原创HyunjuKim等集智俱乐部收录于话题#生命复杂性20个
导语
生命是什么？这一追问至今仍在进行中，目前的答案以定性居多。而随着在自然界发现越来越多新型生命形态，以及新技术所创造的许多类生命系统，生命系统与非生命系统之间的明确边界正在不断受到质疑。近日发表在TheoryinBiosciences杂志的一项研究，用信息论分析生命系统与非生命系统在信息架构上的区别，并讨论量化构建“生命光谱”的可能性。论文通讯作者SaraI.Walker任职于亚利桑那州立大学和圣塔菲研究所，从事复杂系统和生命起源、天体生物学研究。
HyunjuKim,GabrieleValentini,JakeHansonSaraImariWalker
作者
十三维
译者
赵雨亭、章彦博
审校
邓一雪
编辑
1.摘要
集群行为（Collectivebehavior）被广泛视为生命和智能系统的标志属性。但在许多已知的无生命纯物理系统中，也有表现出集群行为的例子。这导致人们倾向于接受使用简单物理模型来解释生命的集群行为。为理解发生在生命实例中的真实情况，重要的是确定生命和非生命系统的集群行为之间，是否存在根本性的差异，以及从简单的物理实例建立对生命现象解释时直觉的局限。在这里，我们提出了一个框架，将生命和非生命集群作为基于各自信息架构的连续体进行比较：即信息究竟是如何跨越不同自由度进行存储和处理的？我们回顾了从信息论角度描述集群现象的各种例子，并对未来基于信息架构量化生命集群行为的方向提出了建议。
2.介绍
被我们冠称为生命的这一大类现象，迄今仍无法进行具体的科学定性。虽然此前已经提出了许多关于生命的定义（ClelChyba;Tirardetal.;Benner;WalkerDavies），但几乎都是描述性而非定量的。人工生命和系统化学方法正在推动我们越来越接近在实验室中实现类生命（life-like）系统。基于已经发现的、几十颗围绕在其它恒星运转的宜居星球，人类在地外世界寻找生命的努力也在加快步伐（Kopparapuetal.;DressingCharbonneau;Anglada-Escudetal.,;Gillonetal.)，一些新近投资的航天项目，例如龙飞船（Dragonfly），甚至即将访问土卫六去搜寻地外生命的痕迹。
在没有量化指标确定我们发现的东西是否真是生命的情况下，我们寻找生命新样例的努力很大程度上是盲目的。因此制定严格、量化的方法来描述生命是什么，变得越来越迫切。以往大多数努力都采用现象学方法来定义生命最重要的属性，例如将复制、新陈代谢活动、进化能力、细胞边界等作为关键属性（ClelChyba）。鉴于寻找生命最终还是需要客观标准来对存在证据进行评估，因此有必要采用新的、定量的方法来理解和测量一个系统是否是“活的”，以及若是活的则哪些因素是必需的。这项任务的根本挑战在于，我们能用什么来度量？
在众多可以为定量方法提供基础的属性中，生命系统存储和处理信息的能力有潜力成为最基本和最独特的属性（Szathmry;Kppers;Yockey;DaviesWalker）。生命通过操控信息来重塑物质结构并使其发挥功能的能力，与其它任何种类物理系统中看到的情况都非常不同。虽然这种观点确实在各种流派中越来越受到青睐，但它仍然存在很多问题有待说明：我们可以给生命系统赋予什么可度量的指标？它会是信息论的吗？会基于信息流下的网络结构吗？抑或只是一种全新的形式主义？
为解决这些问题，重要的是现在就开始用我们目前手头的工具来重构“生命是什么”的问题，即使随着理论和实验的迭代进展，这些工具最终可能会被更细致的量化数学理论所取代。发展任何理论都应该有可验证的结果，相关可观测物要有明确的定义。对比下其中最有希望的数学工具，就是信息论和网络科学的工具，以及最近对信息理论的扩展。这些工具能允许评估因果交互作用；此外迄今为止，还没有其它任何方法有机会完成量化一般生命过程的使命。
任何科学方法若想在诸如量化生命及其特性这样困难的领域取得进展，必将遭致严重的批评和挑战。例如，人们可能反对专注于生命信息的一面，认为信息论方法不仅适用细胞内发生的过程，同时也能用于描述社会和城市过程，范围过于宽泛将导致定义不清。此外，从信息方法中得出的结论也受测量样本数的限制，并且并没有一个有效方案来解决这个问题。
但我们认为，这两方面都是优点而非缺点。没有理由认为生命只是一种在天体生物学假设下、仅发生在化学中的现象。尤其是在人工生命或复杂系统领域中，前面假设并不重要。我们反而认为化学仅仅是相关的、只是生命涌现的物理学尺度，而生命本身是一个更广泛的现象，会在不同尺度上反复出现：从化学到细胞，再到社会——它会普遍地涉及信息（抽象属性）与物质间的交互作用。若确实如此的话，这就给我们提供了一个契机，使我们能在仅有一个生物圈的有限样本内，也能研究各种跨越不同尺度的生命实例（Walker）。我们期望这种普遍性方法不仅能阐明地球上不同系统和尺度的生命结构，也能揭示其它生命系统的可能性——即有哪些别的物理系统也支持与已知生命实例具有相同的信息结构。
在本文中，我们提出了这样的观点：在有生命系统和无生命的系统之间可能没有明确的、非黑即白的区别，二者之间不存在鸿沟和界限。执着于生命/非生命的二元对立一直在阻碍着研究进步，相反，顺着如图1那样可能存在状态渐变的生命光谱，可以看到，即使复杂程度相似，有些系统也比其他系统更有生命力（alive）。而要衡量“生命力”（aliveness），信息就是一种很好的度量，毕竟它与尺度无关，且集群系统向更有生命力系统的过渡也可能需要信息。对此测量可以集中于给定物理系统中可能发生的转变：更有“生命力”的系统允许更多可能的转变，并经常促成更多不可能的转变。一个例子是，利用农业信息的农耕活动如何改造了我们人类的文明，导致产生了改造物质的能力，而这些能力在这一革新之前是不存在的；或者人文学科对科学的发明如何导致人类物理上实现从地球发射到太空的能力，显然这在万有引力定律的知识之前也是不可能的（Walker）。在这方面，生命可以说是在探索足以导致事物发生的相邻可能性（adjacentpossible，Kauffman）。其中转变可能性的数量与生命物质的信息结构有着深刻的联系，因为只有当生命系统获得了物理世界的信息，它们才可能控制与这些信息相关的过程：更多的信息意味着对更多自由度的控制。
图1：生命光谱中的信息。该图阐明了一个如何将生命系统视为同一物理现象不同层级例子的概念框架，关键在于信息结构的区别。以这样的尺度上对生命系统进行排序是否可能；以及若可能，哪种度量更能刻画这个尺度的特点，目前仍是一个悬而未决的问题。图中复杂系统分别代表：一组非生物的化学化合物、细胞内的生化反应、由多达5万个细胞组成的团藻球形种群、蚂蚁群体的集群行为，以及嵌入城市的社会结构。这当然并不全面，但说明了代表不同生命力程度的系统在不同尺度缩放下可能的样子
生命可能存在一个光谱的想法是信息方法的自然结果：如果信息蕴含的某种概念确实是生命物质最基本属性的基础，那么生命就应该能用其信息结构和因果结构来量化（WalkerDavies，）。然而，作为围绕生命属性的信息和因果结构，一旦延伸到纯物理系统，就开启了统一描述生命和非生命系统并量化它们相似和差异的可能性。当我们把目光投向行恒星和星系等大质量天体来研究引力物理学时，就像承认引力是宇宙的一个普遍属性一样，我们应该认识到信息也是，而生命过程就是研究信息物理学最典型的例子。
可见重要的是，任何量化生命的尝试都必须能处理非生命模仿生命系统行为的情况。因此在这篇文章中我们