宇宙中一切事物为何变得更复杂：复杂性理论新解
由 Simons Foundation 支持的编辑独立出版物。
Why Everything in the Universe Turns More Complex
作者： Philip Ball
2025年4月2日
一项新的研究表明，复杂性随时间推移而增加，不仅在生物有机体中，也在非生物世界中，这一观点有望改写我们对时间和进化的认识。
Irene Pérez为 Quanta Magazine 绘制
作者：Philip Ball 特约撰稿人 2025年4月2日
1950年，意大利物理学家 Enrico Fermi 与同事讨论是否存在外星智慧生命的可能性。 他说，如果外星文明存在，那么他们一定有足够的时间在宇宙中扩张。 那么他们在哪里呢？
对于 Fermi 的“悖论”已经提出了许多答案：也许外星文明在成为星际旅行者之前就已经耗尽或摧毁了自己。 但也许最简单的答案是，这些文明根本就没有出现： 智慧生命极其不可能存在，我们提出这个问题仅仅是因为我们是极其罕见的例外。
一个跨学科研究团队提出了一项新建议，挑战了这种黯淡的结论。 他们提出了一个全新的自然法则，即宇宙中实体的复杂性随着时间的推移而增加，其必然性堪比热力学第二定律——该定律决定了熵（一种无序的度量）不可避免地增加。 如果他们是对的，那么复杂和智慧生命应该很普遍。
在这种新的观点中，生物进化似乎并不是一个独特的、产生了一种与众不同的物质形态（生物有机体）的过程。 相反，进化是一个更普遍原则的特殊（或许是必然的）例子，该原则支配着宇宙。 根据该原则，实体之所以被选择，是因为它们富含某种信息，这种信息使它们能够执行某种功能。
这个由华盛顿特区卡内基研究所的矿物学家 Robert Hazen 和天体生物学家 Michael Wong 以及其他团队成员提出的假设引发了激烈的争论。 一些研究人员对这个想法表示欢迎，认为它是关于自然基本规律的宏大叙事的一部分。 他们认为，物理学的基本定律并不是“完整的”，无法提供我们理解自然现象所需的一切； 相反，进化——生物或其他——引入了即使原则上也无法仅从物理学预测的功能和新事物。“我很高兴他们做了他们所做的事情，”宾夕法尼亚大学的名誉复杂性理论家 Stuart Kauffman 说。 “他们使这些问题变得合法。”
华盛顿特区卡内基研究所的天体生物学家 Michael Wong
Katherine Cain/Carnegie Science
另一些人则认为，将关于功能的进化思想扩展到非生命系统是过度延伸。 在这种新方法中，衡量信息的定量价值不仅是相对的——它会根据上下文而变化——而且不可能计算。 由于这个原因和其他原因，批评者认为这种新理论无法检验，因此没有什么用处。
这项工作涉及到一个不断扩大的辩论，即生物进化如何适应正常的科学框架。 通过自然选择进行的达尔文进化论可以帮助我们理解生物在过去是如何变化的。 但与大多数科学理论不同，它无法预测未来会发生什么。 将其嵌入到复杂性增加的元定律中，是否能让我们一窥未来？
创造意义
故事始于2003年，当时生物学家 Jack Szostak 在 Nature 上发表了一篇短文，提出了功能信息的概念。 Szostak （六年后的相关工作获得了诺贝尔奖）想要量化蛋白质或 DNA 链等生物分子所包含的信息量或复杂性。 电信研究员 Claude Shannon 在 1940 年代开发的经典信息论，以及后来由俄罗斯数学家 Andrey Kolmogorov 阐述的经典信息论，提供了一个答案。 根据 Kolmogorov 的说法，符号串（例如二进制 1 和 0）的复杂性取决于人们如何简洁地唯一指定该序列。
例如，考虑 DNA，它是由四种不同的构建块（称为核苷酸）组成的链。 仅由一种核苷酸组成，重复一遍又一遍的链的复杂性远低于由所有四种核苷酸组成的链，其中序列看起来是随机的（在基因组中更为典型），因此编码的信息也更少。
Jack Szostak 提出了一种量化生物系统中信息的方法。
HHMI
但 Szostak 指出，Kolmogorov 对复杂性的度量忽略了一个对生物学至关重要的问题：生物分子如何发挥作用。
在生物学中，有时许多不同的分子可以做同样的工作。 考虑 RNA 分子，其中一些具有可以轻松定义和测量的生化功能。 （像 DNA 一样，RNA 由核苷酸序列组成。）特别是，称为适体的 RNA 短链可以牢固地结合到其他分子上。
假设您想找到一个与特定目标分子结合的 RNA 适体。 很多适体都可以做到这一点，还是只有一个适体？ 如果只有一个适体可以完成这项工作，那么它是独一无二的，就像一长串看似随机的字母一样。 Szostak 说，这种适体将拥有大量的他称之为“功能信息”的东西。
如果许多不同的适体可以执行相同的任务，则功能信息会小得多。 因此，我们可以通过询问有多少其他相同大小的分子可以同样出色地完成同一任务来计算分子的功能信息。
Szostak 继续表明，在这种情况下，功能信息可以通过实验测量。 他制作了一堆 RNA 适体，并使用化学方法来识别和分离那些与选定的目标分子结合的适体。 然后，他对获胜者进行了一些突变，以寻找更好的结合剂，并重复了该过程。 适体的结合效果越好，随机选择的另一个 RNA 分子同样好的可能性就越小：每一轮中获胜者的功能信息都应上升。 Szostak 发现，性能最佳的适体的功能信息越来越接近理论预测的最大值。
选择功能
Hazen 在思考生命起源时偶然发现了 Szostak 的想法——作为一个矿物学家，这个问题吸引了他，因为长期以来，人们一直怀疑发生在矿物上的化学反应在生命的开始中起着关键作用。 “我得出的结论是，谈论生命与非生命是一种错误的二分法，”Hazen 说。 “我觉得一定存在某种连续性——一定有某种东西在推动这个过程从简单系统向更复杂系统发展。” 他认为，功能信息有望实现“各种进化系统日益增长的复杂性”。
2007 年，Hazen 与 Szostak 合作编写了一个计算机模拟，其中涉及通过突变进化的算法。 在这种情况下，它们的功能不是与目标分子结合，而是执行计算。 他们再次发现，随着系统进化，功能信息会随着时间的推移而自发增加。
这个想法在那里停滞了多年。 Hazen 看不到如何进一步发展，直到 Wong 在 2021 年接受了卡内基研究所的奖学金。 Wong 拥有行星大气层的背景，但他和 Hazen 发现他们正在思考相同的问题。 “从我们坐下来讨论想法的那一刻起，这简直令人难以置信，”Hazen 说。
华盛顿特区卡内基研究所的矿物学家 Robert Hazen
Robert Hazen 提供
“我已经对在其他世界寻找生命的最新技术感到失望，”Wong 说。 “我认为它过于狭隘地局限于我们在地球上所知的生命，但其他地方的生命可能会采取完全不同的进化轨迹。 那么，我们如何从地球上的生命中抽象出来，以便我们能够注意到其他地方的生命，即使它具有不同的化学特性，但又不会太远，以至于我们将包括所有类型的自组织结构，如飓风？”
两人很快意识到，他们需要来自另一组学科的专业知识。 “我们需要从非常不同的角度来看待这个问题的人，以便我们所有人都能相互制衡彼此的偏见，”Hazen 说。 “这不是一个矿物学问题； 这不是一个物理问题，也不是一个哲学问题。 它是所有这些。”
他们怀疑功能信息是理解像生物有机体这样的复杂系统如何通过随时间发生的进化过程产生的关键。 “我们都认为热力学第二定律提供了时间箭头，”Hazen 说。 “但宇宙似乎采取了一条更为特殊的道路。 我们认为是由于对功能的选择——这是一个非常有秩序的过程，导致有序状态。 这不是第二定律的一部分，尽管它与第二定律并不矛盾。”
从这个角度来看，功能信息的概念使团队能够思考与生命完全无关的复杂系统的发展。
乍一看，这似乎不是一个有希望的想法。 在生物学中，功能是有意义的。 但对于一块石头来说，“功能”意味着什么？
Hazen 说，它真正暗示的是，某种选择过程倾向于一个实体而不是许多其他可能的组合。 大量不同的矿物可以由硅、氧、铝、钙等形成。 但只有少数几种存在于任何给定的环境中。 最稳定的矿物原来是最常见的。 但有时不太稳定的矿物会持续存在，因为没有足够的能量将其转化为更稳定的相。
信息本身可能是一种至关重要的宇宙参数，类似于质量、电荷和能量。
Michael Wong，卡内基研究所
这似乎微不足道，就像说有些物体存在而其他物体不存在一样，即使它们在理论上可以存在。 但 Hazen 和 Wong 已经表明，即使对于矿物来说，功能信息也随着地球历史的发展而增加。 矿物向更大的复杂性进化（但不是以达尔文主义的意义上）。 Hazen 和同事推测，石墨烯等复杂形式的碳可能在土星卫星泰坦的富含碳氢化合物的环境中形成——这是功能信息增加的另一个不涉及生命的例子。
化学元素也是如此。 大爆炸后的最初时刻充满了未分化的能量。 随着事物冷却，夸克形成，然后凝聚成质子和中子。 这些聚集在一起形成氢、氦和锂原子的核。 只有当恒星形成并且在其中发生核聚变时，才会形成更复杂的元素，如碳和氧。 只有当一些恒星耗尽了它们的聚变燃料时，它们在超新星中的坍缩和爆炸才会产生更重的元素，如重金属。 元素在核复杂性方面稳步增加。
Wong 说，他们的工作暗示了三个主要结论。
首先，生物学只是进化的一个例子。 “有一种更普遍的描述可以驱动复杂系统的进化。”
其次，他说，可能存在“一个时间箭头来描述这种日益增长的复杂性”，类似于热力学第二定律（描述了熵的增加）被认为创造了时间的优先方向。
最后，Wong 说，“信息本身可能是一种至关重要的宇宙参数，类似于质量、电荷和能量。”
在 Hazen 和 Szostak 使用人工生命算法进行的进化研究中，功能信息的增加并不总是渐进的。 有时它会以突然的跳跃发生。 这与生物进化中看到的情况相呼应。 生物学家早就认识到生物体的复杂性突然增加的转变。 其中一个转变是具有细胞核的生物的出现（大约 18 亿到 27 亿年前）。 然后是向多细胞生物的转变（大约 20 亿到 16 亿年前）、寒武纪大爆发中身体形态的突然多样化（5.4 亿年前）以及中枢神经系统的出现（大约 6 亿到 5.2 亿年前）。 人类的出现可以说是另一个重大而快速的进化转变。
进化生物学家倾向于将这些转变中的每一个都视为一种偶然事件。 但是在功能信息框架内，进化过程中的这种跳跃（无论是生物的还是非生物的）似乎都是不可避免的。
在这些跳跃中，Wong 将进化的对象描绘为进入了一个全新的可能性和组织方式的景观，仿佛渗透到“上一层楼”。 至关重要的是，什么是重要的——选择的标准，持续的进化依赖于此——也在发生变化，从而描绘出一个全新的过程。 在上一层楼，在你到达它之前无法猜测到的可能性在等待着你。
A New Idea for How to Assemble Life 
origins of life
A New Idea for How to Assemble Life
2023年5月4日
例如，在生命起源过程中，最初可能重要的是原始生物分子能够长时间存在——它们是稳定的。 但是一旦这些分子被组织成可以相互催化形成的群体——Kauffman 称之为自催化循环——只要循环持续存在，分子本身就可以是短暂的。 现在重要的是动态稳定性，而不是热力学稳定性。 圣塔菲研究所的 Ricard Solé 认为，这种跳跃可能等同于物理学中的相变，例如水的冻结或铁的磁化：它们是具有普遍特征的集体过程，这意味着一切都在同时、无处不在地发生变化。 换句话说，在这种观点中，存在一种进化物理学——而且是我们已经了解的一种物理学。
生物圈创造了自己的可能性
功能信息棘手的地方在于，与大小或质量等度量不同，它是上下文相关的：它取决于我们希望对象做什么，以及它所处的环境。 例如，与特定分子结合的 RNA 适体的功能信息通常与与不同分子结合的信息非常不同。
然而，为现有组件寻找新用途正是进化所做的。 例如，羽毛并不是为了飞行而进化的。 这种用途的改变反映了生物进化是如何临时拼凑的，利用了可用的东西。
Kauffman 认为，因此，生物进化不断创造出不仅是新型生物，而且是生物的新可能性，这些可能性不仅在进化早期阶段不存在，而且根本不可能存在。 从 30 亿年前构成地球生命的单细胞生物汤中，不可能突然出现大象——这需要一大堆先前的、偶然的但具体的创新。
然而，对象拥有的用途数量没有理论上的限制。 这意味着进化中新功能的出现是无法预测的——然而，某些新功能可以决定系统后续进化的规则。“生物圈正在创造自己的可能性，”Kauffman 说。 “我们不仅不知道会发生什么，我们甚至不知道会发生什么。” 光合作用是如此深刻的发展； 真核生物、神经系统和语言也是如此。 正如微生物学家 Carl Woese 和物理学家 Nigel Goldenfeld 在 2011 年所说的那样，“我们需要另一组描述原始规则演变的规则。 但这种更高层次的规则本身也需要演变。 因此，我们最终会得到一个无限的等级制度。”
亚利桑那州立大学的物理学家 Paul Davies 认为，生物进化“产生了自身扩展的可能性空间，无法通过先前状态的任何确定性过程来可靠地预测或捕获。 因此，生命部分地进化成了未知。”
复杂性的增加为未来提供了寻找简单生物体无法获得的新策略的潜力。
悉尼大学 Marcus Heisler
在数学上，“相空间”是一种描述物理系统所有可能配置的方式，无论是像理想化的摆锤那样相对简单，还是像构成地球的所有原子那样复杂。 Davies 和他的同事最近提出，在一个不断扩展的可访问相空间中的进化可能在形式上等同于数学家 Kurt Gödel 设计的“不完备性定理”。 Gödel 证明，数学中的任何公理系统都允许制定无法证明为真或假的陈述。 我们只能通过添加新的公理来确定这些陈述。
Davies 和他的同事说，与 Gödel 的定理一样，使生物进化具有开放性并阻止我们能够在一个独立的和包罗万象的相空间中表达它的关键因素是它是自引用的：空间中新参与者的出现会反馈给已经存在的参与者，从而创造新的行动可能性。 物理系统并非如此，即使它们在星系中拥有数百万颗恒星，它们也不是自引用的。
“复杂性的增加为未来提供了寻找简单生物体无法获得的新策略的潜力，”悉尼大学的植物发育生物学家兼不完备性论文的合著者 Marcus Heisler 说。 Davies 说，生物进化与不可计算性问题之间的这种联系“直接关系到使生命如此神奇的核心。”
那么，在进化过程中，生物学是否特殊，因为它具有由自引用产生的开放性？ Hazen 认为，事实上，一旦将复杂的认知添加到组合中——一旦系统的组成部分可以“在他们的脑海中”推理、选择和运行实验——宏观-微观反馈和开放式增长的潜力就会更大。 “技术应用使我们远远超越了达尔文主义，”他说。 如果钟表匠不是盲人，则钟表的制造速度会更快。
回到工作台
如果 Hazen 和他的同事是对的，即涉及任何类型选择的进化不可避免地会增加功能信息——实际上是复杂性——这是否意味着生命本身，以及可能意识和更高的智能，在宇宙中是不可避免的？ 这将与一些生物学家的想法背道而驰。 杰出的进化生物学家 Ernst Mayr 认为，对外星智慧的寻找注定要失败，因为类人智慧的出现是“完全不可能的”。 毕竟，他说，如果导致文化和文明的水平的智慧在达尔文进化中具有如此适应性，那么为什么它在整个生命之树中只出现过一次呢？
Mayr 的进化论点可能在向类人复杂性和智慧的飞跃中消失，从而彻底改变了整个游戏领域。 人类如此迅速地获得了行星统治地位（无论好坏），以至于它何时会再次发生的问题变得毫无意义。
但是这种飞跃首先发生的几率是多少呢？ 如果新的“功能信息增加定律”是正确的，那么一旦生命存在，它似乎注定会以突飞猛进的方式变得更加复杂。 它不必依赖于某些极不可能发生的偶然事件。
更重要的是，这种复杂性的增加似乎暗示着自然界中新的因果规律的出现，这些规律虽然与支配最小组成部分的基本物理定律并不矛盾，但实际上在决定下一步会发生什么时取代了它们。 可以说，我们已经在生物学中看到了这一点：当质量不是炮弹而是活鸟时，伽利略（伪经）从比萨斜塔上掉落两个质量的实验不再具有预测能力。
与格拉斯哥大学的化学家 Lee Cronin 一起，亚利桑那州立大学的 Sara Walker 设计了一套描述复杂性如何产生的替代思想，称为 组装理论。 组装理论没有功能信息，而是依赖于一个称为组装指数的数字，该数字衡量从其组成成分制造对象所需的最少步骤数。
“生命系统的规律必须与我们现在在物理学中拥有的规律有些不同，”Walker 说，“但这并不意味着没有规律。” 但她怀疑功能信息的假定定律是否可以在实验室中进行严格测试。“我不确定一个人如何说[该理论]是正确的还是错误的，因为没有办法客观地对其进行测试，”她说。 “实验会寻找什么？ 如何控制它？ 我很想看到一个例子，但我仍然持怀疑态度，直到在该领域进行一些计量。”
Hazen 承认，对于大多数物理对象，即使原则上也不可能计算功能信息。 即使对于单个活细胞，他也承认，也无法对其进行量化。 但他认为这不是一个症结所在，因为我们仍然可以在概念上理解它，并对其获得大致的定量感觉。 同样，我们无法计算小行星带的精确动力学，因为引力问题太复杂了——但我们仍然可以足够近似地描述它，以便在其中导航航天器。
Wong 在天体生物学中看到了他们想法的潜在应用。 地球上生物体的一个奇怪方面是，与它们可以制造的基本成分相比，它们倾向于制造的有机分子子集要小得多。 这是因为自然选择挑选出了一些受青睐的化合物。 例如，活细胞中的葡萄糖比仅仅根据化学热力学或动力学随机或根据其热力学稳定性制造分子所预期的要多得多。 因此，其他世界上的类生命实体的一个潜在特征可能是选择之外的类似迹象，化学热力学或动力学单独产生这些迹象。 （组装理论同样预测了基于复杂性的生物特征。）
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可能有其他方法来测试这些想法。 Wong 说，关于矿物演化的工作还有更多要做，他们希望研究核合成和计算“人工生命”。 Hazen 还看到了在肿瘤学、土壤科学和语言演化中的可能应用。 例如，法国蒙彼利埃大学的进化生物学家 Frédéric Thomas 和他的同事 已经认为，控制肿瘤中癌细胞随时间变化的进化原则不像达尔文进化的那些原则（选择标准是适应性），而更像是 Hazen 及其同事的功能选择理念。
Hazen 的团队一直在接待来自经济学家到神经科学家等研究人员的询问，他们渴望了解该方法是否有帮助。 “人们正在向我们走来，因为他们迫切希望找到一个模型来解释他们的系统，”Hazen 说。
但无论功能信息是否最终成为思考这些问题的正确工具，许多研究人员似乎都在汇聚到关于复杂性、信息、进化（生物和宇宙）、功能和目的以及时间方向性的相似问题上。 很难不怀疑有大事正在发生。 这让人想起热力学的早期，热力学始于关于机器如何工作的简单问题，最终谈到了时间箭头、生命物质的特殊性以及宇宙的命运。
