7.5 生物系统中的信息处理
接下来我会试着从我们已经谈到过的
几种自组织系统中总结出一些规律
我的做法是 着眼于信息处理的统一框架
对信息处理系统提出几个问题
我的第一个问题是
自组织系统中 特别是生物学的自组织系统中
有信息处理的过程吗？
在过去的几十年中
这类系统已经越来越普遍地应用于信息处理
从一些历史文献中我们可以找到证明
在《社会昆虫中的信息处理》（Information Processing in Social Insects）这本书中
有一篇刊登于《自然》（Nature）杂志中的文章
题为《针对社会性昆虫行为的计算》（Getting the Behavior of Social Insects to Compute）
对大脑方面而言
我们也找到关于神经信息处理系统的书籍
比如《生物物理的计算》（Biophysics of Computation）
细菌也开始进入人们的视线
现在也有很多关于细菌的信息处理的讨论
尤其是关于“群体感应”现象的研究
这里我们没有把这个内容放进来
还有免疫系统 也是人们在研究信息处理时
经常关注的一种系统
基因回路 细胞 组织
这些领域现在都被视为某种程度的计算学
甚至植物学 也成为研究突现计算（emergent computation）
和分布式计算（distributed computation）的一个重要领域
甚至再远一点
黏菌（slime mould） 也被视为某种计算机
在这本最新的文献中就有所涉及
作为一个计算机科学家
通过比较信息处理在计算机科学和生物学领域中的应用
来思考这些不同的问题 对我来讲非常有帮助
有时候我经常花点时间想想这些问题
首先我们想问
在这些系统中 是什么扮演了信息的角色
计算机科学 就是放在你桌子上的计算机
在计算机科学中 信息是数字化的
静态的 储存于存储器中
在某种意义上 信息是”被动的“
中央处理器（CPU）从内存中读出0和1
而在生物学中 信息不再是数字化的 也不是静态的
而是“主动的” 在某种意义上 是模拟的
并不一定是由0和1组成的
而是在时间和空间上分布于系统的各个元件中
生物学中信息是由个体的模式和它们产生的行为所代表的
比如说 你可以从蚂蚁和蚂蚁的行动路径
找到食物源和蚂蚁位置所代表的信息
或者群聚的鸟类在一起捕鱼
也可以看成代表信息系统的某种形式
信息通过这些形式的统计抽样综合而成
所以 用蚂蚁举例来讲
我们看不到系统中的全部信息
比如蚁群铺设的所有行动路径
但可以通过收集统计数据
比如某个局部的样本浓度
来获知它们在哪里
或者当想要知道它们下一步会做什么时
可以通过收集其他蚁群已有的行为
那么信息是如何处理的呢？
在计算机科学中
我们知道信息是通过特定的程序进行处理的
是连续处理的 比如每隔一段时间进行一步
是无误差的
因为程序员会采取各种措施来调试它们的程序
并且具有中央规则
通过中央处理器来读取 移动和写入数据
而对于生物学来说
信息处理的过程完全是另一种方式
它是非中心的 局部的 细粒度的随机行为
或者有概率的行为 包含随机性的行为
在自组织系统中 我们看到正反馈和负反馈的相互作用
正反馈包括吸收
比如蚁群制造行动轨迹吸收其他的蚂蚁跟随它们的轨迹
还有增强
新吸收的蚂蚁又继续补充制造这条轨迹
再比如萤火虫增强它们看到的亮光
也有负反馈 控制这些正反馈并让它们失去控制
包括竞争 以及密度的限制
比如鸟类群聚而生
鸟类中的正反馈是鸟类试着互相接近
而负反馈的作用则是在它们太接近时将它们分开
同样的道理 在蚂蚁的例子中也有负反馈
比如蚁群对不够明显的路径进行加固和强化
同时我们也看到 与计算机科学不同的是
生物学中普遍存在着随机性
在自然中 在生物学中
普遍存在着随机事件
这些随机性在系统中得以有效利用
另外 在生物学中
越来越多的信息处理研究者发现
动力系统（dynamical systems）中的语言
可能比计算中的语言更加有用
最后一个重要问题是
这些系统中处理的信息是如何获得功能 目的或者意图的
我们知道 在计算机科学中
信息处理是为了达到我们自己的目的
我们通过运行程序来计算 来帮助我们完成工作
或者用来娱乐 或者其他什么目的
而在生物学中 没有什么外部的意义和目的
而是通过自然选择形成的自适应功能
产生了信息的意义
这也是比如说蚁群例子中
蚁群构造觅食路径就是它信息的意义
通过自然选择形成的各种机制
创造信息 理解信息
因为它产生某个功能来适应某个个体和种群
计算机科学也正逐渐受到自组织系统的影响和启发
来创建新的自组织计算系统
其想法是 创建某种仿生的计算系统
对于简单的规则具有突现反应
而不是像那些我们现在拥有的
非仿生的 脆弱复杂的计算系统
我们已经看到很多例子了
比如从达尔文进化论得到启发的基因算法
蚂蚁觅食则启发了蚁群优化算法的诞生
主要应用于电信网络的路由等领域
生物中的萤火虫同步发光现象
启迪了计算机和网络技术中的分布式同步方法
之前说过 达尔文进化论启发了基因算法的研究
大脑则启发了神经网络的诞生
免疫系统促进了保护计算机和网络安全的算法的研究
其主要原理就是来自于免疫系统对身体的保护
还有之前我们在幻灯片中看到的
最近科学家根据黏菌的原理开发出了新的搜索算法
其原理就是黏菌从个体细胞自组织形成统一组织的过程
随着我们对生物学中自组织系统的工作原理越来越了解
我认为计算机系统会越来越受到启发
变得越来越仿生
同时 在我们对计算学和信息处理学加以应用
来理解生物系统的过程中
我们逐渐会找到某种统一的框架
根据它们在信息处理过程中自组织的形式
我们可以把这些系统放在统一的框架下研究