Pojem informace v kontextu současné biologie

Seminární práce k předmětu ISKM42 Informační věda: čtenářský předmět, absolvovaný v podzimním semestru 2021.

Hovoříme-li o otázce biologické informace, mnohým z nás se pravděpodobně jako první vybaví oblast genetiky, kde jsou prominentně používány pojmy jako informace, transkripce, translace, messenger nebo kód. Nejedná se o jedinou biologickou disciplínu, v níž se objevují informačně-vědní analogie při popisu fungování procesů užívající informační terminologii. S tímto fenoménem jsme seznamováni už od prvních vyučovacích hodin biologie a genetiky na základních a středních školách, kdy se často může zdát snazší vysvětlit těžko uchopitelnou látku pomocí něčeho, co je nám přístupnější. V rámci této eseje bych se ráda zaměřila na pojem biologická informace a na způsob, jakým je s ním zacházeno v rámci biologie.

Pojem informace je prominentní v genetice, ale rozšířil se také do disciplín s genetikou hraničících, jako jsou evoluční teorie a vývojová biologie.[1] John Maynard Smith, britský teoretický evoluční biolog a genetik,[2] v roce 2000 napsal: „centrální idea současné biologie je ta o informaci“[3]. V současné molekulární biologii se utvořila dvě paradigmata, která zaujímají protichůdné názory o přítomnosti pojmu informace v biologické terminologii – paradigma chemické a paradigma informační.

První z těchto myšlenkových rámců, chemické paradigma, tvrdí, že život je založen na komplexních chemických procesech. V rámci tohoto paradigmatu s jasným chemickým původem organických struktur je informace pouhou lingvistickou metaforou.[4]

Biologie vždy používala současné technologické analogie. Toto může dokazovat používání termínů počítačové vědy, která je viditelná nejen v genetice (používající vágní analogie, jako např. geny obsahují program), v neurovědě (programovaná smrt buněk), ale i v oblastech genetického kódování či endokrinního systému.[5] Neurobiologie používá informační terminologii k uchopení svého vlastního předmětu dlouhé dekády, zatímco propojení mezi informací a komunikační teorií s genetikou není tak očividné. Dle Bergstorma a Rosvalla se v oblasti genetiky může zdát snaha o větší srozumitelnost a explicitu informační analogie skoro až silně vnucována, i ty úspěšnější způsoby užívání informačně–teoretické analogie a zdůvodňování v genetice málokdy odkazují explicitně na své informačně–vědné základy.[6]

Giovanni Boniolo, italský profesor filozofie vědy a medical humanities na Ferrarské univerzitě,[7] zastává názor, že biologie může být pěstována a vzkvétat i bez používání informační terminologie. Pojem informace podle něj nehrál žádnou relevantní historickou ani sociologickou úlohu při zrodu molekulární genetiky a nepovažuje nadále za nutné používat informační terminologii bez didaktické hodnoty při studiu molekulární genetiky.[8]

Dokonce i zastánci informace jako součásti biologie, mezi které patří výše zmíněný John Maynard Smith, jsou v oblasti chápání informačně-vědných analogií v biologii spíše skeptičtí. Mají za to, že tyto pojmy jsou používány jako technické termíny a nejsou plně chápány, ačkoliv jsou molekulárními biology používány v každodenní praxi.[9]

V chápání termínu informace Boniolo vychází z filozofie informace Luciana Florodiho a rozumí informaci ve třech perspektivách – informace jako realita, informace o realitě a informace pro realitu (instrukce). Poslední kategorie je pro biologii klíčová, ale sémantické teorie informace ji plně nevysvětlují.[10]

Chemickému paradigmatu molekulární biologie bývá vytýkáno, že neobsahuje fundamentální předěl mezi hmotou a životem. Chemie samotná není podle kritiků dostačující k tomuto vysvětlení. V chemickém paradigmatu je život spontánní chemickou reakcí.[11]

Podle Huberta P. Yockeyho, amerického fyzika a informačního teoretika,[12] nemůže žádné množství chemické evoluce překročit bariéru oddělující neživou hmotu a život,[13] Boniolo naopak reaguje na tuto výtku tím, že evoluční přístup na tuto otázku odpovídá – jedná se o nahodilý výsledek evoluce, fungující v rámci hranic chemických možností. Vidí bio-fyzikální přístup jako dostačující, buňky, ačkoliv jsou biologickým systémem, mohou být viděny jako systém fyzikální, v němž hrají klíčovou roli elektromagnetické síly.[14] Boniolo však zásadně odmítá globální fyzikální redukcionismus, ke kterému, jak by se mohlo zdát, se jeho argumentace přiklání, avšak v případě molekulární biologie je bio-fyzikální vysvětlení procesů na lokální úrovni smysluplné a funkční.[15]

Druhé paradigma molekulární biologie je paradigma informační, které zastává názor, že „život je chemie plus informace“.[16] Toto paradigma připouští tezi chemického paradigmatu, že chemie je základem života, tvrdí však, že pro život je klíčová informace. Informace jako fundamentální komponent je oním předělem mezi hmotou a životem, neboť je viděna jako prvek přítomný pouze v živých systémech, což přelomově dokázal objev genetického kódu.[17] V neživé přírodě jsme zatím nenalezli program podobný tomuto objevu, který by dokázal přítomnost objektivní informace v anorganických strukturách. Informační paradigma ale nebylo doposud schopné dokázat svá ontologické tvrzení.[18]

V případě úvah o předělu mezi anorganickými a organickými strukturami použitím informace bych dbala jisté opatrnosti, která pramení z nedostatku jistoty o tom, co vše můžeme za informaci považovat. Díky nejednotné definici a možné transcendentální povaze tohoto pojmu bych byla skeptická, abychom informaci a to, co vše může představovat, nestavěli na piedestal a nepřiřkli toto označení jakémukoli jevu, kterému jsme zatím plně neporozuměli, a kde pojem informace slouží jako jakési lepidlo k zalátání mezer v našich úvahách.

Informační paradigma připisuje informaci dvě vlastnosti – je digitální (tvořena z jednotek) a je lineární (jednotky jsou postaveny za sebe v lineárním pořadí).[19] Definujeme ji pomocí sekvence, která „je zkráceně libovolná kolekce konečného počtu digitálních jednotek, které jsou aranžovány v lineárním pořadí a pořadí těchto jednotek je informace, kterou tato sekvence nese.“[20] Definice informace pomocí sekvence přináší další vlastnosti – Shannonem definovanou pravděpodobnost, algoritmickou komplexitu, vzdálenost od jiné sekvence, pomocí které jsme schopni měřit kompatibilitu sekvencí.[21] Ve smyslu sekvence není informace definována ani kvantitou (pořadí nemůže být změřeno) ani kvalitou (v tomto smyslu se jedná se o objektivní, nikoliv subjektivní, prvek reality).[22]

Marcello Barbieri, italský teoretický biolog působící na Ferrarské univerzitě,[23] také tvrdí, že informace může nést význam, což ovšem není nutné. Jako příklad udává nesmyslnost a bezvýznamnost textu v cizím jazyce pro osobu, která tento jazyk neovládá.[24] Barbieri navrhuje nutnost vzniku nového biologického paradigmatu, jehož hlavní myšlenkou by bylo „život je chemie plus informace plus kódy“.[25]

Peter Godfrey-Smith, australský filozof vědy a profesor historie a filozofie vědy na univerzitě v Sydney,[26] rozpoznává dva způsoby používání termínu informace v biologii. První vychází z pojetí informace Claudea Shannona, kde se cokoliv může stát informačním zdrojem, má-li množství alternativních stavů, které mohou být za určitých okolností realizovány. Tento koncept se ukázal být užitečným pro genetiku k adopci kvantitativního rámce pro popis korelací a spojení, nepředstavuje však nové vztahy či vlastnosti ani nevyvolává zvláštní potřebu filozofické reflexe.[27] Shannonovo pojetí informace ale není schopné pokrýt potenci zprávy mis-reprezentovat, což vyvolává otázku, jestli biologové nepotřebují nosnější a obsáhlejší pojetí informace. Druhý způsob používání tohoto termínu je sémantická či intencionální informace. Toto pojetí je sice nosnější, nebylo však nalezeno smysluplné propojení mezi biologickou funkcí a sémantickými vlastnostmi.[28]

Shannonova teorie informace, též známá jako matematická teorie komunikace, byla vytvořena Claudem Shannonem v roce 1948, Shannon svou teorii zakládá na informaci balené agentem pro přenos skrze kanál k redukci nejistoty na straně příjemce informace. Taková informace je fyzickou instancí svázanou časoprostorem.[29]

Jádro Shannonovy teorie je podle Bergstroma a Rosvalla studií toho, jak matematické objekty (jako např. sekvence a funkce), mohou být zestručněny bez ztráty vlastní identity, a pokud by byly zestručňovány i nadále, jejich struktura by byla pokřivena. Z tohoto základu limitů komprese vyvstává bohatá praktická teorie kódování, informační teorie je v podstatě teorií rozhodování o efektivním zabalení informací do paketů pro přenos, nebo také teorie o tom, jak struktura sekvencí může přenášet informaci, která zároveň definuje fundamentální limity přenosu informace. Bergstrom a Rosvall vidí tuto teorii jako nedostatečnou pro pojetí informace v současné biologii.[30]

Matematická teorie komunikace byla blízce přidružená termodynamice a fyzice skrze entropii, avšak kapacita komunikačního kanálu a Shannonův teorém jsou důležitými otázkami spíše pro biologii (zejména pro molekulární biologii). Zde se teorém o kapacitě kanálu aplikuje na živé organismy a jejich produkty, podobně jako komunikační kanály a molekulární stroje co mohou vybírat rozhodnutí z několika možností. Teorii lze nejen aplikovat na lidskou a zvířecí komunikaci, ale také na stavy a vzorce molekul v biologických systémech.[31]

Způsob, jakým někteří biologové přistupují ke Claudeu Shannonovi a jeho práci, zajímavě vystihuje Thomas D. Schneider, výzkumný biolog v Národním onkologickém institutu v Marylandu,[32] jenž o Shannonovi tvrdí, že byl ve svých teoriích biologem. Svou tezi obhajuje skrze Shannonův teorém a propojení komunikační teorie s biologií.[33] Schneider ve své práci také tvrdí, že modely vytvořené v rámci informačně–teoretických metod mohou být užity k popisu vzorců v DNA a RNA, také k předpovídání toho, zda změny v DNA povedou u člověka ke geneticky podmíněným chorobám.[34]

Carl Bergstrom, teoretický a evoluční biolog a profesor na Washingtonské Univerzitě v Seattlu,[35] a Martin Rosvall, švédský profesor fyziky zaměřený na počítačovou vědu na Univerzitě ve Umeå,[36] rozdělují informaci používanou v biologii na dvě hlavní kategorie, které jsou stejné, jako ty v rozboru Petera Godfrey-Smitha, opírají se však ve svých úvahách výrazně o Shannona – první nazývají informace v takzvaném běžném pojetí (tedy tu, kterou adresuje Shannonova teorie, která je užitečná jen pro vytvoření povrchního dojmu korelace), a informaci v sémantickém slova smyslu (ačkoliv byl sémantický rozměr v případě Shannonovy teorie záměrně vynechán). Bergstrom a Rossvall navrhují užívat informaci v alternativním smyslu – transmisivní informaci, která nejen podle jejich názoru přesně zachycuje to, co biologové myslí pod pojmem informace v genech, také přináší do popředí Shannonovo pojetí informace.[37] V transmisivním pojetí informace „objekt X předává informaci, pokud funkcí X je snížit, na základě jeho sekvenčních vlastností, nejistotu na straně agenta, který pozoruje X.“[38] Informace v transmisivním pojetí biologům umožňuje vidět informaci a jak plyne skrze proces mezigeneračního genetického přenosu, což otevírá možnost k dalším úvahám (k otázkám o přírodním výběru, procesu evoluce a o otázce, jak se informace do genomu dostává), zatímco při uvažování o informaci v sémantickém slova smyslu, přemýšlení se začne podobat úvahám vývojových biologů o tom, jak se informace zakódovaná v genotypu projevuje ve fenotypu.[39]

Bergstrom a Rosvall se zmiňují také o kauzálním pojetí informace. „V kauzálním pojetí informace geny nesou informaci o fenotypu asi tak, jako kouř nese informaci o ohni, nic víc. Pokud biologové používájí informaci jen jako zkratku při hovoření o korelacích, jedná se o povrchní užití informačních konceptů srovnatelné s tím, co pozorujeme v inženýrství a komunikační teorii!“[40]

Pokud nebereme v potaz Michaela Bucklanda a informaci jako věc, biologická informace reprezentovaná geny může představovat entitu nejbližší hmotné informaci, se kterou bychom mohli pracovat. V případě, že bychom byli schopní nalézt v lidském genomu informaci, objektivní a strukturovanou, bylo by možné nalézt takovou informaci i v podobné podobě v anorganických strukturách? A podobně jako v případě fyzikálního redukcionismu, byli bychom schopni rozložit organickou informaci na anorganickou? Pokud bychom našli objektivní informaci, ať už v podobě hmoty, energie, či infonu v genomu, znamenalo by to, že bychom ji mohli najít i v dalších organických strukturách, jako v nervové soustavě, v mozku, v endokrinní soustavě? Bohužel se nacházíme v bodě, kdy takovéto teorie můžeme testovat pouze jako myšlenkové experimenty.

Pohled na informaci v biologii se různí, od přesvědčení, že se jedná o pouhou metaforu bez hlubšího významu až po přesvědčení o existenci objektivní informace. Otázkou pro informační vědce zůstává, zda-li mohou benefitovat z těchto polemik biologů a filosofů vědy o podstatě informace, např. v oblasti definice informace. Další zajímavý výzkum na průsečíku informační vědy a biologie by se mohl týkat definic informace a podle čeho si biologové vybírají z pokusů informační vědy právě ty definice, se kterými pracují.

Citace:

[1] GODFREY-SMITH, Peter. Information in biology. The Cambridge Guide to the Philosophy of Biology [online]. Cambridge University Press, 2007, , 103-119 [cit. 2021-12-19]. Dostupné z: http://nrs.harvard.edu/urn-3:HUL.InstRepos:3191013

[2] John Maynard Smith. Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2021-12-19]. Dostupné z: https://cs.wikipedia.org/wiki/John_Maynard_Smith

[3] SMITH, John Maynard. The Concept of Information in Biology. Philosophy of Science [online]. The University of Chicago Press, 2000, 67(2), 177-194 [cit. 2021-12-19]. Dostupné z: https://www.jstor.org/stable/188717

[4] BARBIERI, Marcello. What is information? Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences [online]. 2016, 374(2063) [cit. 2021-12-18]. ISSN 1364-503X. Dostupné z: doi:10.1098/rsta.2015.0060.

[5] GODFREY-SMITH, Peter. Information in biology. The Cambridge Guide to the Philosophy of Biology [online]. Cambridge University Press, 2007, , 103-119 [cit. 2021-12-19]. Dostupné z: http://nrs.harvard.edu/urn-3:HUL.InstRepos:3191013

[6] BERGSTROM, Carl T. a Martin ROSVALL. The transmission sense of information. Biology & Philosophy [online]. 2011, 26(2), 159-176 [cit. 2022-01-08]. ISSN 0169-3867. Dostupné z: doi:10.1007/s10539-009-9180-z

[7] Giovanni Boniolo. Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2021-12-19]. Dostupné z: https://it.wikipedia.org/wiki/Giovanni_Boniolo

[8] BONIOLO, Giovanni. Biology without Information. History and Philosophy of the Life Sciences [online]. 2003, 25(2), 255-273 [cit. 2021-12-18]. Dostupné z: https://www.jstor.org/stable/23332431

[9] SMITH, John Maynard. The Concept of Information in Biology. Philosophy of Science [online]. The University of Chicago Press, 2000, 67(2), 177-194 [cit. 2021-12-19]. Dostupné z: https://www.jstor.org/stable/188717

[10] BONIOLO, Giovanni. Biology without Information. History and Philosophy of the Life Sciences [online]. 2003, 25(2), 255-273 [cit. 2021-12-18]. Dostupné z: https://www.jstor.org/stable/23332431

[11] BARBIERI, Marcello. What is information? Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences [online]. 2016, 374(2063) [cit. 2021-12-18]. ISSN 1364-503X. Dostupné z: doi:10.1098/rsta.2015.0060.

[12] Hubert Yockey. Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2021-12-19]. Dostupné z: https://en.wikipedia.org/wiki/Hubert_Yockey

[13] BARBIERI, Marcello. What is information? Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences [online]. 2016, 374(2063) [cit. 2021-12-18]. ISSN 1364-503X. Dostupné z: doi:10.1098/rsta.2015.0060.

[14] BONIOLO, Giovanni. Biology without Information. History and Philosophy of the Life Sciences [online]. 2003, 25(2), 255-273 [cit. 2021-12-18]. Dostupné z: https://www.jstor.org/stable/23332431

[15] Tamtéž.

[16] BARBIERI, Marcello. What is information? Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences [online]. 2016, 374(2063) [cit. 2021-12-18]. ISSN 1364-503X. Dostupné z: doi:10.1098/rsta.2015.0060.

[17] Tamtéž.

[18] Tamtéž.

[19] Tamtéž.

[20] Tamtéž.

[21] Tamtéž.

[22] Tamtéž.

[23] Marcello Barbieri. Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2021-12-19]. Dostupné z: https://en.wikipedia.org/wiki/Marcello_Barbieri

[24] BARBIERI, Marcello. What is information? Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences [online]. 2016, 374(2063) [cit. 2021-12-18]. ISSN 1364-503X. Dostupné z: doi:10.1098/rsta.2015.0060.

[25] Tamtéž.

[26] Peter Godfrey-Smith. Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2021-12-19]. Dostupné z: https://en.wikipedia.org/wiki/Peter_Godfrey-Smith

[27] GODFREY-SMITH, Peter. Information in biology. The Cambridge Guide to the Philosophy of Biology [online]. Cambridge University Press, 2007, , 103-119 [cit. 2021-12-19]. Dostupné z: http://nrs.harvard.edu/urn-3:HUL.InstRepos:3191013

[28] Tamtéž.

[29] BERGSTROM, Carl T. a Martin ROSVALL. The transmission sense of information. Biology & Philosophy [online]. 2011, 26(2), 159-176 [cit. 2022-01-08]. ISSN 0169-3867. Dostupné z: doi:10.1007/s10539-009-9180-z

[30] Tamtéž.

[31] SCHNEIDER, Thomas D. Claude Shannon: Biologist [information theory used in biology]. IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine [online]. 2006, 25(1), 30-33 [cit. 2022-01-09]. ISSN 0739-5175. Dostupné z: doi:10.1109/MEMB.2006.1578661

[32] Tamtéž.

[33] Tamtéž.

[34] Tamtéž.

[35] Carl Bergstrom. Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2022-01-09]. Dostupné z: https://en.wikipedia.org/wiki/Carl_Bergstrom

[36] Martin Rosvall [online]. [cit. 2022-01-09]. Dostupné z: https://www.martinrosvall.com/contact.html

[37] BERGSTROM, Carl T. a Martin ROSVALL. The transmission sense of information. Biology & Philosophy [online]. 2011, 26(2), 159-176 [cit. 2022-01-08]. ISSN 0169-3867. Dostupné z: doi:10.1007/s10539-009-9180-z

[38] Tamtéž.

[39] Tamtéž.

[40] Tamtéž.

Seznam použité literatury:

1. BARBIERI, Marcello. What is information? Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences [online]. 2016, 374(2063) [cit. 2021-12-18]. ISSN 1364-503X. Dostupné z: doi:10.1098/rsta.2015.0060.

2. BERGSTROM, Carl T. a Martin ROSVALL. The transmission sense of information. Biology & Philosophy [online]. 2011, 26(2), 159-176 [cit. 2022-01- 08]. ISSN 0169-3867. Dostupné z: doi:10.1007/s10539-009-9180-z

3. BONIOLO, Giovanni. Biology without Information. History and Philosophy of the Life Sciences [online]. 2003, 25(2), 255-273 [cit. 2021-12-18]. Dostupné z: https://www.jstor.org/stable/23332431

4. Carl Bergstrom. Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2022-01-09]. Dostupné z: https://en.wikipedia.org/wiki/Carl_Bergstrom

5. Giovanni Boniolo. Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2021-12-19]. Dostupné z: https://it.wikipedia.org/wiki/Giovanni_Boniolo

6. GODFREY-SMITH, Peter. Information in biology. The Cambridge Guide to the Philosophy of Biology [online]. Cambridge University Press, 2007, , 103- 119 [cit. 2021-12-19]. Dostupné z: http://nrs.harvard.edu/urn3:HUL.InstRepos:3191013

7. Hubert Yockey. Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2021-12-19]. Dostupné z: https://en.wikipedia.org/wiki/Hubert_Yockey

8. John Maynard Smith. Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2021-12-19]. Dostupné z: https://cs.wikipedia.org/wiki/John_Maynard_Smith

9. Marcello Barbieri. Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2021-12-19]. Dostupné z: https://en.wikipedia.org/wiki/Marcello_Barbieri

10. Martin Rosvall [online]. [cit. 2022-01-09]. Dostupné z: https://www.martinrosvall.com/contact.html

11. Peter Godfrey-Smith. Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2021-12-19]. Dostupné z: https://en.wikipedia.org/wiki/Peter_Godfrey-Smith

12. SCHNEIDER, Thomas D. Claude Shannon: Biologist [information theory used in biology]. IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine [online]. 2006, 25(1), 30-33 [cit. 2022-01-09]. ISSN 0739-5175. Dostupné z: doi:10.1109/MEMB.2006.1578661

13. SMITH, John Maynard. The Concept of Information in Biology. Philosophy of Science [online]. The University of Chicago Press, 2000, 67(2), 177-194 [cit. 2021-12-19]. Dostupné z: https://www.jstor.org/stable/188717