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物理学杂志·复杂:复杂信息层级结构的出现与生物系统的开放演化

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导语

生物体是如何持续进行开放演化的,这篇2025年1月23日发表于Journal of Physics: Complexity 的论文给出的回答是:每当生命把自己的一部分规律内化成自身的一部分,就会产生新的不可判定的矛盾;通过跳出当前系统,进入一个更大的问题空间。文中将这个过程称为生物时间之箭。这种持续的自指,意味着进化规则本身也要进化,而描述 "规则如何进化" 的规则又要进化。

关键词:自指、开放演化、复杂层次结构、递归、元模拟

郭瑞东丨作者

赵思怡丨审校


论文题目:Biological arrow of time: emergence of tangled information hierarchies and self-modelling dynamics 论文链接:https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2632-072X/ad9cdc 发表时间:2025年1月23日 论文来源:Journal of Physics: Complexity

图灵跃迁开启的开放式元模拟

复制分子进入细胞、原核到真核、单细胞到多细胞、直到出现社会性与语言。生物复杂性为什么能持续增长?这个问题被称作 “开放进化(open-ended evolution)”之问。这个问题实际要问的,是自然选择只是指出适者生存,却难以解释适者是如何出现的。

文中回答的方式是采用形式化的计算理论框架。文中将生物体视为多层次的动态计算系统。进化的动力在于找出对环境和自身进行高效信息编码。然而,任何编码系统都不可避免地会遭遇计算理论中的 “不可判定性(Undecidability)” 或“悖论”,如哥德尔不完备定理或图灵停机问题。


图1:图灵预言机

对此,文中给出回答是增加层级,在图灵机外加一个图灵预言机(图1),从而解决原本不可判定问题。这等价于给形式系统添加一条新公理。而更高阶的预言机可以解决更低阶的停机问题,这被称为图灵跳跃(Turing jump)。不断生成更高阶判定问题的过程永不终结(图2)。通过使用高阶系统模拟低阶系统、回答低阶不可解的问题,作者称之为开放式元模拟(open-ended meta-simulation)。


图2:α阶图灵预言机的开放式序列

具有“上下因果循环”的缠绕信息层级

侯世达在《哥德尔、艾舍尔、巴赫》中提出纠缠的信息层级(tangled hierarchy)与怪圈(strange loop)。当顶层规律向下影响底层,同时自身又被底层决定(图3)。 涌现(bottom-up)与自上而下的因果力(top-down)交织成一个没有单一方向的环 。


图3:怪圈可处理不同尺度上检测到的规律,并据此做出响应。

文中进一步将怪圈这个概念细化,分为无自我建模能力的缠绕层级的TH1与具有自我建模能力的缠绕层级TH2。前者(图4)仅能通过简单的物理/化学反馈进行分布式协调,如蚂蚁留下的信息素;后者(图5)进化出了将宏观涌现的规律压缩并编码到微观组件中的能力,如DNA基因型对表型的编码。


图4:TH1示例,觅食的蚂蚁会释放信息素,这些信息素会在环境中扩散并蒸发;蚂蚁会朝着信息素浓度较高的地方移动,这种行为利用了间接协调机制;通过这种相互作用,会形成一个最短的路径,从而影响蚂蚁的觅食行为


图5: 基因型与表型的关系构成了TH2型的怪圈。基因表达使得生物体呈现出可观察到的表型特征(自下而上)。在表型既定的情况下,选择压力更新编码表型的遗传信息(自上而下)。

TH1要复制信息素最优路径,必须复制整个环境状态,要访问所有可能的轨迹;TH2只要复制压缩编码即可。这让复制从重演整个世界"变成了拷贝一张蓝图。例如军蚁的 "死亡漩涡"(ant mill)指环境扰动使蚂蚁失去信息素路径,它们会互相追尾、绕圈致死。这揭示了TH1型相比TH2型的缺陷。

而对于TH2型,当环境发生剧烈变化,或者系统内部的寄生/冲突元素利用了现有编码的漏洞时,当前层级的“计算”就会崩溃,系统面临无法在当前规则下解决的生存危机。这被称为表达-指代差异(Expression-Referent Discrepancy),即可能存在的对象/状态(表达)”永远多于“系统能编码的符号(指代)。

在进化中,上述现象多次出现。单细胞无法同时兼顾运动与繁殖,多细胞生物的细胞分化,创造了一个全新的问题空间,化解了微观层面的不可判定性,相当于单细胞的“元模拟器(Meta-simulator)”。而多细胞的出现,则带来新的表达—指代差异。每次跳出系统都会制造新矛盾,新矛盾从而驱动下一轮的进化跃迁。这样一个开放、不可逆的螺旋,就是生物的时间箭头 。

开放式元模拟与先前理论的对比

在该文的讨论部分,作者探讨本文提出的开放式元模拟与现有理论的差异。生物学中,病毒是生物系统内部的“说谎者程序”。它们利用宿主自我描述(基因编码)的漏洞,反转宿主的意图。真核细胞为了处理病毒,进化出基因调控机制,最终为多细胞生物的复杂分工(元模拟)铺平了道路,这符合扩展基因组的进化作用 (Evolutionary role of expanded genomes)。

动力学稳定性递增理论 (Increasing dynamic kinetic stability, DKS)认为生命通过自催化和合作行为,形成更稳定的动力学模式。而该文指出这仅对应TH1型。功能信息递增理论(Gain of Functional Information)认为进化的核心是系统功能信息的增加。该理论强调某些生命具备反事实推理能力,能想象以前不存在的现实版本,这是生成新颖性的关键。而在哥德尔和图灵的框架中,要构造一个导致系统崩溃的“悖论”必须依赖于逻辑上的“否定(Negation)”操作。因而生命之所以能“想象不存在的现实”,正是因为它具备了在内部模拟“否定”这一能力。这虽然带来了极大的适应优势,但也必然在系统内部制造出表达与指代的矛盾。而要解决这些矛盾,就需要构建更广阔的问题空间,并引入新的规则。

组装理论试图解释并量化在新颖性产生过程中的选择和进化现象,而Kauffman的邻近可能性指那些仅一步之遥就能达到的所有潜在配置状态。这些可能性受到系统现有组件、结构以及系统知识的限制。当系统在当前的“组装空间”中穷尽了可能性,遇到无法用现有模块解决的生存矛盾时,系统就必须进行一次“图灵跃迁”。这相当于在组装理论中引入了一种全新的“基本模块”或“连接规则”,从而让原本不属于“相邻可能”的空间变成了新的相邻可能。

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详情请见:


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