… πιθανότατα θα εκπλαγούμε με το πόσα είδη προέλευσης ζωής μπορείτε να αποκτήσετε». Θέλει να χρησιμοποιήσει μετρήσεις όπως του Krakauer για να προσδιορίσει υποκείμενες ιδιότητες ή γενικές αρχές που μπορεί να μοιράζονται αυτές οι διαφορετικές ιστορίες προέλευσης.

«Οι άνθρωποι θέλουν να επικεντρωθούν σε πράγματα που γνωρίζουμε ότι μοιράζεται όλη τη ζωή μας», πρόσθεσε ο Kempes. «Αλλά αυτό είναι πολύ συγκεκριμένο για την εξελικτική ιστορία που είχαμε σε αυτόν τον πλανήτη και την ιδιαίτερη προέλευση της ζωής που έτυχε να έχουμε σε αυτόν τον πλανήτη. Αυτός δεν είναι ένας πολύ γενικός τρόπος σκέψης για τη ζωή». Σίγουρα δεν θα βοηθήσει στον εντοπισμό της ζωής πέρα ​​από το δικό μας ηλιακό σύστημα, το οποίο θα μπορούσε να είναι εντελώς πέρα ​​από την ανθρώπινη κατανόηση, όπως ο αισθησιακός ωκεανός του πλάσματος που φαντάστηκε ο συγγραφέας Stanisław Lem στο μυθιστόρημά του το 1961 Solaris .

Αλλά ένας ευρύτερος ορισμός της ατομικότητας δεν θα επιτρέψει απλώς στους επιστήμονες να αναζητήσουν νέα είδη ζωής. Μπορούν επίσης να διερευνήσουν πώς διαφορετικές οριακές συνθήκες μπορεί να επηρεάσουν τον βαθμό ατομικότητας μιας οντότητας και τη σχέση της με το περιβάλλον της. Για παράδειγμα, πόσο «ατομικό» είναι ένα οικοσύστημα; Τι συμβαίνει με αυτήν την ατομικότητα εάν ένα είδος εξαφανιστεί ή ένας κρίσιμος περιβαλλοντικός παράγοντας αλλάξει; Τι συμβαίνει εάν το όριο ενός οργανισμού δεν τραβιέται γύρω από το δέρμα του αλλά πιο έξω για να περιλαμβάνει και μέρος του περιβάλλοντος του; Οι απαντήσεις θα μπορούσαν να επηρεάσουν τις προσπάθειες διατήρησης και την κατανόησή μας για το πόση αλληλεξάρτηση υπάρχει μεταξύ των οργανισμών, των ειδών και του φυσικού τους περιβάλλοντος. Και αν οι ερευνητές μπορέσουν να κατανοήσουν καλύτερα τους παράγοντες που έχουν τον μεγαλύτερο αντίκτυπο στην ατομικότητα ενός συστήματος, ενδέχεται να μάθουν περισσότερα για τις εξελικτικές μεταβάσεις, όπως η εμφάνιση της πολυκυτταρικότητας.

«Νομίζω ότι ο καθορισμός θεμελιωδών μεγεθών μας βοηθά να αρχίσουμε ξαφνικά να βλέπουμε δυναμικές που δεν είχαμε δει πριν και να κατανοήσουμε διαδικασίες που δεν είχαμε σκεφτεί πριν», είπε ο Kempes - με τον ίδιο τρόπο που ο καθορισμός και η κατανόηση της θερμοκρασίας επέτρεψε διατύπωση νέων θεωριών στη φυσική.

Διατήρηση της ατομικότητας

Άλλοι επιστήμονες που κάνουν θεωρητική έρευνα για την ατομικότητα δεν συμφωνούν απαραίτητα ότι η θεωρία των Krakauer και Flack προσφέρει το καλύτερο ή πιο χρήσιμο πλαίσιο για την εύρεση απαντήσεων. Για τη Ramstead στο McGill, για παράδειγμα, το γεγονός ότι το πλαίσιο του Krakauer και του Flack θα μπορούσε να εφαρμοστεί εξίσου καλά σε οποιοδήποτε είδος συστήματος δεν είναι απολύτως ένα σημάδι υπέρ του. Συμφωνεί με τις αρχικές υποθέσεις της ομάδας Santa Fe και τη χρήση της θεωρίας της πληροφορίας, αλλά λέει ότι ο ορισμός τους χρειάζεται κάτι επιπλέον - έναν τρόπο να ξεχωρίζουν οι βιολογικές οντότητες από τις οντότητες σε μη ζωντανά συστήματα (όπως οι τυφώνες), με βάση τη ροή πληροφοριών.

Ο Ramstead υποθέτει ότι η προσέγγισή τους δεν εξετάζει το πώς ένα άτομο διατηρεί το όριο που οριοθετεί τον εαυτό του. «Οι οργανισμοί δεν είναι απλώς εξατομικευμένοι», είπε. «Έχουν πρόσβαση σε πληροφορίες σχετικά με την εξατομίκευσή τους». Για αυτόν, το είδος των πληροφοριών που χρησιμοποιεί το πλαίσιο του Krakauer και του Flack μπορεί να μην είναι «γνωστό» σε έναν οργανισμό:«Δεν είναι σαφές για μένα ότι ο οργανισμός θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει αυτές τις μετρήσεις πληροφοριών που ορίζουν με τρόπο που θα του επέτρεπε να διατηρήσει ύπαρξης», είπε.

Ως εναλλακτική λύση, η Ramstead συνεργάζεται με τον Karl Friston, έναν διάσημο νευροεπιστήμονα στο University College του Λονδίνου, για να οικοδομήσει μια θεωρία γύρω από την «αρχή της ελεύθερης ενέργειας» του Friston για τη βιολογική αυτοοργάνωση. Ο Ramstead βλέπει αυτή τη γραμμή σκέψης ως συμβατή με τον φορμαλισμό των Krakauer και Flack, αλλά περιορίζεται χρήσιμα από μια περιγραφή του πώς μια βιολογική οντότητα διατηρεί τη δική της ατομικότητα.

Η αρχή της ελεύθερης ενέργειας βεβαιώνει ότι κάθε σύστημα αυτοοργάνωσης θα μοιάζει σαν να δημιουργεί προβλέψεις για το περιβάλλον του και επιδιώκει να ελαχιστοποιήσει το σφάλμα αυτών των προβλέψεων. Για τους οργανισμούς, αυτό σημαίνει εν μέρει ότι μετρούν συνεχώς τις αισθητηριακές και αντιληπτικές τους εμπειρίες σε σχέση με τις προσδοκίες τους.

«Μπορείτε να ερμηνεύσετε κυριολεκτικά το σώμα ενός οργανισμού ως εικασία για τη δομή του περιβάλλοντος», είπε ο Ramstead. Και ενεργώντας με τρόπους που διατηρούν την ακεραιότητα αυτών των προσδοκιών με την πάροδο του χρόνου, ο οργανισμός αυτοπροσδιορίζεται ως άτομο ξεχωριστά από το περιβάλλον του.

Αρχαίες μορφές φράκταλ

Η θεωρία της ομάδας της Santa Fe είναι επί του παρόντος «μια σημαντική απόδειξη αρχής» - «ένα οργανωτικό σχήμα [που μπορεί] να δημιουργήσει κάποια λογική τάξη σε αυτή την άγρια ​​δύση της βιολογίας», είπε ο Laubichler. Ωστόσο, οι ερευνητές αναγνωρίζουν ότι δεν είναι ακόμα κοντά στη δημιουργία χρήσιμων αλγορίθμων που θα μπορούσαν να εφαρμόσουν αυτές τις έννοιες.

Ωστόσο, ορισμένοι βιολόγοι βρίσκουν ήδη τους δικούς τους τρόπους για να αξιοποιήσουν σωστά τις ενημερωτικές προσεγγίσεις της ατομικότητας. Το έργο τους προσφέρει μια γεύση του τρόπου με τον οποίο οι θεωρητικές ιδέες που επιδιώκονται από τους Krakauer, Flack και Ramstead μπορεί μια μέρα να εφαρμοστούν.

Η Jennifer Hoyal Cuthill, ερευνήτρια στο Πανεπιστήμιο του Essex, μελετά τους οργανισμούς που ευδοκίμησαν κατά την περίοδο Ediacaran. «Το να δουλέψεις σε απολιθώματα ή μορφές ζωής από πολύ βαθύ χρόνο, είναι σχεδόν τόσο κοντά όσο θα μπορούσες να φτάσεις στον πλανήτη Γη στην εξωβιολογία», είπε. "Έτσι, βρισκόμαστε αντιμέτωποι με αυτό το πρακτικό πρόβλημα του πώς αναγνωρίζετε τα άτομα;"

Οι λύσεις που έχουν αναπτύξει αυτή και οι συνάδελφοί της σχετίζονται με τις έννοιες που περιέγραψαν οι Krakauer και Flack, είπε — ειδικότερα, με την έμφαση που δίνουν στην εμμονή της πληροφορίας στο χρόνο.

Πάρτε την πρόσφατη εργασία του Hoyal Cuthill σχετικά με τα rangeomorphs, τα ζώα που μοιάζουν με φτέρη που θα μπορούσαν να φτάσουν σε ύψος πάνω από έξι πόδια, με φράκταλ, διακλαδισμένα φύλλα που ακτινοβολούσαν από ένα κεντρικό στέλεχος συνδεδεμένο στον πυθμένα της θάλασσας. Οι πρώιμες αναλύσεις συχνά ομαδοποιούσαν τα rangeomorphs με θαλάσσια στυλό, μια πιο οικεία κατηγορία ασπόνδυλων που μοιάζουν με πεταλούδες. Επειδή ένα θαλάσσιο στυλό είναι στην πραγματικότητα ένας αποικιακός οργανισμός - ένα σύνολο από μεμονωμένους, πλοκάμιους πολύποδες - αυτό νόμιζαν οι επιστήμονες και τα rangeomorphs. Μέχρι πριν από περίπου 10 χρόνια, δηλαδή:Οι ερευνητές αργότερα πρότειναν ότι ένα συγκεκριμένο πρόγραμμα ανάπτυξης θα μπορούσε αντ 'αυτού να έχει δημιουργήσει το σχήμα του rangeomorph σε μεμονωμένα άτομα.

Αυτή η έρευνα μπορεί να θεωρηθεί με όρους θεωρίας πληροφοριών. Για παράδειγμα, ο Hoyal Cuthill εξετάζει τη φράκταλ μορφή του ζώου, η οποία αντανακλά το ιστορικό ανάπτυξής του με τον ίδιο τρόπο που οι ομόκεντροι δακτύλιοι στον κορμό ενός δέντρου καταγράφουν την ανάπτυξή του. «Επιμένει στο πέρασμα του χρόνου. μπορούμε να δούμε το παρελθόν του να διατηρείται μέσα του», είπε.

Το ιστορικό ανάπτυξης είναι επίσης μια καταγραφή των ροών πληροφοριών στο περιβάλλον των rangeomorphs, όπως πληροφορίες σχετικά με τη διάχυση του διαλυμένου οργανικού άνθρακα στο νερό των ωκεανών γύρω τους. Μελετώντας την επιμονή αυτών των πληροφοριών, η Hoyal Cuthill και οι συνεργάτες της διατύπωσαν υποθέσεις σχετικά με το πώς άλλαξαν τα rangeomorphs κατά τη διάρκεια της ζωής τους. Το περιβάλλον λειτούργησε ως ικρίωμα για την ανάπτυξή τους, επηρεάζοντας σημαντικά το μέγεθος και το σχήμα τους — παρόλο που η ισορροπία των εσωτερικών και εξωτερικών δυνάμεων τους αφήνει ως συνεκτικούς οργανισμούς και όχι ως αποικίες σύμφωνα με τους ορισμούς της ομάδας Santa Fe. Εφαρμόζοντας τη γλώσσα της εργασίας του Krakauer και του Flack, «μπορούμε να δούμε τα ίχνη τόσο της εγγενούς, οργανικής ατομικότητας όσο και του περιβαλλοντικού προσδιορισμού, ακόμη και σε μερικά από τα παλαιότερα γνωστά ζώα», είπε ο Hoyal Cuthill.

Τέτοιες προσπάθειες να χρησιμοποιηθούν ροές πληροφοριών, θεωρητικά ή πρακτικά, για να χαράξουν τη φύση στις αρθρώσεις της είναι «η αρχή της σκιαγράφησης ιδεών και εννοιών που θα μπορούσαν να είναι δυνητικά θεμελιώδεις για νέους τομείς της βιολογίας», είπε ο Hoyal Cuthill.

Ο Λάουμπιχλερ συμφώνησε. «Για να αναπτυχθούν οι βιοεπιστήμες ή η βιολογία ως επιστημονικός κλάδος», είπε, «πρέπει να γίνει κάτι τέτοιο».