前言

生命为何能从无序中诞生？宇宙不是应该越来越混乱吗？这个问题困扰了无数人，也为神创论留下了舞台。但元胞自动机告诉我们一个反直觉的真相：复杂的秩序，可以从最简单的规则中自发涌现。今天，我们用一篇文章，带你走进冯·诺依曼、康威和考夫曼的思想实验，看看“生命”到底是如何从混沌的边缘悄悄探出头的。也许，你会重新理解自己存在的意义。

正文：从元胞自动机看生命起源与演化

冯·诺依曼一直在思考一个问题：如何设计出可以自我复制的机器？这种机器要像自然生命一样，不仅可以自主活动，还可以从周围的环境中摄取物质，不断地复制自己。为了实现这样一个目标，他设想有这样一个场景：在池塘里飘着一台机器，机器周围漂浮着很多零部件。机器可以拾取这些零部件，然后组装出一台新的机器。这台机器会有类似肌肉的部分，可以在刺激下运动；有可以焊接的部分，可以把拾取的零件焊接在一起。更重要的是，它还需要一个描述复制过程的程序，告诉机器应该怎么样才能复制出自己。同时，为了新复制出来的后代也能够继续复制，这个复制过程必须能复制程序本身。

当然，你可能已经看出来了，这台机器在物理上是很难造出来的。他的朋友数学家斯塔尼斯拉夫·乌拉姆建议他在一个二维网格的虚拟环境中把这个过程模拟出来。于是，在计算机刚刚诞生不久的时代，冯·诺依曼依靠惊人的智慧在网格中设计出了他的二维数字生命，后来被称为元胞自动机。与后来我们经常看到的元胞自动机不同，冯·诺依曼当时的设计非常复杂。按他的设想，这个机器生活在一个二维的网格中，网格中的一格代表一个细胞，细胞之间可以传递信号，完成激活、休眠等等状态，可以使用箭头代表信号的传递方向。这个自动机有29种不同的状态，在信号传递的过程中，细胞在不同的状态间切换，完成生命活动和复制的过程。冯·诺依曼证明，元胞自动机靠元胞之间的相互作用可以完成任何计算，是一台通用的计算机。

只可惜冯·诺依曼并没有足够的时间去进一步发展和完善他的思想。可能是因为参与曼哈顿计划不慎暴露在核辐射下，1957年，年仅53岁的冯·诺依曼因癌症去世。直到9年以后，他关于元胞自动机的设想才由阿瑟·伯克斯结集出版。但因为冯·诺依曼的设计过于庞杂，很难通过计算机进行模拟，凡人很难理解其中的玄妙之处。

1970年，一个叫约翰·康威的数学家搞出了一个极简版本。在这个版本中，自复制的概念被大大淡化，而元胞的状态也被简化为只有生和死两个状态。规则是这样的：假设在一个网格中，每一个格代表一个二维的生命，网格为白色代表生，网格为黑色代表死。这个元胞的生和死由周围8个邻居决定。规则有4条：孤独死——活细胞周围的活邻居少于两个就会死；拥挤死——活细胞周围的活邻居多于3个就会死；好好活——活细胞周围有2或3个活邻居继续活；新诞生——死细胞周围有3个活邻居就会活过来。就是这样简单的4条规则，就会孕育出复杂的变化。这个极简版本的元胞自动机被康威称之为“生命游戏”。

我们来试着玩一下。现在看一个3×3的方格，假设一开始所有的元胞都是活的，看下一帧会产生什么变化？四个角上的元胞，因为周围有三个元胞是活的，所以下一帧它们会继续存活。每条边中间的四个元胞，周围有五个活着的邻居，所以下一帧就会死亡。而最中间这个，周围8个邻居都是活的，所以下一帧也会死亡。而周围的空白处还有4个位置，它们周围正好有3个活着的邻居，于是在这里会诞生4个新的活元胞。于是在下一帧，图案就变成了一个更大的方形。如果你有兴趣，还可以继续玩下去。你会发现，随着时间推移，网格中的图案开始向前演进。

偷懒一念起，顿觉天地宽。就是这一简化，元胞自动机迅速成为科学家们上班打卡、摸鱼划水之利器。很快，摸鱼玩家就发现了各种好玩的开局。没错，生命游戏的规则虽然是固定的，但每次开始的第一帧，不同元胞死活的不同状态，却会造成完全不同的演化路径。有完全不动或者最后会停下来的类型，比如这个——每个活着的元胞周围都是3个活着的邻居，所以它们不会变化，而周围的空间中也没有诞生新元胞的条件，因此也不会有新元胞出现。所以这个图形永远不会变化，玩家们给它起了一个名字叫做“方块”。除了方块以外，还有面包、蜂巢等等，它们同样不会变化。

第二种被称为“震荡器”。这种自动机的图案会不停地原地循环。比如这个被称为“红绿灯”，它的图案一直在原地周期震荡。第三种图案也在不断的循环，但是在循环过程中它们会不断的移动位置。比如这个被称为“滑翔机”，你可以看到它的循环周期是4，每经过4步，图形就会回到原来的样子，但它的位置则向右下方移动了一格。当然最神奇的还是一种可以不断增加的类型，比如这个被称为“高斯帕滑翔机枪”，是由麻省理工的数学家比尔·高斯帕首先搞出来的。它是这样的一个演化过程：两边碰撞就会产生一个滑翔机，如果这个过程不被外界干扰，滑翔机就会无穷无尽的产生下去。

这有什么用呢？你可以把这一串向右下方飞行的滑翔机理解成一串发射出去的信号，只要我们在经过的路径上增加别的图形和滑翔机进行碰撞，就可以接收并且处理这些信号。比如在下面再反方向放一个滑翔机枪，让两列滑翔机碰撞到一起，你会发现滑翔机会消失。如果我们把滑翔机理解为0和1信号，那么有滑翔机可以理解为1，两个滑翔机碰撞就会消失，是不是可以理解为1+1=0？没错，通过适当的设计滑翔机产生的位置和方向，让它产生各类碰撞，我们就可以构造出各类逻辑运算，进而构建出逻辑门，制造出通用计算机。科学家已经证明，生命游戏也是图灵完备的。只要你不嫌麻烦，不嫌它运算速度慢，理论上来说，电脑能解决的问题它都能解决。

当然，这不是关键。我相信大家点进这篇文章，也不是为了看如何用元胞自动机造计算机。我们文章的题目叫“熵增，但生命如何产生”？也许从知道热力学第二定律的那天起，很多小伙伴就一直被这样的疑问困扰：既然宇宙的方向是从有序走向混乱，那么复杂而有序的生命是如何在熵增的洪流中产生出来的？难道真的有一种超自然的力量在设计这一切？生命游戏似乎在给我们提供答案。让我们开始吧。

生命是什么？如果你去网上查找这个问题的答案，一定会得到类似的回答：生命有7个特征——以细胞为基本单位，有新陈代谢，能够对刺激做出回应，能够维持稳态，可以生长、可以繁殖、可以适应环境。但这个定义并不能解释很多不那么典型的现象，比如病毒——你说它是生命还是不是生命？它只是罗列了生命的一堆特征，而不是生命的本质。生命的“生”到底是什么？作为一种存在生死的东西，生命和非生命的本质差别到底在哪里？

美国生物学家斯图尔特·考夫曼从康德的哲学中找到了灵感。康德在《判断力批判》一书中曾经提出一个概念叫做“有组织的实体”。他认为有组织的实体具备三个特征：自我繁殖、自我生长、整体与部分不可分割。前两个特征好理解，整体与部分不可分割是什么意思呢？举个例子：你是一个整体，你身上的每一个器官都是一个部分，你的心脏不可能离开你的身体而独立存在，而你也不可能离开你的心脏。更重要的是，心脏存在的意义就是为你的身体泵血，离开身体，心脏是没有意义的。任何一个生命都是作为一个整体而存在的，每个部分都是相互依存的，它们存在的唯一目的就是为了维持生命系统的整体循环。除了生命，你似乎找不出其他东西具有这样的特征。

我们把目光缩小到一颗细胞，结论也是一样的。细菌的鞭毛之所以存在，是因为它可以给细菌提供动力；ATP合成酶之所以存在，是因为它能够为细胞生产ATP。所以，如果细菌的整体不存在，如果不存在细胞，ATP合成酶也就没有意义。生命的每一个部分似乎都是为了整体的一个目的而产生的。但问题来了：演化没有目的，它怎么可能演化出一只独立的眼睛、一颗独立的心脏或者一条孤零零的鞭毛呢？而没有这些部件，一个完整的生命又是如何被组装起来的呢？部分因为整体才会拥有演化上的意义，因此才会被自然选择筛选出来；而整体因为部分才会存在。整体和部分不可分割，就形成了一个典型的鸡和蛋问题：到底是先有了整体，还是先有了部分？还是说整体和部分是一起出现的？

这个问题同样可以扩展到遗传物质和蛋白质的关系上。在现代生物中，没有蛋白质，DNA和RNA就无法复制；而没有DNA和RNA，蛋白质就无法生产出来。所以是先有的遗传物质，还是先有的蛋白质？或者遗传物质和蛋白质也是一起出现的？达尔文的自然选择的确解释了生命演化的过程，但是却很难解释生命的起点。在自然选择发挥作用之前，一个包含了整体和部分的最简单生命是如何诞生出来的？在生命演化中，自然选择就像一个质检员，剔除掉不合格的设计。但问题在于，你得先把产品生产出来，自然选择才能去剔除啊。生物世界中所有这些合格和不合格的产品是怎么生产出来的呢？生命出现和运行的原动力是什么？

这尴尬的空白给神创论留下了巨大的舞台。在大量的化石证据下，多少有点智商的人都已经不再接受那漏洞百出的神创论设定了。但如果有人说有一种超自然的力量设计了生命，而自然选择负责验收产品，相信很多人都会觉得此话有理。在几年前做的那几期关于生命起源的文章中，我们对这些问题做了一些不算完美的回答。我们说，在大洋深处的白烟囱中存在着大量的岩石孔洞，孔洞之间自然存在的酸碱差异造成了质子浓度差，而这种浓度差形成的质子流动成了细胞最早的能量来源。正是在这样的能量驱动之下，氨基酸被合成为蛋白质，核酸被组合成RNA，而RNA可以相互催化，也可以制造出蛋白质。于是在无数次的自然选择下，最简单的细胞形态

在白烟囱的小孔中产生出来。那个时候的我们对复杂科学知之甚少，只能以线性的方式去解释生命代谢最重要的几个部件是如何一步一步被偶然拼装出来，然后被自然选择筛选，而对遗传物质和蛋白质之间鸡和蛋的先后关系，我们也只能暂时忽略，不做讨论。

在这几期文章的留言中，存在着大量的质疑。有很多小伙伴说，这偶然性也太多了。如果你把生命的演化理解成一个线性的过程，构成最简单生命的数百个基因就像电脑里的数百行代码，需要先写出这一行，才能写出下一行，单纯依靠随机的概率和自然选择就能完成几百个基因的装配，的确不太可能。但如果生命的演化不是一个线性的过程呢？我们回到元胞自动机，大家想一下：如果我们把一个个元胞看成是细胞中的蛋白质分子，它们像不像一堆蛋白酶在细胞中忙忙碌碌代谢物质、交换能量、传递信息？如果存在这样一个二维的世界，它算不算是一个复杂的二维生命？

现在问题来了：如果我们把这个场景给一个不了解生命游戏的程序员看，问他这些东西应该怎么实现，他会怎么回答？我相信大概率的，他会认为这个生命过程超级复杂。如果需要写代码，他应该会仔细研究每一个局部的变化逻辑，使用逻辑判断，写出超级复杂的代码。但我们都知道，在生命游戏中，并不需要去关注每一个部分的变化过程。我们只需要设计几条整体的规则，然后靠巧妙的布局，就可以把它们作为一个整体制造出来。这告诉我们，复杂的系统不是线性的。看似复杂的系统，其产生过程也许并不像你想象的那样复杂，你甚至无法通过观察局部的变化还原出它的变化规律。没错，在复杂系统面前，还原论的思维方式是无效的。生命也是一个复杂系统，它的产生是不是也是这样一个过程？

考夫曼也是这样想的。受元胞自动机启发，他设计了一个网络。这个网络是由节点和它们之间的箭头组成的，就像生命游戏一样，每个节点有生和死两个状态。然后他通过节点之间的箭头来定义每一个节点之间的关系。与生命游戏所有的元胞都遵守同样的规则不同，在考夫曼的网络中，每个节点的生死由不同的规则决定。比如，A节点的规则是：指向它的所有节点都是生，它就是生，否则它就是死。而B节点的规则则是：指向它的所有节点都是死，它才是生，否则就是死。通过这样的单独定义，这个网络获得了比生命游戏更大的规则自由度。更关键的是，这个设计更接近生命的本质。你把每个节点想象成一个基因，之间的箭头想象成基因之间相互调控的关系，这个网络就变成了一个最简化的基因调控生命的模型。

然后就像生命游戏一样，通过修改每个节点的生死状态、修改链接每个节点的箭头数量、修改每个节点的生死规则，让这个网络自由演化，很快就发现了有趣的现象。与生命游戏类似，随着规则的变化，演化会出现三种不同的方向：第一种，不动——网络很快陷入一种死气沉沉的状态，不再变化；第二种，循环——网络上的节点明灭变化，最终会进入有规律的循环；第三种，混沌——节点也在剧烈变化，但是我们看不出这种变化有什么规律可言。

单说第二种循环的状态。考夫曼发现，当每个节点的箭头数量为2时，随着规则改变，总的循环种类接近于节点数的平方根。也就是说，如果我们有1万个基因，那么穷尽所有的规则，这些基因一共能够产生大约100种循环周期。而类似生命的变化就存在于循环中。就像我们上期所说的那样，生命本质上是一系列化学震荡——生物钟是一种周期，细胞分裂也是一种周期，细胞中的各类物质和能量的代谢，说到底也是一种周期。所以很显然，就像傅里叶变换中复杂的波形可以分解成很多正弦函数一样，复杂的生命活动就是不同的循环叠加在一起形成的。考夫曼的网络就是要告诉我们：只要不同的基因形成相互调控的关系，在某种特定的规则下，就会形成稳定的周期震荡。当然，此处的基因并不是特指DNA或者RNA，它可以泛指一切可以相互催化的生命大分子。不需要预先设计，不需要讨论先有蛋还是先有鸡，也不需要第一推动力，只需要一定规模的网络、一定数量和种类的大分子，受熵增定律支配的化学变化和催化反应，代表生命运动的化学震荡就会自然地从网络中涌现出来，呈现出稳定的变化。就像自然界会自发地从有序走向混乱一样，复杂的秩序也会自发地从简单的规则和网络中涌现出来。

更重要的是，如果A催化B，B催化C，而C催化A，这种相互催化的网络最终将具有复制自己的能力。于是，不需要自我复制的RNA，一个能够相互催化的网络就可以作为一个整体自我繁衍了。如果把康德的“有组织实体”作为生命的本质，无疑这个拥有相互催化能力的有机物网络就是最早生命的雏形。

到这里，智慧绝顶的你又不免要质疑了：生命游戏之所以能够呈现出复杂的演化，是因为有人精心设计了规则和元胞的初始状态。考夫曼的网络也是一样的，只有在少数精心设计的参数和规则下，系统才会显示出复杂如生命周期的演化过程。这不恰恰说明生命是被某种超越我们的力量设计出来的吗？没错，你的说法不无道理。不是所有的网络都能演化出生命，这种条件非常苛刻而狭窄，它被人称之为“混沌边缘”。

什么是混沌边缘？看过这个公众号之前文章的小伙伴可能已经无数次地回忆起来——我们这次讲的所有内容几乎都和之前有着密切的关系。静止、周期震荡、混沌，不管是元胞自动机还是考夫曼的网络，都呈现出这三种状态。这是一个复杂系统演化的三个阶段。随着参数的变化，一个复杂系统会从静止的状态进入周期性的震荡，最后进入混沌。而混沌边缘就是从周期震荡进入混沌之前非常窄的一种状态空间，系统非常微小的变化就可能让它跌入混沌。要让系统维持在这种状态，就像踩在一条非常细的钢丝上。

生命研究领域的开创者克里斯托弗·盖尔兰顿认为，生命就是踩在这条叫“混沌边缘”的钢丝上。为了研究人工生命，兰顿在一个一维的元胞自动机上进行了模拟：把所有的格子排成一排，首尾相连，也就是每排达到最后一格后重新回到第一格。每个格下一帧的状态，受它两边的格子和它自己的影响。怎么变化呢？我们可以制定规则，比如三个格子全是死，下一帧中间的格子就是死，这就算一条规则。因为三个格子一共有8种不同的状态，而每种状态对应两种不同的结果，所以这种一维元胞自动机总共有2的8次方=256种规则。我们就可以给这个元胞自动机加上一条时间维，把下一帧的变化过程画在第二行，这样我们就可以很方便地在一个平面中看到它。

沃尔夫勒姆研究了所有256种规则，最后发现它们的演化过程同样包括静止、循环和混沌三种。但是在这三种之外，沃尔夫勒姆还发现了另外一种神奇的变化过程：比简单的循环要更复杂，但是又不像混沌那样毫无规律可言。沃尔夫勒姆把这种变化称为“混沌边缘”。没错，虽然混沌边缘就像一条极细的钢丝，但某一些规则却能让系统维持在这种状态。而兰顿通过计算发现，当他定义的一个参数达到0.273时，系统就会进入混沌边缘。处于混沌边缘的元胞自动机拥有很好的计算能力，因此他凭直觉认为生命就处于混沌边缘，靠这些规则使自己稳稳地踩在这条钢丝上。

如果生命就靠这些规则踩在这条钢丝上，那到底是什么能够从众多的规则中把它挑出来呢？答案其实很容易猜出来——它回到了我们老生常谈的话题：自然选择。为了验证自然选择和混沌边缘的关系，一个叫诺曼·帕卡德的物理学家进行了计算机模拟。他随机选择了大量的元胞自动机，让它们来解决一些问题，然后使用遗传算法来挑选适应度更好的规则，再让它们不断交换基因（规则）进行演化。最终发现，适应度最好的那些元胞自动机，正是处于混沌边缘的那些。而考夫曼则更进一步，在了解了混沌边缘的理论后，他把自己20多年前提出的网络做了进一步修改，加上虚拟的化学反应和演化过程。最后发现，由自然选择引起的竞争和协同演化，最终会把他的虚拟网络推向混沌边缘。也就是说，尽管表面看来，在简单中产生复杂的路径非常狭窄，可能性极低，但因为自催化效应和自然选择，系统仍然会自发地向更复杂的层面演化。所以，生命出现几乎是一个必然。

这算不上什么最新研究了，早在上世纪90年代，在复杂科学领域，这已经是耳熟能详的概念了。可惜的是，除了通过简单的数学模型来模拟一些抽象的生命现象之外，直到现在，我们还无法真正地复现生命产生的过程。毕竟生命本身太复杂了，即使在几十年后的今天，我们也只能通过AI在大数据下预测出氨基酸序列与蛋白质的关系，距离从分子层面完全模拟生命活动还很遥远。这使我们无法真正在数字世界中展现这一过程：最原始的生命大分子是如何通过自催化，从相互作用的网络中催化出来的？

尽管如此，生物学获得了巨大的发展，各种自催化的实验也被科学家复现出来。关于生命起源的主流假说，从当年米勒的原始汤变革为大洋深处的白烟囱。所以我们不妨在新的假说之上，用复杂科学的眼光重新审视一下这个过程吧。海底白烟囱那数以亿万计的孔洞中，靠质子渗透产生的能量制造出的有机物大分子被限制在狭小的空间中，这足以让它们产生足够的浓度，进而产生出足够的催化反应。这些催化反应就像考夫曼的网络，在相互催化中有了自我复制的能力。它们并不是每一个都拥有神奇的生命力，也有很多死气沉沉，或者只是简单的震荡。但一旦自我复制的能力开始出现，狭小的空间迫使他们争夺有限的资源和能量，竞争和协作就会产生。自然选择会将他们推向更复杂的混沌边缘。于是，在最早的露卡（LUCA，最后普适共同祖先）产生之前，能够自我复制的一个个生命分子团体就已经展开了演化。这可能才是生命最早的微光，而RNA和蛋白质的珠联璧合，只是这最原始生命的后代，是在混沌边缘的竞争中经过无数次的复制、变异、演化和重新组合，遴选出来最好的答案，是在混沌边缘上站得最好的那一个。

2024年，考夫曼写了一篇新论文，将生命的产生定义为宇宙演化的一次相变。在这篇论文的结尾，他写道：“现在，在所有6700种原核生命中，发现了不含DNA、RNA或肽类聚合物的小分子集体自催化剂。这有力地表明，但并不能证明，此类系统可能是宇宙中最早出现的分子复制形式。成熟的数学理论表明，在分子的多样性和原子复杂性不断增加的宇宙中，这样的系统可以作为一级相变而出现。如果我们的这一论断是正确的，那么生命的出现就是宇宙演进过程中预期会出现的相变。”

所以，生命的产生似乎是宇宙演化的必然。那么宇宙的目的是什么呢？宇宙没有目的，只有冰冷的规则。但是这规则却把宇宙向两个不同的方向推动：一个将它从有序推向混乱和无序，而另外一个却让它从简单中涌现出复杂。更神奇的是，这两种变化基于同样的原动力——熵在不断增加，系统的自由能趋向于最小。没人知道这两种变化最终会把宇宙推向何方。但有一点是肯定的：你和我，都是这两种变化下塑造出来的最神奇的产物。

Ending～