物理学杂志·复杂：复杂信息层级结构的出现与生物系统的开放演化

导语

生物体是如何持续进行开放演化的，这篇2025年1月23日发表于Journal of Physics: Complexity 的论文给出的回答是：每当生命把自己的一部分规律内化成自身的一部分，就会产生新的不可判定的矛盾；通过跳出当前系统，进入一个更大的问题空间。文中将这个过程称为生物时间之箭。这种持续的自指，意味着进化规则本身也要进化，而描述 "规则如何进化" 的规则又要进化。

关键词：自指、开放演化、复杂层次结构、递归、元模拟

郭瑞东丨作者

赵思怡丨审校

论文题目：Biological arrow of time: emergence of tangled information hierarchies and self-modelling dynamics 论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2632-072X/ad9cdc 发表时间：2025年1月23日 论文来源：Journal of Physics: Complexity

图灵跃迁开启的开放式元模拟

复制分子进入细胞、原核到真核、单细胞到多细胞、直到出现社会性与语言。生物复杂性为什么能持续增长？这个问题被称作 “开放进化（open-ended evolution）”之问。这个问题实际要问的，是自然选择只是指出适者生存，却难以解释适者是如何出现的。

文中回答的方式是采用形式化的计算理论框架。文中将生物体视为多层次的动态计算系统。进化的动力在于找出对环境和自身进行高效信息编码。然而，任何编码系统都不可避免地会遭遇计算理论中的 “不可判定性（Undecidability）” 或“悖论”，如哥德尔不完备定理或图灵停机问题。

图1：图灵预言机

对此，文中给出回答是增加层级，在图灵机外加一个图灵预言机（图1），从而解决原本不可判定问题。这等价于给形式系统添加一条新公理。而更高阶的预言机可以解决更低阶的停机问题，这被称为图灵跳跃（Turing jump）。不断生成更高阶判定问题的过程永不终结（图2）。通过使用高阶系统模拟低阶系统、回答低阶不可解的问题，作者称之为开放式元模拟（open-ended meta-simulation）。

图2：α阶图灵预言机的开放式序列

具有“上下因果循环”的缠绕信息层级

侯世达在《哥德尔、艾舍尔、巴赫》中提出纠缠的信息层级（tangled hierarchy）与怪圈（strange loop）。当顶层规律向下影响底层，同时自身又被底层决定（图3）。 涌现（bottom-up）与自上而下的因果力（top-down）交织成一个没有单一方向的环 。

图3：怪圈可处理不同尺度上检测到的规律，并据此做出响应。

文中进一步将怪圈这个概念细化，分为无自我建模能力的缠绕层级的TH1与具有自我建模能力的缠绕层级TH2。前者（图4）仅能通过简单的物理/化学反馈进行分布式协调，如蚂蚁留下的信息素；后者（图5）进化出了将宏观涌现的规律压缩并编码到微观组件中的能力，如DNA基因型对表型的编码。

图4：TH1示例，觅食的蚂蚁会释放信息素，这些信息素会在环境中扩散并蒸发；蚂蚁会朝着信息素浓度较高的地方移动，这种行为利用了间接协调机制；通过这种相互作用，会形成一个最短的路径，从而影响蚂蚁的觅食行为

图5： 基因型与表型的关系构成了TH2型的怪圈。基因表达使得生物体呈现出可观察到的表型特征（自下而上）。在表型既定的情况下，选择压力更新编码表型的遗传信息（自上而下）。

TH1要复制信息素最优路径，必须复制整个环境状态，要访问所有可能的轨迹；TH2只要复制压缩编码即可。这让复制从重演整个世界"变成了拷贝一张蓝图。例如军蚁的 "死亡漩涡"（ant mill）指环境扰动使蚂蚁失去信息素路径，它们会互相追尾、绕圈致死。这揭示了TH1型相比TH2型的缺陷。

而对于TH2型，当环境发生剧烈变化，或者系统内部的寄生/冲突元素利用了现有编码的漏洞时，当前层级的“计算”就会崩溃，系统面临无法在当前规则下解决的生存危机。这被称为表达-指代差异（Expression-Referent Discrepancy），即可能存在的对象/状态（表达）”永远多于“系统能编码的符号（指代）。

在进化中，上述现象多次出现。单细胞无法同时兼顾运动与繁殖，多细胞生物的细胞分化，创造了一个全新的问题空间，化解了微观层面的不可判定性，相当于单细胞的“元模拟器（Meta-simulator）”。而多细胞的出现，则带来新的表达—指代差异。每次跳出系统都会制造新矛盾，新矛盾从而驱动下一轮的进化跃迁。这样一个开放、不可逆的螺旋，就是生物的时间箭头 。

开放式元模拟与先前理论的对比

在该文的讨论部分，作者探讨本文提出的开放式元模拟与现有理论的差异。生物学中，病毒是生物系统内部的“说谎者程序”。它们利用宿主自我描述（基因编码）的漏洞，反转宿主的意图。真核细胞为了处理病毒，进化出基因调控机制，最终为多细胞生物的复杂分工（元模拟）铺平了道路，这符合扩展基因组的进化作用 (Evolutionary role of expanded genomes)。

动力学稳定性递增理论 (Increasing dynamic kinetic stability, DKS)认为生命通过自催化和合作行为，形成更稳定的动力学模式。而该文指出这仅对应TH1型。功能信息递增理论（Gain of Functional Information）认为进化的核心是系统功能信息的增加。该理论强调某些生命具备反事实推理能力，能想象以前不存在的现实版本，这是生成新颖性的关键。而在哥德尔和图灵的框架中，要构造一个导致系统崩溃的“悖论”必须依赖于逻辑上的“否定（Negation）”操作。因而生命之所以能“想象不存在的现实”，正是因为它具备了在内部模拟“否定”这一能力。这虽然带来了极大的适应优势，但也必然在系统内部制造出表达与指代的矛盾。而要解决这些矛盾，就需要构建更广阔的问题空间，并引入新的规则。

组装理论试图解释并量化在新颖性产生过程中的选择和进化现象，而Kauffman的邻近可能性指那些仅一步之遥就能达到的所有潜在配置状态。这些可能性受到系统现有组件、结构以及系统知识的限制。当系统在当前的“组装空间”中穷尽了可能性，遇到无法用现有模块解决的生存矛盾时，系统就必须进行一次“图灵跃迁”。这相当于在组装理论中引入了一种全新的“基本模块”或“连接规则”，从而让原本不属于“相邻可能”的空间变成了新的相邻可能。

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