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计算士 April 23, 2011 凌晨（始）
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关于生物结构（生物体、生态种群）、地理结构（山川、河流）和人造物结构（城市、因特网）之间共同规律的研究，在令人震惊的同时，也容易使带着“生命是什么？”问题的研究者迷惑，认为对生命系统研究的最美妙部分，就在于揭示宇宙同时辖制生命和非生命体的规律[1]。
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2 z+ U& E* k$ v 在我看来，这是一个错误的想法。5 P0 W, [/ y. ?/ k$ ^9 c
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存在两类研究，第一类研究揭示生命体与非生命体的相同，第二类揭示其不同
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现在看来，存在两种研究，一种是对辖制生命和非生命体的共同规律的研究，例如异速增长，分形，最大流，最大熵产生等。我们可以通称这类研究为“复杂系统研究”。因为这种研究将自己与线性的、守恒的简单系统区别开来，把有生命和无生命的复杂系统统统纳入自己的辖区。对于这种研究来说，山川河流和生物体并无不同[2][3][4][5]，飞行、奔跑、游泳的动物也没有不同[6]，它们遵循着类似的规律，例如同样的流动结构和能量耗散结构[4][6]。而这种结构，可以视为在时空限制下某种优化（例如最小化资源和能量输送过程中的耗散）的结果[3][5][7][8]。另一种是对生命体独特的构造和规律的研究，例如什么使得蚁群和流沙不同[9]，什么使得人脑能够思考[10][11]。这方面的研究还比较少。但恰恰是这类研究而不是第一类研究，揭示了“生命是什么”。9 a% y! ~, F* v5 B/ k7 L
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第一类研究的科学立场
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- q1 z5 ^- g. e2 ~ 值得注意的是，上文中谈论第一类研究时用到的“可以视为”并不等于“是”。因为我们目前仍然没有任何足够强的证据支持这样的信仰，即进化存在某种目标，现存结构确实是某变量优化的结果。没有理由认为人类的有限理性能带领我们能找到上帝创世的核心秘密。在从事第一类研究时，我们所做的，仅仅是假设同时存在诸多唯象（纯粹描述性的）理论，并且假设基于“目的论”立场的科学研究框架可能是这些理论中最为简单（使用最简单少量的符号）的。
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* h$ X" h. J: N# w 第一类研究目前的局限* e3 ]9 e1 h4 w, r+ Y) P
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第一类研究的局限并在于实证证据不够多，而在于证据太过脆弱和分散。目前大多数的“最优化”研究是ad-hoc的，属于“事后诸葛亮”型，即靠事后的数据分析猜想优化目标，而不是由一个统一的强力理论预先地、定量地给出系统的优化目标。这也就造成了诸多可能相互矛盾的优化目标的存在，例如最大流[5]、最大熵[12][13]、最大熵产生[14][15][16]、最小熵[17]等等。这也许是从事第一类研究的研究者最大的尴尬，一方面他们坚信在理论上复杂系统的进化存在简明的普适规律和共同的优化目标，另一方面在实证数据上又找不到这种一致性，只好针对不同的系统逐个制定不同的优化目标，甚至对系统进行某种人工处理来使系统呈现自己想要找到的优化目标。目前看来，Bejan等人提出的“流系统朝使流动更为容易的方向演化”[6]是诸多第一类研究中较为普适的一个提法。5 f& J! u) e6 M. f: m2 P
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此外，第一类研究的另一个局限是目前大多数模型中，优化目标的约束条件都是“客观”的时空限制。例如Kleiberg中的3/4因子[18]，根据West等人的理论，其中的3是动物表面积的维度，4是动物体积的维度[19]，因为动物的表面和内脏系统都是分形结构，所以都比欧氏几何下的理想情况要高一个维度。类似的依赖空间维度的生命系统模型还见于[5]和[8]。此类模型的解释局限是显而易见的：它无法解释在社会系统中出现的类似现象，例如在人类城市基础设施建设和能源消耗[20][21][22]、大规模人类的移动[23][24][25]和通信[26]、科学研究合作[21]、性交往[27][28]、疾病传染[29]、经济交易[30][25][31]等线下人类行为，以及网络资源标注[32][33][34]、微博[35]、在线游戏[36]、邮件[37]、新闻推荐[35]、资源推荐[38]、开源软件[39]等线上人类行为的研究中，研究者们也发现了类似Kleiberg律的异速增长规律。但这些人类系统中的规律显然不简单地受客观时空的限制。如果这种异速增长规律中的指数不代表时空里的分形结构，那么它代表着什么呢？如何才能建立定量的理论对此类规律中的参数给出预测呢？这些都是很大的问题。最近在这方面的进展包括分形概率[40]和尺度依赖概率[35][41]，但这两类理论，离真正回答这个问题还有一段距离。
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沉迷于第一类研究的危险! V$ r; q5 c# b6 @
0 n8 D; l) P# \ 不得不承认，第一类研究的许多结论，是极富震撼力的。例如发现城市的电力消耗[42]、动物的能量消耗[7]和海洋的二氧化碳消耗[43]遵守完全相同的Kleiberg定律；植物的拓扑结构[44]和河流的拓扑结构[45]遵守同样的Horton定律；因特网上数据流的节奏和人类的心跳节奏遵循同样的类1/f噪音律[46]；互联网论坛帖子的增长、公司收入的增长和城市的增长遵循同样的Gibrat律[47][48]；社交网络交友概率和城市之间通信概率随地理距离r的下降遵循同样的类牛顿定律[49][26][50]；互联网用户的信息搜索和标签行为遵循语言学中的Heaps律[51][52][53]；互联网数据流的消退和地震余震的释放遵循同样的Omori律[54][55]。$ d% X" `) T5 l( O/ |
. E1 I& ^2 D/ {) n 此外还有脑神经电的激发[56]、城市规模[57]、公司的大小[58][59]、股票市场泡沫[60]、蚁群的聚集[61]、论文的引用[62]、森林中的火灾[63][64]、渗流[65]、地震[55]和沙堆崩落[66]遵循类似的幂律分布。$ n$ N6 M5 W$ w! p! i
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有趣的是，以上的所有定律都里都有幂律因子（scaling factor）。+ v% d( ] A7 [' Y* `$ U0 h# Y
/ r/ y$ W, Y6 ^; U$ v0 [( O% u 这些研究既迷人，也有一定的危险。这类研究最大的危险是，容易使人沉迷于求证各种定律，却忘记了这些定律只是探索的开始而不是结束。脑神经之所以能思考不是因为神经电的激发存在幂律；动物可以交流、觅食和繁殖也不是因为它遵守Kleiberg律，或者遵循某种能量耗散结构。否则我们不能解释为什么城市不能思考，海洋和河流不能繁殖。# Z& P6 T4 f: I0 K( z0 E4 @
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诚然，一直以来确实有一种思潮，认为生命体与非生命体并无实质不同，有人认为非生命体也可以思考，例如Laszlo的宇宙心灵理论[67]和wolfram的通用计算理论[68]；还有人相反，认为智能和进化只是随机涨落宇宙中的幻觉，例如Dawkins的盲目钟表匠理论[69]和Wheeler和Feynman 的“唯一电子”理论[70]。但我们认为这些理论以展示普适图景为借口，回避了“生命是什么”这个问题。或者说，回避了“生命和非生命的区别究竟是什么？”这个关键的问题。微妙的是，我们越是致力证明生命系统和非生命系统同辖于普适规律，越是远离这个问题的答案。
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第一类研究的潜力0 O* d, W' B3 w' T: n3 O# d
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事实是，从事第一类研究的学者们确实是我们当中最优秀的科学家（科学地认识和证明生命体和非生命体同辖于共同规律确实需要极大的勇气和智慧），他们中的大多数人也是带着“生命是什么”的问题进入这个领域的。我们在这里谈论到的局限，没有理由认为这些学者意识不到。更可能的是，这些研究者们认为第一类研究是第二类研究的基础，或者，第一类研究本身就是更重要的问题（即使是牛顿定律或者相对论这样的普适理论，也只适用于简单的物理系统，什么样的广义理论才可以同时适用于简单的物理系统和复杂的生命系统？这确实是一个非常重要的问题）。因此在开展第二类研究之前，需要更深刻地投入第一类研究。$ E; a |) ]+ i/ O6 D0 s- a E
" N* ?# Q0 K3 K: [% s, J 目前看来，第一类研究中比较深入，有可能为第二类研究提供方法论工具和思想上的洞见的有“标度相对论”[71][72]，“Fisher信息”[73]和量子纠缠及退相干[74][75]等理论。有趣的是，这些理论都不是“客观”的普世理论，而是在系统中引入了一个“观察者”，实现了从“客观”的物理系统到生命/智能系统的跨越。; w' o' q- V; ~7 ?
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对第一类研究的小结0 A/ r3 Q- x/ v5 {
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从实证来说，发现标度因子（scale factor）在时空中的普遍存在，是第一类研究对传统科学研究的主要补充；从理论来说，“观察者”，或者更弱一点的立场，“测量过程”的引入，是第一类研究在理论上对建立新科学体系的主要贡献。
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但正如前文提到的，第一类研究没有明确抓住“生命是什么”的问题。无论我们是否认为蚁群也在进行计算，还是人类历史的进化只是一种幻觉，我们都不能忽视这样一个事实，生命体和非生命体确实存在某种显著的不同。
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对第二类研究的猜想：生命是什么？! U1 V* G) \) j3 Y7 Q/ c
/ n6 k+ y; o' x$ h- V 如果我们真的是抱着“生命是什么”这个问题进入第一类研究的，那么应该在开展第一类研究的时候，时刻提醒自己从第二类研究的立场出发去看待正在进行的研究。我们在这里提出一点猜想，作为待考察的生命和非生命系统的区别。需要注意的是，这些猜想是建立在第一类研究的一些结论的基础之上的。这里面存在着微妙的关系：如果我们不能明白相同，就不能明白不同。这再次体现了第一类研究的价值。: e( Z9 C: h/ H" I8 ^3 P
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生命不是物理规则的产物，而是与物理规则“搏斗”的产物+ R! ]- O: P% J: |1 o" u0 `
; o. p9 ?# I1 R4 L1 j. Z! s 从不同的理论视角出发，我们都可以看到生命系统和自然规则“搏斗”的痕迹。% a0 I# j- k- \
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, | g8 e! }7 c O# c 从熵的角度说，生命的产生违背了热力学第二定律。热二主张秩序和结构的消散，生命却在快速变动中顽强地维持住了自身结构[76]。有人试图论证生命系统也是热二定律的产物[1]，甚至通过修改熵的定义去做到这一点[77][12]，还有一种诡异的思路，认为生命并没有产生，只是宇宙膨胀太快，系统“来不及”随机化自身，因而出现了秩序[78][79]。在我看来，这些思路都在探索生命是什么的道路上缘木求鱼，愈行愈远；
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从流的角度来说，生命的产生违背了最大流的定律。如果[5][80]在生物体内部输运网络和食物网中去掉loop来寻找最大流的做法是正确那，那么在生命体中根本不应该出现这些“无效率”的loop。这些存在无效loop的生物体或生态群落早就在亿万年的进化里被淘汰了；
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从概率的角度说，生命的产生违背了传统的中心极限定理[81][82]，传统的概率论框架无法解释为什么幂律分布是比正态分布更强大的吸引子。从傅里叶变换的视角，把统计分布变成特征方程，在频域上理解中心极限定理很简单，就是随着样本的数量增加噪音不断被消除的过程[83]。在这种框架下，没有道理认为会出现与这个过程完全相反的1/f噪音[84]。从随机游走的视角，没有办法理解一堆生命事件中的Hurst指数为什么不像随机布朗运动那样趋近于1/2[85]。一些人提出了在传统的概率论框架下理解幂律分布的方法，例如论证一些stable distribution（如果一堆服从某种分布的小变量相加仍然得到该分布，该分布为stable distribution）的尾部具有幂律特征[83]，或者认为幂律分布是常见的乘法累积过程（multiplicative process）导致的对数正态分布在特殊例子下的“误会”[86]，或者不考虑理论意义地，纯粹从拟合的角度出发，把随机布朗运动改造成列维随机游走（levy flight）[87][88][89]或分形布朗运动[90]。在我看来，这些修修补补的思路都不能解释为什么与生命现象紧密联系的标度因子（scale factor）会如此大规模地出现，而最重要地，生命又为什么能异常robust地持续下去。这些模型仿佛主张生命宛如直立的绣花针，在特定的场合下小概率地存在。一有风吹草动，宇宙泛起涟漪，则消失得无影无踪。
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生命绝非如此。生命有其智慧和力量。生命的智慧在于，掌握了物理法则，不但不违背这些物理法则，而且对这些物理法则善加利用，用来维系和发展自身。我相信，生命不是宇宙随机涨落中出现的泡沫般转瞬即逝的幻觉，生命是宇宙操作系统的一个黑客，它利用了系统的后门，使系统为它服务。
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六十年前，Schrödinger在与这篇文章有着同样标题的一本小册子中提出猜想，认为生命系统内部存在信息的复制机制，这个猜想导致了DNA的发现。对于DNA的研究随后几十年中以海量趋势增长，却鲜有人重读Schrödinger的小册子，并反思一个根本性的问题：“生命在DNA里藏了哪些信息，为什么是这些信息？”
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诸如“最大熵”，“最大流”之类的规则，生命不需要在DNA里记录。生命自生而灭，一直都在受这些规则制约。生命需要不断学习，并在自己的DNA里记录的是黑客操作指南，即如何更有效地对抗这些规则。例如我们现在已经知道所有哺乳动物一生的心跳次数接近一个常量[4]。一个物种可以像老鼠那样选择活跃地生存，迅速地死去；也可以像大象一样选择缓慢地生存，慢慢地死去。类似地在物种的代际能量传递中，一个物种可以选择像大马哈鱼那样在危险的环境中大量繁殖后代，以增加本物种的存活概率；也可以像狮子那样精心培养为数不多的后代，使本物种在残酷的竞争中延续[91]。为什么会有这些常量，是第一类研究主要考虑的问题。但显然物种是如何制定自己的生命预算的，是一个更重要的问题。0 a6 k1 U" I. P# x; |0 ?
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这就是为什么我认为研究普适的物理规则如何在生命系统中呈现并不能直接帮助我们了解生命的本质。正如本节标题所言，生命不是物理规则的产物，而是与物理规则搏斗的产物。+ a% f7 _ o+ L, r' x
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从流的角度理解生命的努力：流的耗散与循环& P' h [( k: Y9 U
, \5 D* V" h( z 生命系统内的能量转换效率与体外并不不同，例如淀粉在体内的消耗，和在体外用火点燃，产生的能量是一样的。虽然生命系统的许多部分，例如肺支气管的23次分叉[92]，虽然看上去是某种神奇的“优化”的结果，但这种分形结构，虽然比起以欧式几何体为蓝本的人工构造有效得多，也的确令人啧啧称奇，但它在大自然中，从无生命的河流[2][93]到有生命的树根[94]，可以说是比比皆是，并没有什么特别的地方。: ?4 }6 U) Q5 T) D
P/ M3 f0 d0 W0 K( E# } 这里体现了正确选择null model的意义[95]，如果选择欧氏几何做null model，会觉得分形很神奇，但这种研究仍然属于第一类研究，并不能揭示生命的本质。要考察生命的本质，必须以自然中处处存在的无生命的分形为null model，去观察生命系统和非生命系统的区别。例如[80]在研究食物网时，不考虑食物网的上的流，只考虑其链接结构，而且还把所有的loop砍掉，把一个原始网络改造成一个最大弹性树来研究，这种研究就是典型的第一类研究。它或许有助于揭示流的耗散的一般规律（例如蚁群觅食的踪迹、闪电的踪迹和食物网最大弹性树的结构存在什么共性，这类结构是如何在时空中最快地输运物质和能量的），但无助于我们了解生命系统中流的独特性。2 J- Z! j8 z6 ?6 K9 e% u: K
) n ~+ v! O( |; t, X 我们在这里从流的角度提出，生命的本质，不在于能量的耗散，而在于能量的循环。诸如“最大流”一般的规则，不是生命的起因，而是生命的敌人。生命不能不遵守“最大流”原则，否则生命就会在进化中因为流的输运效率低下被非生命系统淘汰，但生命又不能仅仅遵守“最大流原则”，否则生命根本不会出现。生命的任务是，如何非常tricky地对付“最大流”这种自然界的普适规则，使得生命系统内部的物质和能量输运，既不违背普适规则，又能为生命的维持和发展打下基础。8 |# Y9 g4 w: o5 v! |% s. b
* m1 r% C) W: J8 S* g 流的“循环”就是生命黑客指南中非常重要的部分。食物网和闪电的区别在什么地方呢？有可能就是因为食物网存在着“loop”，这种loop的作用在于在能量流过整个食物网时，可以在一段时间内停留在食物网内，供养各个物种。与我们直觉相反的是，食物网不是通过减低能量的流速，而是通过加快能量的流速做到这一点的。考虑一下南美的热带雨林和香港的城市经济，这两个系统内绝对的资源量是很少的，但因为资源的流动保持了快速的周转，这两个系统分别成为地球上生态学意义上和经济学意义上最“繁华”的地方之一[96][97]。
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总结，从流的输运的角度说，生命的维系和发展不是因为“最大流“等规则的存在，而是因为loop的存在。生命因为有了这些loop，可以在遵守“最大流”规则，避免在进化中处于劣势的前提下，在时空中“截留”一部分能量和物质，为维系和发展自己服务。
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对全文的小结
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“生命是什么？”这是一个老问题，也是人类科学中最重要的问题。人类智慧中的很大一部分，都被投入用于回答这个问题，而人类科技和文化目前取得的巨大成就中的一部分，包括写这篇文章所用的计算机，都是在对这个问题的思考中产生。对这个问题的回答有很多不同的维度。本文主要从“统计物理”，“复杂系统”和“信息论”等角度出发诠释作者对这个问题的理解。
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这篇短短的随笔，自然不可与六十年前Schrödinger影响深远的小册子相提并论，作者也无意提出诸如“重新构造生命科学”这样的大口号。因为根据实际的科研经验作者知道，每一点在实证研究中小小的进步，都是艰难而漫长的。一般来说只有两种情况下人们会说重新构造某个学科，要么是这个研究者太年青而没有任何研究成果，不害怕失败和嘲笑；要么是这个研究者已经硕果累累地老去，同样不害怕失败和嘲笑。虽然作者认为自己目前处于第一个阶段，并希望将来可以处于第二个阶段，但仍然不希望自己的精力被消耗在鼓吹什么理论或者反对什么理论的argue中，我们知道生命的能量是及其有限的。+ j- W+ F" f/ t9 V# ^
- u7 O2 b2 ]6 D; c 本文的宗旨在于总结目前研究物理普适规律在生命系统中的成果（第一类研究），以及尽量客观地评论这些研究，并提出应该保持对生命真正运作机理的好奇心和探索能力（第二类研究），而不是沉迷于第一类研究。本文的目标读者既包括对第一类研究已经比较了解的人，也包括对第一类研究不太了解的人。
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1 f/ Q, |5 Z3 F5 K! g 欢迎来信讨论真问题，无根据的赞美、批判、客套等则免。正如本文一再强调的，作为单个自然人，作者的生命内存是及其有限的。
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# n6 ]/ h4 d" v- C8 _; j计算士 April 30, 2011 下午（终）
: V+ x, f. X8 F4 D) S* s wlf850927@gmail.com
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发表于 2013-4-2 11:18
