張江：從複雜科學視角，追問生命是什麼
個體之於羣體，如滴水之於百川。但在對生命本質的探索中，一些概念模糊不清，究竟什麼才是生命個體？個體與環境的邊界在哪裏？5月15日，由集智俱樂部、葦草智酷、信息社會50人論壇舉辦的《生命是什麼？——從聖塔菲研究所“個體信息論”談起》【雲上思想】研討會就這一問題展開了分析。期間，北京師範大學系統科學學院張江教授做了題為《生命自主體理論一瞥》的專題分享。以下是報告紀要。
什麼是生命？
生命是什麼？這個問題大家可能都思考過，這個問題可能説是“靈魂拷問”，不僅僅是針對每一個生命體都非常重要，它直接也促成了我們生命科學，特別引發物理學家、計算機學家、數學家對生命大問題聯合的拷問。
之前最早提出這個問題的人是薛定諤，他是一個典型的物理學家。但是在他撰寫的書《What is Life》裏卻把這個問題擺在了這些物理學家和數學家面前，這激勵着大量絕頂聰明的人士開始思考這一問題。
圖1：書籍《What is Life》
薛定諤當年他的洞察最重要的是兩點：
第一點，生命體一個非常重要的特徵就是要保持新陳代謝：從物理的角度來説新陳代謝就是在攝取負熵流；
第二點，生命體要完成自複製：而從物理的角度來説這一定是需要一種準晶體來去實現自複製過程，這也就促成了後來的 DNA 雙螺旋結構的發現。
不過，從第一點來説，新陳代謝實際上並沒有得到一個像雙螺旋結構那樣普適的理論。因此我們的討論可以從“生命體如何維持一個穩定的結構”這一問題展開。
這就牽扯到一個所謂的個體之迷的問題：當我們看到一個小蟲子在地上爬——動動腿就能跑。這樣一個蟲子和屏幕上動來動去的鼠標有一個非常本質的不同。因為這個小蟲子有一個自我，這個蟲子為了達成自我吃食的目的，會主動在環境裏面朝向食物運動。
這樣一種有自我意識的生命主體是怎樣起源的？這就是我們所説的個體之迷。
個體之迷的四種解釋
這個謎團跟所謂自我湧現其實是緊密不可分的，這也是該問題歸屬於複雜性科學的重要原因。 因為複雜性科學就是要回答湧現從何而來。 所以我們就要試圖回答，自我這個概念是如何自下而上湧現出來的。
除了傳統的生物學視角以外，我們可以從建模的視角去回答這個個體之迷。具體而言又分為了四個方向。圖靈機、自創生與自催化、個體信息論、湧現層次問題。
第一是個體之迷的回答，其實可以追溯到圖靈機模型。當然圖靈機模型可以回答一部分問題，但是有更多的問題無法回答。
後來就有了聖塔菲學派的 Kauffman，以及 Marturana 和 Varela 兩個智利的生物學家，他們從開始從另一個角度去考慮主體如何從自下而上湧現而出的這種自創生、自催化的組織是怎麼出現的。自創生、自催化這個方向走到後期，就會發現研究不得不再次停滯不前。因為自創生、自催化這些組織很神奇，它是湧現出來的。但是，它的一個缺點是很難界定個體的邊界。
新的方向是，如何針對這樣一種組織，如何通過數學的方式來去定量刻畫。這也就是個體信息論。
最後，生命是一個多層次的複雜系統。一個層次的生命湧現後並不會停止，存在多層次的湧現，這也是對未來研究的展望。
圖靈機：最早的個體模型
説回圖靈機模型，1937年圖靈就發表了一篇論文 On Computable Numbers, With an Application to the Entscheidungsproblem，這篇論文直接提出了圖靈機模型，它是一個超級簡單的馮·諾伊曼的計算機。今天的計算機能做的事圖靈機都能做，圖靈機如何運作其實它元件非常簡單，就是一個長長的紙帶，這有一個讀寫頭，然後這個讀寫頭會根據一個固定的規則表和字母表，然後在紙帶上劃來劃去，同時也可以改寫紙上的內容。它的操作是超級簡單，但是圖靈機的表現可以非常複雜。通過簡單地設置圖靈機規則表，就可以讓它去近似模擬一些簡單的生命體行為。
朗頓的螞蟻是一個著名的圖靈機模型。
圖2：朗頓的螞蟻
這個圖靈機是一個二維的方格世界裏面遊走的螞蟻。它遵循兩條規則：第一，如果遇到當前格子為白，右旋轉90°，把格子塗黑，往前移動一個格子。第二，如果遇到當前格子為黑，左旋轉90°，把格子塗白，往前移動一個格子。就這麼一個簡單的規則。它可以繪製出來非常複雜的行為和圖形。以此類推，我們可以通過添加簡單的規則，利用圖靈機去模擬生命現象。
圖靈機的優點就是通用計算能力（Universal Computation），我們的任何計算模型包括 AlphaZero 都可以轉變為圖靈機的模式。只要一個模型是可計算的，我們就可以説它和圖靈機是等價的。這一理論被稱之為 Church-Turing Thesis。
當然圖靈機也有缺點，首先最大的瓶頸就是，它是一個串行化的模型。因為我們知道它是一個螞蟻，螞蟻就相當於一個讀寫頭，這個讀寫頭只能夠串行在這個紙帶上走來走去。實際上我們人體是由一堆細胞構成的，每一個細胞都可以看成是一個圖靈機，這些細胞都是在並行操作，不是串行。
第二個是具身性問題。圖靈機它忽略了所有細胞接觸到的信息，直接把我們大腦的認知系統看成一個串行單體。只對這個單體來建模，而忽略了身體每一個毛孔都是跟外界進行物質能量信息的交換。這部分輸入進來的信息被圖靈機捨棄了。因此，它實際上是一個裸大腦的圖靈機，不具備所謂的身體。至於，是不是能這樣抽象這個要做進一步的討論了。
第三個缺點是圖靈機這樣一個個體它是如何起源的。前文提到的螞蟻模型或者更復雜的圖靈機，都是人類制定規則創造出來的圖靈機。現實生命中卻沒有一個上帝創造者，而是一個自發起源的過程。一個圖靈機模型是如何去起源的，這個問題沒有回答。
生命的起源：自創生、自催化
新的研究角度就是科學家開始思考，一個類似於原始細胞的一個生命個體是如何自下而上的，而且是大量個體互相作用並行化的。從而，形成一個組織，而這個組織又是可以被看成是具有自我的主體。
這個問題其實更大，它直接牽扯到了生命起源問題。生命起源不是一個過程，實際上是若干個階段：包括有化學物質的起源、前化學進化、細胞的起源好幾個階段。
研究者的關注點在於，假設化學物質它已經存在了，這個化學物質如何去構成一個完整的細胞的。這也是一個單個的細胞生命體是如何起源問題。對這個現象進行研究的一個最知名的理論，就是所謂的自創生理論（Autopoeisis）。是由智利的兩名生物學家 Humberto Maturana 和 Francisco Varela 在 1970 年代創立的。
自創生理論（Autopoeisis）認為： 生物體就是一個複雜的化學網絡，這個化學網絡在每一個時刻都在不斷地生成自己。
Humberto Maturana 和 Francisco Varela 給出了 Autopoietic 系統的兩個條件：
這個生物組織具有生產閉合性“網絡中的任意一個元素都被網絡中的其它元素生產。換句話説，這整個的網絡它所有的零部件全部都是自給自足的，滿足一個自我閉環的特性；
網絡中的化學元素不斷地生成自己的邊界，存在一個膜，從而使得邊界內部的網絡系統構成一個獨立的整體。
只要面前這兩條就可以構成一個原始的生命，原始的細胞。在這樣一個定義裏面實際上沒有關於任何物質的構成這方面任何的限制。換句話説，這個網絡你可以是由分子構成，也可以是由一個細胞構成，甚至可以由一個人去構成它的一個單元。只要你這個網絡這堆人能夠相互生成，形成一個閉合系統，這種系統就能被稱為生命體。
埃舍爾的畫作《畫手》是對生產閉合特性最好的表述。以這幅畫作而論，互相描摹的手構成了一個生命的閉環。
圖3：畫手
如果我們把它抽象為一個閉合的生產網絡，就如下圖所示，從此處我們也可以意識到，這樣的一個網絡是具有自我修復特性的，即使去掉一些節點，也可以再生成出來。
圖4：閉合的流動網絡
催化反應
自創生理論提出後也受到了學術界非常大的爭議，其中最大一個問題是，在考慮原始生命的化學反應的時候，忽略了一個非常重要的條件——化學反應中的催化劑。 這是這套理論最大的不足。
在個體理論研究中做了很多前沿工作的聖塔菲研究者 Stuart Kauffman 寫了兩本非常有想象力的書籍，一本是《宇宙為家》，另一本是《科學新領域的探索》。
圖5：《宇宙為家》（左圖）；《科學新領域的探索》（右圖）
在書中 Kauffman 就表達了一個觀點：要構成一個能湧現出多個個體最原始的個體，就要構成一個催化閉合網絡。生成生命的化學反應要被閉合圈裏面其他物質所催化而出來的，而不僅僅是簡單生產出來。只有加上催化劑的存在才能提高生產的速度，才會出現生命的相變。
圖6：催化閉合網絡
為了驗證自催化閉合的網絡是如何產生類生命組織的，Walter Fontana 提出了算法化學（AlChemy）。
AlChemy用一些圖靈機作為化學細胞構成的分子。然後讓圖靈機分子兩兩互碰的時候，一個圖靈機可以把另外一個圖靈機當成數據，當成紙帶上的符號來進行讀寫。從而生成另外一個圖靈機，這就完成了所謂的化學反應。所以，這一鍋圖靈機就形成了所謂的圖靈器，然後這些圖靈機在分子湯裏面碰撞，然後又會生成新的圖靈機、新的分子。
經過多次反應迭代就出現了有趣的自催化閉合圈。
這樣一個模型不僅具備前面提到的自修復特性，也包括共生、競爭的關係。
滲流相變
直覺上，我們會覺得鍋分子湯隨機碰撞，產生生命組織的概率似乎很小，但是實際上，如果你把每一個化學反應看成是一個鏈邊，然後每個分子看成是一個節點，從複雜網絡裏面滲流相變特性得知，一個自閉合組織的產生是存在臨界相變的現象的。當化學反應足夠複雜、足夠多時，產生一個自我閉合圈是一個大概率事件，這就使得生命的起源，在某種程度上得到了解釋。
圖8：臨界相變示意圖
對生命定義的延伸
Kauffman 在《科學探索》中對生命的定義做了進一步的延伸。他認為真正的生命個體不僅僅要滿足一個自催化閉合，還有一個非常必要的條件就是一定要能夠包含至少一個卡諾循環。汽車發動機的四個衝程，其實就是卡諾循環。首先，物質要獲取能量，同時這個能力獲得完以後能做功，而且做完功以後就像馬達一樣恢復原狀，同時進一步吸收能量再一次做功，因此構成了一個閉合的一個時間上的閉合圈。所以這個自催化閉環是一個空間上的閉合圈，卡諾循環是一個時間上的閉合圈。因此只有把時空上的閉合圈組合在一起才是一個真正的自主體。
從個體信息論到整合信息論
回過頭去看我們研究過的模型，可以清晰地看到一個脈絡：最早的圖靈機模型是自上而下的對這個主體進行建模的方式，也就是説不涉及內部組成是怎麼長出來的，只分析行為。由此建立的一種圖靈機模型是第一代的主體模型。
第二代模型一個鮮明特點是不研究個體的行為。而關注它的構成，去分析一個自下而上長出來的一個模糊的組織，連邊界都可能不是很清晰的組織。
第三代是一種對最原始生命模式的迴歸，藉助個體信息論這樣的工具，描述那些難以刻畫邊界、定義不清楚的生命。
David Krakauer 最大的貢獻是他找到一種描述的手段，描繪了生命主體和環境中間的互動，這是一個時刻按照時間去演化的過程。
圖9：生命主體與環境演化示意圖
無論二者間的互動多麼複雜，總是可以把它抽象成一個描述不確定性的隨機過程。其中就可以用互信息來刻畫主體性——也就是互相聯繫的緊密程度。對於一個組織來説它的個體性就體現在讓這一時刻的自己和下一時刻的自己緊密相關——互信息最大化。
以細胞代謝為例，雖然人體內部細胞誕生衰老的現象在時刻發生，但”我“在前後兩個時刻是緊密相關的，因此就可以説“我”是個體、具備個體性。David Krakauer 最大的貢獻就在於，如果我們能夠找到一種劃分，我們就可以把第二代的生命主體模型劃歸為第一代的生命主體模型。
湧現的層級
我們經常看到的生命體實際上具備非常強大層級的結構，它是一層一層地不斷去生成、不斷湧現。在空間上：這種湧現從單細胞、多細胞，多細胞到器官，器官再到組織，接下來人體甚至社會。每一個複雜的結構都是一層一層湧現出來的。
圖10：生命層級結構示意圖
同時，還存在着一個虛擬的層級，比如我們的大腦就“內嵌”了整個世界，整個世界都在我們的意識中有一個映射。這個層級性非常有趣，它是兩個層級展開，而且這兩個層級密切相關。很多研究發現，如果要承載更大空間尺度上的層級，就必須在虛擬的層級、內在的層級足夠的深。這就是為什麼《人類簡史》作者赫拉利所説：人類之所以有龐大的數百萬人的組織，就是因為我們頭腦具有虛構的能力，這説明了這兩個層級是密切相關的。
在虛擬層級、複雜性科學領域，馮·諾伊曼其實做出了巨大的貢獻。在他的書《Theory of Self-Reproducing Automata》中就提到自複製的概念。
圖11：書籍《Theory of Self-Reproducing Automata》
我們可以看到人造的機器和真實生命存在着一個鮮明的差異，這個差異就是説真實的生命它又可以自複製，存在着演化的時間箭頭。
但是人造的系統、機器非常容易出錯。所有的複雜系統存在一個所謂複雜度的閾值，就像我們人造的機器一樣，你不停運行它就會自然而然受到熱力學第二定律制約而衰敗。這就是，我們汽車為什麼長時間不維修就會出現問題，各種毛病都出來了的原因。
但是生命系統一旦超過這個複雜度的閾值，你就會發現生命就會不斷抵抗熵增，抵抗這個衰敗，而演變得更加高等，更加複雜，這是馮·諾伊曼研究自複製的最原始的出發點。實際上，也就是説自複製這個問題是跟熵增這個深刻的問題是密切相關的。
我們可以説複雜性存在着一個分水嶺，一個閾值。超過該閾值，系統便可以不斷進化下去，達不到則會衰敗。這個閾值就是自複製的能力。
為什麼説自複製可以跨越這個閾值呢？因為所有單個個體的生命都死亡，生命體自複製就是為了讓它進一步延伸。我們可以説，生物體裏面內部的 DNA，這一段信息其實就是對整個細胞的一個編碼，一個壓縮影射。在內部的世界裏，必須自己包含自己的全部信息。有了生命的全部信息，生命自己就可以實現自複製。在種羣上，生命體超越了個體的年齡，從而抵抗熱力學第二定律給它的熵增。
圖12：自複製
同時在生命體的信息自複製的時候，熱力學干擾也時刻存在，這樣的干擾就類似於基因突變，能夠創造嶄新的生命。形成一個新的代碼以後，這個新代碼又會在細胞裏面完成自複製。這樣可以反過來把熱力學的干擾變成一個動力來源，馮·諾伊曼的在他的書中都提到了上述內容。
圖13：《Theory of Self-Reproducing Automata》書中的插圖
誰來給生命下定義？
我們回顧生命主體的理論，大概是按照演進歷史的角度描述，但是主體和個體問題還遠遠沒有真正被我們回答，科學家還有很多很多路要走，這裏面確實也藏着非常深刻的一些關於生命本質的問題。從一個湧現的角度解釋生命也許是一個好的嘗試。因此，我們不可能從外在觀察者的角度去劃分生命的邊界，誰去定義生命，可能只有生命自己。
課程錄播已上線
https://campus.swarma.org/course/1529