Forscher wenden die Theorie der semantischen Information auf ein realistisches Modell an und finden den Punkt, an dem Informationen für das Überleben relevant sind.

28. November 2023

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von Sofia Tokar, University of Rochester

Lebende Systeme - im Gegensatz zu unbelebten oder leblosen Objekten - nutzen Informationen über ihre Umgebung, um zu überleben. Aber nicht alle Informationen aus der Umgebung sind sinnvoll oder relevant für das Überleben. Die Teilmenge der Informationen, die sinnvoll und vielleicht notwendig für das Leben sind, wird als semantische Information bezeichnet. 

In einer neuen Studie, die in PRX Life veröffentlicht wurde, haben Physiker der University of Rochester und ihre Mitautoren erstmals diese Theorie der semantischen Information auf ein bekanntes Modell lebender Systeme in Biologie und Ökologie angewendet: ein Organismus oder Agent, der nach Ressourcen sucht.

Mithilfe eines mathematischen Modells simulierten die Forscher, wie sich ein suchender Agent in einer Umgebung bewegt und Informationen über Ressourcen sammelt. Die Simulationen ergaben, was die Forscher als semantischen Schwellenwert bezeichnen: den kritischen Punkt, an dem Informationen für das Überleben des Agenten relevant sind. Über diesem Schwellenwert hat das Entfernen von Informationen keinen Einfluss auf das Überleben, darunter ist jedoch jede Information entscheidend.

Indem sie die Korrelationen oder Verbindungen zwischen einem Agenten und seiner Umgebung quantifizieren, tragen die Forscher dazu bei, die Rolle von Informationen in der Fähigkeit des Agenten zur Aufrechterhaltung seiner eigenen Existenz aufzudecken.

Stellen Sie sich einen Vogel in seinem Wald vor. Er weiß, wo er das gespeicherte Futter findet, um sich zu ernähren. Nehmen Sie an, Sie versetzen diesen Vogel um 100 Fuß in einen anderen Teil des Waldes. "Damit schneiden Sie einige der Korrelationen oder Verbindungen des Vogels mit seiner Umgebung ab, aber es gibt immer noch genug Korrelationen, so dass es sich nicht auf die Lebensfähigkeit oder die Überlebensfähigkeit des Vogels auswirkt", erklärt Damian Sowinski, der Hauptautor der Studie und Postdoktorand am Fachbereich Physik und Astronomie der Rochester University.

Nun bewegen Sie den Vogel 1.000 Fuß entfernt oder noch drastischer 1.000 Meilen entfernt.

"Irgendwann wird der Vogel nichts über seine Umgebung wissen - alle Verbindungen sind unterbrochen. Die Lebensfähigkeit des Vogels geht von keiner wirklichen Beeinträchtigung auf einmal zu starkem Sinken über", sagt Sowinski.

Im Gegensatz dazu ändert das Verschieben einer unbelebten Sache wie eines Kieselschiefersteins um 100 Fuß, 1.000 Fuß oder sogar 1.000 Meilen die grundlegenden Verbindungen zwischen der Umgebung und dem Kieselstein nicht. Das liegt daran, dass der Kieselstein keine Informationen - relevante oder irrelevante - über seine Umgebung nutzt, um sich selbst zu erhalten oder zu reproduzieren.

"Eine der grundlegendsten Aufgaben des Lebens besteht darin, Ressourcen zu konsumieren und sich dabei im Raum zu bewegen", sagt Mitautor Gourab Ghoshal, Professor für Physik an der Rochester University. "Diese neuen Erkenntnisse zeigen, dass unsere Denkweise - die Idee, dass es relevante und irrelevante Informationen für das Überleben gibt - vielversprechend ist, wenn sie auf ein einfaches Modell der Ressourcensuche angewendet wird. Die große Frage ist nun, ob unsere Denkweise auch bei immer komplexeren Modellen gilt?"

Agentur bedeutet, mit einem Ziel zu handeln oder auf die Umgebung auf eine nicht zufällige Weise zu reagieren. Dafür ist es erforderlich, sinnvolle Verbindungen mit der Umgebung herzustellen, zu interagieren, zu reagieren und dann gezielt so zu handeln, dass sie selbst erhaltend und selbstproduzierend sind.

Wann und wie entsteht Agentur - bei einem Individuum, in einer Gruppe oder in einem System?

"Das ist eine tiefgreifende philosophische Frage", sagt Mitautor Adam Frank, der Helen F. and Fred H. Gowen Professor am Fachbereich Physik und Astronomie. "Der Sinn von wissenschaftlichen Fortschritten besteht darin, Fragen, die früher dem Bereich philosophischer Spekulationen angehörten, in quantitativer Weise zu behandeln. Diese Studie tut dies auf mathematisch strenge Weise."

Eine breit anwendbare mathematische Definition von semantischer Information könnte neue Erkenntnisse in verschiedenen Disziplinen bringen - von der Biologie bis zur Kognitionswissenschaft, von der Philosophie bis zur Physik - und zeigen, wie lebende und unbelebte Systeme miteinander verbunden sind. Dies ist einer der Gründe, warum die John Templeton Foundation, eine philanthropische Organisation, die akademische Forschung zu kritischen Themen unterstützt und dabei disziplinäre, religiöse und geografische Grenzen überschreitet, die Forschung des Teams gefördert hat.

"Durch die Verwendung dieser Sprache der Informationstheorie schaffen wir eine Brücke zwischen den mechanistischen Erzählungen in den Naturwissenschaften und den stärker informations- oder verhaltensbezogenen Erzählungen in den Lebenswissenschaften", sagt Sowinski.

He, like his colleagues, is energized to continue the team's line of inquiry into the fundamental mystery of life. As Sowinski puts it, 'Our work is a promising first step to answering a bigger question: What in the world causes a lifeless rock full of pebbles to eventually be covered with purposeful entities that are interacting meaningfully with one another and their environment?'

Journal information: PRX Life

Provided by University of Rochester