編譯：集智俱樂部翻譯組

來源：quantamagazine

原題：The Information Theory of Life

生命是如何產(chǎn)生的？

科學(xué)中幾乎沒有比這更重大、更困難的問題了。當(dāng)然了，生命產(chǎn)生的時候，我們并不在場。并且另一個窘境是，除了生命存在這個事實，沒有任何證據(jù)表明，生命可能來自之前的生命之外的任何東西。

Christoph Adami不知道生命是如何開始的，但是他知道很多其他事情。他的主要專業(yè)知識是信息論，這是上世紀(jì)四十年代發(fā)展起來的一個應(yīng)用數(shù)學(xué)分支，最初是為了理解信息通過電線的傳輸，從那以后，這個領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用。并且很少有研究人員比Adami做的更多。

Adami是密歇根州立大學(xué)的物理學(xué)和天文學(xué)教授，同時也是微生物學(xué)和分子遺傳學(xué)教授。他將信息論提供的分析視角移植到包括微生物學(xué)、遺傳性、物理學(xué)、天文學(xué)和神經(jīng)科學(xué)在內(nèi)的很多學(xué)科。

Adami在密歇根州立大學(xué)

最近，他一直試圖用信息論在生命第一次出現(xiàn)時可能存在的環(huán)境里撬開一個統(tǒng)計窗口。為了做到這一點，他從一個思想上的飛躍開始：不應(yīng)該將生命視為化學(xué)事件，而應(yīng)將其看作信息。

視角的轉(zhuǎn)變?yōu)殚_始處理一個復(fù)雜問題開拓出了一條很好的道路。Adami將信息定義為“以高于偶然性的概率作出預(yù)測的能力”，并認(rèn)為我們應(yīng)該將人類或者說任何生物的基因組看作一個信息存儲庫，一個生物在進(jìn)化的過程中收集到的有關(guān)周圍世界的信息存儲庫。

這個庫包含關(guān)于我們可能需要知道的一切事物的信息，例如，怎樣將糖轉(zhuǎn)化成能量，怎樣躲避大草原上的捕食者，并且對于進(jìn)化最為關(guān)鍵的，怎樣繁殖或者自我復(fù)制。

重新概念化本身并不能解決生命如何開始的問題，卻可以提供一個框架讓我們首先能夠開始計算生命發(fā)展的概率。 Adami解釋說，信息的一個先決條件是存在一個字母表，也就是一組片段，如果將這些片段以正確的順序組合，就能表達(dá)有意義的東西。

沒有人知道在非生物分子結(jié)合起來產(chǎn)生第一個信息片段時，這套字母表是什么。但是，Adami試圖利用信息論來幫助化學(xué)家思考，為了確保生命偶然出現(xiàn)這件事具有統(tǒng)計合理性，在生命的起始必須存在的分子的分布是怎樣的。

信息是什么？信息的概念又如何幫助我們理解生命是如何運作的呢？

Adami認(rèn)為，信息是生命的流動。信息的一個定義是以高于偶然性的概率作出預(yù)測的能力。這是任何生命體都需要去做的，因為如果可以做到這點，就會有更高的生存幾率。低等生物對周圍環(huán)境中有碳、水、糖作出預(yù)測，高等生物則對像是是否被另一個生物追趕著、是否要逃跑這樣的事情作出預(yù)測。我們的DNA是關(guān)于我們居住的世界以及如何在其中生存的百科全書。

探索生命起源的主要理論

將進(jìn)化看作信息從環(huán)境向基因組流動的過程。基因組學(xué)習(xí)關(guān)于環(huán)境的知識，然后就能夠利用這些信息來預(yù)測環(huán)境的狀態(tài)。

信息是在它所在的環(huán)境中需要被解釋的序列。一個人的DNA在火星上或水底毫無意義，因為這些不是人類居住的環(huán)境。具體環(huán)境下的序列才是信息。一個位于宿主體內(nèi)的病毒序列有著足夠的信息去復(fù)制，因為它可以利用環(huán)境（既宿主）的優(yōu)勢。

如果環(huán)境發(fā)生變化，首先發(fā)生的事情就是，原本關(guān)于環(huán)境的信息不再是信息了。災(zāi)難性的變化或許意味著擁有的關(guān)于環(huán)境的信息量減少了。而且，因為信息是生命的貨幣，突然之間個體不再適應(yīng)環(huán)境了。這就是發(fā)生在恐龍身上的事情。

生命是儲存在符號語言中的信息，它是自指的，作為信息能干涉自身，這很必要，因為任何的信息片段都很罕見，而唯一阻止信息稀有化的方式是利用序列內(nèi)部的指令來復(fù)制序列自身。所有生命的秘密在于，復(fù)制過程可以讓原本極其稀少的東西變得異常豐富。

德羅斯特效應(yīng)是指，圖片的一部分與整張圖片相同。自指則是說，一個句子或公式等符號序列指向自身。兩者都是一種遞歸模式。|  Wikipedia

然而，第一個自指的信息片段從何而來呢？我們都知道地球上的生命包含隨著演化而來的大量信息，這使得信息緩慢增長。在演化之前，沒有這種信息積累的過程，因此，第一個信息片段必然是偶然產(chǎn)生的。

如果說生命是偶然出現(xiàn)的，那么偶然出現(xiàn)的概率有多大呢？一方面，這個問題很簡單，另一方面它也很困難。我們不知道在生命起源之時，那種符號語言是什么，它可能是RNA或者任何其他分子，但是它必然是一套字母表。

簡單的情況是，如果完全不給出任何關(guān)于這些字母表中的字母分布的知識，也就是說，字母表中的每個字母都有著同樣的出現(xiàn)頻率，生命出現(xiàn)的概率是多少？與此相對應(yīng)，假設(shè)我們不是在尋找一種自我復(fù)制形式的生命，而是在尋找一個英文單詞，比如說“origins”，如果隨機(jī)地輸入字母，那么將這個單詞輸入正確的可能性有多大？

Cyrillic alphabet | Oi！

答案是100億分之一。即使是簡單的單詞序列也非常罕見。然后我們就可以做一個計算：隨機(jī)得到100比特信息的可能性有多大？一切變得極其不可能，在有限宇宙中，概率實際上是零。

但是我們沒有理由假定在生命初始階段，字母表中的每個字母以同等比例出現(xiàn)。有沒有可能字母出現(xiàn)的可能性已經(jīng)按順序排列好了呢？因為溫度、壓強(qiáng)和酸度這些局部狀態(tài)的影響，實際上假設(shè)原初化學(xué)的單體出現(xiàn)的頻率并不相等。也就是說，字母表中的字母出現(xiàn)的概率并不相同。

如果字母的概率分布是有偏差的，一些字母比其他字母更有可能出現(xiàn)，事情會如何呢？

比如說，如果英文字母 e 比 t 更普遍，t 又比 i 更普遍，結(jié)果表明，出現(xiàn)“origins”的可能性會提高一個數(shù)量級。僅僅通過讓概率分布更接近可能的目標(biāo)，最終的概率不是會提高一點點，而是會以指數(shù)因子增長。這對生命的起源意味著什么？

如果對生命自發(fā)出現(xiàn)的可能性做一個簡單計算，答案會是，生命不可能出現(xiàn)在地球上或者宇宙中任何地方的任何一個星球上。

然而，實際上我們忽略了一個調(diào)整概率的過程。地球上存在極其豐富多樣的環(huán)境，從火山口到海洋的最深處，我們有各種各樣（或許有數(shù)以億計）有著不同概率分布的不同地方，只要其中一個恰好接近于正確的環(huán)境組成即可。有了如此多種多樣的環(huán)境，我們或許就有可能極其輕松得獲得信息了。

但是我們并不知道第一個信息片段偶然出現(xiàn)時的環(huán)境狀況，有大量的未知因素。其中最大的未知是，我們不知道生命起始最初的一組化學(xué)物質(zhì)是什么。

How Did Life Begin on Earth?

在生命起源之時，最先出現(xiàn)什么？新陳代謝還是自我復(fù)制？這永遠(yuǎn)是一個問題。

自我復(fù)制需要能量，沒有能量就無法復(fù)制，如果沒有新陳代謝，能量從何而來呢？在海底火山口的環(huán)境下，似乎可以更輕易完成新陳代謝。如果完成了新陳代謝這一步，接下來只需要離開代謝源，建造能夠使新陳代謝進(jìn)行下去的基因（生命就可以維持）。

對待生命起源的方法與思考氨基酸這樣的化學(xué)物質(zhì)截然不同。對于化學(xué)物質(zhì)，我們不知道其中蘊涵著多少信息。必須要有能衡量信息多少的過程，否則背后的數(shù)學(xué)就行不通。創(chuàng)造出特定類型的分子會使得創(chuàng)造其他分子的可能性更大，并使得概率分布向著使生命不那么罕見的方向偏轉(zhuǎn)。需要的信息量本質(zhì)上是零。

? Jerry Liu Studio 

在與Adami的合作中，化學(xué)家會說：“我還是不明白你在說什么。” 因為他們不懂信息論，但是他們在聽。這或許是第一次，信息論的嚴(yán)格應(yīng)用如雨水般落在這些化學(xué)家身上，但是他們樂于學(xué)習(xí)?；瘜W(xué)家會相信生命的基礎(chǔ)是信息嗎？大多數(shù)人會回答，這些解釋讓他們相信生命就是信息。

很多人或許會從神學(xué)層面反對“生命是偶然出現(xiàn)的”這種可能性，那是因為他們沒有理解信息的概念。

Adami涉足很多不同領(lǐng)域，比如生物學(xué)、物理學(xué)、天文學(xué)和神經(jīng)科學(xué)。去年，他在博客文章中引用薛定諤的話：“我們中的一些人應(yīng)該冒險去嘗試將事實和理論結(jié)合起來，盡管其中一些是二手的、不完整的知識?！?Adami也在用這種方式進(jìn)行自己的工作。

Adami說，雖然被訓(xùn)練成一個理論物理學(xué)家，但是對不同領(lǐng)域了解的越多，自己就越發(fā)意識到這些不同領(lǐng)域并沒有被人們劃分的邊界分隔開來，事實上，它們擁有大量的共同點。

他學(xué)會如何在一個遙遠(yuǎn)的領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)可能的應(yīng)用，然后跳到那個領(lǐng)域并試圖取得進(jìn)展。每一次跳到一個領(lǐng)域，都會有一群新的評審人，他們會問“這個家伙到底是誰？”，在研究過許多不同領(lǐng)域之后，Adami相信自己能夠比別人看得更遠(yuǎn)。

薛定諤接著說，科學(xué)家是“冒著讓自己出洋相的風(fēng)險”從事這種結(jié)合工作的。Adami敏銳地意識到了這一點，正是因為不想讓自己出洋相。

當(dāng)他跳到另一個領(lǐng)域時，總是會盡可能多地閱讀，直到對這個領(lǐng)域的文獻(xiàn)有全面的了解，并能夠表現(xiàn)得像是在這個領(lǐng)域內(nèi)工作了20年一樣。這很困難，因此需要付出加倍的努力。人們會疑惑Adami為什么頻繁地轉(zhuǎn)換研究領(lǐng)域，但Adami表示，如果發(fā)現(xiàn)一個問題，他有自信做出貢獻(xiàn)，就很難無動于衷地將問題留給其他人。

翻譯：公孫龍馬

審校：Dr.gaster

編輯：王怡藺

原文：

https://www./the-information-theory-of-life-20151119/