Which Structures Carry Information?: The Causal Structure Set and the Inverse Problem of Heredity
本文提出了因果结构集（Causal Structure Set, CSS），这是一个通过将信息载体定义为满足复制、变异和翻译共同标准的因果祖先中的构型，从而在无需对特定生物实体进行预设假设的情况下识别遗传组织，进而解决遗传逆问题的形式化框架。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。 阅读完整免责声明
宇宙中充满了重复的模式。晶体形成相同的形状，恒星遵循可预测的周期燃烧，树木年轮记录着往年的降雨量。这些是持久存在的物理结构，而它们的存在往往取决于创造它们的环境历史。树木年轮是降雨的记录，陨石坑是撞击的记录，但这两者都不会自我复制。它们仅仅是物理定律作用于物质的结果。在宇宙的大部分历史中，这仅是存在的唯一一种持久性。当时不存在信息的载体，没有信息被传递下来的指令，也没有任何方法能让特定的物质排列在别处产生一个新的、相似的排列。
这种情况在生命开始时发生了改变，当人类开始书写和制造机器时，情况又发生了第二次改变。突然之间，出现了可以被复制的东西，而这些复制品之间的差异可以导致未来不同的结果。特定的 DNA 序列可以被复制以制造新的生物，特定的代码行可以被复制以制造新的程序。科学家们长期以来一直试图理解这是如何运作的，通常是从他们已经知道什么是“信息”这一假设开始。他们观察一个基因组并称之为基因，或者观察一本书并称之为记录。但这种方法留下了一个缺口。它无法解释最初的信息载体是如何出现的，也无法解释如何在像人工生命或演化软件这样陌生的系统中识别它们，因为在这些系统中，我们还不知道其“基因”或“程序”可能是什么。
一位名叫 Wouter van der Wijngaart 的研究人员提出了一种看待这个问题的新方法。他不再从“某种结构是信息载体”这一假设开始，而是提出了一个更基本的问题：给定一个我们可以观察到的物理事件，我们能否弄清楚其中的哪些部分是在充当信息载体，哪些部分是在进行复制，以及哪些部分是在进行解释？他认为，这些角色并不是内置于材料本身的属性（如木头或金属的属性），而是结构根据它们在因果链中如何相互连接而扮演的角色。为了寻找这些角色，他开发了一种称为“因果结构集”（Causal Structure Set）的方法。这是一种绘制物理事件图谱的方法，追踪每一个持久存在的物体以及它是如何导致下一个物体出现的，而无需在开始时将其标记为“基因”或“配方”。
这项工作的核心思想是，信息载体不同于普通的记录。树木年轮记录了过去，但它不会自我复制。相比之下，信息载体是一种会被复制的物理构型，且复制品之间的差异会导致随后发生不同的事情。Van der Wijngaart 认为，一个系统要实现真正的遗传，必须同时具备三个特定的要素。首先，它必须具有复制性，即它必须制造结构的副本，使得结构的数量比之前更多。其次，它必须具有变异性，即副本并不总是完全相同的；必须出现一些差异。第三，也是最重要的一点，它必须具有翻译性。这意味着不同的副本版本必须通过一个共享的机器或过程来产生不同的结果。如果一个文件的副本被制造出来，但文件的内容从未改变后续发生的事情，那么它只是一个惰性的模式。但如果不同版本的 DNA 序列会导致细胞构建出不同的蛋白质，或者不同版本的文件会导致打印机打印出不同的页面，那么这个系统就具有翻译性。
该论文提出，这三个要素——复制、变异和翻译——必须共同发生，并且必须链接在一个连续的链条中。单一的复制和翻译事件不足以证明遗传的存在。系统必须展示出新的副本可以继续被复制，从而创造出一个跨越时间的谱系。研究人员通过构建一个物理事件的地图，并寻找符合这些规则的特定模式或“基元”（motif）来测试这一想法。如果找到了这种模式，该系统就被识别为具有遗传组织。如果模式缺失，即使存在复制，也不被视为具有遗传性。
为了展示其运作方式，论文研究了几个例子。在一种催化剂帮助生成产物的化学反应中，催化剂可能会被保留并帮助反应发生，但如果它不携带导致不同产物的变异，它就不是信息载体。在一部复制数据文件的机器中，如果机器只是复制文件而文件的内容从未引起不同的结果，那么它只是一个惰性的复制器。然而，如果机器复制文件，且这些文件的不同内容导致机器产生不同的结果，并且这些结果可以导致更多的复制，那么该系统就符合定义。论文还探讨了一个假设的烹饪课场景。它询问该框架是否可以在预先不知道存在“配方”的情况下，识别出从一个人向另一个人传递配方的过程。通过绘制物理交互的图谱——声音、动作、学习者大脑状态的变化——该框架可以识别出某种特定的能力是否正在被复制，变异是否会导致不同的菜肴，以及学习者是否可以将这种能力传递给其他人。
研究结果表明，遗传性不仅仅是生物学的特殊属性，而是一种可以出现在许多不同形式中的特定类型的因果组织。论文并未声称解决了生命是如何起源的奥秘，也没有说这是实现遗传性的唯一方式。相反，它提供了一个工具，可以观察任何物理系统（从前生物化学汤到计算机网络），并询问它是否已经跨越了进入遗传组织的门槛。它表明，我们不需要预先知道“基因”是什么来寻找它们；我们只需要观察这些结构是如何相互作用的。如果我们看到一个模式，其中副本被制造出来，其中差异变得重要，并且这些差异通过一条因果链向下传递，那么我们就找到了一个携带信息的系统。这种方法允许科学家以一种不依赖于人类对生命或信息应有样貌之假设的方式来研究复杂性的涌现，从而为理解宇宙中可能产生的新层级的组织方式打开了大门。
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