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細胞中的餘裕,大腦中的餘裕

細胞中的餘裕,大腦中的餘裕

Lesswrong·5 天前

你需要餘裕才能成為一個有效的行動者。餘裕是脆弱的,且很容易為了短視的局部優化而被犧牲,而這種短視的犧牲會讓你未來更有可能繼續短視地犧牲餘裕。學著不要這樣做並培養你的餘裕。

[這是一個關於為什麼你不該天真地讓生活充斥著局部優化(即使是出於高尚或利他的理由)的真實隱喻解釋。]

內容提要: 你需要「餘裕」(Slack)才能成為一個有效的行動者。餘裕是脆弱的,人們很容易短視地犧牲它,而短視的犧牲會讓未來的短視犧牲變得更有可能。學會不要這樣做,並培養餘裕。

細胞中的餘裕

最小的現存哺乳動物是小臭鼩,體重約 1.8 克(「相當於一個迴紋針」),體長約 4 公分。捲縮起來時,它可以放在一張郵票上。最大的現存哺乳動物是藍鯨,體重約 100 噸,平均長度約 24 公尺。它的主動脈大到足以讓一個人類新生兒鑽進去。^([1])

(此處省略 MathJax 樣式代碼)

以這兩個物種作為哺乳動物範圍的上下限,我們可以看到它們在長度上相差了 $10^{\log_{10}(24/0.04)} \approx 10^{2.8}$ 個數量級,在質量上相差了 $10^{\log_{10}(10^8/1.8)} \approx 10^{7.7}$ 個數量級。

有趣的是,這非常接近以體積衡量的細菌細胞大小所跨越的 9 個數量級。

以下是來自 Kempes 等人的論文《多樣化細菌細胞組成的進化權衡》的兩張圖表。

[文章描述:] (a) 細菌主要細胞成分隨體積變化的比例關係。(b) 總細胞體積與所有細胞成分體積之和隨細胞大小變化的函數關係。

左圖顯示了各種細胞成分(DNA、蛋白質、核糖體、細胞膜和 RNA)的體積如何隨總細胞體積縮放。右圖顯示了所有成分的總體積如何隨總細胞體積縮放。兩者都根據現有數據推導為冪律模型。

有兩件事顯而易見。第一, 所有 RNA 和核糖體的體積增長速度快於細胞體積。大細胞比小細胞在單位細胞體積上對 RNA 和核糖體的需求更高。模型預測,體積約為 $10^{-12} \text{ m}^3$ 的細菌細胞將完全被物質填滿,沒有自由的細胞質空間。這是因為大細胞有更高的相對蛋白質周轉率,因此需要更快、更多地生產蛋白質,進而需要更多的蛋白質生產機器:核糖體和 RNA。

另一方面,DNA 和細胞膜體積的增長速度要慢得多。看起來大細胞並不需要比小細胞厚得多的細胞膜,而所需的 DNA 量也幾乎沒有變化。這兩條線在左端約 $10^{-21} \text{ m}^3$ 處也與總細胞體積線相交。因此,最小的可能細胞「應該」——同樣根據模型——完全由 DNA 和細胞膜填滿,沒有自由的細胞質體積。

第二, 觀察到的最小細胞位於右圖兩條線第一次交點的稍左側。這難道意味著這種細菌塞進細胞的東西比細胞體積允許的還要多嗎?

並非如此。最小的細胞通過削減佔據最多體積的成分來「規避」「規律」。它們削減了細胞膜的厚度(沒有細胞壁)和基因組的大小。它們也傾向於呈現更接近球形的形狀,以最小化細胞膜的相對體積。

在細菌大小的上限範圍也採用了拉伸約束的技巧。目前已知最大的細菌屬於硫珠菌屬,其體積可達約 $10^{-9} \text{ m}^3$,比模型預測的 $10^{-12} \text{ m}^3$ 極限大出 3 個數量級。最簡單的技巧是,細胞體積的大部分(通常超過一半,在納米比亞硫珠菌中甚至超過 90%,它是已知第二大的細菌)被液泡佔據,這些液泡不需要太多維護,因此可以削減 RNA 和核糖體。

因此,存在某些潛在的約束——特別是細胞成分相對縮放的規律性——支配著細菌細胞的「允許」大小。^([2]) 這些約束可以通過修改標準的細菌「身體藍圖」(包括細胞包膜的結構、基因組的大致大小、一般的細胞組成等)來拉伸。然而,這種細菌身體藍圖之所以成為最普遍的藍圖是有原因的。

當你走向細菌體型極端時,你所犧牲的一件事就是失去了自由細胞體積。最大自由細胞體積分數(等同於最小乾重體積分數)出現在總細胞體積約為 $10^{-18} \text{ m}^3$ 處。這是 Kempes 等人的另一張圖表。(有趣的是,在該點右側(大細胞)的上升坡度比左側(小細胞)要陡峭得多。)

[文章描述:] 由基本成分佔據的總細胞體積分數。

Kempes 等人寫道,使預期自由細胞體積最大化的細胞體積,正是我們發現「許多被廣泛研究的物種,如大腸桿菌」的地方。雖然需要更系統的研究來穩健地確立這一點,但我認為這表明存在一種強大且普遍的選擇壓力,要求保留大量的自由細胞體積。為什麼?

缺乏物理空間約束可能賦予這些細胞更多的靈活性。

首先,它允許更強的適應性:這些細胞可以根據環境條件動態增加各種細胞成分的數量(例如,當食物充足時增加核糖體數量以更快生長)。

其次,它允許更強的魯棒性:細胞可以容納有毒代謝廢物而不對細胞造成重大傷害,並緩慢排出,而不是為了避免濃度升高而必須盡快排出(自由細胞體積越低 $\Rightarrow$ 物質 X 的分子數量發生同樣變化時,其濃度敏感度越高)。

將這種功能性的自由細胞體積與 LessWrong 空間中常用的術語「餘裕 (Slack)」聯繫起來是非常自然的:

餘裕是指行為上缺乏約束限制。

雖然我們可以看到選擇壓力偶爾會將細菌譜系推向生存大小的極端,但似乎大多數細菌都留在允許一定餘裕的區域。推測起來,概括這一觀察的猜想是:在廣泛的環境中,餘裕是魯棒複製者自然趨同的目標。

大腦中的餘裕

[好吧,這部分遠不如「大腦」所暗示的那樣具有神經科學色彩(實際上幾乎完全不是),但我決定用這個標題,因為它足夠真實(關於心智/行動者),而且它讓標題具有節奏感和押韻結構。]

顯而易見,你不應該僅僅以人類所能達到的最大細節程度來規劃你的整個日程。

首先,你需要具備適應性:你不知道未來會面臨什麼情況,所以你需要允許自己在現場決定該做什麼。這是P₂B:計劃以更好地計劃 (Plan to P₂B Better) 背後的核心思想:既然你不知道所有能讓你提前規劃一切的信息,你就需要計劃在獲得更多信息後制定更好的計劃。^([3])

其次,你需要具備魯棒性:某些隨機事件很可能會發生,你需要做出適當反應。對於重要的通話,你會提前加入以檢查麥克風和攝像頭是否正常工作。你會提早出發,以防交通堵塞或機場出現讓事情進展緩慢的問題。

我們可以將餘裕視為行動者留給未來的自己去處理生活中難以預測之事空間:填補計劃中的空白(適應性)並調整各種干擾(魯棒性)。^([4])

餘裕是脆弱的

我目睹了身邊的人和我自己,餘裕逐漸被蠶食。每一步都很小。在身為行動者片段的尺度上,它可能看起來很大,但在宏觀藍圖中卻微不足道。青蛙正在被慢慢煮熟,你用來管理項目的迴旋餘地逐漸惡化,越來越接近於零。

每當你允許這個不自覺的過程吃掉你的一點餘裕,這個過程就會獲得動力 (Steam)。它增強了力量。相反,你獲得了慣性:你手頭的事情越多,通常就越難抽出時間思考如何委派其中任何一項(特別是如果你沒有餘裕去編寫能讓優雅委派變得容易的文檔)。此外,人類的默認設置就是繼續做他們一直在做的事——包括他們用來決定如何改變行為的啟發法——而且當人類缺乏餘裕進行反思時,他們會更多地依賴默認設置。關心未來的自己和你事業的命運,要求你不要讓自己被吃掉,同樣也要求你關心那些可能模仿你行為的人及其事業。^([5])

霍夫施塔特定律 (Hofstadter's Law) 說:「事情總是比你預期的要長,即使你考慮到了霍夫施塔特定律。」人們可以將其視為對這句格言(非字面真實,但方向正確)的辯護:「計劃是無用的,但計劃過程是必不可少的。」

時間是人們為了完成某項事業而負擔得起的一種「空間」。餘裕是另一種「空間」。它們實際上似乎緊密相連。如果你有更多時間,但要做的事情數量保持不變,那麼你就有了更多餘裕。你擁有的餘裕越多,你就能將更多餘裕用於追求某些目標,因此你實際上花在追求這些目標上的時間就越多。

這一切都是為了說明,既然已經接受了霍夫施塔特定律作為一個有效的啟發法/規律,我們就不應該對自己系統性地忽視餘裕感到太驚訝。

天真的解決方案似乎是訓練自己更好地評估需要多少餘裕。在那之前,請將「擁有比你合理預期所需的再多一點餘裕」作為你的默認設置。

[照例聲明,等效反面建議定律 (Law of Equal and Opposite Advice) 同樣適用。請不要利用這一點來為自己過度忽視餘裕的傾向找藉口。]


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