Which Structures Carry Information?: The Causal Structure Set and the Inverse Problem of Heredity
本論文は、特定の生物学的実体に関する事前の仮定を置くことなく、複製、変異、および翻訳の共同基準を満たす因果的祖先内における構成として情報担体を定義することにより、遺伝の逆問題に対処する形式的枠組みである因果構造集合（Causal Structure Set: CSS）を提案するものである。
原論文は CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) でライセンスされています。 これは査読を受けていないプレプリントのAI生成解説です。医学的助言ではありません。この内容に基づいて健康上の判断をしないでください。 免責事項の全文を読む
宇宙は繰り返されるパターンに満ちている。結晶は同一の形状を形成し、恒星は予測可能なサイクルで燃焼し、年輪は過去の降雨を記録する。これらは持続する物理的構造であり、その存在はしばしば、それらを作り出した環境の歴史に依存している。年輪は雨の記録であり、クレーターは衝突の記録であるが、これらはいずれも自己複製するものではない。それらは単に、物質に作用する物理法則の結果である。宇宙の歴史の大部分において、存在したのはこの種の持続性のみであった。そこには情報の担い手も、受け継がれる指示も、特定の物質の配置が別の場所に新しい同様の配置を生じさせる方法も存在しなかった。
これが、生命が誕生したときに変わり、そして人間が文字を書き、機械を構築し始めたときに再び変わった。突然、複製可能なものが現れ、それらの複製の差異が将来の異なる結果をもたらすようになった。特定のDNA配列は、新しい生物を作るために複製されることができ、特定のコードの行は、新しいプログラムを作るために複製されることができる。科学者たちは長い間、これがどのように機能するかを理解しようと試みてきたが、通常、彼らはすでに何が「情報」であるかを知っているという仮定から出発してきた。彼らはゲノムを見てそれを「遺伝子」と呼び、本を見てそれを「記録」と呼ぶ。しかし、このアプローチには溝がある。それは、いかにして最初の情報担い手が現れたのか、あるいは、何が「遺伝子」や「プログラム」であるかがまだ分かっていない人工生命や進化するソフトウェアのような未知のシステムにおいて、いかにしてそれらを特定するかを説明できないのである。
ウェーター・ファン・デル・フェインガールという研究者は、この問題に対する新しい見方を提案している。彼は、ある構造が情報担い手であるという仮定から始めるのではなく、より根本的な問いを投げかける。すなわち、観察可能な物理的事象が与えられたとき、そのうちのどの部分が情報担い手として機能し、どの部分が複製を行い、どの部分が解釈を行っているのかを、我々は解明できるのか、という問いである。彼は、これらの役割は木材や金属のような材料に組み込まれた特性ではなく、因果関係の連鎖の中で構造がどのように互いに接続されているかに基づいて果たされる役割であると示唆している。これらの役割を見つけ出すために、彼は「因果構造集合（Causal Structure Set）」と呼ばれる手法を開発した。これは、物理的なエピソードをマッピングし、あらゆる持続的なオブジェクトと、それが次のオブジェクトの出現をどのように引き起こしたかを、最初から「遺伝子」や「レシピ」といったラベルを貼ることなく追跡する方法である。
この研究の核心は、情報担い手が通常の記録とは異なるという考えにある。年輪は過去を記録するが、それは自己複製しない。対照的に、情報担いとは、複製される物理的な構成であり、その複製の差異が後に異なる事象を引き起こすものである。ファン・デル・デル・フェインガールは、システムが真に遺伝的であるためには、3つの特定の要素を共に備えていなければならないと主張している。第一に、複製（replication）しなければならない。つまり、構造を複製して、以前よりも多くのものを作らなければならない。第二に、変異（variation）しなければならない。つまり、複製は常に同一であるわけではなく、何らかの差異が現れなければならない。そして第三に、最も重要なこととして、翻訳（translation）しなければならない。これは、複製の異なるバージョンが、共通の機械またはプロセスを通じて異なる結果を生み出さなければならないことを意味する。ファイルのコピーが作成されたとしても、そのファイルの内容が次に起こることに一切影響を与えないのであれば、それは単なる不活性なパターンである。しかし、もし異なるバージョンのファイルがプリンターに異なるページを印刷させたり、異なるバージョンのDNA配列が細胞に異なるタンパク質を構築させたりするのであれば、そのシステムには翻訳が存在する。
論文は、これら3つの要素――複製、変異、翻訳――が共に起こり、かつ連続した線で結ばれていなければならないと提案している。単一の複製と翻訳のイベントだけでは、遺伝が存在することを証明するには不十分である。システムは、新しいコピーが再び複製され、時間の経過とともに系譜を広げていくことを示さなければならない。研究者は、物理的なイベントのマップを構築し、これらのルールに適合する特定のパターン、すなわち「モチーフ」を探すことで、このアイデアを検証する。もしそのパターンが見つかれば、そのシステムは遺伝的な組織を持っていると識別される。もしパターンが欠けていれば、たとえ複製があったとしても、それは遺伝的であるとはみなされない。
この仕組みを示すために、論文はいくつかの例を検討している。触媒が生成物の作成を助ける化学反応において、触媒は保存され反応を助けるかもしれないが、もしそれが異なる生成物へとつながる変異を運ばないのであれば、それは情報担い手ではない。データをファイルとしてコピーする機械において、もし機械がファイルの内容が結果に影響を与えることがないまま単にファイルをコピーしているだけならば、それは単なる不活性なコピー機である。しかし、もしその機械がファイルをコピーし、それらのファイルの異なる内容が機械に異なる結果を生じさせ、さらにそれらの結果がさらなる複製につながるならば、そのシステムは定義に適合する。論文はまた、料理教室という仮説的なシナ Verwendung を検討している。フレームワークが、「レシピ」というものが事前に存在することを知ることなく、ある人から別の人へのレシピの伝達を特定できるかどうかを問うている。物理的な相互作用――音、動き、学習者の脳の状態の変化――をマッピングすることで、フレームワークは、特定の能力が複製されているか、その能力における変異が異なる料理につながるか、そして学習者がその能力を他者に伝えることができるかを識別できるのである。
この知見は、遺伝が生物学特有の性質ではなく、多くの異なる形態で現れうる特定の種類の因果的組織であることを示唆している。論文は、生命がいかに始まったかという謎を解明したと主張しているわけでも、これが遺伝が存在しうる唯一の方法であると言っているわけでもない。むしろ、それは、原始的な化学スープからコンピュータネットワークに至るまで、あらゆる物理システムに対して、「そのシステムは遺伝的な組織を持っているか」と問うためのツールを提供しているのである。我々は「遺伝子」が何であるかを知らなくても、それらを見つけることができる。構造がどのように相互作用しているかを観察すればよいのである。もし、コピーが作られ、差異が重要であり、そしてそれらの差異が因果関係の連鎖を通じて受け継がれるというパターンが見られるならば、我々は情報を運ぶシステムを見つけたことになる。このアプローチは、生命や情報がどのような姿であるべきかという人間の仮定に依存することなく、複雑性の創発を研究することを可能にし、宇宙における新しいレベルの組織がいかにして立ち上がるのかを理解するための扉を開くものである。
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