1950年，意大利物理学家Enrico Fermi与他的同事讨论了聪明的外星人生活的可能性，并提出，如果存在外星文明，其中一些人必须有足够的时间扩展到整个宇宙。那么，他们在哪里？

费米（Fermi）的“悖论”的答案是无穷无尽的：也许在成为星际旅行者之前被摧毁了外星文明。但是最简单的答案也许是：这种文明从未出生过——智能生活极为罕见，我们问这个问题是因为我们本人是极为罕见的例外。

跨学科研究团队提出的一个新的假设对这种悲观的观点提出了挑战。他们提出了一种与热力学第二定律相媲美的自然定律：宇宙中实体的复杂性将不可避免地随着时间而增加。热力学的第二定律规定了熵的不可避免的增加（障碍程度），根据新理论，复杂的智能生命应该广泛存在。

在这个新的理论框架下，生物进化不再是产生独特的材料形式（活体）的孤立过程，而是占主导宇宙的普遍原理的特殊情况（也许也是不可避免的结果）。该原则认为，选择实体可以保留，因为它们丰富了可以执行特定功能的信息。

该假设是由卡内基研究所（Carnegie Institute），迈克尔·黄（Michael Huang）等人的矿物学家罗伯特·黑云（Robert Hezeng）提出的，引发了激烈的辩论。一些学者欢迎这种关于自然基本定律的宏伟叙述的新观点，认为物理学的基本定律在解释自然现象时并不是“完整的”，并且进化（无论是生物进化还是其他形式）会引入功能和新特征，而这些功能和新特征仅由物理原理预测。宾夕法尼亚大学复杂系统理论教授斯图尔特·考夫曼（Stewart Kaufman）说：“我真诚地感谢他们的研究。”这使讨论更加合法。 \’

反对者认为，将功能概念扩展到非生存系统是一个过度解释。这种量化信息的新方法不仅相对（随环境而变化），而且是无法估量的。据此，批评者指出，该理论是无法验证的，因此没有价值。

这场辩论触及了科学界对传统科学框架中生物进化定位的深入思考。达尔文的自然选择理论可以解释生物进化的历史，但与大多数科学理论不同，很难预测未来。如果我们将其纳入越来越复杂的元法，我们可以看到未来的角落吗？

意思是构造

这个故事始于2003年，生物学家杰克·索斯塔克（Jack Southtack）在《 《自然》杂志上发表了一篇简短的文章，提出了“功能信息”的概念。六年后，他获得了与之无关的诺贝尔研究奖。当时，他试图量化生物分子（例如蛋白质或DNA链）携带的信息的数量或复杂性。电信研究员克劳德·香农（Claude Shannon）于1940年代建立的古典信息理论，后来由俄罗斯数学家安德烈·科尔莫戈罗夫（Andrei Kolmogorov）开发：根据科尔莫格罗夫（Kolmogorov）的理论，符号序列的复杂性（例如二进制1和0）取决于其独特性所需的描述性简单性。

以DNA为例，仅由单个核苷酸重复组成的链具有比由四个核苷酸的随机排列组成的链（更接近实际基因组特征）的复杂性（和信息量）。但是Southtak指出，Kolmogorov的复杂性测量忽略了生物学的关键因素：生物分子的功能。

在生物学中，不同的分子可能会执行相同的功能。以RNA分子为例，一些RNA具有明确定义的生化功能（类似于DNA，这也由核苷酸序列组成）。特别是，称为适体的短链RNA可以与特定的靶标分子牢固结合。

假设您正在寻找与特定目标分子结合的RNA适体：是唯一可以完成此任务的适体，还是有多个？如果只有一个适体能力，那么它与唯一的长时间字母顺序一样独特，Southtuck声称它具有很高的“功能信息”。

如果多个适体可以完成相同的任务，则功能信息的量将大大减少。因此，通过计算可以执行相同任务的其他分子的数量，可以计算某个分子的功能信息量。

Southtak通过实验验证了功能信息的可测量性。他准备了大量的RNA适体，使用化学方法来筛选与目标分子结合的适体，然后突变这些获奖者以找到具有更强结合能力的变体。随着适体结合能力的提高，随机选择的RNA分子的概率达到了相同的效果，并且在每个回合中，获奖者的功能信息量应接近理论上的最大值。

功能选择

当思考生命的起源时，HEI是矿物学家的Southtack理论——，他专注于矿物表面化学反应在生命起源中的可能作用。海伊曾经说：“我意识到，完全使非生命中的生命完全二分法化是一个错误的假设。 “他认为功能信息为量化各种进化系统的复杂性提供了可能性。”

2007年，HEI与Southtack合作进行了计算机模拟，以允许算法通过突变发展。这次功能目标不再与目标分子结合，而是执行计算。结果表明，随着系统的发展，功能信息的量自发增加。

从那以后，该理论一直保持沉默已有很多年了，直到黄于2021年加入卡内基研究所。海伊回忆说：“从坐下来讨论的那一刻，这真是令人难以置信。”

黄说：“我对其他行星的生命探索现状感到失望，检测范围过于限制地球上已知的生命形式，但是外星人的生活可能具有完全不同的进化轨迹。我们如何抽象生命的概念，不仅识别地球之外的生命形式（即使化学成分不同），而且不包括飓风等自组织的结构中的生活范围？ \’

两人很快意识到需要跨学科的合作。海伊曾经说：“我们需要从不同角度来检查和平衡学者，这不仅是矿物学的问题，而且是物理或哲学问题，而且是所有领域的综合。 \’

他们推测功能信息是理解复杂系统（例如生物体）长期演变的关键。赫伊曾说：“我们都默认要规定了时间箭头的第二律，这些定律规定了时间箭头，但是宇宙进化的道路似乎更具体。我们认为这是功能选择的结果。该订购的过程将定向到有序状态。尽管它不违反第二定律，但不包括在内。 \’

从这个角度来看，功能信息的概念使团队可以检查似乎与生活无关的复杂系统的开发。

乍一看，这种观点似乎令人信服。生物学功能的概念很明确，但是岩石的“功能”意味着什么？

HEI曾经解释说，这仅意味着某种选择过程使实体优于其他潜在组合。硅，氧，铝和钙等元素可以形成大量矿物质，但在特定环境中只存在少数矿物质。最稳定的矿物质是最常见的，但是由于缺乏足够的能量将其转化为更稳定的形式，因此保留了一些亚稳态的矿物质。

黄说：“这似乎很琐碎，好像是说某些物体存在，而另一些物体在理论上可能不存在，但我们的研究表明，即使对于矿物，地球历史上的功能信息也在增长。矿物在更复杂的方向发展（尽管不是达尔文的进化）。 \’研究小组推测，泰坦的碳氢化合物环境可能会产生复杂的碳结构，例如石墨烯，这是功能信息增长的另一个例子，不涉及生命。

化学元素的开发也是如此。大爆炸之后的最初时刻充满了未分化的能量。在冷却时，夸克形成并凝结成质子和中子，从而形成氢，氦和核核。直到恒星形成和核融合发生在该复杂元素（例如碳和氧气）内。当恒星耗尽核燃料时，超新星爆炸将产生大元素，例如黄金。元素的核心复杂性稳步增加。

黄指出，他们的研究包含三个核心结论：

首先，“生物学只是进化的一种特殊情况，”黄说，“有更多的普遍原则可以推动复杂系统的发展。 \’

其次，“时间可能具有指向复杂性生长的箭头”，因为热力学的第二定律定义了熵增加的时间方向。

最后，信息可能就像宇宙的质量，电荷，能量和基本参数。 \’

在HEI和Southtack的人造生命算法的演变中，功能信息的增长并不总是逐渐的，有时它会跳跃，这与生物学进化中的现象相呼应。 Biologists have long recognized sudden events of biological complexity, such as the emergence of eukaryotic nuclei (about 1.8 billion to 2.7 billion years ago), the birth of multicellular organisms (about 2 billion to 1.6 billion years ago), the diversification of body shapes of the Cambrian life outbreak (540 million years ago), and the emergence of the central nervous system (about 600 million to 520 million years ago).人类的出现无疑是快速进化飞跃的另一个例子。

进化生物学家经常将这些转变视为意外事件，但是在功能信息的框架下，这种进化过渡（生物学或非生物学）可能是不可避免的。

黄比较了进化的飞跃，即进入一个全新的可能性空间：“这就像爬上新的地板一样，选择标准和进化依赖条件从根本上发生了变化，开辟了一条全新的道路。您永远无法预见到那里的可能性，直到您到达新的地板。 \’

例如，对于生命起源期间，原始生物分子是否可以长期生存（即稳定性）可能至关重要。但是，当这些分子形成可以通过相互催化形成形成的种群（Kaofman称为自催化循环）时，只要可以维持循环系统，分子本身的寿命就会成为次要的。在这一点上，决定性效应已经是动力学稳定性而不是热力学稳定性。圣达菲研究所的里卡德（Ricard）唯一认为，这种过渡可能等同于物理学的相位转变，例如水的冷冻或铁的磁化：这些是具有普遍特征的集体过程，这意味着一切都将同时在根本上变化。换句话说，这种观点认为存在某种进化物理学，并且是我们知道的一类物理学。

生物圈创造了自己的可能性

关于功能信息的棘手之处在于，与大小或质量等物理量不同，它具有上下文依赖性：取决于我们期望对象执行的功能以及它所处的环境。例如，对于结合特定分子的RNA适体，其功能信息通常与与其他分子结合的函数通常与众不同。

但是，这是Evolution ——找到现有组件的新用途的最好之处。羽毛并不是飞行的发展，这种功能的再利用反映了生物进化的权宜之计，并始终利用现有资源。

考夫曼指出，生物进化不断创造新物种，并创造了前所未有的生存可能性。这些可能性不仅在进化的早期阶段不存在，而且根本不可能。当地球上的生活只是30亿年前的单细胞生物汤时，大象突然出现——。这需要一系列意外但具体的创新来奠定基础。

但是，对象功能的潜在数量没有理论上的限制。这意味着在进化中出现的新功能是不可预测的，但是一些新功能又可以决定系统的后续演变规则。考夫曼说：“生物圈正在创造自己的可能性，我们不仅不知道会发生什么，而且我们甚至不知道会发生什么。 \’光合作用，真核生物，神经系统和语言的出现都是遍历的发展。正如微生物学家卡尔·我们和物理学家奈杰尔·戈登菲尔德（Nigel Gordonfeld）在2011年指出的那样：“我们需要一组额外的规则来描述原始规则的演变，但是这组上层规则本身也需要进化，最终形成无限水平。 \’

亚利桑那州立大学物理学家保罗·戴维斯（Paul Davis）同意，生物进化可以创造一个可能性，即无法通过先前国家的确定性过程可靠地预测或捕获它。生命部分演变成未知领域。 \’

悉尼大学的植物开发生物学家，纸质不完整的人马库斯·海斯勒（Marcus Heisler）说：“复杂性的增加为未来发现的新策略提供了潜力。”

从数学角度来看，“相位空间”是描述物理系统的所有可能配置的方式，无论是像理想的摆一样简单，还是像地球上所有原子一样复杂。戴维斯（Davis）及其同事最近提出，在不断扩大的到达相空间中，进化可能等同于数学家库尔特·戈德尔（Kurt Godel）提出的“不完整定理”的存在形式。 Godel证明，数学中的任何公理系统都允许无法证明真实和错误的命题，我们只能通过添加新公理来判断这些命题。

戴维斯（Davis）的团队指出，与戈德尔（Godel）定理类似，生物进化是开放的，我们不能将其表达为一个自洽且无所不包的阶段空间。关键因素在于它的自我参照性：新参与者在阶段空间中的出现将与现有参与者产生反馈，并创造新的行动可能性。物理系统（即使星系中的数百万颗恒星）也没有这种自我参考性。

海斯勒说：“复杂性的增加为未来发现的新策略提供了潜在的可能性，而更简单的生物无法采用这些策略。”戴维斯说，生物进化与非计算问题之间的这种联系“直接指向生活的神秘核心”。

因此，由于自我参照性的开放性特征，生物学在各种进化过程中是否独特？ HEI曾经认为，当添加复杂的认知时，当系统组件可以在“思维”中进行推理，选择和实验时，宏观极小反馈和开放增长的潜力将更大。他说：“技术应用使我们离达尔文主义很远，就像一个睁大眼睛的制表师一样，守望者更快。 \’

回归实验

如果Heizeng的团队的结论是正确的——任何涉及选择的进化将不可避免地增加功能信息（即复杂性），这是否意味着宇宙中必须存在生命，意识甚至更高的智慧？这将与一些生物学家的观点相矛盾。著名的进化生物学家恩斯特·梅尔（Ernst Meier）认为，寻求外星智力的搜索注定要失败，因为像人类的智慧极不可能出现。毕竟，如果达尔文的进化中如此适应了文化和文明的水平，那么为什么它只出现在整个生命之树中？

但是，在发展到人类水平的复杂性和智慧之后，梅耶的进化论可能失败，因为整个进化领域已经完全改变。人类如此迅速（无论好坏），人类获得了行星的统治地位，以至于类似过渡的问题再次变得无关紧要。

但是，这种跳跃最初发生的概率是什么？如果新的“增加功能信息的定律”是正确的，那么一旦存在生命，它的复杂性肯定会突飞猛进，而不会依赖一些极为小的概率事件。

更重要的是，这种复杂性的增长似乎意味着新的自然因果定律将出现，尽管它们与主导微分组成部分的基本物理定律没有冲突，但它们实际上接管了后续事件的决策能力。我们已经可以看到生物学中的线索：伽利略（传奇）的实验，即同时在比萨倾斜塔上释放两个物体，当物体被活鸟而不是外壳代替时，它的预测能力将不再存在。

亚利桑那州立大学的莎拉·沃克（Sarah Walker）与化学家李·克罗宁（Lee Cronin）合作，提出了另一种描述复杂性起源的理论——大会理论。该理论用“汇编索引”（构建对象所需的最小步骤数）代替了功能信息的概念。

沃克说：“生命系统的法律必须与现有的物理法不同，但这并不意味着没有法律。 “但是她怀疑是否可以在实验室对所谓的功能信息定律进行严格测试。她说：“我不确定该如何确定该理论是对还是错，因为客观测试无法执行实验中应观察到什么？如何控制变量？我很想看到例子，但是在建立该领域的测量标准之前，我仍然保持持怀疑态度。 \’

HEI曾经承认，对于大多数物理对象，功能信息不能原则上计算，即使对于单个活细胞，也很难量化功能信息。但是他认为这不是一个障碍，因为我们可以从概念上理解它并获得近似定量认知。正如我们无法准确计算小行星带的动力学（由于过度复杂的重力问题）一样，我们仍然可以足够准确地描述它以使航天器能够通过。

黄认为他们的理论可能适用于天体生物学。地球上生命的特殊性之一是，它们产生的有机分子要比允许的基本原材料范围要少得多，因为自然选择筛选出某些主要的化合物。例如，活细胞中的葡萄糖含量要比单独的热力学稳定性或随机合成所能解释的要高得多。因此，在其他世界中，类似生命的实体的潜在迹象可能是除了简单的化学热力学或动力学定律之外的选择迹象（组装理论还可以根据复杂性预测生物识别技术）。

该理论也可以通过其他方式进行测试。黄说，在矿物进化领域仍有很多工作要做，他们希望进一步研究核合成并计算“人造生命”。 HEI还看到了其在肿瘤学，土壤科学和语言进化中的潜在应用。例如，蒙彼利埃大学（University of Montpellier）的进化生物学家弗雷德里克·托马斯（Frederick Thomas）及其同事认为，随着时间的推移，肿瘤中癌细胞的进化选择原理与Darwin的Evolution ——不同。后者将适应性用作选择标准，而前者则与Heetzen的功能选择概念相关。

Heizeng团队已收到经济学家向神经科学家的磋商，他们想了解该理论是否可以解释各自领域的现象。海曾经说：“人们之所以找到我们，是因为迫切需要模型来解释其系统。”