Journal: Biosemiotics Pattern without Message: From Environmental Organization to Selective Relevance
这项研究表明，像酿酒酵母（*Saccharomyces cerevisiae*）这样的生命系统是对其环境中的特定、持续的声学模式而非源信号本身做出反应，从而阐明了一个“双重选择”过程，即介质过滤了可用的差异，而有机体则选择性地与其进行交互，以实现符号化支架（semiotic scaffolding）而不构成完整的符号过程（full semiosis）。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://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
生命体不断受到物理世界的轰炸。微风拂过叶片，阴影落在池塘之上，声波在空气中波动。然而，为了生存，生物不能将每一个细微的物理差异都视为重要的。如果一个细胞对周围环境的每一次微小波动都有反应，它就会被淹没。理解生命如何运作的核心谜题在于，理解一个生物是如何决定这些无穷无尽的物理差异中，哪些才是真正重要的。有些差异仅仅是噪声，而另一些则会触发行为、生长或发育的变化。这种将世界过滤为具有生物学意义之物的过程，是理解生命如何与环境互动的起点。
科学家们早已知晓，生物所体验的世界并不等同于物理学意义上的真实世界。相反，它生活在一个由其自身需求和感官所塑造的个人世界中。对于一块岩石来说，声音仅仅是一种振动，但对于一只鸟来说，它可能是一个警告信号。但在声音成为信号之前，它必须首先完成从源头到生物体的旅程。当声音通过水、空气或容器壁传播时，它会发生改变。它会发生畸变，有些部分变得更响，而有些部分则变得更弱。这项研究团队试图回答的问题既简单又深刻：当声音最终到达活细胞时，它究竟呈现出什么样的形态？这种特定的声音形状对细胞是否重要？
为了找到答案，研究人员转向了一种非常简单的生命形式：面包酵母。酵母是一种单细胞真菌，没有耳朵，没有大脑，也没有神经系统。它不像人类或动物那样“听”声音。这使得它成为了实验的完美对象，因为它的任何反应都不能用“听到”信息或“识别”声音来解释。科学家们想要观察，即便剥离了任何意义，声音本身的物理结构是否仍能影响细胞。他们让酵母培养物暴露在五种不同类型的声音中：合成音调、人类歌唱、口哨声、短促的脉冲噪声以及宽频的类静态噪声。
然而，研究人员知道，扬声器产生的声音并不等于酵母实际经历的声音。声音必须经过橡胶界面、玻璃试管以及承载酵母的液体介质。在穿过这个系统时，声波会发生反射、干涉并发生改变。为了理解酵母真正感受到了什么，团队在酵母细胞所在的位置精确地放置了一个灵敏的水下麦克风——水听器。他们记录了作为存在于液体内部的声音，而不是由机器发出的声音。
他们发现，环境起到了类似滤波器的作用，以复杂的方式重塑了声音。到达酵母处的声音不仅仅是原始声音的减弱版；它是一个具有独特结构的全新声学条件。声音中的某些规律模式得以保留，而另一些则完全消失了。例如，歌声或合成音调中的节奏规律性在经过玻璃和液体时往往会被打乱，失去了大部分原始的时序性。然而，其他特征，例如声音能量随时间变化的稳定性，却保持得惊人地完整。研究人员创造了一种测量这些存续特征的方法，并将它们组合成一个单一的分数，用以描述声音到达细胞时所具有的“结构化”程度。
当他们将这一分数与酵母的反应进行对比时，一个清晰的模式出现了。酵母并不对声音的大小做出反应，也不对声音来源的具体类型（如人类声音或机器音调）做出反应。相反，酵母会对声音在穿过环境后所保留的组织程度做出反应。当到达细胞的声音具有高度的这种残留结构时，酵母的生长率会发生显著变化。相比之下，当到达的声音是无序且混沌时，酵母几乎没有任何反应。
团队不仅观察了生长率，还检查了酵母细胞的内部架构，特别是赋予细胞形状并帮助其运动的蛋白质纤维网络。在显微镜下，他们看到暴露在高度结构化声音下的细胞，其内部纤维以一种清晰的极化方式组织起来，为特定的生长方向做准备。然而，暴露在无序声音下的细胞，其纤维则保持散乱和弥散状态。这种内部结构的差异在细胞受刺激进行繁殖时也清晰可见。暴露在结构化声音下的细胞形成了明显的、拉长的突起，而暴露在非结构化声音下的细胞则保持圆形且未成形。
研究结果表明这是一个两步选择过程。首先，物理环境筛选出哪些部分的声音能在旅途中幸存。玻璃管和液体介质充当了守门人的角色，决定哪些模式可以留存。其次，生物体筛选出其中哪些幸存的模式是相关的。酵母并不对到达它的每一种声音做出反应；它只对那些保持了一定水平结构有序性的声音做出反应。这意味着环境本身在生物体做出任何决策之前，就在积极地塑造着生物体能够感知到的内容。
这项研究并非声称酵母在“倾听”，也并非认为声音是一个带有意义的信息。酵母并不是将声音解释为歌曲或警告。相反，研究强调了在意义产生之前发生的根本步骤。要使物理层面的差异成为一个信号，它必须首先作为一种稳定的、有组织的模式，在物理介质中持续存在。环境提供了组织化差异的原材料，而生命系统则与这些特定的模式进行互动。对酵母而言，重要的不是播放出来的声音，而是那个经过世界重塑后真正抵达的声音。这项工作为我们看待生命如何与周围环境连接提供了一种新的视角，表明物理环境的结构对于决定什么会被注意到，与生物自身的生物机制同样重要。
您所在领域的论文太多了？
获取与您研究关键词匹配的最新论文每日摘要——附技术摘要，使用您的语言。