撰文 菲利普·鮑爾（Philip Ball）

翻譯 張雪

審校 胡家僖

圖片來(lái)源：Olena Shmahalo/Quanta Magazine

物理學(xué)和生物學(xué)的差別究竟是什么？如果從比薩斜塔上向下拋高爾夫球或炮彈，用物理學(xué)定律就能精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡。

但如果用鴿子替代炮彈來(lái)做同一實(shí)驗(yàn)的話，結(jié)果就不同了。生物系統(tǒng)當(dāng)然不會(huì)違背物理學(xué)定律，可我們?cè)僖矡o(wú)法通過(guò)物理學(xué)定律來(lái)預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。生物學(xué)與物理學(xué)不同，生物系統(tǒng)有著明確的目標(biāo)，就是生存和繁衍。我們可以這樣說(shuō)：生物系統(tǒng)的目的引導(dǎo)著他們的行為。哲學(xué)家們?cè)趥鹘y(tǒng)上稱其為目的論（teleology）。

如今，借助物理學(xué)，我們能預(yù)測(cè)出從大爆炸后十億萬(wàn)分之一秒時(shí)的宇宙狀態(tài)一直到宇宙現(xiàn)在的樣子，但是卻沒(méi)人能夠想象地球上第一個(gè)原始細(xì)胞的出現(xiàn)竟預(yù)示著人類(lèi)的誕生。物理學(xué)法則似乎并不能指示演化的過(guò)程。

演化生物學(xué)家恩斯特·邁爾（Ernst Mayr）表示，生物學(xué)這門(mén)科學(xué)獨(dú)一無(wú)二的特性，就來(lái)自于它的目的論和歷史偶然性。而這兩種特性可能都來(lái)源于它唯一遵循的指導(dǎo)原則——演化。演化取決于偶然性和隨機(jī)性，但自然選擇卻令其表現(xiàn)出意圖和目的。動(dòng)物接近水源并不是受某種磁力吸引，而是出于它們內(nèi)在的生存渴望。而我們之所以會(huì)長(zhǎng)兩條腿，其目的之一就是為了幫助我們走向水源。

邁爾認(rèn)為，這些特性令生物學(xué)非比尋常——生物學(xué)本身就是一項(xiàng)定律。但是，近期，非平衡態(tài)物理學(xué)、復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)和信息理論的近期發(fā)展正在向這種觀點(diǎn)發(fā)起沖擊。

一旦我們把生物看做一種“計(jì)算機(jī)”，不斷收集并存儲(chǔ)關(guān)于不可預(yù)知環(huán)境的信息，那么繁殖、適應(yīng)、能動(dòng)性、目的和意義就可以被理解為物理學(xué)定律的必然結(jié)果，而不再是演化的即興創(chuàng)作。換言之，物理學(xué)定律一直參與其中，并且還在不斷發(fā)展?！澳康男浴焙汀耙鈭D”原先被我們認(rèn)為是生命系統(tǒng)的本質(zhì)特征，但現(xiàn)在看來(lái)，它可以在熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)定律的作用下自然而然地誕生。

去年11月，物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、計(jì)算機(jī)科學(xué)家與演化及分子生物學(xué)家們?cè)诿绹?guó)圣塔菲研究所（Santa Fe Institute）的一場(chǎng)研討會(huì)上就這些問(wèn)題進(jìn)行了共同討論，這里正是復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)研究的勝地。他們討論的內(nèi)容在本質(zhì)上就是這一個(gè)問(wèn)題：生物學(xué)特殊在何處？

當(dāng)然啦，科學(xué)家們無(wú)法就此達(dá)成共識(shí)，這不足為怪。但有一條非常清晰的信息是，如果生物學(xué)的目的論和能動(dòng)性背后的確有物理學(xué)原理，那么同樣的概念也應(yīng)存在于基礎(chǔ)物理學(xué)的核心內(nèi)容之中——那就是信息。

人類(lèi)第一次嘗試將信息和意圖融入熱力學(xué)定律是在19世紀(jì)中葉，那時(shí)蘇格蘭科學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）剛剛創(chuàng)立統(tǒng)計(jì)力學(xué)。麥克斯韋發(fā)現(xiàn)，將信息與目的性融入統(tǒng)計(jì)力學(xué)，似乎就能夠解釋熱力學(xué)無(wú)法單獨(dú)解釋的內(nèi)容。

熱力學(xué)認(rèn)為，氣體是由無(wú)數(shù)在熱能作用下隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的分子組成的，麥克斯韋利用熱力學(xué)推導(dǎo)出了氣體壓力、體積、溫度等性質(zhì)間存在可預(yù)測(cè)且可靠的數(shù)學(xué)關(guān)系。換言之，熱力學(xué)這門(mén)新興的科學(xué)，將氣體的宏觀性質(zhì)，如壓力和溫度，與分子和原子等微觀水平的統(tǒng)計(jì)力學(xué)結(jié)合了起來(lái)。

根據(jù)熱力學(xué)原理，從宇宙的能量資源中獲取有用功的能力總是隨時(shí)間不斷遞減的。能量的聚集度總會(huì)逐漸降低，慢慢消散。在每個(gè)物理過(guò)程中，不可避免地會(huì)有部分能量以余熱的形式耗散掉，消失在分子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)中。這種隨機(jī)性也就是熱力學(xué)中所說(shuō)的“熵”（entropy）——熵是體系混亂程度的度量，熱力學(xué)第二定律表明，它永遠(yuǎn)是增加的。宇宙最終會(huì)趨向于均衡、無(wú)聊的混亂狀態(tài)：這是一種平衡狀態(tài)，在這種狀態(tài)下熵值達(dá)到最大，并且不再發(fā)生任何有意義的事情。

難道我們命中注定要走向如此凄涼的結(jié)局嗎？麥克斯韋不愿相信這個(gè)結(jié)局。1867年，麥克斯韋開(kāi)始尋找熱力學(xué)第二定律的“漏洞”。他設(shè)想了一個(gè)無(wú)序的封閉體系，其中充滿了隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的分子，而后，他想達(dá)到的目標(biāo)就是將速度最快的分子與速度最慢的分子分離開(kāi)，從而降低這一物理過(guò)程中的熵值。

想象下，有這么一個(gè)“小妖精”（被稱為“麥克斯韋妖”，Maxwell’s demon）能夠看到一個(gè)封閉盒子中的每個(gè)分子。盒子從中間被分成了兩個(gè)隔室，中間的隔板上有一道滑動(dòng)門(mén)，小妖精就控制著這道門(mén)，每次看到右隔室中有特別活躍的分子正在接近這扇門(mén)，就打開(kāi)門(mén)讓分子通過(guò)，而每次看到左隔室中有緩慢不動(dòng)的分子在接近這扇門(mén)時(shí)，他也打開(kāi)門(mén)讓它通過(guò)。最終，小妖精讓右隔室中充滿了運(yùn)動(dòng)速度較慢的分子，而左隔室中則充滿了運(yùn)動(dòng)速度教快的分子——也就是說(shuō)右邊冷，左邊熱，這就是個(gè)可以利用的熱源。

不過(guò)，這一設(shè)想只有滿足兩個(gè)條件才能實(shí)現(xiàn)。首先，妖精所了解的信息要比我們更多：它必須能觀察到所有的單個(gè)分子，而不僅僅只是知曉統(tǒng)計(jì)平均值。其次，這一過(guò)程是有目的性的：它的目的就是將冷熱氣體分離開(kāi)。有意地利用這些知識(shí)，就能否定熱力學(xué)定律——至少看起來(lái)是這樣。

但麥克斯韋設(shè)想中的小妖精實(shí)際上并不能打破熱力學(xué)第二定律，阻止我們走向無(wú)可避免的致命熱寂。這其中的原因就在于，熱力學(xué)與信息處理（即計(jì)算）之間有著深刻的聯(lián)系。德裔美國(guó)物理學(xué)家羅爾夫·蘭道爾（Rolf Landauer）表明，即便妖精能夠收集信息，并且可以在不耗費(fèi)能量的情況下移動(dòng)這扇沒(méi)有摩擦力的門(mén)，這個(gè)過(guò)程最終還是會(huì)有能量損失的。因?yàn)檠豢赡軣o(wú)限地記住每個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)，它必須不定期地清空記憶，也就是忘掉之前的內(nèi)容重新開(kāi)始，這就意味著它無(wú)法持續(xù)收集能量。消除信息的行為會(huì)產(chǎn)生不可避免的代價(jià)——消耗能量，因而也會(huì)增加熵值。小妖精辛辛苦苦做出的所有違反熱力學(xué)第二定律的努力都被“蘭道爾極限”付之一炬。蘭道爾極限表明，信息消除，或是更廣義來(lái)講，將信息從一種形式轉(zhuǎn)換成另一種形式需要一個(gè)最低的能量代價(jià)。

而我們生物體，似乎就是麥克斯韋口中的妖精。盡管裝滿反應(yīng)化學(xué)物質(zhì)的燒杯最終會(huì)耗盡能量并趨于平靜、達(dá)到穩(wěn)態(tài)，但自從35億年前生命的起源開(kāi)始，所有的生物體就一直在避免這種毫無(wú)生氣的平衡狀態(tài)。他們“有意”從周?chē)沫h(huán)境中收集能量來(lái)維持這種非平衡狀態(tài)，即便是簡(jiǎn)單的細(xì)菌也是“有意”朝著熱量和營(yíng)養(yǎng)來(lái)源移動(dòng)的。物理學(xué)家埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr?dinger）在他1944年出版的《生命是什么》一書(shū)中也曾描述過(guò)這種觀點(diǎn)：生物體以“負(fù)熵”為生。

薛定諤認(rèn)為，生物體通過(guò)捕捉和儲(chǔ)存信息實(shí)現(xiàn)了這一過(guò)程。其中一部分信息就編碼在生物體的基因中并且世代傳遞——這一套指令能幫助他們收獲負(fù)熵。薛定諤并不知道這些信息儲(chǔ)存在哪里或者是如何編碼的，但他憑直覺(jué)猜測(cè)，這些信息編寫(xiě)在某種“非周期性晶體”（aperiodic crystal）中，這一概念令物理學(xué)家弗朗西斯·克里克（Francis Crick）和詹姆斯·沃森（James Watson）獲得了靈感，他們最終在1953年發(fā)現(xiàn)了遺傳信息在DNA分子結(jié)構(gòu)中的編碼形式。

在某種程度上來(lái)說(shuō)，基因組就是生物體祖祖輩輩賴以存活的有用信息的一套記錄——至少是一部分記錄。根據(jù)圣塔菲研究所數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家，也是研討會(huì)召集者戴維·沃爾珀特（David Wolpert）及其同事阿特米·科爾欽斯基（Artemy Kolchinsky）的說(shuō)法，這其中的關(guān)鍵點(diǎn)在于，生物體超強(qiáng)的適應(yīng)力與環(huán)境息息相關(guān)。如果細(xì)菌能夠可靠地朝食物來(lái)源的方向游動(dòng)，那它就更具適應(yīng)性，因此比隨機(jī)游動(dòng)、僅靠運(yùn)氣獲取食物的細(xì)菌生長(zhǎng)得更加旺盛。生物體狀態(tài)及生物體生活環(huán)境之間的聯(lián)系表明，二者能夠共享信息。沃爾珀特和科爾欽斯基認(rèn)為，正是這些信息幫助生物體躲避了死氣沉沉的平衡態(tài)——正如麥克斯韋的妖精一樣，生物體因?yàn)榱私庑畔⒉拍苷{(diào)整自己的行為，從周邊環(huán)境的漲落中獲取有用功。如果生物體無(wú)法知曉這些信息，它們便會(huì)逐漸趨于平衡態(tài)——死亡。

這樣看來(lái)，生命可以被視為一種計(jì)算過(guò)程——它的目標(biāo)就是最大化地實(shí)現(xiàn)有意義信息的儲(chǔ)存和利用。事實(shí)上，這正是生物體極其擅長(zhǎng)的事情。蘭道爾針對(duì)麥克斯韋惡魔難題所給出的答案，為有限記憶計(jì)算所需的能量值設(shè)置了絕對(duì)下限，也就是信息消除的能量損失。當(dāng)今最好的計(jì)算機(jī)的能量消耗要遠(yuǎn)比這個(gè)數(shù)值大得多，通常而言，計(jì)算機(jī)的能量消耗和耗散值是這一數(shù)值的100萬(wàn)倍以上。但據(jù)沃爾珀特所說(shuō)，對(duì)單個(gè)細(xì)胞總計(jì)算量的熱力學(xué)效率的保守估計(jì)，細(xì)胞消除信息的能量消耗僅僅是蘭道爾極限的十倍左右。

他表示，這意味著，自然選擇與實(shí)現(xiàn)計(jì)算的熱力學(xué)消耗最小化高度有關(guān)，即自然選擇會(huì)盡其所能來(lái)降低細(xì)胞必需工作的總計(jì)算量。換言之，生物學(xué)似乎不太在意生存問(wèn)題（可能人類(lèi)是個(gè)特例），他認(rèn)為，到目前為止，生物學(xué)著重考慮的應(yīng)該是生命計(jì)算過(guò)程的利益與代價(jià)問(wèn)題。

因此，我們可以從一個(gè)新的角度來(lái)理解生物體：它們利用信息來(lái)適應(yīng)環(huán)境并收集能量、逃避平衡態(tài)。這聽(tīng)起來(lái)可能有些拗口，而且要注意到，這其中完全沒(méi)有提及基因和演化，那可是邁爾等大多數(shù)生物學(xué)家認(rèn)為生物學(xué)目的和意圖所依賴的根本。

那么，這種設(shè)想會(huì)給我們帶來(lái)什么影響呢？自然選擇所依賴的基因無(wú)疑是生物學(xué)的核心。自然選擇驅(qū)動(dòng)的演化過(guò)程會(huì)不會(huì)只是純粹的物質(zhì)宇宙中一系列更普遍指令中的一個(gè)特例呢？事實(shí)似乎如此。

長(zhǎng)久以來(lái)，適應(yīng)性一直是達(dá)爾文進(jìn)化論的標(biāo)志。但是，麻省理工學(xué)院的杰里米·英格蘭（Jeremy England）卻認(rèn)為，復(fù)雜的非生物系統(tǒng)也能產(chǎn)生對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。

這里所說(shuō)的“適應(yīng)性”的含義要比通常達(dá)爾文學(xué)說(shuō)中對(duì)適于生存的有機(jī)體的描述要更加具體。達(dá)爾文學(xué)說(shuō)中的一個(gè)矛盾在于，在不回顧過(guò)去的情況下，你根本無(wú)法界定某種生物的適應(yīng)性?！斑m者”是那些最終更善于生存和繁衍的生物，但你無(wú)法提前預(yù)測(cè)什么才是適應(yīng)性所需要的特質(zhì)。鯨魚(yú)和浮游生物都適應(yīng)海洋生活，但二者的關(guān)聯(lián)性恐怕少得可憐。

英格蘭對(duì)于“適應(yīng)”的定義與與薛定諤更為相近，從本質(zhì)上與麥克斯韋如出一轍，即具有“適應(yīng)性”的實(shí)體能夠從不可預(yù)測(cè)的漲落環(huán)境中有效地吸收能量。這就像一個(gè)人能夠在搖擺的船上站穩(wěn)而其他人都從船上跌落了，這是因?yàn)檫@個(gè)人擅長(zhǎng)根據(jù)甲板的搖動(dòng)而進(jìn)行調(diào)整。利用非平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)力學(xué)中的概念和方法，英格蘭及其同事，認(rèn)為這些適應(yīng)性強(qiáng)的系統(tǒng)能夠吸收并耗散環(huán)境的能量，同時(shí)在這一過(guò)程中產(chǎn)生熵。

復(fù)雜系統(tǒng)能夠輕而易舉地進(jìn)入這些適應(yīng)性強(qiáng)的狀態(tài)，英格蘭說(shuō)道：“熱漲落的物質(zhì)通常會(huì)自發(fā)地形成某種形狀，以此從隨時(shí)間變化的環(huán)境中獲取有用功?！?/p>

這一過(guò)程完全不涉及達(dá)爾文學(xué)說(shuō)所包含的在復(fù)制、突變和特征遺傳機(jī)制中逐漸適應(yīng)環(huán)境的過(guò)程，它甚至根本不包括復(fù)制?！白屛覀兏械脚d奮的是，這意味著，一種看似具有適應(yīng)性的結(jié)構(gòu)并不非得擁有通常生物學(xué)意義上的雙親，”英格蘭說(shuō)道，“因此，即便不存在自我復(fù)制，或者達(dá)爾文學(xué)說(shuō)的邏輯無(wú)效時(shí)，我們?nèi)钥梢杂脽崃W(xué)來(lái)解釋演化的適應(yīng)性——只要這個(gè)問(wèn)題中的系統(tǒng)足夠復(fù)雜、足夠普遍化，且敏感到能夠響應(yīng)所處環(huán)境的漲落?！?/p>

但是，物理學(xué)的適應(yīng)性和達(dá)爾文學(xué)說(shuō)的適應(yīng)性之間并無(wú)矛盾。實(shí)際上，后者可以被看作是前者的特例。如果存在復(fù)制，那么自然選擇就成為了系統(tǒng)從環(huán)境中吸收有用功（即薛定諤所說(shuō)的負(fù)熵）的路徑。自我復(fù)制對(duì)于穩(wěn)定的復(fù)雜系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一種極好的機(jī)制，所以生物學(xué)毫無(wú)疑問(wèn)會(huì)利用這種機(jī)制。但是，復(fù)制通常不會(huì)發(fā)生在非生命世界里，在非生命世界里，適應(yīng)性強(qiáng)的耗散結(jié)構(gòu)傾向于高度組織化，例如沙子在風(fēng)作用下經(jīng)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)而形成的高度組織化的沙紋和沙丘結(jié)構(gòu)。這樣看來(lái)，達(dá)爾文進(jìn)化論可以被視為掌管非平衡系統(tǒng)的更普遍的物理定律的一種特定實(shí)例。

復(fù)雜結(jié)構(gòu)適應(yīng)漲落環(huán)境的情況還能幫助我們推斷出這些結(jié)構(gòu)儲(chǔ)存信息的方式。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，不管這些結(jié)構(gòu)是否具有生命，只要它們被迫有效利用可用的能量，它們就很可能成為“預(yù)測(cè)機(jī)器”。

生命的一項(xiàng)根本特征，大概就是生物系統(tǒng)可以響應(yīng)環(huán)境中的驅(qū)動(dòng)信號(hào)并改變自身的狀態(tài)。環(huán)境發(fā)生變化，生物就做出響應(yīng)。植物會(huì)向光生長(zhǎng)，受病原物攻擊時(shí)也會(huì)產(chǎn)生毒素。這些環(huán)境信號(hào)通常是不可預(yù)測(cè)的，但生命系統(tǒng)卻能夠積累經(jīng)驗(yàn)、儲(chǔ)存關(guān)于環(huán)境的信息，并利用信息來(lái)指導(dǎo)未來(lái)的行為。（在這種情況下，基因僅僅提供了基礎(chǔ)而通用的基本要素。）

對(duì)于生物而言，預(yù)測(cè)并非可有可無(wú)的一種選擇。根據(jù)夏威夷大學(xué)的蘇珊娜·斯蒂爾（Susanne Still）、此前工作于勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的加文·克魯克斯（Gavin Crooks）及其同事們的工作，預(yù)測(cè)未來(lái)對(duì)于隨機(jī)漲落環(huán)境中的任何高能效系統(tǒng)而言都是十分必要的。

斯蒂爾及其同事表示，儲(chǔ)存對(duì)未來(lái)毫無(wú)預(yù)測(cè)價(jià)值的過(guò)往信息是有熱力學(xué)代價(jià)的。為了達(dá)到效率最大化，系統(tǒng)必須有所選擇。如果系統(tǒng)不加選擇地記住發(fā)生過(guò)的所有事情，它會(huì)蒙受巨大的能量損失。從另一方面來(lái)說(shuō)，如果系統(tǒng)根本不儲(chǔ)存任何環(huán)境信息，那么它就得不斷應(yīng)對(duì)各種意想不到的麻煩?！盁崃W(xué)最優(yōu)化的機(jī)器必須舍棄過(guò)去的無(wú)用信息，只保留用于預(yù)測(cè)的記憶?！毖芯康墓餐髡摺⒛壳肮ぷ饔谖髅筛ダ诐纱髮W(xué)的戴維·西瓦克（David Sivak）說(shuō)道。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)一定要善于收集有意義的信息，也就是在未來(lái)的生存中有可能發(fā)揮價(jià)值的信息。

你可能認(rèn)為，是自然選擇會(huì)傾向于讓高效利用能量的生命體存活。但即便是人體細(xì)胞中諸如泵或發(fā)動(dòng)機(jī)一類(lèi)的生物分子機(jī)器，也會(huì)自己積累經(jīng)驗(yàn)來(lái)應(yīng)對(duì)未來(lái)。斯蒂爾表示，為了實(shí)現(xiàn)驚人的效率，這些分子機(jī)器必須“暗中構(gòu)建目前所能創(chuàng)造的最簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)模式，并為即將到來(lái)的事情做出準(zhǔn)備”。

即便生物系統(tǒng)已能在沒(méi)有演化或復(fù)制的條件下通過(guò)非平衡狀態(tài)熱力學(xué)獲得了某些基礎(chǔ)的信息處理特征，你可能還是認(rèn)為，工具使用或社會(huì)合作這類(lèi)更復(fù)雜的特征一定要通過(guò)演化來(lái)獲得彌補(bǔ)。

但事實(shí)并不是這樣。工具使用和社會(huì)合作等行為通常被視為只有靈長(zhǎng)類(lèi)和鳥(niǎo)類(lèi)等高度發(fā)達(dá)物種的專屬行為，但其實(shí)我們利用相互作用粒子組成的簡(jiǎn)單模型系統(tǒng)就可以對(duì)其進(jìn)行模擬。這其中的奧秘就在于，系統(tǒng)受到約束條件的指引：在既定時(shí)間跨度內(nèi)，系統(tǒng)需令自身產(chǎn)生的熵值達(dá)到最大（在這種情況下，熵值是以粒子可能采取的路徑而衡量的）。

長(zhǎng)久以來(lái)，熵極大一直被視為非平衡系統(tǒng)的特征之一。但是這一系統(tǒng)模型會(huì)遵循這樣一條原則：它會(huì)令自己的熵在從現(xiàn)在到未來(lái)的一段固定時(shí)間窗口內(nèi)達(dá)到最大。換言之，這個(gè)系統(tǒng)是有預(yù)見(jiàn)性的。實(shí)際上，模型會(huì)觀察粒子可能采取的所有路徑，并迫使它們采取產(chǎn)生最大熵的路徑。大致說(shuō)來(lái)，這樣得到的路徑也是能為粒子隨后的運(yùn)動(dòng)提供最多選擇的路徑。

你可能會(huì)說(shuō)，粒子系統(tǒng)有一種保持未來(lái)行動(dòng)自由的趨勢(shì)，而這種趨勢(shì)能夠在任一時(shí)刻指導(dǎo)其行為。這一模型由哈佛大學(xué)的亞歷山大·威斯納-格羅斯（Alexander Wissner-Gross）和麻省理工學(xué)院的數(shù)學(xué)家卡梅倫·弗里爾（Cameron Freer）開(kāi)發(fā)，他們將其稱之為“因果熵力”（causal entropic force）。在計(jì)算機(jī)模擬下，這些粒子在特定環(huán)境中呈圓盤(pán)狀運(yùn)動(dòng)，“因果熵力”創(chuàng)造出的結(jié)果非常可怕地令人聯(lián)想到智力。

在一項(xiàng)案例中，一個(gè)大型圓盤(pán)狀復(fù)合體能夠“利用”一個(gè)小型圓盤(pán)從狹窄的管道中獲取另外一個(gè)小型圓盤(pán)——這個(gè)過(guò)程看起來(lái)很像是工具利用。釋放圓盤(pán)會(huì)增加系統(tǒng)的熵。在另外一個(gè)案例中，分別處于單獨(dú)隔室中的兩個(gè)圓盤(pán)可以同步行動(dòng)，共同摧毀另外一個(gè)更大的圓盤(pán)，從而與之發(fā)生相互作用，這則像是社會(huì)合作的雛形。

這些簡(jiǎn)單的相互作用的介質(zhì)能夠幫助我們一窺未來(lái)，然而，生命的一般規(guī)律卻并不能預(yù)測(cè)未來(lái)。那么，這和生物學(xué)的相關(guān)性到底有多大？問(wèn)題的答案還很模糊，但威斯納-格羅斯表示，他正在努力建立“一種適用于因果熵力的生物學(xué)機(jī)制”。與此同時(shí)，他認(rèn)為這一過(guò)程還會(huì)衍生出其他實(shí)用價(jià)值——為人工智能提供一條捷徑。“我認(rèn)為，要想實(shí)現(xiàn)人工智能，一定是先發(fā)現(xiàn)這種行為，再退回研究物理原理和約束條件，而不是正向地研究某種計(jì)算或預(yù)測(cè)技術(shù)?！彼绱苏f(shuō)道。換句話說(shuō)，就是先找到一個(gè)能夠滿足研究需求的系統(tǒng)，再弄清其中的原理。

演化還指示了另外一種生命特征——衰老。生物體都有壽命，這才創(chuàng)造出繁衍的機(jī)會(huì)，令故事得以延續(xù)，這樣父母不會(huì)存活過(guò)久，以至于與子孫后代競(jìng)爭(zhēng)資源，阻礙其生存前景。這種生物學(xué)解釋肯定有其道理，但德國(guó)不萊梅雅各布大學(xué)的物理學(xué)家希爾德加德·邁耶-奧特曼（Hildegard Meyer-Ortmanns）認(rèn)為，衰老最終是由信息熱力學(xué)掌控的物理過(guò)程，而并非生物學(xué)過(guò)程。

衰老肯定不只是磨損那樣簡(jiǎn)單?！敖M成人體的大多數(shù)軟質(zhì)材料在發(fā)生衰老之前都經(jīng)歷過(guò)更新。”邁耶-奧特曼說(shuō)道，“但這種更新過(guò)程并不完美。”處于熱力學(xué)方面的考慮，信息復(fù)制的指令一定會(huì)在精確性和能量之間有所權(quán)衡。生物體的能量供應(yīng)有限，所以，隨著時(shí)間流逝，錯(cuò)誤必然會(huì)積累，生物體不得不花費(fèi)更多的能量來(lái)修復(fù)這些錯(cuò)誤。更新過(guò)程最終會(huì)產(chǎn)生缺陷嚴(yán)重的拷貝，令生物體功能無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，死亡也就隨之而來(lái)。

實(shí)驗(yàn)證據(jù)證實(shí)了這一點(diǎn)。大家都知道，體外培養(yǎng)的人體細(xì)胞在衰老前最多能夠繁殖40到60代，這叫做海夫利克極限（Hayflick limit）。關(guān)于人類(lèi)壽命的近期觀察表明，人類(lèi)的壽命大多無(wú)法超越100歲是有其根本原因的。

那么為什么在漲落的非平衡環(huán)境中會(huì)出現(xiàn)這種高效、有組織的預(yù)測(cè)系統(tǒng)的趨勢(shì)呢？非平衡態(tài)熱力學(xué)告訴我們，物質(zhì)在這樣的環(huán)境下就會(huì)自然而然地發(fā)生這樣的事情。換言之，正如許多科學(xué)家推論的那樣，在充滿能量資源的早期地球上，陽(yáng)光和火山活動(dòng)等能夠大量創(chuàng)造出平衡態(tài)，生命的出現(xiàn)并不是極度不可能事件，而是不可避免的事情。2006年，圣塔菲研究所的埃里克·史密斯（Eric Smith）和哈羅德·莫洛惠茨（Harold Morowitz）認(rèn)為，非平衡系統(tǒng)熱力學(xué)極有可能在生命起源前的地球上創(chuàng)造了有組織的復(fù)雜系統(tǒng)，而并非像查爾斯·達(dá)爾文所說(shuō)的那樣，原始化學(xué)物質(zhì)就在“溫暖的小池塘”里緩慢地?zé)醭伞霸紲薄?/p>

這一觀點(diǎn)發(fā)表的十年內(nèi)，研究者們對(duì)這一分析增添了諸多細(xì)節(jié)和看法。意義和目的——恩斯特·邁爾認(rèn)為生物學(xué)所必需的那些特質(zhì)——的出現(xiàn)可能是統(tǒng)計(jì)學(xué)和熱力學(xué)的自然結(jié)果，而這些一般屬性轉(zhuǎn)而又導(dǎo)致了生命的自然出現(xiàn)。

與此同時(shí)，天文學(xué)家們已經(jīng)證實(shí)了，在宇宙中或許有多達(dá)10億顆行星在圍繞其他恒星運(yùn)轉(zhuǎn)。許多世界都遠(yuǎn)離平衡態(tài)，其中至少有一些是類(lèi)似于地球的。同樣的規(guī)律也在那些世界里發(fā)生著。

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