为什么宇宙中的一切都变得越来越复杂

一项新的研究表明，宇宙复杂性会随着时间的推移而增加，不仅在生物体中，而且在非生物世界中，这有可能要求我们改写时间和进化的概念。

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，如果存在外星文明，那么有些文明肯定应该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”，人们提出了许多答案：也许外星文明在成为星际流浪者之前就已经烧毁或毁灭了自己。但也许最简单的答案是，这样的文明一开始就没有出现：智慧生命极不可能出现，我们提出这个问题只是因为我们人类是极其罕见的例外。

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——该定律规定了熵不可避免地上升，熵是无序的衡量标准。如果他们是对的，那么复杂而智能的生活应该会普遍存在。

在这种新观点中，生物进化似乎不是一个独特的过程，它产生了一种特质上不同的物质形式——生物体。相反，进化论是一个特殊的（也许是不可避免的）案例，具有支配宇宙的更普遍的原则。根据这一原则，选择实体是因为它们在某种信息中更丰富，使它们能够执行某种功能。

这假设由华盛顿特区卡内基研究所的矿物学家罗伯特·哈森和天体生物学家迈克尔·黄(Michael L. Wong)以及其他团队提出，同时也引发了激烈的争论。一些研究人员欢迎这个想法，将其作为关于自然基本法则的宏大叙事的一部分。他们认为，物理学的基本定律在提供我们理解自然现象所需的一切，在意义上并不“完整”; 相反，进化——无论是生物学的还是其他的——引入了甚至原则上无法仅从物理学预测的功能和新颖性。宾夕法尼亚大学名誉复杂性理论家斯图尔特·考夫曼称他们已经使这些问题变得合理化。

著名天体生物学家迈克尔·黄

其他人则认为，将关于功能的进化思想扩展到非生命系统是越权的。在这种新方法中衡量信息的定量值不仅是相对的——它会根据前后而变化——而且是无法计算的。出于这个和其他原因，批评者指责新理论无法被检验，因此几乎没有用处。

这项工作触及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。达尔文自然选择进化论有助于我们了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，它无法预测太多即将发生的事情。将其嵌入到日益复杂的元法则中，是否可以让我们一睹未来？

创造意义

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，他在《自然》期刊中提出了功能信息的概念。六年后，索斯塔克因不相关的工作而获得诺贝尔奖，他希望量化蛋白质或 DNA 链等生物分子所包含的信息量或复杂性。由电信息研究员克劳德·香农 （Claude Shannon） 在1940年代提出并后来由俄罗斯数学家安德烈·柯尔莫哥洛夫 （Andrey Kolmogorov） 阐述的经典信息论提供了一个答案。根据柯尔莫哥洛夫的说法，一串符号（例如二进制 1 和 0）的复杂性取决于一个人唯一指定该序列的简洁程度。

例如，考虑 DNA，它是由四个不同的组成部分组成的链，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，并且编码的信息更少，其中序列似乎是随机的（在基因组中更为典型）。

杰克·索斯塔克提出了一种量化生物系统中信息的方法

但索斯塔克指出，柯尔莫哥洛夫对复杂性的衡量忽略了一个对生物学至关重要的问题：生物分子如何发挥作用。

在生物学中，有时许多不同的分子可以完成相同的工作。考虑一下 RNA 分子，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。

假设您想找到与特定目标分子结合的 RNA 适配体。很多适配体可以做到，还是只做一个？如果只有一个适配体可以完成这项工作，那么它是独一无二的，就像一长串看似随机的字母是独一无二的一样。Szostak 说，这个适配体将有很多他所谓的“功能信息”。

如果许多不同的适配体可以执行相同的任务，那么功能信息就会小得多。因此，我们可以通过探索有多少其他相同大小的分子可以同样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，可以通过实验测量功能信息。他制作了一堆 RNA 适配体，并使用化学方法来识别和分离那些将与选定目标分子结合的适配体。然后，他对获胜者进行了一些突变，以寻找更好的粘合剂，并重复了这个过程。适配体的结合能力越好，随机选择的另一个 RNA 分子也不太可能发挥同样作用：每一轮获胜者的功能信息应该会上升。Szostak 发现，性能最佳的适配体的功能信息越来越接近理论上预测的最大值。

被选为功能

哈森(Hazen)在思考生命起源时发现了索斯塔克的想法——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开始方面发挥了关键作用。哈森称他的结论是，谈论生命与非生命是一种错误的二分法，他觉得必须有某种连续体——必须有一些东西推动这个过程从更简单到更复杂的系统。功能信息有望找到一种方法来应对“各种不断演变的系统日益复杂的问题”。

2007年，哈森与 Szostak 合作编写了一本计算机模拟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自发增加。

这个想法在那里萎靡了多年。哈森不知道如何进一步发展，直到迈克尔·黄于2021 年接受卡内基研究所的奖学金。迈克尔·黄有研究行星大气层背景，但他和 Hazen 发现他们正在思考同样的问题。“从我们坐下来讨论想法的第一刻起，就令人难以置信，”哈森说。

卡内基研究所的矿物学家罗伯特·哈森

“我对在其他世界寻找生命的最新技术感到失望，”迈克尔·黄说，“我认为它对我们在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，我们如何抽象出离地球上生命足够远的地方，即使它有不同的化学特性，我们也能注意到其他地方的生命，但又不能太远，以至于我们会包括飓风等各种自组织结构？

两人很快意识到他们需要来自另一套学科的专业知识。“我们需要从截然不同的角度来解决这个问题的人，这样我们就可以对彼此的偏见进行制衡，”哈森说。“这不是矿物学问题;这不是物理问题，也不是哲学问题。而是一个普遍的问题。

他们怀疑功能信息是理解生物体等复杂系统如何通过随着时间的推移发生的进化过程而产生的关键。“我们都假设热力学第二定律提供了时间之箭，”哈森说。“但宇宙似乎有一条更独特的路径。我们认为这是因为对功能的选择——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不一致。

从这个角度来看，功能信息的概念让团队能够思考看似与生命完全无关的复杂系统的发展。

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。

迈克尔·黄和卡内基研究所

乍一看，这似乎不是一个有希望的想法。在生物学中，功能是有意义的。但是“功能”对岩石来说意味着什么呢？

哈森说，它真正意味着某种选择性过程偏向于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。但在任何给定环境中都只有少数。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。

这可能看起来微不足道，就像说有些物体存在而其他物体不存在，即使它们在理论上可以。但 Hazen 和迈克尔·黄已揭示，即使对于矿物来说，功能信息在地球历史的进程中也有所增加。矿物朝着更复杂的方向发展（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会在土星卫星土卫六富含碳氢化合物的环境中形成——这是不涉及生命的功能信息增加的另一个例子。

化学元素也是如此。大爆炸后的最初时刻充满了未分化的能量。随着事物的冷却，夸克形成，然后凝结成质子和中子。它们聚集成氢、氦和锂原子的原子核。只有当恒星形成并在其中发生核聚变时，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。

迈克尔·黄表示他们的工作暗示了三个主要结论。

首先，生物学只是进化的一个例子。“有一种更普遍的描述推动了复杂系统的进化。”

其次，他说，可能存在“描述这种日益增加的复杂性的时间箭头”，类似于描述熵增加的热力学第二定律被认为可以创造首选时间方向的方式。

最后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进化的工作中，功能信息的增加并不总是渐进的。有时它会发生在突然的跳跃中。这与生物进化中所见的情况相呼应。生物学家早就认识到生物体复杂性突然增加的转变。其中一个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16亿至20亿年前）、寒武纪大爆发（5.4 亿年前）中身体形态的突然多样化以及中枢神经系统的出现（大约 6 亿至 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偶然事件。但在功能信息框架内，进化过程（无论是否生物学）的这种跳跃似乎是不可避免的。

在这些跳跃中，黄将不断演变的物体描绘成进入一个全新的景观，充满可能性和变得有条理的方式，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，在您到达之前，无法猜到的可能性等待着您。

生命的起源，例如，在生命起源期间，最初可能重要的是原始生物分子会持续很长时间——它们会是稳定的。但是，一旦这些分子被组织成可以催化彼此形成的组——考夫曼称之为自催化循环——只要循环持续存在，分子本身就可能是短暂的。现在重要的是动力学稳定性，而不是热力学稳定性。圣达菲研究所的里卡德·索莱（Ricard Solé）认为，这种跳跃可能相当于物理学中的相变，例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变化，无处不在，同时发生。换句话说，在这种观点中，存在着一种进化物理学——这是我们所知道的一种物理学。

生物圈创造了自己的可能性

功能信息的棘手之处在于，与尺寸或质量等度量不同，它是上下文的：它取决于我们希望对象做什么，以及它处于什么环境中。例如，与特定分子结合的 RNA 适体的功能信息通常与与不同分子结合的信息有很大不同。

然而，为现有组件寻找新的用途正是进化的作用。

考夫曼认为，因此，生物进化不仅在不断创造新型生物体，而且在不断为生物体创造新的可能性，这些可能性不仅在进化的早期阶段不存在，而且不可能存在。从30亿年前构成地球生命的单细胞生物的汤中，没有大象会突然出现——这需要一系列先前的、偶然的、具体的创新。

然而，对象的使用次数在理论上没有限制。这意味着进化过程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进化的规则。

生物圈正在创造自己的可能性，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·沃斯和物理学家奈杰尔·戈尔登菲尔德在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。但这种上层规则本身需要发展。因此，我们最终会得到一个无限的等级制度。

亚利桑那州立大学的物理学家保罗·戴维斯 （Paul Davies） 同意，生物进化“产生了自己的扩展可能性空间，无法通过任何确定性过程从先前状态可靠地预测或捕获。因此，生命部分进化仍有许多未知。

复杂性的增加为未来寻找更简单的生物体无法获得的新策略提供了潜力。

从数学上讲，“相空间”是一种描述物理系统所有可能配置的方法，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制定无法证明为真或假的陈述。我们只能通过添加新的公理来决定这样的陈述。

戴维斯及其同事说，与哥德尔定理一样，使生物进化具有开放性并阻止我们能够在自包含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：空间中新行为者的出现反馈给那些已经存在的行为者，为行动创造新的可能性。物理系统的情况并非如此，即使它们在星系中有数百万颗恒星，也不是自我指涉的。

“复杂性的增加为未来寻找更简单的生物体无法获得的新策略提供了潜力，”悉尼大学植物发育生物学家、不完整性论文的合著者马库斯·海斯勒说。戴维斯关于生物进化与不可计算性问题之间的这种联系“直击生命如此神奇的核心”。

那么，生物学在进化过程中具有自我参照产生的开放性方面是否特别呢？Hazen 认为，事实上，一旦复杂的认知被添加到混合物中——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——宏观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。

回归原题

如果哈森及其同事是对的，涉及任何一种选择的进化都不可避免地增加了功能信息——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慧，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·迈尔认为，寻找外星智慧是注定要失败的，因为类人智慧的出现“完全不可能”。毕竟，他说，如果导致文化和文明的层次的智能在达尔文进化论中具有如此适应性的作用，那么为什么它在整个生命之树中只出现过一次呢？

迈尔的进化点可能会在向人类复杂性和智能的跳跃中消失，从而彻底改变整个竞争环境。人类如此迅速地（无论好坏）获得了地球统治地位，以至于何时再次发生的问题变得并不重要。

但是，这种跳跃首先发生的可能性又如何呢？如果新的“功能信息增加定律”是正确的，那么看起来生命一旦存在，就必然会突飞猛进地变得更加复杂。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出现了新的因果定律，虽然这些定律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：伽利略从比萨斜塔上掉下两个质量的实验不再具有预测能力，因为这些质量不是炮弹而是活鸟。

与化学家一起李·克罗宁和格拉斯哥大学的萨拉·沃克 （Sara Walker） 设计了一套替代想法来描述复杂性是如何产生的，称为组装理论。组装理论取代了功能信息，它依赖于一个称为组装指数的数字，该数字衡量从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是否可以在实验室中进行严格测试。“我不确定如何说 [该理论] 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，但在对这一领域进行一些计量之前，我仍然持怀疑态度。

Hazen 承认，对于大多数物理对象，即使在原则上也不可能计算功能信息。他承认，即使对于单个活细胞，也无法量化它。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一个大致的定量意义。同样，我们无法计算小行星带的确切动力学，因为引力问题太复杂了——但我们仍然可以大致描述它，足以让航天器穿过它。

迈克尔·黄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方面是，它们往往制造的有机分子子集比给定基本成分所能制造的要小得多。这是因为自然选择挑选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，如果分子只是随机制造或根据其热力学稳定性制造的话。因此，其他世界生命实体的一个潜在特征可能是在化学热力学或动力学本身会产生之外的类似选择迹象。

迈克尔·黄认为可能还有其他方法可以测试这些想法。他说，在矿物演化方面还有更多工作要做，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可能应用。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，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选择性原则不同，其中选择标准是适应性，而是更类似于 Hazen 及其同事的功能选择的想法。

Hazen 的团队一直在回答从经济学家到神经科学家等研究人员的询问，他们热衷于了解这种方法是否会有所帮助。他表示，人们之所以接近对我们感兴趣，是因为他们迫切希望找到一个模型来解释他们的系统。

但无论功能信息是否成为思考这些问题的正确工具，许多研究人员似乎都在研究复杂性、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。很难不怀疑正在发生一些大事。热力学早期的回声是，热力学从关于机器如何工作的卑微问题开始，最终与时间之箭、生物物质的特殊性以及宇宙的命运交谈。