生命≠活着

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商务咨询/顾问/请@yellowscholar作者：黄先生斜杠青年

#复杂性 #演化 #生物学

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猫是活的，沙发不是：我们知道的太多了。但沙发也是生活的一部分。信息论告诉我们为什么

在房间角落的沙发上，一只猫在咕噜咕噜地叫着。很明显，猫是生命的一个例子，而沙发本身则不是。但是我们应该相信我们的直觉吗？考虑一下：艾萨克·牛顿 （Isaac Newton） 假设宇宙时间在没有外部影响的情况动，相对时间由时钟测量——正如我们的感知告诉我们的那样。两个世纪后，阿尔伯特·爱因斯坦放弃了世界时的概念，而是引入了仅由时钟在当地测量的时间的概念。在爱因斯坦之前，谁会想到太阳、月亮，甚至我们每只手表上的时间都以略有不同的速度运行——时间不是普遍的绝对时间？然而今天，我们的手机必须考虑到这一点，GPS 才能正常工作。

科学取得了惊人的进步，揭示了对物理现实的深刻且往往违反直觉的理解。我们对人体中的原子和夜空中的星星了解很多：比我们对作为生命例子的个体了解得更多。事实上，生命科学家仍在争论生命的确切定义。亚里士多德首先说，生命是生长和繁殖的东西。他对骡子很着迷，骡子是马和驴的杂交品种，总是不育的。但仅仅因为骡子是不育的，你不能说它死了。争论是无休止的：有人说生命必须代谢，也就是说，吸收化合物，将它们转化为能量，并释放一些废物。但是喷气发动机符合条件吗？简而言之，没有任何理论，因此也没有测量设备可以确认或反驳我们的假设，即猫是活的，而沙发不是，甚至在你阅读这篇文章时你还活着。

我是斜杠青年，一个PE背景的杂食性学者！致力于剖析如何解决我们这个时代的重大问题！使用数据和研究来了解真正有所作为的因素！

这并不是因为缺乏尝试。量子物理学之父之一埃尔温·薛定谔 （Erwin Schrödinger） 提出了理解可以解释生命的基本原理的重要一步。薛定谔最出名的可能是他对一只既活又死的猫的思想实验，因此它同时以两种状态存在（在物理学中称为叠加）。但他也因 1943 年在都柏林高等研究所以发人深省的题目“什么是生命”发表的一系列讲座而受到高度评价。这些讲座在次年以书籍的形式出版，并因激励一代又一代的科学家更深入地理解生命而声名鹊起。最广为人知的是他对分子生物学家詹姆斯·沃森 （James Watson） 和弗朗西斯·克里克 （Francis Crick） 的影响，以寻找 DNA 的结构，薛定谔将其预测为“形成遗传物质的非周期性晶体”。

在《什么是生命》中，薛定谔解释了生命与热力学第二定律之间的明显不相容性，热力学第二定律认为物理系统的熵或无序总是增加的。当宇宙必须按照第二定律的要求总是减少其秩序时，生命如何增加秩序呢？薛定谔的回答是，生命必须以“负熵”或自由能为食——我们通常所说的食物和阳光。第二定律规定，当太阳光加热我们的星球时，它被破坏的秩序量必须大于生长中的植物产生的秩序量。

然而，证明生命与物理定律是兼容的，与更强烈地声称生命是由物理定律解释的，是有区别的。薛定谔尤其对生命如何在不断暴露于分子动力学固有的噪音的情况下以如此有序的方式行动感到好奇——这个问题至今仍是一个悬而未决的问题。更难的是解释生命是如何从非生命中出现的。

薛定谔本人也对这些问题感到困惑，他在《什么是生命？》的结尾评论说，也许可能需要一种“新型的物理定律”来解释生命。自薛定谔的书出版以来的 70 多年里，人们曾多次尝试定义生命或至少确定其关键特性。但是，到目前为止，解释性理论仍然难以捉摸。

可能是我们对生活的直觉是错误的，基于有缺陷的感知，因为我们无法直接看到猫和沙发之间的关系。在普遍规则或法则无处不在的理念的推动下，不仅仅是猫、沙发、原子或星系，物理学发现我们世界中隐藏的结构有着悠久的历史。以能量守恒定律为例：没有任何过程会创造或破坏能量，无论是星系还是猫。认识到这一定律的一个重要步骤是认识到动能和热量可以统一。在试图确定生命的物理学时，我们必须将所有生命的例子从根本上视为同一普遍现象的一部分。否则，“life”不是一个客观属性，它是一个特殊情况的集合。如果正如我们所想的那样，正如薛定谔所暗示的那样，确实需要一种“新型物理定律”来解释生命，那么我们不仅必须从根本上重新思考我们对生命的态度，而且必须从根本上重新思考我们对物理学的态度。“生命定律”应该是普遍的，就像物理定律一样。我们应该期望它们不仅适用于地球上的生命，也适用于其他世界的生命，不仅适用于生物学，也适用于一般的物理学。

围绕生命是否受其自身特殊法则支配，或者相同的法则是否适用于生命内部和外部，这并不是什么新鲜事。生命论哲学家认为，生物体有一些特殊之处——一种生命力——将生物与非生物区分开来，在化学中将有机物与非有机物区分开来。生命力应该用来解释为什么细菌不应该自发地出现在污垢中。1859 年，巴氏杀菌过程以他的名字命名的路易斯·巴斯德 （Louis Pasteur） 表明细菌不能自发产生。他的结论是，所有的生命都必须从其他生命中产生。

但今天我们知道，阻止细菌自发产生的并不缺乏一种生命力。相反，还缺少其他东西：信息。我们指的是细菌细胞的结构及其基因组的内容。这些信息是在数十亿年的进化中获得的，无论你有多少污垢，都无法从没有信息的系统中立即再生。在某种程度上，这些信息是真正的生命力：它是区分有生命和非生物的原因。然而，它不是仅由特殊物质所拥有的某种神秘力量，而是通过选择过程随着时间和空间而出现。要了解生命的起源，我们必须了解哪些物质可以获取这些信息，以及它们是如何获得的。

要回答这个问题，我们必须超越克劳德·香农 （Claude Shannon） 的思想，他在 1948 年率先提出了信息理论，部分原因是忽视了意义。例如，在研究无线电信号或其他通信时，Shannon 并不关心传输的信息内容。相反，他感兴趣的是传输的比特是否减少了接收器对发送方状态的不确定性。为了实现这一目标，他只计算了可能性。如果明天可能会下雨或晴天，这两种可能性相同，并且您看到 100% 准确的天气报告说会下雨，那么可能性就会减少两倍。你得到了一点信息。如果你抛硬币并了解哪一面朝上，或者如果你观察一个黑洞以查看它是向左还是向右旋转，情况也是如此。在所有这些例子中，你通过观察恰好获得了一点信息。信息只是预期可能性数量的减少，本质上是减少不确定性。无论消息说什么，这都是正确的——信号的含义与香农的理论无关。

如果我们找到了死去的火星猫，我们就会在火星上找到生命

要发展生命理论，我们需要将香农去除的意义重新放入信息中，进而将其放回物理学中。当台球相互撞击时，它们会变得相关——您可以通过查看另一个球来预测一个球的信息。这是香农意义上的信息：它只是关于减少一旦你对第二个球有所了解，第一个球可能处于的状态的数量。另一方面，当生命获得有关其环境的信息时，这些信息并不是关于预测任意状态的可能性。这就是我们所说的“功能信息”——关于如何在环境中更好地生存，以及如何在下一代中复制这些信息的信息。

另一位 20 世纪的博学家从数学的角度研究了繁殖和信息传递。约翰·冯·诺伊曼 （John von Neumann） 是许多领域的先驱，包括计算机的早期发展、博弈论和经济学。他认识到，要让有机体或任何复制机器——他称之为通用构造器——建造自己，它们需要一个程序来指定如何做到这一点，以及一种复制这个计划并将副本转移到新实体的方法。构造器比沙发等东西更复杂。沙发只能由信息生成，但构造者也可以通过处理信息来生成新事物（这包括自己的突变变体，这首先允许进化工作）——也就是说，他们可以使用信息。从这个意义上说，猫是一个可编程的构造器，你也是，但沙发不是。然而，在所有这些情况下（沙发和猫等），需要一个进化过程来产生它们。

因此，可以解释生命系统的信息理论必须考虑信息的两个方面——信息是如何获取的，以及如何使用。这些信息是在进化过程中获得的，例如通过选择，通过适者生存。正如薛定谔所指出的，这些信息的使用是通过吸取负熵来实现的，以支付生物体生存所需的组织增加的费用，它们可以做到这一点，因为它们是关于如何生产自己的信息的构建者。

一个在这一点上，区分与信息的获取和使用有关的两个概念是有启发性的：我们将它们称为 Life 和 Alive。Alive 是指持续使用负熵。它与死相反。在活着的时候，猫可以利用它以食物形式获得的负熵在细胞中产生秩序，来构建自己。存活的事物是构造函数。死猫已经不能再这样做了。活着需要一个维持体内平衡的过程，即克服扰动并维持有机体的整体平衡。

另一方面，生命是指生成所需信息的过程。它还生成有生命的事物以及产生它们所需的信息。生活中还包括获取信息以生成无生命事物的情况，例如沙发。这是生成信息的过程，这些信息会随着时间的推移和不同的物理事物（从父母到后代或个体之间）被复制。生命会随着时间的推移产生长长的信息线——进化生物学家称之为谱系：猫的谱系，从所有猫的祖先一直到坐在沙发上的猫;从第一个座位到沙发的信息谱系;以及从生命起源到猫肠道细菌的谱系。这些谱系将被科学家称为“开放式”的谱系，也就是说，它们是不断进化和扩展新奇事物的候选者。已知生命是我们的生物圈，包括地球上已经存在的所有谱系以及将从它们进化而来的未来谱系。活着的事物是通过构建新的可能性，在空间和时间上扩展这一过程的生成系统。因此，猫和沙发都是生命，但只有猫是活的。

要了解为什么区分生命和活着是有用的，我们可以考虑关于生命定义的辩论中使用的一个常见例子：病毒。生物学上关于病毒是否活着存在分歧。它们没有自己的稳态机制，而是利用宿主细胞的稳态机制来借用产生更多病毒所需的机制。因此，根据一般标准，病毒不是活的，因为它们不是能够自我复制的构造器。但它们仍然可以成为生活。病毒，如细胞、猫或人类，是通过一个收集功能信息的漫长过程出现的。如果我们想解释生命的起源，我们必须能够解释这个过程是如何出现的。一只死猫不是活的，但它就是生命——它也是通过获取功能信息的漫长过程出现的。如果我们能解释死猫的起源，我们就解释了生命的起源，如果我们找到了死去的火星猫，我们就在火星上找到了生命。因此，区分有机体（活着的事物）与产生它使用的信息的过程（生命）是很重要的。

有可能每次生命在宇宙中出现时，我们都会出现我们称之为活着的事物，或者具有我们认为是活着的一些特征。他们可能会使用信息和负熵来维持自己。但是，根本不清楚所有生命都会在生命存在的地方导致有生命的事物，也不清楚活着的哪些特征对于生物圈的开放式进化和扩展是必要的。

想象一下，您建造了一台名为 Alice 的复杂 3D 打印机，这是第一台能够自行打印的打印机。与 von Neumann 的构造函数一样，您可以为其提供指定其自己的计划的信息，以及用于复制该信息的机制：Alice 现在是一个完整的 von Neumann 构造函数。你在地球上创造了新的生命吗？

生物谱系，例如我们 ~40 亿年前的谱系，可能是地球上最古老的物理结构之一，因为它们不断自我再生

假设您随后装配 Alice，以便它（通过您的设计）获得更多信息：它可以使用岩石和从中衍生的矿物作为原材料来制造新的 3D 打印机。爱丽丝和她的后代（鲍勃、查理、黛西和夏娃）现在是活着的吗？你对不断为四处奔跑的所有小型 3D 打印机寻找原材料感到恼火，你决定为一个后代 Eve 配备更多获得的信息：太阳能电池板作为能源，使 Eve 能够自己出去，并使用获得的信息来寻找矿物。夏娃现在是生命吗？

对于这个最新的设计，您因设计了有史以来第一台完全自主且不需要监督的自我复制 3D 打印机而广受赞誉。你投入了大量信息和编程来制作你的构造函数。尽管您非常关心您的创造物，但您的保险公司担心如果 Eve 接管地球会带来不利的损失。因此，您想出一种方法，让您的小型自主 3D 打印机作为偷渡者执行下一次火星任务。想象一下，夏娃在火星上一个隐蔽的山谷中过着幸福的生活，并继续产生许多自己的复制品。几百万年后，人类发现了这个山谷，发现 3D 打印机的进化过程产生了各种各样的山谷，这些打印机与您的原始设计完全不同——小的、大的、蓝色的、红色的、寻找其他 3D 打印机寻找资源的等等。

这个思想实验的价值在于，它允许我们玩弄生命和活着的概念。直觉上，我们感觉到生命出现了，或者新的机器人甚至还活着。3D 打印机成为了生命吗？如果是这样，它们在什么时候变成了生命？他们还活着吗？

3D 打印机形成一个谱系。在火星上，通过进化发现了新的功能，分支出新的谱系，每个谱系都有通过选择开发的独立衍生功能。但回到地球上，这个血统的起源是你的工程学。而您自己也是近 40 亿年历史谱系的一部分，可以追溯到地球上生命的起源。请注意，3D 打印机世系和您的世系并不是真正分开的。如果没有地球上功能信息的悠久历史积累，3D 打印机就不会出现，就像如果没有那段悠久的历史，你永远不会出现一样。正是出于这个原因，要真正研究生命的独立例子，我们必须发现外星生命，而不仅仅是在实验室中制造。

在试图创造人造生命的过程中，不可能去除我们自己的能动性：我们创造的任何东西都是我们自己血统的一部分，因此代表着同样的生命。生物谱系，例如我们 ~40 亿年前的谱系，可能是地球上最古老的物理结构之一，因为它们不断自我再生。不仅如此，它们还由信息驱动，不断扩展和发展。

但是让我们看看构成我们的函数信息。有些是在大约 40 亿年前生命开始时获得的，但大多数是在进化过程中获得的。我们在大约 5.4 亿年前学会了如何构建我们的身体，并可能在过去 100 万年前学会了如何消化熟食。我们是一堆信息，在不同阶段获得，有些是通过肠道中的细菌获得的，有些是通过培养获得的。从血统的角度来看，3D 打印机永远是生命，在我们的思想实验中没有非生命/生命的转换。但是在它们的进化过程中确实发生了一些变化——他们在火星上获得了数百万年的功能信息，并能够利用这些信息来做新奇的事情——也就是说，它们更接近我们所说的活着的东西。正是从这个意义上说，我们可以将 3D 打印机视为有生命事物的新例子，每一种都为生命创造了新的可能性。

我们的目标是了解地球和其他世界的生命，并了解其起源。但为了实现这一目标，我们可能必须从根本上改变我们对生活的看法。猫是活着的生物体的一个实例。但它也是一个 40 亿年前独立衍生的功能信息谱系。薛定谔的猫是活着还是死了这个问题可能不是正确的问题——无论哪种情况，都是生命。

在房间的角落里，坐着一个 40 亿年前的血统，目前是一只猫的形状。这就是生活。

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