姓名：劉敏提? ? ?學(xué)號(hào)：20021110076? ? 學(xué)院：電子工程學(xué)院

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【嵌牛導(dǎo)讀】“全知便可永恒”并不是忽略物理減熵，而是由于熱力學(xué)熵和信息熵二者可相互轉(zhuǎn)換。 這也是為什么軟件等“虛擬經(jīng)濟(jì)”可以創(chuàng)造價(jià)值，因?yàn)樵试S我們生存（減熵）的不是能量，而是能量的轉(zhuǎn)移（做功），所以可制造能量差的信息就能夠創(chuàng)造價(jià)值（負(fù)熵）。

【嵌牛鼻子】生命涌現(xiàn)

【嵌牛提問】生命的本質(zhì)是什么？

【嵌牛正文】

一、“RNA世界假說”

從信息減熵的角度重新理解生命演化，但有一個(gè)問題： 蛋白質(zhì)的功能需要 DNA 代碼來控制，而 DNA 代碼的復(fù)制又需要蛋白質(zhì)來實(shí)現(xiàn)。 若兩者都必不可少，那先有雞還是先有蛋？

以人們猜測(cè)地球上現(xiàn)存所有生命的始祖可能是同時(shí)具有二者功能的 RNA 聚合體， 并給了它一個(gè)名字：LUCA（Last Universal Common Ancestor）應(yīng)該是從能累積高濃度核苷酸的海底熱泉噴發(fā)口處形成， 最初和病毒一樣只會(huì)自我復(fù)制，而能量由噴發(fā)口所提供。 慢慢演化成由 DNA 存儲(chǔ)模型，由蛋白質(zhì)實(shí)現(xiàn)模型功能，且可獨(dú)立獲取能量的原核細(xì)菌和古細(xì)菌后，逃離噴發(fā)口。?

但既然 LUCA 已經(jīng)可以不斷復(fù)制自我，又為什么會(huì)犧牲復(fù)制速度，轉(zhuǎn)而向更復(fù)雜的 DNA + 蛋白質(zhì)的形式演化呢？

二、“演化之矢”

環(huán)境的熵或許就可以告訴我們答案。?

熵增定律表明了，若把整個(gè)宇宙視為一個(gè)孤立系統(tǒng)，熵會(huì)不斷增大。?而生命靠減熵來維持狀態(tài)，但代價(jià)卻是不斷增加環(huán)境的總熵。

比如我們收拾完房間后反而會(huì)排除更多的廢物+熱量。 若想在加速熵增的環(huán)境中繼續(xù)維持狀態(tài)，就要更強(qiáng)的減熵能力，也就無法原地踏步。?

所以局部的生命演化可能沒有方向，但若把所有生命整體視為一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，它也會(huì)向不斷增大智能的方向演化。

而增大智能的方式除了增強(qiáng)每個(gè)個(gè)體外，還有將若干個(gè)體組織成一個(gè)新個(gè)體的方式。 實(shí)現(xiàn)模型功能的最小單位是蛋白質(zhì)，雖然單個(gè)蛋白質(zhì)能實(shí)現(xiàn)的功能只相當(dāng)于開關(guān)門那么簡單， 但大量蛋白質(zhì)有組織并行工作就有了質(zhì)變（相變 phase transition），

由量變引起質(zhì)變的現(xiàn)象就是：涌現(xiàn) emergence。

涌現(xiàn)可以躍進(jìn)式的增強(qiáng)智能，但涌現(xiàn)的形成是有條件的。 只有穩(wěn)定的智能體之間有規(guī)則的相互作用才能形成更高層級(jí)的智能體。?

類比：想象用磚塊來筑墻，若每塊磚都可隨時(shí)變形，墻很容易坍塌，而沒有規(guī)則的堆砌，墻也會(huì)坍塌。?

DNA 的優(yōu)勢(shì)就在于它的穩(wěn)定性。

若 RNA 上的代碼受損，則會(huì)發(fā)生突變，雖然增加了個(gè)體的演化速度，但這種不穩(wěn)定性卻無法允許更高層級(jí)智能體的形成。 而 DNA 擁有兩條鏈，即使單鏈?zhǔn)軗p也可用另一條來修復(fù)（編譯出錯(cuò)時(shí)也有源代碼來糾錯(cuò)），相對(duì)穩(wěn)定的 DNA 允許了更高層級(jí)智能體的形成。 這也是為什么我們只發(fā)現(xiàn)低等病毒用 RNA 存儲(chǔ)模型，而所有的高等生命都是用 DNA 來存儲(chǔ)模型。

三、“反饋循環(huán)”

LUCA 的后代在很長一段時(shí)期內(nèi)都是厭氧菌，因?yàn)楫?dāng)時(shí)大氣成分的氧含量非常稀少。?

但約在 26 億年前，有一類叫做藍(lán)綠菌的分支演化出了光合作用 Photosynthesis。 可用太陽能將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成養(yǎng)料的同時(shí)排除氧氣。

1.正反饋

這種等同于有無限能源的優(yōu)勢(shì)使得藍(lán)綠菌的數(shù)量爆炸式增長，地球大氣氧含量迅速增加，被地質(zhì)學(xué)家稱為大氧化事件 Great Oxygenation Event 。?

這些額外的氧氣不斷消耗給地球保溫的甲烷，發(fā)生了最嚴(yán)重且持續(xù)時(shí)間最長的一次冰河時(shí)期 (休倫冰期)，而氧氣對(duì)當(dāng)時(shí)的生命屬毒氣，這使得地球上的生命包括藍(lán)綠菌近乎全部滅絕。相當(dāng)于被排泄物淹沒致死。?

可見若一個(gè)物種的個(gè)體可以永生，一旦演化出某個(gè)優(yōu)勢(shì)模型時(shí)，無限加速繁殖的個(gè)體會(huì)讓環(huán)境也加速熵增，該物種反而會(huì)因?yàn)檠莼臏p熵速度無法跟進(jìn)環(huán)境的熵增速度而滅絕。

2.負(fù)反饋

這就需要某種平衡機(jī)制，在控制論中被叫做負(fù)反饋。?

剛好在休倫冰期的 3 億年后，部分幸存的細(xì)菌演化出了與光合作用反全相反的呼吸作用，彼此制約的雙方最終將大氣氧含量平衡到了 21% 左右。

隨后某些好氧菌被大細(xì)菌整體吞噬后，形成內(nèi)共生關(guān)系 endosymbiotic，變?yōu)榱藢ｉT提供能量的線粒體。 而藍(lán)綠菌被大細(xì)胞吞噬后變成了葉綠體。這些大細(xì)胞又慢慢演化成了真核細(xì)胞。?

但在這之后的很長一段時(shí)間內(nèi)，不知道為什么，生命幾乎沒什么變化，因此也被稱為“無聊的十億年”。

四、“演化”

一直到距今 5.4 億年前的寒武紀(jì)，生命就像觸發(fā)了某個(gè)按鈕似的，在短時(shí)期內(nèi)迅速演化，被稱為寒武紀(jì)生命大爆發(fā) Cambrian Explosion。?

這讓達(dá)爾文非常困惑，因?yàn)檫_(dá)爾文主張的演化是漸進(jìn)式的，為什么會(huì)有大爆發(fā)現(xiàn)象。 然而從減熵的角度來看，維持生命的關(guān)鍵并非演化本身，而是演化所提供的信息。?

演化是史上第一個(gè)允許生命構(gòu)建模型來獲取信息的機(jī)制，但卻不是唯一的機(jī)制，寒武爆發(fā)的關(guān)鍵就在于第二套建模系統(tǒng)的完善。

1. 整體穩(wěn)定困境：

在那無聊的十億年中，雖然低等生物有涌現(xiàn)成高等生物的趨勢(shì)，但卻都遇到了一個(gè)瓶頸： 那就是隨機(jī)突變的單細(xì)胞無法達(dá)到涌現(xiàn)成復(fù)雜多細(xì)胞生物所需要的穩(wěn)定性。?

高層級(jí)的差異性機(jī)制 需要一個(gè)能將多細(xì)胞生物作為整體來增加差異性的機(jī)制，而有性生殖剛好最滿足這個(gè)特性。這也解釋了為什么高等生物都采用有性生殖，同時(shí)抑制單個(gè)細(xì)胞變異， 并非僅僅為了增加演化的差異性，而是在穩(wěn)定整體的基礎(chǔ)上增加差異性。?

2.?移動(dòng)信息困境：

但是不能大范圍移動(dòng)的多細(xì)胞生物只能和相近的個(gè)體交配，會(huì)因無法提供足夠的差異性導(dǎo)致演化速率過低而滅絕。?

可當(dāng)多細(xì)胞生物大范圍移動(dòng)后，環(huán)境也會(huì)隨移動(dòng)而改變，又會(huì)因之前演化出模型無法預(yù)測(cè)新環(huán)境的信息而死亡。?

處于這種兩難困境的低等生物始終無法形成更復(fù)雜的生命系統(tǒng)。

五、“一線曙光”

直到寒武紀(jì)之前的埃迪卡拉紀(jì)，演化出了神經(jīng)細(xì)胞。?

1.神經(jīng)演化

眾多神經(jīng)細(xì)胞形成的神經(jīng)網(wǎng) nerve net 就可以配合演化機(jī)制 Neuro-evolution 加快學(xué)習(xí)環(huán)境模型的速率， 出現(xiàn)了不少如水母一樣的刺胞動(dòng)物 Cnidaria。?

2.實(shí)時(shí)感官

而到了寒武紀(jì)初期，眼睛等高級(jí)感官系統(tǒng)相繼產(chǎn)生，比如當(dāng)時(shí)的頂級(jí)捕食者奇蝦 Anomalocaris 就有一對(duì)很大的復(fù)眼，這使得實(shí)時(shí)觀測(cè)信息成為了可能。

增加了實(shí)時(shí)感官能力的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就允許個(gè)體在新環(huán)境中，學(xué)習(xí)用上一時(shí)刻信息（輸入）來預(yù)測(cè)下一時(shí)刻信息（輸出）的模型， 比如我們可以躲避車輛就是因?yàn)樵?jīng)看過上下時(shí)刻都發(fā)生了什么，可用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建出模型。 當(dāng)再看車輛迎面而來（輸入信息）時(shí)便可及時(shí)預(yù)測(cè)車輛下一時(shí)刻的位置（輸出信息）進(jìn)而躲避。?

3.反饋循環(huán)

這種實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)信息的能力也讓捕食者與被捕食者之間形成了更激烈的軍備競賽關(guān)系， 比如沒有演化出眼睛的被捕食者就靠甲殼和偽裝來增加存活率，而這就讓捕食者演化出了更堅(jiān)硬的利牙與更高分辨率的眼睛。 但不管任何一方都會(huì)受到制約。靠太陽獲能的細(xì)菌會(huì)被其他小生物吃掉，小生物又會(huì)被大生物吃掉， 而到了食物鏈頂端的捕食者又會(huì)因?yàn)槌怨庑∩锒I死。?

這種制約關(guān)系抑制了某優(yōu)勢(shì)物種過分加快環(huán)境變化導(dǎo)致像當(dāng)初大氧化一樣的生物滅絕事件。 不過支持這種高強(qiáng)度軍備競賽的恰好是當(dāng)初大氧化生物滅絕事件所帶來的氧氣。?

4.新層級(jí)演化

而這一切都是由于第二套建模系統(tǒng)的不斷完善（至少經(jīng)歷了兩個(gè)階段），個(gè)體才能更容易在被危險(xiǎn)殺死之前找到配偶，解決了多細(xì)胞生物大范圍移動(dòng)后的信息問題，生命才能以高級(jí)形式繼續(xù)演化。

六、“第二套建模系統(tǒng)”

以上僅是從減熵的角度對(duì)寒武爆發(fā)的猜測(cè)，我們無法知道當(dāng)時(shí)究竟發(fā)生了什么。 但可以體會(huì)到，學(xué)習(xí)能力來的并不容易。從演化這個(gè)第一套學(xué)習(xí)系統(tǒng)開始至少經(jīng)歷了 20 億年的不斷試錯(cuò)才出現(xiàn)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這個(gè)第二套學(xué)習(xí)系統(tǒng)。

而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在此之后依然不斷完善，如今已經(jīng)發(fā)展成人類大腦，可以允許我們?cè)趥€(gè)體生命周期內(nèi)學(xué)習(xí)知識(shí)來預(yù)測(cè)信息。 近幾年非常火的人工智能也正是受神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的啟發(fā)，用深度學(xué)習(xí)算法使語音、圖像等識(shí)別達(dá)到了人類水平。?

這也給人類的未來工作帶來了巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)橹R(shí)是我們獲得信息的源泉。 計(jì)算機(jī)已經(jīng)可以根據(jù)信息來歸納知識(shí)，但很多人卻還像計(jì)算機(jī)一樣去記憶信息，天真的認(rèn)為人腦的容量是無限的。?