【品·鉴】生命=物质+信息

岂能无怪哉
2019-09-22 看过

关于生命是什么这个问题

拉杜·波帕在《探寻生命的定义与起源》一书中,列举了40种对生命的定义。我们可以从他的定义列表中随机挑选几条来看看:

#生命可以被定义为一个能够不断得到单体和能量供应,并受到保护的核酸和蛋白质聚合酶系统。

#生命可以被定义为一个能够实现一下功能的系统:1)自我组织,2)自我复制,3)通过变异而进化,4)新陈代谢,5)集中密闭。

#生命简单来说就是一种有序的不稳定状态。

#生命可以被定义为一个能够获取、储藏、处理以及利用信息来规划其活动的物质系统。

本书作者虽然并没有贸然的给出结论,但是他的回答,更近似于最后一项。作者认为我们现在正处于回答“生命是什么”这个问题的临界点上,而相关的答案将会引领一个全新的科学时代。在本书中,作者尝试着围绕信息概念构建物理学和生物学的大统一理论。当我们尝试着,用信息理论的视角去理解生命,我们便可以发现,生物系统正是通过将信息整合成有序模式的方式,在分子领域的混沌中形成了生命的独特秩序。

在探讨了传统的对于生命与非生命的区别的一些看法之后,作者直接提出了他自己的观点:

将生命与非生命区分开来的东西就是信息。

首先,生物繁殖的本质,就是遗传信息的复制。当薛定谔在1943年发表名为“生命是什么”的演讲时,距离发现DNA在遗传方面的作用还有10年。薛定谔的伟大洞见在于,确认了信息存储、处理和传递必定发生在活细胞内纳米尺度的分子层面上。今天,生命的信息基础已经渗透到科学的各个领域。

那么信息的概念又是什么呢。从某种意义上讲,信息是一个纯粹的抽象概念,另一方面,信息在这个世界上显然扮演着物质的角色,尤其是在生物体中。如果存储在生物体DNA中的信息发生了变化,就可能产生变异的后代,并改变进化的过程。信息对这个世界产生着巨大的影响,我们也许可以说,它具有“因果关系的力量(causal power)”。科学面临的挑战在于,如何将抽象的信息与具体的物质世界联系起来。

早在40年代中期,香农就开始研究信息的量化问题,当时他主要关注如何将编码信息准确传递出去的问题。1949年他出版了《通信的数学原理》一书,这本书的出版可以说是科学史上的一个关键性事件。香农一开始就对信息做出了数学上的严格定义,他选择的定义引出了不确定性的概念。简单来说就是,当你获取信息时,你正在学习您之前不知道的东西,因此你对那个东西的不确定性降低了。稍作思考我们就会发现,香农的分析可以直接应用于生物学。通过使用通用遗传密码,信息被存储在DNA中。因此在逻辑上,生命的说明书就等同于香农对经由嘈杂的通信信道传输的编码信息所作的分析。

而兰道尔在对计算的基本物理限制问题作研究时发现,计算机之所以会产生废热,是因为删除信息的行为会产生热。即便是最精巧的芯片,在删除二进制数字信息时也会产生热。兰道尔认为,计算机处理的信息涉及逻辑上不可逆的操作,当需要为下一次计算重置系统时,就存在着不可避免的散热问题。

他计算了删除一比特信息的最小熵值,这个结果如今被称为“兰道尔极限”

这个数值虽然不大,但它确立了一个重要的原则。通过阐述逻辑操作与产生热量之间的关系,兰道尔发现了物理学和信息之间的深层次的联系。从兰道尔开始,信息不再是一个模糊的神秘量,而是与物质紧密联系在一起。为了总结这一思想上的转变,兰道尔创造了当下非常有名的格言:

“信息就是物质的!”

只要操作得当,信息在从一种物理系统转移到另一种物理系统的过程中将会保持不变。基底的独立性似乎赋予信息以生命,让它成为一种自主的存在。虽然对于信息是真实存在的还是只是解释复杂过程的一种便利方式这一问题,人们还没有达成共识,但是本书的作者显然认为:信息就是一种独立的存在,具有因果力。信息和能量之间的相互作用已经被生物体利用了几十亿年,活细胞包含了大量非常有效和精密的纳米机器。它们大多由蛋白质构成。

生物充斥着信息,从DNA一直到社会组织皆是如此,而且都会引起熵增。毫不奇怪的是,进化已经改良了生命的信息管理机制,让其以超高效率运转。生物需要不断完善存储和处理信息的艺术。想要完全理解生命,就必须弄清楚它的算法机制。

生物信息就是生命的软件。我们可以把生命的令人惊讶的能力正确地归因于逻辑和计算的基础。

生物体的特殊逻辑架构反映了逻辑公理本身。生命的自复制定义属性直接来自充满悖论的命题演算和自我指涉领域,生命具有构建外部世界的内在表征和自我的能力,这反映了逻辑法则是生命的基础。如我们所知,生命反映了信息的双重角色。DNA即是物理对象又是生命的指令系统。生物具有进化能力,这使它的复制非同凡响。

生物信息模式和信息流的构建,开启了一个全新的视角,并引领了进化论的重大修正。我们必须更好的理解生物系统,把它视为内聚和计算实体,能存储和处理关于其形态及环境的信息。更重要的是,我们需要探索信息模式——电,化学和遗传模式——是如何相互作用和转化为特定表型的。

在生命的诸多令人困惑的属性中,意识现象尤其引人注目,它的起源无疑是当今科学面临的最大难题。我们缺乏关于意识的完备性理论,但是既然用信息概念可以解释生物令人惊讶的属性,鉴于生物信息处理机制的最高表现形式是大脑,所以我们很容易假定,信息的某个方面会在心灵与物质之间架起一座桥。明智的做法是用更高级的模块来解释大脑活动,而非对每个神经元进行复杂得不可思议的描述。而且如果我们希望将意识纳入物理学理论,那么它需要以某种方式融入量子力学,因为量子力学是我们对自然界的最强有力的描述。

当我们从信息组织的角度而不是从化学反应的复杂性角度看时,从非生物到生物的路径也许会短得多。在本书中,作者绘制了正在迅猛发展的科学新领域的图景。他认为我们当前看待物理定律的方式,导致了物理系统中分层现象:物理定律位于底部的概念层,而涌现的定律堆积在上层,两者之间存在断层。当遇到生物系统的问题时,分层现象就会变得特别明显,因为在生物学领域,不同层面之间以及大小和复杂性各不相同的过程之间通常都能很好地融合。因此,为了将生命纳入物理定律的范畴,并且为信息本身作为一种基本实体的现实提供坚实的基础,作者认为,我们需要对物理定律的性质进行彻底的重新评估。

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