Les chercheurs appliquent la théorie de l'information sémantique à un modèle réaliste, découvrant le point où l'information est importante pour la survie.

28 novembre 2023

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par Sofia Tokar, Université de Rochester

Les systèmes vivants, contrairement aux objets non vivants ou inanimés, utilisent des informations sur leur environnement pour survivre. Mais toutes les informations provenant de l'environnement ne sont pas significatives ou pertinentes pour la survie. Le sous-ensemble d'informations qui est significatif, et peut-être nécessaire pour être vivant, est appelé information sémantique.

Dans un nouvel article publié dans PRX Life, des physiciens de l'Université de Rochester et leurs coauteurs ont appliqué pour la première fois cette théorie de l'information sémantique à un modèle bien connu des systèmes vivants en biologie et en écologie : un organisme ou un agent qui recherche des ressources.

En utilisant un modèle mathématique, les chercheurs ont simulé comment un agent de recherche se déplace dans un environnement et recueille des informations sur les ressources. Les simulations ont révélé ce que les chercheurs ont appelé un seuil sémantique : le point critique où l'information influence la survie de l'agent. Au-dessus de ce seuil, la suppression de certaines informations n'affecte pas la survie, mais en dessous, chaque bit d'information est crucial.

En quantifiant les corrélations ou les connexions entre un agent et son environnement, les chercheurs contribuent à révéler le rôle de l'information dans la capacité de cet agent à maintenir sa propre existence.

Imaginez un oiseau dans sa forêt. Il sait où trouver sa nourriture stockée pour se nourrir. Vous déplacez cet oiseau de 100 pieds vers une autre partie de la forêt. "En faisant cela, vous avez coupé certaines des corrélations ou des connexions de l'oiseau avec son environnement, mais il reste suffisamment de corrélations pour que cela n'affecte pas sa viabilité, ou sa capacité à survivre", explique Damian Sowinski, le premier auteur de l'article et associé postdoctoral au Département de physique et d'astronomie de Rochester.

Maintenant, déplacez l'oiseau à 1 000 pieds ou, de manière plus radicale, à 1 000 miles de distance.

"Au bout d'un certain temps, l'oiseau ne va plus rien connaître de son environnement - toutes les connexions sont coupées. La viabilité de l'oiseau passe d'une absence d'effet à une diminution soudaine", explique Sowinski.

En revanche, déplacer un objet inanimé comme un caillou de 100 pieds, 1 000 pieds, ou même 1 000 miles de distance ne modifie pas fondamentalement les connexions entre l'environnement et le caillou. Cela s'explique par le fait que le caillou n'utilise aucune information - pertinente ou non - sur son environnement pour se maintenir ou se reproduire.

"L'une des choses les plus fondamentales que la vie fait est de consommer des ressources tout en se déplaçant dans l'espace", explique Gourab Ghoshal, coauteur et professeur de physique à Rochester. "Ces nouvelles découvertes indiquent que notre façon de penser - l'idée qu'il existe des informations pertinentes et non pertinentes pour la survie - se révèle prometteuse lorsqu'elle est appliquée à un modèle simple de recherche de ressources. La grande question maintenant est de savoir si notre façon de penser sera toujours applicable avec des modèles de plus en plus complexes ?"

Agir avec un but ou réagir à l'environnement de manière non aléatoire, voilà ce que signifie l'agence. Cela nécessite d'établir des connexions significatives avec l'environnement - interagir, réagir, puis agir délibérément de manière autonome.

Alors, quand et comment l'agence - chez un individu, dans un groupe ou dans un système - émerge-t-elle ?

"C'est une question philosophique profonde", déclare Adam Frank, coauteur et professeur de physique et d'astronomie. "L'objectif des avancées scientifiques est de rendre quantitatives des questions qui relevaient autrefois de la spéculation philosophique. Cet article le fait de manière mathématiquement rigoureuse."

Une définition mathématique de l'information sémantique aussi largement applicable pourrait offrir de nouvelles perspectives dans divers domaines - de la biologie aux sciences cognitives, de la philosophie à la physique - sur la relation entre les systèmes vivants et non vivants. C'est pourquoi la Fondation John Templeton, une organisation philanthropique qui finance des bourses universitaires sur des sujets critiques au croisement des frontières disciplinaires, religieuses et géographiques, a soutenu la recherche de l'équipe.

"En utilisant ce langage de la théorie de l'information, nous créons un pont entre les récits mécanistes des sciences physiques et les récits plus informatifs ou comportementaux des sciences de la vie", explique 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