摘要：1950年，意大利物理学家恩里科·费米 （Enrico Fermi） 正在与他的同事讨论智能外星生命的可能性。他说，如果外星文明存在，那么一些文明肯定有足够的时间在整个宇宙中扩张。那么他们在哪里呢？

一个新的建议是，复杂性会随着时间的推移而增加，不仅在生物体中，而且在非生物体中，这有望改写时间和进化的概念。

Irene Pérez 为 Quanta 杂志拍摄

特约撰稿人：菲利普·鲍尔 Quanta 杂志

1950年，意大利物理学家恩里科·费米 （Enrico Fermi） 正在与他的同事讨论智能外星生命的可能性。他说，如果外星文明存在，那么一些文明肯定有足够的时间在整个宇宙中扩张。那么他们在哪里呢？

对于费米的“悖论”，已经提出了许多答案：也许外星文明在成为星际流浪者之前就已经燃烧殆尽或毁灭了自己。但也许最简单的答案是，这样的文明一开始就没有出现：智慧生命是极不可能的，我们提出这个问题只是因为我们是极其罕见的例外。

一个跨学科研究团队的一项新提案挑战了这一黯淡的结论。他们提出了一种新的自然定律，根据该定律，宇宙中实体的复杂性随着时间的推移而增加，其不可阻挡性可与热力学第二定律相媲美——该定律决定了熵（一种无序的衡量标准）不可避免地上升。如果他们是对的，那么复杂和智能的生命应该得到广泛传播。

在这种新观点中，生物进化并不是一个产生质上不同的物质形式——生物体的独特过程。相反，进化是支配宇宙的更普遍原则的特殊（也许是不可避免的）情况。根据这个原则，选择实体是因为它们在一种信息中更丰富，使它们能够执行某种功能。

这假设（打开新标签页）由华盛顿特区卡内基研究所（Carnegie Institution）的矿物学家罗伯特·黑森（Robert Hazen）和天体生物学家迈克尔·黄（Michael Wong）以及其他团队共同制定的理论，引发了激烈的争论。一些研究人员对这个想法表示欢迎，认为这是关于自然基本定律的宏大叙事的一部分。他们认为，物理学的基本定律并不是“完整的”，即提供我们理解自然现象所需的一切;相反，进化——无论是生物的还是其他的——引入了甚至原则上无法仅从物理学中预测的功能和新奇事物。“我很高兴他们做了他们所做的事情，”宾夕法尼亚大学（University of Pennsylvania）名誉复杂性理论家斯图尔特·考夫曼（Stuart Kauffman）说。“他们让这些问题变得合理了。”

迈克尔·黄（Michael Wong），华盛顿特区卡内基研究所（Carnegie Institution）的天体生物学家。

凯瑟琳·凯恩（Katherine Cain）/卡内基科学

其他人则认为，将关于功能的进化论思想扩展到非生命系统是一种过度。在这种新方法中测量信息的定量值不仅是相对的——它会根据上下文而变化——而且无法计算。由于这个和其他原因，批评者指责新理论无法测试，因此没有什么用处。

这项工作探讨了关于生物进化如何适应正常科学框架的不断扩大的辩论。达尔文的自然选择进化论帮助我们理解生物在过去是如何变化的。但与大多数科学理论不同的是，它无法预测即将发生的事情。将其嵌入一个日益复杂的元定律中，能否让我们瞥见未来会怎样？

故事始于 2003 年，当时生物学家杰克·索斯塔克 （Jack Szostak） 发表了一篇短文（打开新标签页）在自然界中提出了功能信息的概念。Szostak — 六年后将因不相关的工作而获得诺贝尔奖 — 想要量化蛋白质或 DNA 链等生物分子所包含的信息量或复杂性。由电信研究员克劳德·香农 （Claude Shannon） 在 1940 年代提出，后来由俄罗斯数学家安德烈·科尔莫戈罗夫 （Andrey Kolmogorov） 阐述的经典信息论提供了一个答案。根据科尔莫戈罗夫的说法，一串符号（例如二进制 1 和 0）的复杂程度取决于唯一指定该序列的简洁程度。

例如，考虑 DNA，它是一条由四个不同构建块组成的链，称为核苷酸。仅由一个核苷酸组成的 α 链，一次又一次地重复，与由所有四个核苷酸组成的链相比，其复杂性要低得多，并且编码的信息也更少，其中序列似乎是随机的（这在基因组中更为典型）。

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Jack Szostak 提出了一种量化生物系统中信息的方法。

HHMI

但索斯塔克指出，科尔莫戈罗夫对复杂性的测量忽略了一个对生物学至关重要的问题：生物分子如何运作。

在生物学中，有时许多不同的分子可以完成相同的工作。以 RNA 分子为例，其中一些分子具有易于定义和测量的生化功能。（与 DNA 一样，RNA 由核苷酸序列组成。特别是，称为适配体的短链 RNA 与其他分子牢固结合。

假设您想找到一种与特定靶分子结合的 RNA 适配体。很多适配子可以做到，还是只有一个？如果只有一个适配子可以完成这项工作，那么它就是独一无二的，就像一个看似随机的长字母序列是唯一的一样。Szostak 说，这个适配子将有很多他所谓的“功能信息”。

如果许多不同的适配体可以执行相同的任务，则功能信息会小得多。因此，我们可以通过询问有多少其他相同大小的分子也可以完成相同的任务来计算分子的功能信息。

Szostak 继续表明，在这种情况下，功能信息可以通过实验来测量。他制作了一堆 RNA 适配体，并使用化学方法鉴定和分离了与所选靶分子结合的适配体。然后，他对获胜者进行了一点改变，以寻找更好的活页夹，并重复这个过程。适配体的结合能力越好，随机选择的另一个 RNA 分子也不太可能同样发挥作用：每轮获胜者的功能信息应该增加。Szostak 发现，性能最佳的适配子的功能信息越来越接近理论上预测的最大值。

Hazen 在思考生命起源时发现了 Szostak 的想法——这个问题吸引了他成为一名矿物学家，因为长期以来，人们一直怀疑矿物上发生的化学反应在生命的启动中发挥了关键作用。“我得出的结论是，谈论生命与非生命是一种错误的二分法，”Hazen 说。“我觉得必须有某种连续体——必须有某种东西推动这个过程从更简单的系统走向更复杂的系统。”他认为，功能信息有望找到一种方法来解决“各种不断发展的系统日益复杂”。

2007 年，Hazen 与 Szostak 合作编写了一部计算机模拟（打开新标签页）涉及通过突变进化的算法。在这种情况下，它们的功能不是与目标分子结合，而是进行计算。他们再次发现，随着系统的发展，功能信息会随着时间的推移而自发增加。

在那里，这个想法被搁置了多年。Hazen 不知道如何进一步发展，直到 Wong 于 2021 年接受了卡内基研究所的奖学金。Wong 有行星大气层的背景，但他和 Hazen 发现他们正在思考同样的问题。“从我们坐下来谈论想法的第一刻起，就令人难以置信，”Hazen 说。

Robert Hazen，华盛顿特区卡内基研究所的矿物学家

由 Robert Hazen 友情提供

“我对在其他星球上寻找生命的现状感到失望，”Wong 说。“我认为它对地球上所知道的生命的限制太狭隘了，但其他地方的生命可能会采取完全不同的进化轨迹。那么，我们如何从地球上的生命中抽象得足够远，以便我们能够注意到其他地方的生命，即使它具有不同的化学特性，但又不能太远，以至于我们能包括像飓风这样的各种自组织结构呢？

这对搭档很快意识到，他们需要来自其他学科的专业知识。“我们需要从非常不同的角度来解决这个问题的人，这样我们就可以制衡彼此的偏见，”Hazen 说。“这不是一个矿物学问题;这不是一个物理问题，也不是一个哲学问题。就是所有这些东西。

他们怀疑功能信息是理解像生物体这样的复杂系统是如何通过随着时间的推移发生的进化过程而产生的关键。“我们都认为热力学第二定律提供了时间之箭，”Hazen 说。“但宇宙似乎走的是一条更特殊的路径。我们认为这是因为函数的选择 — 一个非常有序的过程，导致有序的状态。这不是第二定律的一部分，尽管它也与第二定律并不矛盾。

从这个角度来看，功能信息的概念让团队能够思考似乎与生命完全无关的复杂系统的开发。

乍一看，这似乎不是一个有前途的想法。在生物学中，功能是有道理的。但是，“功能”对岩石意味着什么呢？

Hazen 说，它真正意味着的是，一些选择性过程偏爱一个实体，而不是许多其他潜在的组合。硅、氧、铝、钙等可以形成大量不同的矿物。但在任何给定的环境中都只发现了少数几种。最稳定的矿物被证明是最常见的。但有时不太稳定的矿物会持续存在，因为没有足够的能量将它们转化为更稳定的相。

信息本身可能是宇宙的一个重要参数，类似于质量、电荷和能量。

Michael Wong，卡内基研究所

这似乎微不足道，就像说一些对象存在而另一些对象不存在，即使它们在理论上可以。但是 Hazen 和 Wong已显示（打开新标签页）即使是矿物，功能信息也在地球历史进程中增加。矿物会朝着更大的复杂性进化（尽管不是达尔文意义上的）。Hazen 及其同事推测，石墨烯等复杂形式的碳可能在土星的卫星泰坦富含碳氢化合物的环境中形成——这是另一个不涉及生命的功能信息增加的例子。

化学元素也是如此。大爆炸后的最初时刻充满了无差别的能量。随着物体冷却，夸克形成，然后凝结成质子和中子。这些原子聚集成氢、氦和锂原子的原子核。只有当恒星形成并且它们内部发生核聚变时，碳和氧等更复杂的元素才会形成。只有当一些恒星耗尽了它们的聚变燃料时，它们的坍缩和超新星爆炸才会产生更重的元素，例如重金属。这些元素的核复杂性稳步增加。

Wong 说，他们的工作意味着三个主要结论。

首先，生物学只是进化的一个例子。“有一个更普遍的描述推动了复杂系统的进化。”

其次，他说，可能有“一个时间箭头来描述这种日益增加的复杂性”，类似于描述熵增加的热力学第二定律被认为创造了一个首选的时间方向。

最后，Wong 说：“信息本身可能是宇宙的一个重要参数，类似于质量、电荷和能量。

在 Hazen 和 Szostak 使用人工生命算法进行的进化研究中，功能信息的增加并不总是逐渐的。有时它会突然发生。这与生物进化论中所看到的情况相呼应。生物学家早就认识到生物体复杂性突然增加的转变。其中一种转变是具有细胞核的生物体的出现（大约 18 亿至 27 亿年前）。然后是向多细胞生物的转变（大约 20 亿到 16 亿年前），寒武纪大爆发（5.4 亿年前）体型的突然多样化，以及中枢神经系统的出现（大约 6 亿到 5.2 亿年前）。人类的到来可以说是另一个重大而快速的进化转变。

进化生物学家倾向于将这些转变中的每一个都视为一个偶然事件。但在功能信息框架内，进化过程中的这种跳跃（无论是否生物）似乎是不可避免的。

在这些跳跃中，Wong 将不断发展的物体描绘成进入一个充满可能性和组织方式的全新景观，仿佛渗透到“下一层”。至关重要的是，重要的是——持续进化所依赖的选择标准——也发生了变化，规划了一条全新的路线。在下一层，等待着您之前无法猜到的可能性。

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生命的起源如何组装生活的新想法

5月 4， 2023

例如，在生命起源期间，原始生物分子能够持续很长时间——它们会保持稳定——最初可能很重要。但是，一旦这些分子被组织成可以催化彼此形成的群体——考夫曼称之为自催化循环——只要循环持续下去，分子本身就可以短暂存在。现在，重要的是动力学稳定性，而不是热力学稳定性。圣达菲研究所（Santa Fe Institute）的里卡德·索莱（Ricard Solé）认为，这种跳跃可能等同于物理学中的相变，比如水的冻结或铁的磁化：它们是具有普遍特征的集体过程，它们意味着一切都在任何地方同时发生变化。换句话说，在这种观点中，有一种进化的物理学——而且我们已经知道这种物理学。

功能信息的棘手之处在于，与大小或质量等度量不同，它是上下文的：它取决于我们希望对象做什么，以及它所处的环境。例如，RNA 适配体与特定分子结合的功能信息通常与与不同分子结合的信息大不相同。

然而，为现有组件寻找新用途正是进化的作用。例如，羽毛不是为了飞行而进化的。这种重新调整反映了生物进化是如何利用现有资源进行纵的。

考夫曼认为，因此，生物进化不仅不断创造新类型的生物，而且不断创造生物体的新可能性，这些生物不仅在进化的早期阶段不存在，而且不可能存在。从 30 亿年前构成地球上生命的单细胞生物汤中，没有一头大象是突然出现的——这需要一大堆先前的、偶然的但具体的创新。

但是，对象的使用次数在理论上没有限制。这意味着进化中新功能的出现是无法预测的——但一些新功能可以决定系统随后如何演变的规则。“生物圈正在创造它自己的可能性，”考夫曼说。“我们不仅不知道会发生什么，甚至不知道会发生什么。”光合作用是一个如此深刻的发展;真核生物、神经系统和语言也是如此。正如微生物学家卡尔·沃斯 （Carl Woese） 和物理学家奈杰尔·戈登菲尔德 （Nigel Goldenfeld） 在 2011 年所说，“我们需要一套额外的规则来描述原始规则的演变。但这个上层规则本身需要发展。因此，我们最终会得到一个无限的层次结构。

亚利桑那州立大学（Arizona State University）的物理学家保罗·戴维斯（Paul Davies）也认为，生物进化“产生了自己的扩展可能性空间，而这个空间无法通过任何来自先前状态的确定性过程来可靠地预测或捕获。所以生命在一定程度上进化成未知。

复杂性的增加为未来寻找简单生物无法获得的新策略提供了可能性。

Marcus Heisler，悉尼大学

在数学上，“相空间”是描述物理系统所有可能配置的一种方式，无论是像理想化的钟摆一样相对简单，还是像构成地球的所有原子一样复杂。戴维斯和他的同事最近建议（打开新标签页）在扩展的可访问相空间中的演化可能在形式上等同于数学家库尔特·哥德尔 （Kurt Gödel） 设计的“不完备性定理”。哥德尔表明，数学中的任何公理系统都允许形成不能证明是真或假的陈述。我们只能通过添加新的公理来决定这样的陈述。

Davies 及其同事说，与哥德尔定理一样，使生物进化成为开放式并阻止我们能够在一个自足且包罗万象的相空间中表达它的关键因素是它是自我指涉的：空间中新参与者的出现会反馈那些已经存在的人，以创造新的行动可能性。物理系统并非如此，即使它们在银河系中有数百万颗恒星，也不是自指的。

“复杂性的增加为未来寻找简单生物无法找到的新策略提供了可能性，”悉尼大学（University of Sydney）植物发育生物学家、这篇不完整论文的合著者马库斯·海斯勒（Marcus Heisler）说。戴维斯说，生物进化与不可计算性问题之间的这种联系，“直指生命如此神奇的核心”。

那么，在进化过程中，生物学是否特别，因为它具有由自我指涉产生的开放性呢？Hazen 认为，事实上，一旦将复杂的认知加入其中——一旦系统的组成部分能够“在他们的头脑中”推理、选择和运行实验——宏微观反馈和开放式增长的潜力就更大了。“技术应用使我们远远超越了达尔文主义，”他说。如果制表师不是盲人，手表的制作速度会更快。

如果 Hazen 及其同事是对的，即涉及任何类型选择的进化都不可避免地会增加功能信息——实际上是复杂性——这是否意味着生命本身，也许还有意识和更高的智能，在宇宙中是不可避免的？这与一些生物学家的想法背道而驰。著名的进化生物学家恩斯特·迈尔 （Ernst Mayr） 认为，寻找外星智能是注定要失败的，因为类似人类的智能的出现“完全不可能”。他说，毕竟，如果导致文化和文明的智力在达尔文的进化论中是如此适应性有用，那么它为什么在整个生命之树上只出现一次呢？

迈尔的进化论点可能在向人类复杂性和智慧的跳跃中消失，因此整个竞争环境发生了彻底的变化。人类如此迅速地获得了地球的统治地位（无论好坏），以至于它何时会再次发生的问题变得毫无意义。

但是，这种跳跃发生的可能性首先如何呢？如果新的“函数信息增加定律”是正确的，那么看起来生命一旦存在，就必然会变得更加复杂。它不必依赖于一些极不可能的偶然事件。

更重要的是，这种复杂性的增加似乎意味着自然界中新的因果定律的出现，虽然它与支配最小组成部分的基本物理定律并不矛盾，但在决定接下来会发生什么时有效地取代了它们。可以说，我们已经在生物学中看到了这一点：伽利略的（杜撰的）实验，当质量不是炮弹而是活鸟时，从比萨斜塔上投下两个质量的实验不再具有预测能力。

与化学家一起李·克罗宁（打开新标签页）的 Arizona State University 的 Sara Walker 设计了一套替代的想法来描述复杂性是如何产生的，称为组装理论。组装理论依赖于一个称为组装指数的数字来代替功能信息，该指数衡量用其组成成分制造物体所需的最小步骤数。

“生命系统的定律必须与我们现在的物理学定律有些不同，”沃克说，“但这并不意味着没有定律。但她怀疑功能信息的假定定律能否在实验室中得到严格测试。“我不确定怎么能说 [这个理论] 是对还是错，因为没有办法客观地测试它，”她说。“实验会寻找什么？如何控制它？我很想看到一个例子，但在这一领域完成一些计量学之前，我仍然持怀疑态度。

Hazen 承认，对于大多数物理物体来说，即使原则上也无法计算功能信息。他承认，即使对于单个活细胞，也无法对其进行量化。但他认为，这不是一个症结所在，因为我们仍然可以从概念上理解它，并获得它的近似定量意义。同样，由于引力问题太复杂，我们无法计算小行星带的确切动力学——但我们仍然可以大致描述它，足以让航天器穿过它。

Wong 看到了他们的想法在天体生物学中的潜在应用。地球上生物体的一个奇怪之处在于，它们往往会制造比给定基本成分所能制造的有机分子子集小得多。这是因为自然选择已经挑选出了一些受欢迎的化合物。例如，活细胞中的葡萄糖比你想象的要多得多，如果分子只是随机或根据它们的热力学稳定性制造。因此，其他星球上栩栩如生的实体的一个潜在特征可能是在化学热力学或动力学本身所能产生的之外的类似选择迹象。（组装理论同样预测了基于复杂性的生物特征。

可能还有其他方法可以测试这些想法。Wong 说，在矿物进化方面还有更多的工作要做，他们希望研究核合成和计算“人工生命”。Hazen 还看到了在肿瘤学、土壤科学和语言进化方面的潜在应用。例如，法国蒙彼利埃大学的进化生物学家弗雷德里克·托马斯（Frédéric Thomas）及其同事争论过（打开新标签页）控制肿瘤中癌细胞随时间变化方式的选择性原则与达尔文进化论的那些不同，其中选择标准是适应性，但更类似于 Hazen 及其同事的功能选择理念。

Hazen 的团队一直在回答从经济学家到神经科学家的研究人员的询问，他们热衷于了解这种方法是否有帮助。“人们找到我们，是因为他们迫切希望找到一个模型来解释他们的系统，”Hazen 说。

但是，无论功能信息是否被证明是思考这些问题的正确工具，许多研究人员似乎都在关注关于复杂性、信息、进化（生物和宇宙）、功能和目的以及时间方向性的类似问题。很难不怀疑有什么大事正在酝酿中。这与早期的热力学相呼应，热力学从关于机器如何工作的不起眼的问题开始，到最后与时间之箭、生物的特性和宇宙的命运对话。

来源：人工智能学家