Which Structures Carry Information?: The Causal Structure Set and the Inverse Problem of Heredity
Dieses Papier schlägt das Causal Structure Set (CSS) vor, ein formales Framework, das das inverse Problem der Vererbung adressiert, indem es Informationsträger als Konfigurationen innerhalb einer kausalen Abstammung definiert, die gemeinsame Kriterien der Replikation, Variation und Translation erfüllen, um hereditäre Organisation ohne vorherige Annahmen über spezifische biologische Entitäten zu identifizieren.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung eines Preprints, das nicht peer-reviewed wurde. Dies ist kein medizinischer Rat. Treffen Sie keine Gesundheitsentscheidungen auf Grundlage dieses Inhalts. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Das Universum ist erfüllt von Mustern, die sich wiederholen. Kristalle bilden sich in identischen Formen, Sterne brennen in vorhersehbaren Zyklen und Baumringe zeichnen den Regen vergangener Jahre auf. Dies sind physische Strukturen, die fortbestehen, und ihre Existenz hängt oft von der Geschichte der Umgebung ab, die sie geschaffen hat. Ein Baumring ist eine Aufzeichnung des Regens und ein Krater ist eine Aufzeichnung eines Einschlags, aber keines dieser Dinge kopiert sich selbst. Sie sind schlicht das Ergebnis physikalischer Gesetze, die auf Materie einwirken. Für den größten Teil der Geschichte des Universums war dies die einzige Art von Beständigkeit, die existierte. Es gab keine Informationsträger, keine Anweisungen, die weitergegeben wurden, und keine Möglichkeit für eine spezifische Anordnung von Materie, eine neue, ähnliche Anordnung an einem anderen Ort erscheinen zu lassen.
Dies änderte sich, als das Leben begann, und es änderte sich erneut, als Menschen anfingen, zu schreiben und Maschinen zu bauen. Plötzlich gab es Dinge, die kopiert werden konnten, und die Unterschiede zwischen diesen Kopien konnten in der Zukunft zu unterschiedlichen Ergebnissen führen. Eine spezifische Sequenz der DNA kann kopiert werden, um einen neuen Organismus zu erschaffen, und eine spezifische Zeile Code kann kopiert werden, um ein neues Programm zu erstellen. Wissenschaftler versuchen schon lange zu verstehen, wie das funktioniert, indem sie meist mit der Annahme beginnen, dass sie bereits wissen, was die „Information“ ist. Sie betrachten ein Genom und nennen es ein Gen, oder sie betrachten ein Buch und nennen es einen Datensatz. Aber dieser Ansatz lässt eine Lücke offen. Er kann nicht erklären, wie die allerersten Informationsträger entstanden sind, oder wie man sie in fremden neuen Systemen wie künstlichem Leben oder evolvierender Software identifiziert, in denen wir noch nicht wissen, was die „Gene“ oder „Programme“ sein könnten.
Ein Forscher namens Wouter van der Wijngaart hat einen neuen Weg vorgeschlagen, um dieses Problem zu betrachten. Anstatt mit der Annahme zu beginnen, dass eine Struktur ein Informationsträger ist, stellt er eine grundlegendere Frage: Gegeben sei ein physikalisches Ereignis, das wir beobachten können – können wir herausfinden, welche Teile davon als Informationsträger fungieren, welche Teile das Kopieren übernehmen und welche Teile die Interpretation leisten? Er schlägt vor, dass diese Rollen nicht in die Materialien selbst eingebaut sind, wie eine Eigenschaft von Holz oder Metall. Stattdessen sind es Rollen, die Strukturen spielen, basierend darauf, wie sie in einer Kette von Ursache und Wirkung miteinander verbunden sind. Um diese Rollen zu finden, entwickelte er eine Methode namens „Causal Structure Set“. Dies ist eine Art, ein physisches Ereignis abzubilden, indem man jeden beständigen Gegenstand verfolgt und untersucht, wie er das nächste Objekt erscheinen ließ, ohne vorab etwas als „Gen“ oder „Rezept“ zu bezeichnen.
Der Kern dieser Arbeit ist die Idee, dass Informationsträger sich von gewöhnlichen Aufzeichnungen unterscheiden. Ein Baumring zeichnet die Vergangenheit auf, aber er kopiert sich nicht selbst. Ein Informationsträger hingegen ist eine physische Konfiguration, die kopiert wird, und die Unterschiede zwischen den Kopien führen dazu, dass später andere Dinge geschehen. Van der Wijngaart argumentt, dass ein System wahrhaft erblich sein muss, um drei spezifische Dinge gemeinsam zu tun. Erstens muss es replizieren, was bedeutet, dass es Kopien einer Struktur erstellt, sodass es mehr davon gibt als zuvor. Zweitens muss es variieren, was bedeutet, dass die Kopien nicht immer identisch sind; es müssen gewisse Unterschiede auftreten. Drittens, und am wichtigsten, muss es übersetzen (translate). Das bedeutet, dass die verschiedenen Versionen der Kopie durch eine gemeinsame Maschine oder einen gemeinsamen Prozess wirken müssen, um unterschiedliche Ergebnisse zu erzwingen. Wenn eine Kopie einer Datei erstellt wird, der Inhalt der Datei aber niemals etwas daran ändert, was als Nächstes geschieht, dann ist sie nur ein träges Muster. Aber wenn verschiedene Versionen der Datei dazu führen, dass ein Drucker unterschiedliche Seiten druckt, oder wenn verschiedene Versionen einer DNA-Sequenz dazu führen, dass eine Zelle unterschiedliche Proteine baut, dann besitzt das System Translation.
Die Arbeit schlägt vor, dass diese drei Elemente – Replikation, Variation und Translation – zusammen auftreten müssen und dass sie in einer kontinuierlichen Linie miteinander verknüpft sein müssen. Ein einzelnes Ereignis des Kopierens und Übersetzens reicht nicht aus, um zu beweisen, dass Vererbung existiert. Das System muss zeigen, dass die neuen Kopien in der Lage sind, wiederum kopiert zu werden, wodurch eine Abstammungslinie entsteht, die sich über die Zeit erstreckt. Der Forscher testet diese Idee, indem er eine Karte eines physischen Ereignisses erstellt und nach einem spezifischen Muster, oder „Motiv“, sucht, das diesen Regeln entspricht. Wenn das Muster gefunden wird, wird das System als besitzend einer erblichen Organisation identifiziert. Wenn das Muster fehlt, selbst wenn Kopien stattfinden, gilt es nicht als erblich.
Um zu zeigen, wie dies funktioniert, betrachtet die Arbeit mehrere Beispiele. In einer chemischen Reaktion, bei der ein Katalysator hilft, ein Produkt herzustellen, mag der Katalysator konserviert sein und helfen, die Reaktion ablaufen zu lassen, aber wenn er keine Variationen trägt, die zu unterschiedlichen Produkten führen, ist er kein Informationsträger. In einer Maschine, die Datendateien kopiert: Wenn die Maschine die Dateien einfach kopiert, ohne dass der Inhalt der Dateien jemals zu unterschiedlichen Ergebnissen führt, ist sie nur ein träger Kopierer. Wenn die Maschine jedoch Dateien kopiert und die unterschiedlichen Inhalte dieser Dateien dazu führen, dass die Maschine unterschiedliche Ergebnisse produziert, und wenn diese Ergebnisse wiederum zu mehr Kopien führen können, dann passt das System in die Definition. Die Arbeit betrachtet auch ein hypothetisches Szenario eines Kochkurses. Sie fragt, ob der Rahmen in der Lage wäre, die Übertragung eines Rezepts von einer Person auf eine andere zu identifizieren, ohne im Vorfeld zu wissen, dass ein „Rezept“ existiert. Durch die Abbildung der physischen Interaktionen – der Klänge, der Bewegungen, der Veränderungen im Gehirnzustand des Lernenden – kann das Framework identifizieren, ob eine spezifische Fähigkeit kopiert wird, ob Variationen in dieser Fähigkeit zu unterschiedlichen Gerichten führen und ob der Lernende diese Fähigkeit dann an jemand anderen weitergeben kann.
Die Ergebnisse legen nahe, dass Vererbung keine spezielle Eigenschaft allein der Biologie ist, sondern eine spezifische Art der kausalen Organisation, die in vielen verschiedenen Formen auftreten kann. Die Arbeit behauptet nicht, das Rätsel um den Beginn des Lebens gelöst zu haben, noch sagt sie, dass dies der einzige Weg ist, wie Vererbung existieren kann. Stattdessen bietet sie ein Werkzeug an, um jedes physische System, von einer präbiotischen chemischen Ursuppe bis hin zu einem Computernetzwerk, zu betrachten und zu fragen, ob es die Schwelle zur erblichen Organisation überschritten hat. Sie zeigt, dass wir nicht wissen müssen, was die „Gene“ sind, um sie zu finden; wir müssen nur beobachten, wie die Strukturen interagieren. Wenn wir ein Muster sehen, in dem Kopien erstellt werden, in dem Unterschiede eine Rolle spielen und in dem diese Unterschiede durch eine Kette von Ursache und Wirkung weitergegeben werden, dann haben wir ein System gefunden, das Informationen trägt. Dieser Ansatz ermöglicht es Wissenschaftlern, die Entstehung von Komplexität auf eine Weise zu untersuchen, die nicht auf menschlichen Annahmen darüber beruht, wie Leben oder Information auszusehen haben, und öffnet die Tür zum Verständnis, wie neue Ebenen der Organisation im Universum entstehen können.
Ertrinken Sie in Arbeiten in Ihrem Fachgebiet?
Erhalten Sie tägliche Digests der neuesten Arbeiten passend zu Ihren Forschungsbegriffen — mit technischen Zusammenfassungen, in Ihrer Sprache.