这些系统中的信息处理2

书名：复杂（第一推动丛书·综合系列）
作者：梅拉妮·米歇尔
译者：唐璐
出版社：湖南科学技术出版社
出版时间：2018-01-01
ISBN：9787535794369

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第12章 生命系统中的信息处理

• 什么是信息处理
• 传统计算机中的信息处理
• 元胞自动机中的信息处理
• 免疫系统
• 蚁群
• 生物代谢
• 这些系统中的信息处理

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七、这些系统中的信息处理

现在我们来尝试回答这一章开始时提出的关于信息处理的问题：

• “信息”在这些系统中扮演了什么角色？
• 信息是如何被传递和处理的？
• 信息是如何获得意义的？又是对谁有意义？

2、信息是如何被传递和处理的

1)通过采样实现通信

• 将信息编码为基本组分的统计和变化模式的一个后果是，没有哪个个体组分能感知或传达系统状态的“宏观画面”。
  信息必须通过空间和时间采样来传递。
  • 在免疫系统中，
    淋巴细胞通过受体接受抗原和免疫系统其他细胞释放的细胞因子来对环境采样。
    淋巴细胞采样这些分子信号的空间和时间分布，进而被激活或是休眠。
    其他细胞反过来又会对激活的淋巴细胞的浓度和类型进行采样，并受其影响，将对抗病原体的细胞吸引到身体的特定区域。
  • 对于蚁群，
    单只蚂蚁则是通过感受器对信息素信号进行采样。
    它们根据对环境中信息素浓度特征的采样决定移动方向。
    前面讲过，单只蚂蚁也会用基于浓度的采样信息——遇到的其他蚂蚁——来决定是否进行某项工作。
  • 在细胞代谢中，
    通过酶与特定分子结合，酶对分子浓度的时空变化进行采样，进而又反馈到代谢途径。

2)行为的随机成分

• 由于获得的信息具有统计性，系统组分的行为就必然是随机的（至少“不可预测”）。
  前面描述的三个系统本质上都利用了随机性和或然性。

  • 每个淋巴细胞的受体形状都有随机生成成分，从而能采样许多可能的形状。
    淋巴细胞随血流分布，因此体内淋巴细胞的空间分布也有随机成分，从而可以采样抗原的多种可能空间特征。
    淋巴细胞激活的具体阈值、实际的分裂速度以及后代的变异都具有随机性。
  • 类似的，蚂蚁搜寻食物的活动也具有随机成分，蚂蚁对信息素的侦测以及是否受其轨迹吸引也是随机的。
    蚂蚁改变工种也是以随机的方式。
    生物化学家齐夫（Edward Ziff）和科学史学家罗森菲尔德（Israel Rosenfield）这样描述随机性的作用：“最终蚂蚁会建立通往食物源路径的详细地图。观察者可能会认为蚂蚁的食物分布地图是由某位智能设计者提供的。通往食物源的路径看上去就像是精心画出来的，但实际上却是一系列随机搜索的产物。”
  • 细胞代谢依赖于分子的随机扩散和分子相遇的概率，随着系统的变化，相对浓度会发生变化，从而概率也会跟着变化。

• 为了让数量相对较少的简单个体（蚂蚁、细胞、分子）能探测相比起来要大得多的可能范围，这种内在的随机性和或然性似乎是必需的，尤其是通过探测获得的信息本质上是统计性的，而且对于将要遇到的事物也没有什么先验知识。

• 但是随机性必须与确定性达成平衡：
  复杂适应系统的自我调节不断调整各项事务的概率——个体应该向哪里移动，它们应当采取什么行动，以及如何探测庞大空间中的具体路径。