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生命是什么？生命如何從非生命物質(zhì)中產(chǎn)生？如果地球生命并非生命的唯一可能形態(tài)，尋找系外生命時(shí)，我們?cè)撊绾未_定自己發(fā)現(xiàn)了生命？要回答這些問題，需要我們擴(kuò)展對(duì)生命的定義，創(chuàng)建一個(gè)更普遍的生命的統(tǒng)一理論：生命或許是一個(gè)連續(xù)的光譜，而非只有生命-非生命的簡(jiǎn)單二元?jiǎng)澐帧?/strong> 2021年7月，來自圣塔菲研究所的研究人員在《分子進(jìn)化雜志》（Journal of Molecular Evolution）發(fā)表綜述文章“多層生命的多重路徑”，提供了一個(gè)關(guān)于生命起源的新視角，認(rèn)為生命已經(jīng)在地球上出現(xiàn)了很多次，而生命的形式比傳統(tǒng)定義要廣泛得多——文化、計(jì)算和森林，都是新的生命形式。當(dāng)我們對(duì)生命的起源和形式有更廣闊的認(rèn)知時(shí)，一個(gè)新的生命理論可能會(huì)隨之產(chǎn)生。研究領(lǐng)域：生命起源和演化，生命的層次結(jié)構(gòu)，通用計(jì)算，生物化學(xué)，生物物理 Christopher Kempes, David Krakauer | 作者 十三維 | 譯者 梁金 | 審校
鄧一雪 | 編輯
論文題目： The Multiple Paths to Multiple Life https://link./article/10.1007/s00239-021-10016-2
一、引言：生命無處不在 二、生命過程的光譜 跨層次的生命 普遍生命類比于通用計(jì)算 硬件、軟件、機(jī)制和功能 層次、列表、公理和普遍化 從生命到生命等價(jià)性
我們主張多層形式的生命源自多重不同的歷史路徑。以這個(gè)視角看，地球上存在多重生命起源——即生命并非一個(gè)統(tǒng)一同源物。通過擴(kuò)大起源類別，我們大大拓展了用于尋找生命的數(shù)據(jù)集。若用計(jì)算類比，生命起源描述了硬件（物理基礎(chǔ)）和軟件（進(jìn)化功能）的起源。像所有信息處理系統(tǒng)一樣，適應(yīng)性系統(tǒng)擁有一個(gè)嵌套式的層次結(jié)構(gòu)：一個(gè)功能優(yōu)化層（例如最大化適應(yīng)度）、一個(gè)物理約束層（例如能量需求）和一個(gè)物質(zhì)質(zhì)料層（如DNA或RNA基因組和細(xì)胞）。生命的核心功能是由不同的基質(zhì)以不同的效率實(shí)現(xiàn)的。功能層使我們能夠在不同質(zhì)料形式中尋找關(guān)鍵優(yōu)化原則，以識(shí)別生命的多重起源，包括原始細(xì)胞的前生物起源，文化、經(jīng)濟(jì)和法律機(jī)構(gòu)的出現(xiàn)，以及作為軟件的主體的繁殖等等。將我們對(duì)生物學(xué)的經(jīng)驗(yàn)理解與可能超越它的邏輯原則結(jié)合起來，帶來持續(xù)的科學(xué)挑戰(zhàn)是創(chuàng)建一個(gè)生命的統(tǒng)一理論。（Cleland 2019; Goldenfeld and Woese 2011; Goldenfeld et al. 2017; Walker et al. 2017; Walker 2017; Davies and Walker 2016; Walker et al. 2018）。一直以來，尋找不依賴于進(jìn)化約束和生物化學(xué)質(zhì)料的原則令人十分著迷，但到目前還沒有形成關(guān)于如何識(shí)別、量化或創(chuàng)造生命的完整理論（Langton 1984; von Neumann 1966; Langton et al. 1992, 1994; Küppers 1990; Yockey 2005; Walker and Davies 2013）。應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，將有助于解決自然科學(xué)和生物學(xué)在通用性和普遍性問題上面臨的幾個(gè)最有趣的問題。這些問題將包括以下幾個(gè)方面：(1)生物機(jī)制是如何從非生物機(jī)制中產(chǎn)生的？(2)若與地球上的生命有實(shí)質(zhì)性不同，我們?nèi)绾未_定自己已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了生命？推而廣之，如何驗(yàn)證一個(gè)環(huán)境是否真的沒有生命，例如來自土衛(wèi)二的冰層樣本？以及(3)，我們?nèi)绾文芨毡槔斫馍鹪春途S持的可能性范圍？從進(jìn)化的角度來看，定義生命的核心挑戰(zhàn)是需要區(qū)分描述已知的進(jìn)化軌跡，然后建立完整的生命可能性空間。沒有人想把生命科學(xué)限制在地球上目前的認(rèn)識(shí)上，先前的工作已經(jīng)告誡生命起源研究者，要研究「我們與生命世界相關(guān)各種組織現(xiàn)象的發(fā)端」(Scharf et al.2015)。我們將生命定義為能量和信息兩個(gè)關(guān)鍵過程的結(jié)合產(chǎn)生的一個(gè)自治系統(tǒng)（autonomous system），該系統(tǒng)可以從具有適應(yīng)性/生存價(jià)值的環(huán)境中新陳代謝，提取和編碼信息，并隨時(shí)間向前傳播（Krakauer et al.2020）。在此我們提供了一個(gè)關(guān)于生命起源的新視角，認(rèn)為生命已經(jīng)在地球上出現(xiàn)了很多次，有許多現(xiàn)存的生命形式共存在各種物理基質(zhì)上。為了有助于解釋這一立場(chǎng)，我們先將生命理論組織為三個(gè)主要觀點(diǎn)：以現(xiàn)存為中心、以歷史為中心和以原則為中心。以現(xiàn)存為中心（Extant-centric）的方法側(cè)重于現(xiàn)有生命的特征和比較。這是生物學(xué)作為一門學(xué)科的第一重點(diǎn)。以歷史為中心（History centric）則側(cè)重于導(dǎo)致產(chǎn)生現(xiàn)有生命的具體進(jìn)化軌跡，包括地球上生命的具體起源及其保有的分子特征。而以原則為中心（Principle centric）的焦點(diǎn)，則是根據(jù)所有可能的演化軌跡和所有可能生命起源的共享特性對(duì)生命進(jìn)行概括。在每種情況下，關(guān)注焦點(diǎn)都應(yīng)被解釋為優(yōu)先考慮某種工作風(fēng)格下的觀點(diǎn)。大多數(shù)人都同意，需要從以現(xiàn)存或以歷史為中心的生命觀點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)橐栽瓌t為中心的觀點(diǎn)。然而由于現(xiàn)實(shí)原因，這一觀點(diǎn)仍未得到充分探討，含義也尚未得到充分認(rèn)識(shí)。人的天然的傾向是將生命與地球生命聯(lián)系，往往將支持生命的普遍機(jī)制局限在地球物種間的機(jī)制上，正如最近發(fā)現(xiàn)的擁有共同分子生物的原始祖先那樣。從生存至上原則（living-principles-first）角度看，生命可以根據(jù)獨(dú)立于偶然演化歷史的一套適應(yīng)性功能來定義。例如，生物體的宏觀功能特征可以獨(dú)立于其分子或發(fā)育機(jī)制來理解定義（如各種植物和哺乳動(dòng)物最優(yōu)特性的血管網(wǎng)絡(luò)；Savage et al.2004; West and Brown 2005）。以此類推，可以使用硬件支持細(xì)節(jié)不同、且在多數(shù)情況下能邏輯獨(dú)立描述的有效軟件的方式來定義。這種生命觀自然為許多不同系統(tǒng)中的各種起源提供了可能性。這也是一種復(fù)興經(jīng)典自然歷史觀的觀點(diǎn)，即按照形式和功能對(duì)生物學(xué)進(jìn)行分類，以區(qū)別于現(xiàn)代演化論綜合和分子生物學(xué)革命根據(jù)譜系對(duì)生命的分類。雖然這些早期的觀點(diǎn)缺乏自然選擇進(jìn)化的統(tǒng)一框架，但他們認(rèn)識(shí)到功能相似性以及我們?cè)诹钊梭@訝的生物同質(zhì)性方面的想法。我們希望將這些相似之處概括為生命理論的成分?？赡苁菍?duì)生命進(jìn)化的關(guān)注使我們對(duì)生命的其他一般原則視而不見。雖然這些早期的觀點(diǎn)缺乏自然選擇進(jìn)化的統(tǒng)一框架，但他們認(rèn)識(shí)到了功能上的相似性與我們所認(rèn)為的生命驚人的異源同型（homoplasy）。我們希望將這些相似性概括為生命理論的成分?？赡苁菍?duì)進(jìn)化的過度關(guān)注使我們忽略了生命其它的一般原則。對(duì)于以原則為中心的生命定義，沿著演化軌跡可能有許多不同類型生命的起源。有些軌跡甚至可能會(huì)從生命狀態(tài)先過渡到非生命的優(yōu)化狀態(tài)，然后再重新產(chǎn)生生命。我們認(rèn)為自動(dòng)數(shù)字計(jì)算機(jī)（autonomous digital computers）就是這種可能性的一個(gè)例子：它們最初是由生命創(chuàng)造的，作為非生命的信息處理機(jī)器，但可能為后來的新型生命提供基質(zhì)，例如通過進(jìn)化模擬（一個(gè)很初級(jí)的例子）和自主人工智能（一個(gè)更復(fù)雜的例子）。重要的是，計(jì)算機(jī)終究會(huì)擴(kuò)大我們的生命的概念，人類-晶體管系統(tǒng)總體上居住在不能獨(dú)立存在，類似于許多現(xiàn)存的互惠互利關(guān)系的生命空間內(nèi)。有點(diǎn)令人驚訝的是，這種途徑表明，與普遍認(rèn)為生命具有單一化學(xué)起源和基礎(chǔ)（以歷史為中心）的觀點(diǎn)相反，生命實(shí)際上已經(jīng)在地球上進(jìn)化了很多次。生物化學(xué)層面的生命可能有某個(gè)獨(dú)特的來源，但具有涌現(xiàn)更高層次生命特征的聚集體卻沒有。這迫使我們對(duì)起源的概念和首次發(fā)生的事實(shí)進(jìn)行區(qū)分。這與進(jìn)化論中的相似性和同源性概念（homology）非常自然地聯(lián)系起來。生命本身通常被認(rèn)為有所有生物學(xué)的祖先，因此是最終同源性的，而我們則有點(diǎn)反直覺地認(rèn)為，生命應(yīng)該被認(rèn)為是相似的（analogous），或更嚴(yán)格地說是同形的（homoplastic）——一組在進(jìn)化過程中在不同譜系（lineages）獨(dú)立獲得或失去的特征。生命應(yīng)該被認(rèn)為是這一類特殊的趨同進(jìn)化。地球上生命的多重起源在 LUCA 中恰好有一個(gè)共同的歷史軌跡。如前所述（Walker 2020），如果新生命是在計(jì)算機(jī)或?qū)嶒?yàn)室中創(chuàng)造的，那么這些特定的基質(zhì)將由人類設(shè)置，并會(huì)與 LUCA 建立因果關(guān)系。Scharf 等人（Scharf et al.2015）首先提出過一個(gè)與這里類似的論點(diǎn)，即基于歷史、合成（synthetic）和普遍屬性的生命分類，并通過這些類別之間的重疊來定義子領(lǐng)域。他們令人信服地指出，從非生物地球到生物地球可能有許多路徑，有各種潛在的瓶頸、交匯點(diǎn)和分支點(diǎn)。而我們，則增加了從有生命到無生命、再到有生命的各種多重轉(zhuǎn)換（例如，從現(xiàn)代人類社會(huì)到固體設(shè)備、再到基于軟件的計(jì)算機(jī)病毒），并且這些多重轉(zhuǎn)換發(fā)生在生命層級(jí)的一系列不同層次上。這意味著在原則（或 Scharf et al.2015中的普遍）層次涌現(xiàn)出了豐富的生命類型，當(dāng)我們采用適當(dāng)?shù)睦碚撘暯?，就已?jīng)對(duì)地球上生命的多重起源進(jìn)行了觀察，包括許多文化進(jìn)化的產(chǎn)物。這與刻畫生命「不是解釋狀態(tài)本身，而是解釋路徑」（Walker 2017）的觀點(diǎn)不同，因?yàn)槲覀儗?duì)確認(rèn)進(jìn)化終點(diǎn)的同形質(zhì)性的理論感興趣。將生命定義為一種能夠從具有適應(yīng)性/生存價(jià)值的環(huán)境中代謝提取和編碼信息，并通過時(shí)間向前傳播的自治系統(tǒng)，并沒有利用復(fù)制或分隔（compartmentalization）的概念，而是建立在最近將生命的明確特征（如個(gè)體性）置于定量譜系基礎(chǔ)的努力上。其中關(guān)鍵思想是將生命與信息理論中的自治性措施聯(lián)系起來，后者描述了系統(tǒng)過去傳輸?shù)轿磥愍?dú)立于環(huán)境的信息（Krakauer et al. 2009,2020）。通過這種方式，生命能夠囊括各種不斷進(jìn)化的系統(tǒng)，所有這些系統(tǒng)都可以通過它們高效可靠地將自適應(yīng)信息從過去傳播到未來而被識(shí)別出來。我們不把生命定義為任何進(jìn)化系統(tǒng)，因?yàn)槠渲性S多系統(tǒng)不擁有自主性或個(gè)體性，而是完全通過外部約束和設(shè)計(jì)獲得其功能特征（例如，通過侵蝕作用減少摩擦力簡(jiǎn)單滾動(dòng)的石頭，或從金字塔到摩天大樓等人類復(fù)雜建筑的例子）。為了說明為什么需要以這樣的生命理論作為基礎(chǔ)，請(qǐng)考慮以下分類譜系：病毒、細(xì)菌、多細(xì)胞動(dòng)物、生態(tài)系統(tǒng)、行星?，F(xiàn)在請(qǐng)問這些系統(tǒng)中哪一個(gè)代表生命？地球上幾乎每個(gè)生物學(xué)家都會(huì)同意細(xì)菌和多細(xì)胞生物是活的。但病毒卻有爭(zhēng)議性得多，因?yàn)樗鼈冎辉诖x和編碼能力上具有最小的自主性組合（如 Villarreal 2004）。但是，人們用來排除病毒的所有論據(jù)，對(duì)許多細(xì)菌物種來說同樣是事實(shí)，比如強(qiáng)制性的共生體（obligate symbionts）。那么多細(xì)胞生物體中的單個(gè)細(xì)胞，或者這些相同生物體中生殖細(xì)胞和體細(xì)胞的區(qū)別呢？是不是只有整個(gè)多細(xì)胞體才是有生命的？既然食肉動(dòng)物的新陳代謝不是完全自主的，那么它們能被視為生命嗎？如果人們接受細(xì)胞和整個(gè)身體都是生命的形式，那么為什么個(gè)人和生態(tài)系統(tǒng)就不是一種生命形式呢？這些眾所周知的爭(zhēng)論，凸顯了在發(fā)現(xiàn)既沒有細(xì)胞也沒有身體的新生命方面達(dá)成一致是多么困難。使用磷化物作為可能的生物標(biāo)志已經(jīng)被證明是一個(gè)有爭(zhēng)議的話題（如 Sousa-Silva et al.2020；Cockell et al. 2020），但更加難的爭(zhēng)論潛藏在可能看起來完全不同的生命中。問題就是，我們無法就「活」細(xì)菌與病毒問題的答案達(dá)成一致，因?yàn)槲覀儧]有一個(gè)基本理論可以定量地將「生命性」（livingness）分配給每一個(gè)自治動(dòng)態(tài)系統(tǒng)（autonomous dynamical system）。依靠特征列表的問題是，列表永遠(yuǎn)不會(huì)與過程相加。在這種情況下，將生命的概念與計(jì)算過程的概念聯(lián)系起來是非常有用的。這些聯(lián)系已經(jīng)在關(guān)于生命的一般觀點(diǎn)的背景下被探討過 (Walker and Davies 2013)。在這里，我們并不是說生命是一種計(jì)算，而是說物質(zhì)與邏輯在通用計(jì)算中的劃分——所謂「無窮的開始」(Deutsch 2011)——恰恰是擴(kuò)大我們對(duì)生命現(xiàn)象的研究，超越字符列表而走向功能過程所需要采取的步驟類型。這種方法在某些方面也類似于「腦-心」和「基因型-表型」的二元對(duì)立，二者都強(qiáng)調(diào)物質(zhì)領(lǐng)域和編碼或功能領(lǐng)域之間的關(guān)鍵區(qū)別，也同時(shí)允許兩者之間存在重大的共同依賴。我們重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)最近為各種生命特征引入定量譜系的努力，例如個(gè)體性（Krakauer et al.2009,2020）、主體（Kolchinsky and Wolpert 2018），和對(duì)象需要多少組裝（Marshall et al. 2017a, 2021; Murray et al.2018）。我們的目標(biāo)是通向生命的一般化概念和度量，而非致力于特定的特征或?qū)崿F(xiàn)（Goldenfeld and Woese 2011；Goldenfeld et al. 2017；Walker et al. 2017；Walker 2017；Davies and Walker 2016；Walker et al. 2018)。采用的策略是引入一種分層或多層次框架來思考生命，靈感來自于 Marr（Marr 1982）的視覺信息處理層次理論（深入研究心智和大腦，會(huì)發(fā)現(xiàn)頗像對(duì)表現(xiàn)型和基因型的區(qū)分）。Marr 區(qū)分信息處理層次的方法，是一個(gè)說明我們想要建立的理論類型的有用類比，盡管生命層次之間的依賴性比 Marr 考慮的要大很多。Marr 提出，所有信息處理架構(gòu)都擁有三個(gè)基本層次。一個(gè)計(jì)算或功能層，描述所計(jì)算問題，例如在視覺場(chǎng)景中識(shí)別一個(gè)物體，或在一個(gè)復(fù)雜的生化混合物中分離氣味。一個(gè)支持算法或程序?qū)?/strong>，實(shí)現(xiàn)所需的迭代計(jì)算，例如深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或定向梯度直方圖。還有一個(gè)基礎(chǔ)的硬件實(shí)現(xiàn)層面，支持實(shí)現(xiàn)計(jì)算的軟件，例如一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)、一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，或一個(gè)圖形處理單元。所有這三個(gè)層次都是必需的，且每個(gè)層次的組成都可以用其它工作替代方案來代替。至關(guān)重要的是，這些層次中的每一個(gè)都通過架構(gòu)的基本約束與熱力學(xué)進(jìn)行互動(dòng)。在圖1中，我們探討了如何在每個(gè)層次的計(jì)算、生物結(jié)構(gòu)及過程之間進(jìn)行映射。對(duì)于生命，我們引入了三個(gè)相比較的層次：一個(gè)優(yōu)化層，一個(gè)約束層，和一個(gè)質(zhì)料層。這些在表1中列出并定義。這種方法被廣泛接受的前提和理由，是從適應(yīng)性信息的角度來理解生命。這個(gè)層次結(jié)構(gòu)直接來自于這個(gè)假設(shè)，并沒有強(qiáng)烈主張生命是一種計(jì)算。并且這些本體論層次不應(yīng)該與物理-空間層次相混淆。例如，優(yōu)化發(fā)生在許多物理層面，從基本的分子機(jī)制到生態(tài)系統(tǒng)工程。這樣一來，這三個(gè)層次可以實(shí)現(xiàn)大量的嵌套。表2中列出了幾個(gè)例子。Level 3：優(yōu)化。生命需要最大化適應(yīng)度，最小化代謝自由能耗散，有效地編碼適應(yīng)性信息，并在面對(duì)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手時(shí)實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略穩(wěn)定（如 Walker and Davies 2013）。這一層次的抽象框架包括問題的邏輯元素、信息措施、自由能、算法復(fù)雜性和幾何學(xué)。涉及這些框架的生物理論包括，種群和定量遺傳學(xué)、演化博弈論和適應(yīng)性動(dòng)力學(xué)。
Level 2：約束。物質(zhì)或物理世界的通用法則，對(duì)L3正在優(yōu)化的內(nèi)容施加的基本且不可避免的約束（Schrodinger 1944；Goldenfeld et al. 2017；Goldenfeld and Woese 2011；Walker 2017；Kempes et al. 2019；Bialek 2012；Kaneko 2006；Walker et al. 2018）。包括基本架構(gòu)（維度、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、守恒律）和設(shè)計(jì)原則。涉及這些約束的生物理論包括反應(yīng)-擴(kuò)散系統(tǒng)和斑圖形成（Turing 1952）、異速縮放律（allometric scaling laws， Schmidt-Nielsen and Knut 1984；Niklas 1994；Savage et al. 2004；West and Brown 2005），通過調(diào)節(jié)作用的渠化（canalization）、孟德爾隔離及反例、中心法則及反例，以及信息聚集機(jī)制，包括群體編碼和贏家通吃動(dòng)力學(xué)。
Level 1：質(zhì)料?？筛械奈镔|(zhì)和物理的化學(xué)特性，并對(duì)L2和L3的范圍施加限制。包括大部分的無機(jī)和有機(jī)化學(xué)，運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，自組裝和生物物理規(guī)律。這個(gè)層次的生物理論包括細(xì)胞理論、分子動(dòng)力學(xué)和蛋白質(zhì)折疊、細(xì)胞排列動(dòng)力學(xué)和各種介觀規(guī)律，如劉易斯定律（Lewis’ law）（Lewis 1928）。
 圖1. 生命的層次。所有生命形式在三個(gè)平行的層次或狀態(tài)空間內(nèi)，同時(shí)遵循由物質(zhì)屬性、約束面和優(yōu)化原則所支配的軌跡。在L1中，每個(gè)種系發(fā)育圖示了一種可能的演化軌跡，每個(gè)軌跡都與不同的物質(zhì)起源有關(guān)。以歷史為中心的生命方法將生命等同于整個(gè)系統(tǒng)發(fā)育史。以現(xiàn)存為中心的方法則尋求系統(tǒng)發(fā)育終端分支之間的共性。L1中所有的點(diǎn)都多對(duì)一地映射到L2的點(diǎn)中。L2的點(diǎn)集則描述了物理約束的空間，包括物理規(guī)律的限制。演化約束是L2中點(diǎn)的子集，我們將其描述為生命系統(tǒng)的物理學(xué)。L1和L2中的所有點(diǎn)都服從由L3中點(diǎn)的集合定義的行為或優(yōu)化原則。一小部分優(yōu)化原則，如適應(yīng)度最大化（maximization of fitness）和相關(guān)概念，定義了L3中的生命行動(dòng)原則的空間。以原則為中心的生命方法將生命定義為L1內(nèi)的物質(zhì)軌跡的進(jìn)入和限制，該軌跡在L2中受到約束，并只能在L3的生命優(yōu)化原則所限制的空間內(nèi)移動(dòng)。L1中每個(gè)物質(zhì)系統(tǒng)的發(fā)育在整個(gè)宇宙中可能都是不同的，但仍然可以映射到L2中類似或相同的物理約束集。例如，L1中的藍(lán)色和紅色系統(tǒng)發(fā)育映射到L2中的同一組約束，這些反過來又投射到L3的生命空間。此外，生命系統(tǒng)可能產(chǎn)生非生命的后代。在這里，我們用橙色展示了一個(gè)假想的人工智能，是如何起源于綠色系統(tǒng)發(fā)育的生物終端分支，并受L2的工程約束和L1的非生物優(yōu)化原則支配，游歷到生物之外的。相反，非生物質(zhì)料通過生物技術(shù)產(chǎn)生新的生物生命形式也可能，即通過L1-L3的非唯一軌跡允許多種生命存在的可能性。| 圖片來源：Mesa Schumacher
圖1說明了這三個(gè)層次之間的關(guān)系，在這三個(gè)層次中，人們可以清楚地看到相互關(guān)聯(lián)的進(jìn)化軌跡。經(jīng)典的進(jìn)化過程在L1中實(shí)現(xiàn)，描述了譜系的起源和多樣化。L1中的所有進(jìn)化運(yùn)動(dòng)都受到物理守恒定律（如能量守恒）和演化限制（如異速生長）的約束，它被描畫為通過L2空間的可接受路徑。而通過L1和L2的路徑則以L3的原則（如自然選擇）為指導(dǎo)。以現(xiàn)存為中心的生命視角，涉及從樹的所有末端分支的比較中作出的推論，通常是在L1中，因?yàn)橐詺v史為中心的視角包括L1中的整個(gè)進(jìn)化樹。L2和L3對(duì)L1和L2中的軌跡進(jìn)行了粗粒度處理，代表了生命的退相干歷史（decoherent history），即L1中細(xì)粒度的歷史簇映射到L2和L3中較少的軌跡或點(diǎn)。這個(gè)框架突出了各層次之間的復(fù)雜聯(lián)系。首先，也是最簡(jiǎn)單的，每個(gè)層次的演化速度會(huì)大不相同。通常在L1中發(fā)生巨大變化，不會(huì)改變這些質(zhì)料在L2中遵循的約束或L3中的優(yōu)化原則。例如，體重可能會(huì)在幾代或不同類種群之間相對(duì)較快發(fā)生變化，但質(zhì)量隨新陳代謝的比例將在很大程度上保持不變。相反，在L1中的微小變化卻可能會(huì)導(dǎo)致L3中的重大轉(zhuǎn)變。例如，影響軀體結(jié)構(gòu)（body plan）或突變率的突變可能改變選擇對(duì)種群的作用方式。例如，基因組可以在不改變整體表型情況下，通過在同義密碼子（synonymous codons）中進(jìn)行選擇來獲得特定的GC含量（譯注：所研究對(duì)象的全基因組中，鳥嘌呤（Guanine）和胞嘧啶（Cytosine）所占的比例），除非生物體有環(huán)境要求（e.g. Mann et al.2010）。這是環(huán)境對(duì)基因型選擇施加的物質(zhì)約束，即對(duì)整個(gè)生物體特征的選擇表型影響?yīng)毩⒂诨蛐?。生物體特性發(fā)生了變化，但不是通過基因型到表型的映射，因?yàn)槟鞘潜４嬖诎被峋幋a水平的。L2和L3與普遍的抽象和數(shù)學(xué)原理、以及非生命的宇宙最直接相關(guān)。L2通過能量和信息約束在L3上引入了各向異性和偏差，它總是會(huì)以這樣或那樣形式偶然出現(xiàn)。L3原則描述了變分原理（variational principles），其中之一是自然選擇的進(jìn)化，這是任何形式的生命都需要的。至于L1則是最具有路徑依賴性、偶然性的，并受到L2和L3共同制約。通過從L1到L2到L3的一一映射，斷言L1的普遍性相當(dāng)于把生命描述為唯一物質(zhì)可實(shí)現(xiàn)性。這在文化領(lǐng)域類似于研究某種語言的演變，而不是更廣泛地研究整個(gè)語言的演變。我們需要考慮某個(gè)版本的所有三個(gè)層次，才能解釋伊格博語、法語或日語的起源，其中聲音產(chǎn)生和感知的物理約束與優(yōu)化相互作用，使產(chǎn)生信號(hào)的時(shí)間或能量最小。一種常見的觀點(diǎn)是，L1是最普遍的，因?yàn)樗罱咏枰袷匚锢矶傻挠钪嫖镔|(zhì)基礎(chǔ)。例如，Smith 和 Morowitz 就認(rèn)為，考慮到非平衡熱力學(xué)因素和環(huán)境組成，核心代謝可以被理解為最可能的自催化網(wǎng)絡(luò)，并且這些網(wǎng)絡(luò)不是任意的（Smith and Morowitz 2004; Morowitz and Smith 2007）。這使得這一層次的特定組合，如生物化學(xué)，成為所有生命可能出現(xiàn)的模板。然而，我們應(yīng)該小心地從這個(gè)例子中提取原理——例如找到最有可能以環(huán)境為條件的自催化網(wǎng)絡(luò)——并將這些原理置于各種非生物環(huán)境和行星條件的化學(xué)組合的巨大空間中，以試圖全方位理解質(zhì)料可能性。這種層次結(jié)構(gòu)最能說明問題的例子是L1和L2之間的聯(lián)系。例如，生命通過許多L1機(jī)制利用許多能量梯度進(jìn)行有用的新陳代謝。但所有這些都符合熱力學(xué)定律，沒有一個(gè)細(xì)胞會(huì)被發(fā)現(xiàn)含有比環(huán)境提供的總自由能更多的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（Schrodinger 1944; Morowitz 1955）。這個(gè)眾所周知的結(jié)果，說明了一個(gè)一般的L2原則，在這種情況下，熱力學(xué)定律在許多L1實(shí)例上實(shí)現(xiàn)。如前所述，生物現(xiàn)象需要明確考慮所有三個(gè)層次。例如，由于在特定L2約束下的特定L1架構(gòu)，具有近乎完美的L3優(yōu)化，異速生長定律得以體現(xiàn)。事實(shí)上，我們期望更多豐富的生物概念是由三個(gè)層次的「奇怪糾纏」（strange tangle）來定義的，因?yàn)檫@三個(gè)層次將不可避免地共同進(jìn)化。類似的也有人提出，雖然生命的所有屬性都需要物質(zhì)實(shí)例化（L1），并服從能量約束（L2），但在優(yōu)化表示、信息存儲(chǔ)和處理方面出現(xiàn)的信息系統(tǒng)類別（L3），服從獨(dú)立于基本物質(zhì)方面的更普遍的規(guī)律（Davies and Walker 2016; Walker 2017; Krakauer 2017; Krakauer and Jansen 2002）。雖然生命的信息存儲(chǔ)和處理系統(tǒng)通?；诓煌奈镔|(zhì)組成（質(zhì)料層面），但每一種都通過非常普遍的原則實(shí)現(xiàn)了更高的效率或魯棒性，如糾錯(cuò)、稀疏編碼和分形架構(gòu)（Flack 2017; Davies and Walker 2016; Walker 2017; Krakauer 2017; Krakauer and Jansen 2002; Smith 2008; Cronin et al. 2006; Kempes et al. 2019） 。在這個(gè)框架內(nèi)，我們將把生命定義為L3的某些超區(qū)域，所有這些都需要能夠支持適應(yīng)性的歷史。這些超區(qū)域的形狀可能相當(dāng)曲折，可能有一些不重疊的區(qū)域分別代表生命，但最主要的思想是我們希望允許這樣的場(chǎng)景，即一些事物可以沿著L3的高維軸線上的各種值的組合被定義為生命。例如，某物可能在「智能」或信息能力軸上很遠(yuǎn)，但接近「魯棒性」軸上的原點(diǎn)，仍然可以算作生命。其它的可能具有相對(duì)最低的智能，卻具有非常高的魯棒性，同樣可以是生命。我們未來工作的目標(biāo)是確定L3中生命最低要求的高維曲面。在考慮以原則為中心的生命視角時(shí)，一個(gè)有用的類比是，計(jì)算的概念和它在某種程度上尺度獨(dú)立的特征。說晶體管計(jì)算、CPU計(jì)算和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算是完全準(zhǔn)確的，因?yàn)槠渲忻恳粋€(gè)都在執(zhí)行一種功能，由一種算法實(shí)現(xiàn)并由相應(yīng)硬件支持。這個(gè)列表中的每一個(gè)元素都擁有L1-L2-L3的所有層次。在每一種情況下，我們都在應(yīng)用相同的L3邏輯原理（傳統(tǒng)的邱奇-圖靈原理（Smith 2020）），在每一個(gè)層次，我們觀察到不同的L1-L2計(jì)算能力、效率、約束和應(yīng)用范圍（Davis 2018）。我們承認(rèn)，如果沒有最低的物理元素，許多高階結(jié)構(gòu)就不會(huì)存在。事實(shí)上，所有的L3都只能存在于物理物質(zhì)上。而在由特定的L2約束所定義的特定環(huán)境中，可能有非常狹窄的L1范圍，才允許L3被實(shí)現(xiàn)。但是，我們并不會(huì)說只有晶體管才會(huì)計(jì)算，所有高階計(jì)算只是晶體管的二進(jìn)制操作的下游實(shí)例。每個(gè)層次都可以被理解為計(jì)算，以至于每個(gè)層次都可以在某種程度上獨(dú)立于L1-L2的語言來描述L3的語言。不允許這樣做將代表一種極端形式的計(jì)算還原主義，并嚴(yán)重限制硬件和軟件工程的范圍——你的個(gè)人電腦和它的邏輯門一樣是一臺(tái)電腦，它們只是計(jì)算不同的功能，同樣的想法可以推廣到形成互聯(lián)網(wǎng)的電腦網(wǎng)絡(luò)。這種物理層次結(jié)構(gòu)對(duì)于有效的科學(xué)計(jì)算至關(guān)重要（Brandt 2002）。此外，在這一點(diǎn)上，我們也像其他人一樣 (Walker and Davies 2013)，區(qū)分了兩大類計(jì)算機(jī)——模擬和數(shù)字——它們?cè)谟布蛙浖矫娑加胁煌?，在使用連續(xù)變量與離散變量以及差分硬件元素與不連續(xù)硬件元素方面反映了設(shè)計(jì)的根本差異——L1和L2的差異。然而，兩者都能實(shí)現(xiàn)圖靈完備性（Bournez等人，2013）這一L3的關(guān)鍵特征。將這個(gè)類比追溯到生命，我們不應(yīng)該將微觀的質(zhì)料屬性與宏觀的邏輯能力混淆?；蛘邔⒁环N生命機(jī)制的首次出現(xiàn)與相反的生命機(jī)制的起源混淆。通過避免這些陷阱，我們可能會(huì)發(fā)現(xiàn)許多「生命」進(jìn)化的案例，以及支持每個(gè)案例的共同條件。我們也應(yīng)該對(duì)一種類型的生命生存于另一種類型的生命上感到舒服，例如文化進(jìn)化是一種在人類集合上實(shí)現(xiàn)的生命類型，與考慮在幾個(gè)圖靈完整的計(jì)算機(jī)甚至圖靈不完整的計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)的圖靈完整的軟件或互聯(lián)網(wǎng)沒有根本的區(qū)別。一個(gè)關(guān)鍵的思想是需要關(guān)注「物理體現(xiàn)與能力的分離」（separation of physical embodiment from ability），以及一個(gè)系統(tǒng)是否能夠模仿細(xì)胞功能（類似于另一個(gè)計(jì)算類比，圖靈測(cè)試）而不受大小和組成的影響（Cronin et al. 2006）。雖然我們支持這種觀點(diǎn)，但我們?cè)阼b定和定義了活體特征的理論挑戰(zhàn)，和確定各種質(zhì)料中特定細(xì)胞特征的實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)之間進(jìn)行了區(qū)分。計(jì)算的例子也有助于說明各層次的相互關(guān)系。如果有人想在一個(gè)特定規(guī)模的數(shù)據(jù)上、某個(gè)理想的運(yùn)行時(shí)間實(shí)現(xiàn)一個(gè)特定的算法，那么就會(huì)對(duì)一個(gè)散熱足夠強(qiáng)以避免部件融化的L1提出嚴(yán)格要求。這可能表現(xiàn)為在L2約束下散熱主導(dǎo)的架構(gòu)和質(zhì)料解決方案。類似地，如果細(xì)胞想要在特定溫度下避免誤差閾值，則可能會(huì)限制哪些分子能用于信息存儲(chǔ)。某些類型的L1只能從它們正在實(shí)施的L3 原則以及受到的L2約束的角度來理解。L1 中的生命特征需要對(duì)特定L3和L2進(jìn)行調(diào)節(jié)。發(fā)現(xiàn)生命的秘訣是認(rèn)識(shí)到一般的L3原則正在 L1質(zhì)料上實(shí)現(xiàn)，同時(shí)特定的實(shí)現(xiàn)又反映了一組 L2約束。當(dāng)L3優(yōu)化在特定的L2約束下發(fā)生時(shí)，L1就成為一種特殊的質(zhì)料。表2中描述了其中的一些對(duì)應(yīng)關(guān)系。表2：如何在三個(gè)分析層次上描述封裝（encapsulation）的機(jī)制 計(jì)算機(jī)科學(xué)并非獨(dú)立于硬件，它相當(dāng)關(guān)注特定算法的硬件要求，或給定硬件約束下算法構(gòu)建（Steiner and Athanas 2005）。硬件和軟件的區(qū)分能促使協(xié)同效應(yīng)，如使用GPU來支持深度學(xué)習(xí)架構(gòu)和訓(xùn)練。在為某種問題編碼時(shí)，計(jì)算機(jī)語言的普遍性，創(chuàng)造了顯著的自由度。以此類推，對(duì)生命系統(tǒng)，我們可以期望看到來自L2的共同約束對(duì)多種不同質(zhì)料和設(shè)計(jì)進(jìn)行干預(yù)。例如，最有效地分配代謝資源或傳播信息的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。然而，這并不是自然界的硬性約束或「法則」，因?yàn)椴煌V系會(huì)發(fā)現(xiàn)解決普遍問題的不同方法。當(dāng)涉及到生命時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的生物學(xué)觀點(diǎn)傾向于關(guān)注實(shí)現(xiàn)特定生物功能的單一或有限的方式（例如，RNA和DNA作為通用遺傳編碼用于遺傳，ATP用于能量）。這種觀點(diǎn)勾勒出了從L1到L3的唯一路徑。因此生物起源的標(biāo)準(zhǔn)模型是相當(dāng)狹隘的，可能會(huì)因?yàn)檫^于輕易地把功能（軟件）映射到基質(zhì)（硬件）上，而忽略了各種類型生物演化過程的本質(zhì)。最近在重新編程遺傳編碼方面的進(jìn)展就很好地說明了編碼多元化的真實(shí)價(jià)值（Chin 2017）。當(dāng)我們更廣泛地考慮遺傳時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)各種突變和轉(zhuǎn)移機(jī)制，包括水平基因轉(zhuǎn)移、表觀遺傳學(xué)、RNA干擾和擬性重組。每一種都代表了管理信息保存和適應(yīng)之間緊張關(guān)系的各種物質(zhì)機(jī)制（Jablonka and Lamb 2014），而擴(kuò)展了僅支持一種特定功能的基質(zhì)類別。因此，有關(guān)信息存儲(chǔ)、傳輸和功能等要求的問題，其實(shí)都是生命在適當(dāng)層次上所需功能的一般問題。至于什么樣的信息處理和存儲(chǔ)分子有可能從一個(gè)給定的地質(zhì)情景中涌現(xiàn)，則是關(guān)于實(shí)現(xiàn)生命所需的L1層硬件具體問題。一旦我們將這種二分法概括為生命的層次結(jié)構(gòu)，就會(huì)擴(kuò)大可能支持生命的機(jī)制的數(shù)量。例如，我們?cè)O(shè)計(jì)的數(shù)字計(jì)算機(jī)使用的硬件與細(xì)胞完全不同，也不需要進(jìn)化的細(xì)胞生物分子，但在信息存儲(chǔ)、易錯(cuò)信號(hào)傳遞以及L2和L3的信息處理等概念方面，與生命有相當(dāng)多的重合。這種重合是探索人工生命的可能性和多樣性的支持理由之一（Bedau et al.2000）。硬件軟件二分法是任何系統(tǒng)的一個(gè)普遍特征，可以通過功能編碼語言和物理機(jī)械語言來描述。因此它是生物學(xué)和生命起源的一個(gè)核心概念，通過這個(gè)視角看，生命是硬件中軟件的表現(xiàn)。在定義生命的努力中，大部分聚焦在特征列表上（如，Trifonov 2011；Kolb 2007；Benner 2010；Bains et al. 2014），或?qū)ξ覀兌?，機(jī)械公理。然而，對(duì)于這些公理中的大多數(shù)，我們發(fā)現(xiàn)有例外情況，這會(huì)產(chǎn)生更多普遍的生命原則（Cleland 2019；Goldenfeld and Woese 2011；Goldenfeld et al.2017；Walker et al.2017；Walker 2017；Davies and Walker 2016；Walker et al.2018；Kolb 2007；Cleland 2012；Benner 2010；Bains et al. 2014）。復(fù)制是生命中最常被引用的「機(jī)械公理」之一（Trifonov 2011）。其它公理包括內(nèi)源性代謝、容器或半滲透性界面，及演化能力。如果把復(fù)制作為L1物理特征的一個(gè)例子，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)在大多數(shù)情況下，它是核心L2要求的代理，即生命需要一種阻止熵產(chǎn)生的方法（England 2015）。復(fù)制通常是一種持續(xù)化的手段（Pascal et al. 2013)，包括將對(duì)手排除在共享資源之外，或者通過不完美的復(fù)制將變異引入種群助長自然選擇的方式。在沒有復(fù)制的情況下，也有可能觀察到所有這些特征，或在多層次組織中觀察到（Boerlijst and Hogeweg 1995）。完全能夠修復(fù)調(diào)節(jié)回路和避免死亡的實(shí)體（例如，來自捕食、競(jìng)爭(zhēng)者對(duì)基本資源的消耗或等價(jià)物），不需要復(fù)制就能持續(xù)存在。在一個(gè)完全穩(wěn)定的環(huán)境中，生物體沒有適應(yīng)的需要，因此沒有復(fù)制的要求作為引入遺傳性變異的手段。需要指出的是，即使適應(yīng)是必要的，它也可以通過多種方式實(shí)現(xiàn)——從表觀遺傳學(xué)的修飾到發(fā)育的可塑性——而不需要一個(gè)易錯(cuò)復(fù)制過程。一個(gè)無復(fù)制修復(fù)的好例子來自誤差校正碼（error-correcting codes）領(lǐng)域。這些編碼廣泛運(yùn)用冗余，以確保信息不會(huì)劣化。沒有一個(gè)計(jì)算機(jī)科學(xué)家會(huì)把基于冗余的糾錯(cuò)稱作復(fù)制，其真的在硬件或軟件的任何層面上都沒有發(fā)生「復(fù)制」。糾錯(cuò)實(shí)際上是一種簡(jiǎn)單的計(jì)算，與執(zhí)行求和并無不同。它是典型的布爾「OR」函數(shù)，與復(fù)制相反，這些邏輯映射總是映射自較大的冗余編碼，例如，10、01和11映射到較小的輸出1上。從這個(gè)例子可以看到，沒有復(fù)制也可以抵抗熵，復(fù)制實(shí)際上是與適應(yīng)變化環(huán)境有關(guān)的持久性機(jī)制的一個(gè)子集。因此，原則上我們可以用一種關(guān)鍵特征取代生物學(xué)中兩個(gè)最常見的機(jī)械公理，以一套更廣泛的促進(jìn)持久性的機(jī)制，把復(fù)制作為穩(wěn)定性機(jī)制中的一種。同樣，更一般地說，物質(zhì)和能量是生命的必要先決條件。強(qiáng)加于生物體的物質(zhì)和能量約束都可以提供高度信息和預(yù)測(cè)，例如通過它們?cè)诋愃偕L中的表現(xiàn)。但兩者都不足以確定某物是否有生命。畢竟，物質(zhì)和能量約束是非生物宇宙的重要組成部分，也是所有物理理論的關(guān)鍵成分。為一個(gè)普遍的生命理論找到真正的基本原則是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的開放問題。例如，自然選擇的適應(yīng)過程已被推廣到許多系統(tǒng)，包括生物物種、文化、語言和技術(shù)（Krakauer 2011）。對(duì)自然選擇（L3）的適應(yīng)需要（L1-L2）機(jī)制 ，使得來自環(huán)境的信息能夠編碼到主體的記憶中。記憶使用各種不同的糾錯(cuò)碼進(jìn)行存儲(chǔ)，所有這些編碼都會(huì)利用結(jié)構(gòu)化冗余 (L3)，只不過存儲(chǔ)的載體多種多樣，如DNA、表觀遺傳標(biāo)記、突觸結(jié)（synaptic boutons）和固態(tài)晶體管（均為L1）。通過結(jié)合L3中自然選擇的優(yōu)化原則和糾錯(cuò)原則，出現(xiàn)了一個(gè)新的L3原則——誤差閾值（error threshold，Eigen 1971）。誤差閾值指在一個(gè)不斷進(jìn)化的系統(tǒng)中可以達(dá)到的最大錯(cuò)誤率，從而使最合適的譜系血統(tǒng)（lineage）得以保留。并且，這個(gè)新的限制可以映射到可變異傳播對(duì)象類別中的任何系統(tǒng)，只要人們了解信息存儲(chǔ)的獨(dú)特機(jī)制、可變性和信息的效用價(jià)值。在細(xì)胞中，這個(gè)特征列表包括L1屬性，如基因組的生物化學(xué)，基因組復(fù)制過程中的突變率，以及基因型的總長度。在文化進(jìn)化中，人們可以將同樣的動(dòng)態(tài)過程映射到一套L1水平的書面語、準(zhǔn)備學(xué)習(xí)和傳播口語的概率、語言的總規(guī)?；蛟~匯量上（Nowak et al.1999）。通過這種方式，我們發(fā)現(xiàn)了一種涌現(xiàn)L3的新原則，它提供了一種方法，將明顯不相關(guān)的現(xiàn)象歸納為一類遵守共同耗散原則的信息動(dòng)力學(xué)。所遵守的這種原則可以成為更廣泛意義上的生命的新公理。這就是為什么我們會(huì)認(rèn)為，生命中L1-L2的機(jī)械公理需要被擴(kuò)展和概括為以原則為中心的L3描述，這將便于我們能夠理解、探測(cè)和構(gòu)建宇宙中任何背景下的生命。我們的焦點(diǎn)是尋找普適的生命理論（Cleland 2019; Goldenfeld and Woese 2011; Goldenfeld et al. 2017; Walker et al. 2017; Walker 2017; Davies and Walker 2016; Walker et al. 2018），主張各種概念方法都有可能拓寬我們考慮的生命起源，使我們重新思考生命的許多經(jīng)典「機(jī)械公理」。我們的主要方法之一是，將生命理論與物理學(xué)和計(jì)算理論進(jìn)行比較。通過在生命和計(jì)算之間進(jìn)行類比，我們自然地得出了普遍性的深刻問題?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)既是可編程的（可以被配置計(jì)算各種功能），又是通用的（計(jì)算給定某類所有功能），這兩個(gè)想法都起源于圖靈和邱奇對(duì)判定問題（Entscheidungs problem）的證明。他們證明不可能通過算法（即計(jì)算）解決一階邏輯的所有語句。證明中圖靈和邱奇嚴(yán)格闡述了算法、計(jì)算及其物理實(shí)現(xiàn)等概念。圖靈等價(jià)性的概念包含了所有可相互模擬的計(jì)算機(jī)集合(雙向模擬)。雙向模擬的想法可以拓寬我們對(duì)生命的思考，只要生命可以用邏輯和算法的原則來描述，就值得確定生命的功能在多大程度上可以由通用的硬件來支持，或者通過與圖靈等價(jià)類比——「生命等價(jià)性」。使用這里發(fā)展的框架，這樣的等價(jià)將是一個(gè)以原則為中心的L3描述。具體來說，如果L1中的多種質(zhì)料都能通過L2映射到L3中的同一生命空間，那么它們就具有生命等價(jià)性。這顯然是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的問題，但從計(jì)算領(lǐng)域正反兩方面都可以得到一些見解。自從圖靈和邱奇的開創(chuàng)性論文發(fā)表以來，人們發(fā)現(xiàn)有一類相當(dāng)大的、不太可能的離散動(dòng)力系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)卻是圖靈等價(jià)的，包括「生命游戲」、計(jì)算機(jī)游戲《Minecraft》和《掃雷》，從 Lisp 到 Python 最常用的計(jì)算機(jī)語言、標(biāo)簽系統(tǒng)、擴(kuò)展L系統(tǒng)、費(fèi)曼機(jī)和隨機(jī)存取機(jī)等等。如果如此多樣的系統(tǒng)都是通用的，人們就會(huì)想，這個(gè)概念對(duì)我們理解每個(gè)系統(tǒng)會(huì)有什么價(jià)值。等價(jià)的積極價(jià)值在于確定這些系統(tǒng)中每個(gè)系統(tǒng)的共同屬性，包括離散狀態(tài)、記憶狀態(tài)、可編程狀態(tài)、可靠的狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)和終止標(biāo)準(zhǔn)。這意味著至少這一點(diǎn)上，我們對(duì)如何建造計(jì)算機(jī)以及它們將以何種效率水平運(yùn)行有了非常強(qiáng)大的思想。等價(jià)類的負(fù)面含義也正是它的一般性。如果生命在宇宙中是罕見的，而我們的生命等價(jià)原理表明，各種不同的質(zhì)料都可以產(chǎn)生持久性、競(jìng)爭(zhēng)性、適應(yīng)性和可進(jìn)化性，那么我們?cè)撊绾握{(diào)和這些事實(shí)？我們的論點(diǎn)是，生命的起源比通常認(rèn)為的更為普遍和多樣，至少在等價(jià)原則的層面上是如此。但這并不意味說地球上相當(dāng)獨(dú)特的生命歷史是常見的。支持地球上生命首次出現(xiàn)的特殊化學(xué)成分，事實(shí)上可能是一種相當(dāng)罕見的通用生命機(jī)器，這就是為什么嘗試完全合成前生物具有如此大的挑戰(zhàn)性。我們希望清楚表明，在地球歷史偶然的生物化條件學(xué)中實(shí)現(xiàn)生命的困難，不應(yīng)該與實(shí)現(xiàn)生命這一更普遍的問題相混淆。此外，某些其它系統(tǒng)的起源可能比生命起源更容易。人類世界可能就是這一觀念一個(gè)很好的例子，其中智能、文化、社會(huì)結(jié)構(gòu)和數(shù)字計(jì)算機(jī)都能充當(dāng)了許多新生命形式起源爆發(fā)的現(xiàn)成基質(zhì)。我們認(rèn)為，生命的涌現(xiàn)視角就是焦點(diǎn)從歷史和特定的物質(zhì)實(shí)例（L1）到更普遍的共享約束（L2）和普遍的優(yōu)化類（L3）層的轉(zhuǎn)移。與這種想法一致，以前的工作認(rèn)為，我們對(duì)生命的大部分理解應(yīng)該集中在信息、算法和計(jì)算層次的轉(zhuǎn)變上（Walker and Davies 2013）。生命的最終理論肯定會(huì)有來自工程、計(jì)算、物理（Walker 2017）和進(jìn)化的抽象理論的成分，但我們期望還需要新的視角和工具，就像計(jì)算的理論一樣。一旦L1-L2的質(zhì)料和約束條件出現(xiàn)，能夠支持L3，那么L3就可以招致新種類的L1-L2來產(chǎn)生不同形式的生命。例如，人工生命是由與有機(jī)進(jìn)化的生命完全不同的質(zhì)料和約束條件支持的。然而，有機(jī)進(jìn)化的生命首先出現(xiàn)，也就是說，第一個(gè)L3需要得到有機(jī)大分子的支持。這表明一種可能的加速生命生產(chǎn)的理論，即新的L3水平以越來越快的速度到達(dá)。當(dāng)然，這是有證據(jù)的。從生物學(xué)角度看，物質(zhì)文化是相對(duì)較新的：石器首次出現(xiàn)在200萬年前，洞穴藝術(shù)出現(xiàn)在7萬年前，楔形文字出現(xiàn)在5000年前，活字印刷出現(xiàn)在500年前。布爾邏輯是在不到兩百年前發(fā)明的，第一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)是在七十多年前建成的。計(jì)算機(jī)的誕生顯然需要所有這些先前的文化發(fā)明的存在才有可能。文化的歷史是一部依賴性的歷史，即所謂的內(nèi)隱縮放（implicational scaling），也是一部加速的歷史。我們的主張是，當(dāng)能夠揭示許多生命的起源和類型時(shí)，我們將能夠得到一個(gè)新的生命理論。它應(yīng)該能夠強(qiáng)調(diào)生命是最終同質(zhì)性（收斂），而非完全同質(zhì)，即生命是從許多不同的軌跡中反復(fù)發(fā)現(xiàn)的。它應(yīng)該能夠定義許多軌跡的所有生命終點(diǎn)之間的共同點(diǎn)，并且能夠給任何系統(tǒng)或過程分配一個(gè)「生命性」的程度。在這一點(diǎn)上，我們不知道我們的框架是否意味著L3中的生命空間有相當(dāng)模糊的邊界，或者邊界是尖銳的，而生命度（degrees-of-livingness）應(yīng)該用它們與這個(gè)邊界的距離來衡量。我們懷疑這些邊界將在很大程度上取決于L1中變化的性質(zhì)。例如，L1的致命性基因敲除突變會(huì)導(dǎo)致L3的不連續(xù)變化。無論如何，最近很多相關(guān)努力已經(jīng)開始為一系列的生命特征構(gòu)建度量標(biāo)準(zhǔn)。例如，物體所需裝配的量化（Marshall et al. 2017a, 2021；Murray et al. 2018），個(gè)體信息理論的分解（Krakauer et al.2020），生命系統(tǒng)的因果邊界（Marshall et al.2017b），系統(tǒng)主體的物理評(píng)估（Kolchinsky and Wolpert 2018），以及功能信息的獲得過程（Lachmann and Walker 2019）等，最近都被提出來，并都是有前景的未來方向。同樣，最近的其他努力也闡明了L2的一般制約因素，如基本能量、細(xì)胞生理學(xué)與進(jìn)化過程之間的聯(lián)系（Savage et al. 2004；West and Brown 2005；DeLong et al. 2010；Lane and Martin 2010；Kempes et al. 2012；Lynch and Marinov 2015；Kempes et al. 2016, 2019；Ilker and Hinczewski 2019）。正是從天體生物學(xué)的角度來看，在我們搜尋地外演化痕跡時(shí)，我們所支持的原則的主張將顯示出最大價(jià)值。這可能包括，像自組織臨界性這樣廣泛的原則，高度優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特征，互信息最大化的證據(jù)，多適應(yīng)性時(shí)間尺度特征的涌現(xiàn)，以及廣泛的結(jié)構(gòu)趨同等等。表3：不同領(lǐng)域和學(xué)科對(duì)每個(gè)層次的重視程度的排序。最高重視程度=1，最低重視程度=3；最后一欄，物理理論評(píng)級(jí) x=3，y=2 ，生物物理理論 x=2，y=3。 [1] Bains W, Cockell C, Burchell M, Martins Z (2014) What do we think life is? 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圣塔菲研究所官網(wǎng)專門介紹了這篇論文，以下是這篇推介文章的翻譯：地球生命史常常被比喻為一場(chǎng)歷時(shí)40億年的火炬接力。一束火焰在鏈條的起端被點(diǎn)燃，繼而以同樣的形式一直傳遞著生命。我們就好像看著這樣的生命之火一直像奧林匹斯火炬?zhèn)鬟f著——且容我們轉(zhuǎn)念一下，如果用眼睛這個(gè)獨(dú)立起源演變的聚合器官來比喻，會(huì)有可能更好地理解生命嗎？如果生命起源不僅僅是一次，而是多次獨(dú)立進(jìn)化的結(jié)果呢？在發(fā)表于 Journal of Molecular Evolution 的一篇新論文中，圣塔菲研究所的研究人員 Chris Kempes 和 David Krakauer 認(rèn)為，為了認(rèn)識(shí)生命的全部形式，我們必須開發(fā)一個(gè)新的理論框架。在他們的三層框架中，Kempes 和 Krakauer 呼吁研究人員，首先要考慮生命可能存在的全部質(zhì)料空間，其次限制可能的生命宇宙的物理約束，最后是驅(qū)動(dòng)適應(yīng)性的優(yōu)化過程?？傮w來說，該框架將生命視作適應(yīng)性信息，并采用計(jì)算的類比來捕捉生命的核心過程。當(dāng)在新框架中考慮生命時(shí)，出現(xiàn)了幾種重要的可能性。首先，生命曾經(jīng)多次起源——一些表面上的適應(yīng)過程實(shí)際上是「一種新的生命形式，而不僅僅是一種適應(yīng)」，Krakauer 解釋說，新框架采取的形式比傳統(tǒng)定義所允許的要廣泛得多。文化、計(jì)算和森林都是這個(gè)框架中的生命形式。正如 Kempes 所言，「人類文化生活在思想的質(zhì)料上，就像多細(xì)胞生物生活在單細(xì)胞生物的質(zhì)料上一樣」。當(dāng)研究人員專注于單個(gè)生物體的生命特征時(shí)，他們往往忽略了生物體的生命在多大程度上依賴整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)作為其基本材料，也忽略了一個(gè)生命系統(tǒng)可能具有更多或更少的生命方式。相比之下，在 Kempes-Krakauer 框架內(nèi)，出現(xiàn)了另一種含義：生命成為一個(gè)連續(xù)體，而不是一個(gè)二元現(xiàn)象。在這一點(diǎn)上，作者指出了最近的各種努力，這些工作從定量上將生命置于一個(gè)光譜上。Kempes 和 Krakauer 希望通過更廣泛地看待生命原則，產(chǎn)生研究生命更多更豐富的理論。Krakauer 認(rèn)為，有了更清晰的尋找生命形式的原則，以及從新的原則中產(chǎn)生的新的可能的生命形式的范圍，我們不僅將澄清生命是什么，也將更好地「建造設(shè)備尋找生命」，在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造生命，并認(rèn)識(shí)到我們看到的生命是究竟是有多少「生命度」的。原文鏈接： https://www./news-center/news/sfi-researchers-publish-new-theory-lifes-multiple-origins
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