基于能量景观的理论框架：理解生命系统中功能的涌现

由于相互作用组件（如分子、细胞和组织）构成的生命系统中，每个组件常常会因与其周围组件的相互作用而自适应地改变其内部状态。例如，单个组织会表现出类似生长和重塑这样的组织层次的自适应行为，这些行为是其力学相互作用的结果，导致多组织系统功能的涌现。随着组件的自适应行为，其相互作用也表现出动态变化，这些变化强烈影响系统功能的涌现。为了理解如何从组件层次自适应行为所导致的动态相互作用中产生系统功能，本研究提出了一个理论框架，通过对由于组件层次自适应行为所导致的相互作用动态进行建模来实现此目的。为了建模组件层次的自适应内部状态变化，我们为每个组件分配一个能量景观及其相关能量速率景观，从而导致自适应行为的广义梯度流模型。然后，我们通过对这些能量和能量速率景观的时间变化进行公式化，来表示由组件层次自适应行为所导致的环境状态的时间变化。通过使用简化的机械相互作用组织在形态变化下的模型进行案例研究，我们的理论框架表明，单个组织形态变化所导致的力的变化决定了系统功能的涌现。这些发现突出了，基于能量和能量速率景观的时间变化来表达相互作用动态，为理解如何从组件层次的自适应行为中涌现系统功能提供了强大的理论框架。