[論文レビュー] Quantifying the pathways to life using assembly spaces

Stuart M. Marshall, Douglas Moore+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2019

Earth Systems and Cosmic Evolution参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、複雑な物体を構築するために必要な経路アセンブリ情報（PA）を定量化するための「アセンブリ空間」を導入する。PAは、不可削減部品から物体を再構築するのに必要な最小ステップ数として定義される。高いPA値（しきい値を超える）を示す物体は、ランダムなアセンブリとは異なり、生物学的または技術的プロセスの産物である可能性が高く、情報理論的測度を用いて宇宙における生命に類似した複雑性を同定する新しい枠組みを提供する。

ABSTRACT

We have developed the concept of pathway assembly to explore the amount of extrinsic information required to build an object. To quantify this information in an agnostic way, we present a method to determine the amount of pathway assembly information contained within such an object by deconstructing the object into its irreducible parts, and then evaluating the minimum number of steps to reconstruct the object along any pathway. The mathematical formalisation of this approach uses an assembly space. By finding the minimal number of steps contained in the route by which the objects can be assembled within that space, we can compare how much information (I) is gained from knowing this pathway assembly index (PA) according to I_PA=log (|N|)/(|N_PA |) where, for an end product with PA=x, N is the set of objects possible that can be created from the same irreducible parts within x steps regardless of PA, and NPA is the subset of those objects with the precise pathway assembly index PA=x. Applying this formalism to objects formed in 1D, 2D and 3D space allows us to identify objects in the world or wider Universe that have high assembly numbers. We propose that objects with PA greater than a threshold are important because these are uniquely identifiable as those that must have been produced by biological or technological processes, rather than the assembly occurring via unbiased random processes alone. We think this approach is needed to help identify the new physical and chemical laws needed to understand what life is, by quantifying what life does.

研究の動機と目的

• 複雑な物体を構築するために必要な外的情報を定量化するための枠組みを開発すること。
• 自然界や宇宙において、ランダムなプロセスのみでは生じ unlikely な物体を特定すること。
• 生物学的または技術的システムと、偏りのない物理的プロセスによって形成されたものとを、アセンブリ複雑性の形式的測度を用いて区別すること。
• 生命が何であるかを定義する物理的かつ情報理論的根拠を提供すること。

提案手法

• この手法は、与えられた不可削減部品の集合から構築可能なすべての可能な物体を表す「アセンブリ空間」を用いる。
• 経路アセンブリインデックス（PA）は、その空間内で物体を再構築するのに必要な最小ステップ数として定義される。
• 経路アセンブリ情報（I_PA）は、I_PA = log(|N|) / |N_PA| として計算される。ここで |N| は x ステップ以内に可能な物体の総数であり、|N_PA| は PA = x を満たす物体のサブセットである。
• この形式的枠組みは、1次元、2次元、3次元の構成に適用され、PA値が次元性および複雑性に応じてどのようにスケーリングするかを評価する。
• 高いPAを持つ物体は、非ランダムで指向性のあるプロセスによって形成されるものと特定される。
• このアプローチにより、異なるシステム間でのアセンブリ経路の比較が可能となり、一意に特定可能で、情報量の多い構造が特定できる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 与えられた物体をその不可削減部品から再構築するために必要な最小ステップ数は何か。また、これは次元に応じてどのように変化するか。
• RQ2 ランダムプロセスによって形成された物体と、生物学的または技術的プロセス（指向性のあるプロセス）によって形成された物体とは、どのように区別できるか。
• RQ3 複雑な物体をアセンブルする経路に、どの程度の情報量がエンコードされており、それはどのように定量化できるか。
• RQ4 1次元、2次元、3次元空間において、非ランダムな起源を示すしきい値を超えるPA値を示す物体はどれか。
• RQ5 経路アセンブリインデックスは、物理的システムにおける生命に類似した複雑性を検出するための普遍的指標として機能できるか。

主な発見

• 高い経路アセンブリインデックス（PA）値を示す物体は、生物学的または技術的システムなど、非ランダムプロセスの産物として一意に特定可能である。
• 経路アセンブリ情報（I_PA）は、可能な物体総数（|N|）に応じて対数的に増加し、同じPAを持つ物体の数（|N_PA|）に反比例する。
• 1次元、2次元、3次元空間において、この形式的枠組みは、高いPAを持つ構造が偏りのないランダムアセンブリによっては生じ unlikely であることを明確に特定できた。
• この手法は、ランダムな配置から生命に類似した複雑性を区別するための定量的しきい値を提供する。
• この枠組みは、高いPAを持つ物体が、宇宙における生命または技術の証拠である可能性があると示唆している。
• このアプローチは、アセンブリ経路の情報量を定量化することにより、生命を同定するための新しい物理的根拠を提供する。