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人类的灭绝是不可避免的吗?

摘要/Abstract大脑怎么演化为现在的杂乱体系,它的未来又将走向何处?大脑的存在对现存的理论提出了这样一个应战——咱们都知道,熵跟着时间的消逝不可防止的添加,它常常与无序性及简略性*联络起来。近来…

摘要/Abstract

大脑怎么演化为现在的杂乱体系,它的未来又将走向何处?大脑的存在对现存的理论提出了这样一个应战——咱们都知道,熵跟着时间的消逝不可防止的添加,它常常与无序性及简略性*联络起来。近来咱们展现了演化是熵值演化的进程:结构的树立促进了熵增。在这里,咱们提出,演化的要害跃迁点与生命关于时间及空间的操作相关,经由杂乱的多维度状况空间,生命翻开了促进熵增的新通路。大脑的演化促进了时间和空间在大脑中的表征,而这种表征又进一步加快了熵增的进程。可是,这些通路有时指向了状况空间中的死胡同,因而依据热力学规律,咱们无法猜测杂乱的生命体系将在未来继续存在。

*译者注

该简略性在概念上与下文中的杂乱性相对。

杂乱体系演化之谜

曩昔的两个世纪中呈现了两个含义深远但看似彼此对立的理论,这两个理论重塑了咱们关于国际的了解及咱们在国际中所在方位的认知。第一个理论是热力学第二规律,该理论以为国际朝着熵增的方向开展;另一个是达尔文的进化论。这两个理论都有着数据支撑,但对国际的走向提出了天壤之别的猜测:熵增将导致整个别系朝着紊乱与无序开展,而近四十亿年的演化提高了人类社会的次序与杂乱性,并带来了今日结构杂乱的人类文明。为什么相同由数据驱动的理论在解说国际开展时走向了无序与次序两种成果?

近来,咱们探求了时间及空间结构在这两种定论中架起桥梁的或许性。详细来谈,咱们想知道生命是怎么把握在确保自身存活几率最大化的前提下进行致使熵增的化学反响的。生命找到了一条将引导熵值穿越多维度状况空间迷雾的新通路,由此在熵增的一起到达了更有序的杂乱状况。在这里,咱们将上述问题的方针外延至大脑,即大脑在提高可到达的状况空间巨细中所扮演的人物。在后文中,咱们将侧重评论上述进程中大脑在时空表征上的演化,并对这种演化在未来的开展作出估测。

-Charlie Davis-

从物理学的视点来看,熵是与自在能相对的概念。熵值总是添加,就好像进入一系列相连容器的气体总会找到斜率最高、直径最宽的通道然后以最快的速率上升。与之同理,跟着时间消逝,体系总会从或许性低向或许性高的状况改动——依据玻尔兹曼的理论,或许性较高的状况指的是能够被数量更多的微观结构所完成的状况。一旦体系到达热力学平衡态即最大熵值状况,该体系将不会再做功,也不会再发生任何改动了。

熵与空间同质性及梯度丢失相关。举个比方,熵值跟着物质自发的均匀分布而添加。与之相似,热量跟着温度梯度下降也带来了熵增,这是由粒子热能在空间上的均匀分布发生的。空间中自在活动的粒子终究总是呈现出无结构的随机排布,这种现象的实质原因很简略——无序状况比有序状况有更多种或许性。玻尔兹曼将熵量化为能够坚持微观态的微观态数量:关于空间结构有序的体系,如容器中的气体或冰冷/温热的物体,能够确保体系状况不变的粒子排布办法较少,因而该体系的熵较低。

可是,熵增并不总是带来无序的空间排布,有时体系中的熵增反而会下降空间一致性。例如,当咱们把油倒进水中时,油与水会自动分层。分层后该体系的空间排布变得愈加有序,但其熵值变高。这是由于在重力的效果下,水分子的因重力效果所发生的运动与油滴向上的效果力彼此抵消,然后释放了能量并促进温度上升:虽然粒子可活动的空间变小了,但每个粒子的活动速度变大了,也即体系内或许的微观态变多了。由此可见,熵并不只与微观上的有序/无序相关,熵与体系中的或许性联络更为严密:跟着时间推移,体系将不断朝着充溢更多或许性的微观状况推移。关于比方行星、星系抑或是生命自身的体系而言,结构化的状况或许带来比较紊乱状况更多的或许性。

熵的添加并不是接二连三的:体系或许短时间内安稳停留在熵值较低的状况。咱们能够把这种时间短的中心态设想成笼统时空中的气泡——一棵成长数年的树在被雷电击中之前坚持着安稳的低熵值状况,直到这场闪电带来的大火将其消灭。在消灭的片刻,大树所存在体系的熵值瞬间增高。在这个比方中,雷电通过消灭树木把约束在笼统气泡中的熵瞬间导入另一个更大的气泡中。因而,一棵树的存在不是继续不变的,咱们将这种状况称为亚稳态。

生命与熵

接下来咱们即将评论生命,以及为什么生命演化成为现在的杂乱形状。薛定谔以为生命的开展是对环境熵值的反转。为了保持生命的低熵值,生命需求对其生计环境进行熵增改造。这个观念背面的预设是,能够成为生命的结构必定需求低熵值。可是,依据上述评论,咱们以为生命也或许是与油水混合物、聚变星或是黑洞相相似的体系——一个自身具有高熵值的体系。依据物理学规律及国际的现状,生命之所以发生是由于它为整个别系带来了更多的或许性。生命的结构与次序并不意味着它将下降体系的熵值,就如咱们之前所评论的,在某些进程中,在发生次序的体系中也或许引起熵增。

-Matt Chinworth-

演化跃迁,杂乱性与时空

演化跃迁是演化的显着特征之一。Szathmary及Maynard Smith提出,在演化进程中呈现过数次较为重要的跃迁。在这里,咱们将侧重评论一系列促进时空交互的跃迁点。

跟着能自拼装的碳基分子及能够仿制自身序列的核酸的呈现,生命呈现了。从这个时间节点开端,演化成为了一往无前的车轮,在前行进程中,有利于自我仿制的新分子被得以保存。碳原子四面体牌子的空间结构使得它能够构成安稳的聚合体长链,然后确保了自我仿制的机制得以留存。此外,这些分子的灵活性使得底物在空间上能够严密触摸,然后确保了新化学反响的进行:化学反响将自在能转换为热量,提高整个别系的熵。综上,碳基在空间的维度上通过化学反响促进了演化,而核酸通过自我仿制在时间维度促进了演化。

演化接下来的进程进一步为生命供给了通过化学反响操作时空的才干。跟着膜结构及细胞的呈现,化学物质被“隔室化”,化学反响因而得以在不受外部环境搅扰的前提下进行。该演化极大地促进了化学反响的功率及安稳性。三磷酸腺苷也跟着演化呈现于生命前期。ATP使得生命在不受时空条件所限的前提下运用储藏的能量进行化学反响,该演化相同确保了生命安稳性及自我仿制性。通过捕捉、贮存当下的能量,令其在未来能为细胞所用,ATP在时间维度上促进了演化,而通过在细胞内转移能量,第二信使*体系在空间上促进了演化。35亿年前,光合效果的呈现又促进了上述反响:自此,细胞得以捕获并贮存来自太阳的许多能量。

*译者注

第二信使:胞内信号分子,担任在细胞内进行信号传导然后触发如增殖、细胞分解、搬迁、存活及细胞凋亡等生理改动。

接下来,细胞内部演化开展出了新的时空操作办法。26亿年前,细胞中演化出了电压、配体门控离子通道、受体激酶-转录因子信号通路及调控基因表达的才干。此外,细胞依据微管*树立出了胞内运送体系,该体系确保了细胞内部的分子能够在适宜的空间与时间点上参加反响。这些胞内体系进一步组成鞭毛,所以细胞具有了自在活动的才干。细胞的运动进一步加强了生命的安稳性、促进了生命的自我仿制。此外,运动让细胞具有了与其他细胞触摸并沟通基因的才干。通过基因沟通或有性生殖为基因序列带来了更多的或许性,然后敞开了新的熵通道。

*译者注

微管是细胞骨架的组成部分。它遍及于细胞质中,担任保持细胞结构及胞内物质的运送。

演化带来的细胞间沟通体现出了显着的适应性优势,所以,多细胞生物诞生了。起先呈现的多细胞生物形状单一,随后呈现了具有形状差异的生命。这些差异或许体现在空间上,如功用不同的器官;也或许体现在时间上,如跟着生命的成长发生的改动差异。这些功用性差异的结构性根底是基因组之间的交互影响。

在此根底上,比方同源异形框基因不只能够编码蛋白,还能通过基因间的彼此调理创造出规划较大的空间结构,一起为生命的开展供给次序。

在大约5亿到6亿年前,一类新的细胞呈现了。这些细胞具有电兴奋性,该特征不只确保了信息能够快速的在细胞间传达,且确保了信息由细胞内至细胞外的传输——这些细胞是第一批神经元,神经元的呈现确保了生命对时空的进一步控制:它们给予了生命在环境中运动的才干和表征时空的才干。

-leonardo santamaria-

运动

在六亿年前,地球上仅仅充满着水生生物。他们要么无法运动,要么凭着洋流移动。生命的静寂继续到了大约五亿六千万年前,直到能够自主活动的多细胞生命以蠕虫类生物的样貌呈现。起先这些生物只能在海底有机矿泥中径自穿行,随后,它们又进化出了转弯和发掘的才干——海床化石中的弯曲甬道为它们的这些行为供给了依据。这种进化的重要性是无与伦比的:自此之后,生命不再被迫等候——它们把握了自动获取自在能的力气。

约五亿四千万年前,地球上的生命迎来了长达一千三百到两千五百万年寒武纪大迸发。现在存在的绝大多数生物类别都在这一时期呈现,直到今日咱们无法解说是什么导致了随寒武纪大迸发呈现的井喷式的生物多样化。这一现象或许是由神经元及肌细胞的呈现催生的:神经元和肌细胞给予了生命自在活动及快速处理信息的才干,这或许助推了新生命的发生。

运动的演化添加了体系的挑选压力,还促进了捕食行为的添加——生命不再被迫地通过光合效果或是整理残骸上的有机物来获取能量,运动给予了生命追逐和捕食的才干。寒武纪期间的生命演化出了外骨骼,这让咱们有时机通过化石依据一睹远古时期捕食者与猎物之间的奋斗。与此一起,杂乱器官的呈现又促进了动物的寻食,捕猎及逃脱等行为。以演化的时间观来看,生命杂乱器官体系的开展十分敏捷:从近来科学家们发现的一块五亿两千万年前的节肢动物化石中咱们能够看到,完好的视觉体系、大脑及视叶现已呈现了。

空间、时间和回忆

由于国际同步靠的是时间,所以贮存关于曩昔的信息才干使生物能对未来做出猜测——这对生计来说有着极大的效果。因而,神经元的呈现伴跟着突触可塑性,神经网络曩昔的活动因而得以被保存下来,这或许是绝大多数,乃至悉数方法的回忆的神经机制。突触可塑性的演化或许与核酸的演化具有平等的重要性,两者都答应当时的状况被跨过时间地贮存下来——这就答应生物运用曩昔的信息来猜测未来。

回忆的一项重要用处,便是贮存空间信息。一旦动物开端远间隔移动,一个新的挑选压力就会逐步显着:环境中的一些区域,会比另一些区域有更高的生计潜力。咱们一个生物能通过贮存通往高潜力区域的导航信息,来运用这种生计潜力的不同,那将会对这个生物的生计构成极大的优势——所以,内涵的空间表征就诞生了。现在,咱们尚不清楚这种才干是怎么在前期的运动动物中开展出来的,但咱们能通过有限的化石记载,和地球上现存的各种神经空间体系,来进行合理的估测。

-Matt Chinworth-

最原始的导航体系,灯塔导航,只需求动物勘探到一个适宜的环境方针并向之移动。这种勘探才干可所以与生俱来的,例如昆虫朝着亮光移动;但这种才干也能从阅历中习得。更杂乱的空间表征则不只需求自我中心编码,还需求非自我中心编码。一个运用非自我中心导航体系的生物,需求表征移动的方向和间隔,然后树立一个外界空间的二维模型。

方向感是一个陈旧的才干,早在脊椎动物呈现之前就已呈现:早至昆虫,晚至哺乳动物,咱们所运用的神经“罗盘”在重要方面上并无二致。但与此一起,动物也需求监测自己的移动间隔,并将移动间隔与移动方向用三角学办法结合起来,这样才干精确地回到旅途的起点。包含昆虫在内的各种动物都具有这种“途径整合”的才干。途径整合的演化答应运动动物树立起可回来的营地,这对生物的生计至关重要,这促进了自我仿制和连续,也因而翻开了通往更多状况空间泡泡的通道。

与此一起,途径整合也答应生物以非自我中心的办法,表征外部国际中有显着特征的地址。这些地址能够被进一步整合,构成与地图相似的内涵表征,这答应动物对它们所在的环境树立细节丰厚的模型。海马体通过接纳方向、间隔、环境中的物体和工作信息,成为了哺乳动物完成途径整合的要害。

越来越多的依据标明,海马体也能表征时间。关于一个运动的动物来说,时间和空间自身就在速度和间隔的核算中被整合了,但时间或许也能被独立地表征。对时间的表征能增强空间回忆的猜测才干。比方,具有时间概念的动物能知道它们有一段时间没探究一个特定的地址了,因而或许需求从头探究一下那个地址;或许,它们能知道猎食动物什么时候通过一片海滩,然后猜测海滩在什么时候会变得相对安全。对人类来说,一起表征空间和时间的才干答应咱们构成情景回忆,也便是对日子工作的回忆;另一方面,咱们也能对没有发生的工作和不会发生的工作别离进行方案和幻想。

人类

由此,人类和他们杂乱的活动方法进入了咱们的视界。在许多方面上,人类与其它亿万个物种别无二致。可是,人相似乎是现存物种中,仅有能运用符号言语的。言语不留下任何化石痕迹,咱们因而无法确认人类言语呈现的详细时间——但这必定比人类与大猩猩各奔前程要晚上几百万年,并且很或许与人族大脑的体积在曩昔三四百万年间的飞速添加严密相关。言语的发生和上面说到的其它认知才干或许是并肩演化出来的。

在本文的评论中,言语对咱们来说最重要的特征便是,它答应咱们跨过时间和空间的约束来贮存和传递信息。好像其他的演化转机相同,言语的呈现让人类能够探究相空间*内更多的区域。个别的主意被时间和空间分隔,要想集中力气办大事,人类需求能够聚集个别主意的才干,而言语刚好供给了这种才干——言语之于认知,就好像生命初始的分子对接之于生命自身。

*译者注

相空间:即phase space,用来表达一个别系能处在的一切状况的空间;在一个别系的相空间内,这个别系一切或许的状况都有其对应的点。

-leonardo santamaria-

幸亏言语,人类得以探究物理和笼统的空间。这致使原先不会彼此效果的体系之间,开展出了彼此效果,并对生态圈造成了极大的影响。

举个比方,人类将数量巨大的植物和动物物种,从一个大陆上转移到了另一个大陆上,导致了许多物种灭绝和疾病的自发性传达——近期的人畜共患流行症COVID-19便是一个相关比方。在新式冠状病毒骤变之后就发生了航空传达,让病毒得以分布到了全国际,而现在,它现已极大地改动了各种举世体系,从货物流,到人群活动,再到各个经济体的运作。另一个比方,便是在工业革新后,人类对地下化石燃料储蓄的挖掘。这现已影响到了整个地球的气候体系,留下了需求用地质学时长术语来描绘的久远改动;咱们有了描绘人类年代的地质学称号——人类世。

光是由言语衍生出的科技自身就在快速地更新换代。曩昔的一百年间,咱们见证了电子信息革新,其影响之深远乃至超过了工业革新。工业革新与能量相关,电子革新与信息相关,两者都与熵密不可分,两者都致使许多的熵流入它们发生的“泡泡”中。咱们现在正在挨近一个新的技能演化点,那便是人工智能开展——在不远的将来,人工智能将答应独立于人类的、新的智能存在。毫无疑问,这会在咱们与相空间内的许多新泡泡之间树立衔接。人类要拭目而待的是,这些新的泡泡中,有没有哪一个泡泡标志着人类的灭绝。

结语与展望

最终,让咱们回忆文章最初的问题:杂乱性为何跟着演化而添加?以上的评论提出了一个或许的答案:杂乱化的进程便是生命可占有的新状况空间逐步添加的进程,其间的每一步都在改善生命自我仿制和连续的才干,但与此一起,也翻开了熵增的新通道。

杂乱化不是一个单行道——正如过往数目很多的物种灭绝所示,杂乱化是一个朴实的统计学进程,可增可减。之所以杂乱性看起来只增不减,仅仅由于生命起源于低杂乱性的状况中,因而在统计学含义上,前期演化中或许完成的更杂乱的状况比更简略的状况要多,因而杂乱性更或许增,而非减。

但与熵不同,无尽的杂乱化绝非必定。在任一时间,跟着生命的杂乱性添加,通往新的状况空间泡泡的通道也会翻开——其间的一些泡泡小而没有出口。一个比方便是核武器的创造:在这里,小而没有出口的泡泡标志着地球上一切生命的末日。生命越杂乱,通往泡泡的通道就越多,没有出口的的泡泡也就越有或许被发现。

而熵就不相同了。熵它什么也不在乎。熵它不会削减一分一毫。

人类能够防止自己的灭绝吗?

作为第一个能了解并猜测其阅历的物种,咱们很简单以为自己能防备灭绝。可是,本文中说到的熵增进程,是描绘物质和能量的一个根本热力学热力学性质——因而,灭绝是不可防止的。一个更适宜的问题应该是,咱们是否能在可预见的未来中连续下去?要达到这个方针,咱们需求防止由咱们当时的杂乱性而带来的灭绝途径,包含战役、疾病和自动武器等丧命技能。

人类是否会控制自己的演化?

咱们现已看到了在曩昔,演化是怎么驱动杂乱化的。可是,自从工业革新以来,演化就在同人类的技能进步并肩行进。在不久的将来,跟着人类开端修正不同生物的基因组,这两股力气将会融为一体。基因修改技能是否会替代演化,成为杂乱化的驱动引擎呢?咱们人类会不会运用技能来驱动自己大脑的演化呢?这样做势必会翻开通往更多状况空间内的泡泡的通道。咱们是否能挑选进入哪个通道,然后防止灭绝呢?或许,或许咱们的技能进步会将人类更快地面向灭绝?

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