摘要/Abstract
大脑如何演化为现在的复杂系统，它的将来又将走标的目的何处？大脑的存在对现存的理论提出了这样一个挑战——我们都知道，熵跟着时候的流逝不成避免的增加，它经常与无序性及简单性*联系起来。迩来我们展示了演化是熵值演变的过程：布局的成立（即生命的发生）促进了熵增。在这里，我们提出，演化的关头跃迁点与生命对于时候及空间的把持相关，经由复杂的多维度状况空间（multi-dimensional state space），生命打开了促进熵增的新通路。大脑的演化促当作了时候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过程。然而，这些通路有时指标的目的了状况空间中的死胡同，是以按照热力学定律，我们无法展望复杂的生命系统将在将来持续存在。
*译者注
该简单性在概念上与下文中的复杂性相对。
复杂系统演化之谜
曩昔的两个宿世纪中呈现了两个意义深远但看似彼此矛盾的理论，这两个理论重塑了我们对于宇宙的理解及我们在宇宙中所处位置的认知。第一个理论是热力学第二定律，该理论认为宇宙朝着熵增的偏向成长；另一个是达尔文的进化论。这两个理论都有着数据支撑，但对宇宙的走标的目的提出了判然不同的展望：熵增将导致整个别系朝着紊乱与无序成长，而近四十亿年的演化晋升了人类社会的秩序与复杂性，并带来了今日布局复杂的人类文明。为什么同样由数据驱动的理论在诠释宇宙成长时走标的目的了无序与秩序两种成果？
迩来，我们探讨了时候及空间布局在这两种结论中架设桥梁的可能性。具体来谈，我们想知道生命是如何把握在包管自身存活几率最大化的前提下进行致使熵增的化学反映的。生命找到了一条将指导熵值穿越多维度状况空间（multidimensional state-space）迷雾的新通路，由此在熵增的同时达到了更有序的复杂状况。在这里，我们将上述问题的对象外延至大脑，即大脑在晋升可达到的状况空间大小中所饰演的脚色。在后文中，我们将着重会商上述过程中大脑在时空表征上的演化，并对这种演化在将来的成长作出猜测。
-Charlie Davis-
熵
从物理学的角度来看，熵是与自由能（free energy，即对外做功的能量）相对的概念。熵值老是增添，就如同进入一系列相连容器的气体总会找到斜率最高、直径最宽的通道从而以最快的速度上升。与之同理，跟着时候流逝，系统总会从可能性低标的目的可能性高的状况转变——基于玻尔兹曼（Boltzmann）的理论，可能性较高的状况指的是可以或许被数目更多的微不雅布局（microscopic configurations）所实现的状况。一旦系统达到热力学均衡态即最大熵值状况，该系统将不会再做功，也不会再发生任何改变了。
熵与空间同质性及梯度损掉相关。举个例子，熵值跟着物质自觉的平均分布（如两种开初分手的气体彼此夹杂）而增添。与之相似，热量跟着温度梯度（temperature gradient）降低也带来了熵增，这是由粒子热能在空间上的平均分布发生的。空间中自由活动的粒子最终老是呈现出无布局的随机排布，这种现象的素质原因很简单——无序状况比有序状况有更多种可能性。玻尔兹曼将熵量化为可以或许连结宏不雅态的微不雅态数目：对于空间布局有序的系统，如容器中的气体或严寒/温热的物体，可以或许包管系统状况（宏不雅态）不变的粒子排布（微不雅态）体例较少，是以该系统的熵较低。
然而，熵增并不老是带来无序的空间排布，有时系统中的熵增反而会降低空间一致性。例如，当我们把油倒进水中时，油与水会主动分层。分层后该系统的空间排布变得加倍有序，但其熵值变高。这是因为在重力的感化下，水分子的因重力感化所发生的活动与油滴标的目的上的感化力彼此抵消，从而释放了能量并促进温度上升：尽管粒子可活动的（总）空间变小了，但每个粒子的活动速度变大了，也即系统内可能的微不雅态变多了。由此可见，熵并不只与宏不雅上的有序/无序相关，熵与系统中的可能性联系更为慎密：跟着时候推移，系统将不竭朝着布满更多可能性的宏不雅状况推移。对于诸如行星、星系抑或是生命自己的系统而言，布局化的状况可能带来比拟紊乱状况更多的可能性。
熵的增加并不是持续不竭的：系统可能短时候内不变逗留在熵值较低（自由能较高）的状况。我们可以把这种短暂的中心态设想当作抽象时空中的气泡——一棵发展数年的树在被雷电击中之前连结着不变的低熵值状况，直到这场闪电带来的大火将其扑灭。在扑灭的刹那，大树所存在系统的熵值刹时增高。在这个例子中，雷电经由过程扑灭树木把压制在抽象气泡中的熵刹时导入另一个更大的气泡中。是以，一棵树的存在不是持续不变的，我们将这种状况称为亚稳态（metastable）。
生命与熵
接下来我们将要切磋生命，以及为什么生命演化当作为现在的复杂形态。薛定谔（Schr?dinger）认为生命的成长是对情况熵值的逆转。为了维持生命的低熵值，生命需要对其保存情况进行熵增革新。这个不雅点背后的预设是，可以或许当作为生命的布局必然需要低熵值。然而，按照上述会商，我们认为生命也可能是与油水夹杂物、聚变星或是黑洞相近似的系统——一个自己具有高熵值的系统。基于物理学定律及宇宙的近况，生命之所以发生是因为它为整个别系带来了更多的可能性。生命的布局与秩序并不料味着它将降低系统的熵值，就如我们之前所会商的，在某些历程中，在发生秩序的系统中也可能引起熵增。
-Matt Chinworth-
演化跃迁，复杂性与时空
演化跃迁（功能上的步调性改变）是演化的显著特征之一。Szathmary及Maynard Smith提出，在演化历程中呈现过数次较为主要的跃迁。在这里，我们将着重会商一系列促当作时空交互的跃迁点。
跟着能自组装（self-assembly）的碳基分子及可以或许复制自身序列的核酸的呈现，生命呈现了。从这个时候节点起头，演化当作为了一往无前的车轮，在前行过程中，有利于自我复制的新分子被得以保留。碳原子四面体摆列的空间布局使得它可以或许形当作不变的聚合体长链，从而包管了自我复制的机制得以留存。此外，这些分子的矫捷性使得底物在空间上可以或许慎密接触，进而包管了新化学反映的进行：化学反映将自由能转换为热量，晋升整个系统的熵。综上，碳基在空间的维度上经由过程化学反映促进了演化，而核酸经由过程自我复制在时候维度促进了演化。
演化接下来的历程进一步为生命供给了经由过程化学反映把持时空的能力。跟着膜布局及细胞的呈现，化学物质被“隔室化（compartmentalised）”，化学反映因而得以在不受外部情况干扰的前提下进行。该演化极大地促进了化学反映的效率及不变性。三磷酸腺苷（ATP）也跟着演化呈现于生命早期。ATP使得生命在不受时空前提所限的前提下操纵储蓄的能量进行化学反映，该演化同样保障了生命不变性及自我复制性。经由过程捕获、储存当下的能量，令其在将来能为细胞所用，ATP在时候维度上促进了演化，而经由过程在细胞内搬运能量，第二信使（second-messenger）*系统在空间上促进了演化。35亿年前，光合感化的呈现又促进了上述反映：自此，细胞得以捕捉并储存来自太阳的大量能量。
*译者注
第二信使：胞内旌旗灯号分子，负责在细胞内进行旌旗灯号传导从而触发如增殖、细胞分化、迁徙、存活及细胞凋亡等心理转变。
接下来，细胞内部演化成长出了新的时空把持体例。26亿年前，细胞中演化出了电压（voltage）、配体门控（ligand-gated）离子通道、受体激酶-转录因子旌旗灯号通路及调控基因表达的能力。此外，细胞基于微管*搭建出了胞内运输系统，该系统包管了细胞内部的分子可以或许在合适的空间与时候点上介入反映。这些胞内系统进一步构成鞭毛（flagella），于是细胞具备了自由活动的能力。细胞的活动进一步增强了生命的不变性、促进了生命的自我复制。此外，活动让细胞具有了与其他细胞接触并互换基因的能力。经由过程基因交流或有性生殖为基因序列带来了更多的可能性，从而开启了新的熵通道。
*译者注
微管是细胞骨架的构成部门。它遍布于细胞质中，负责维持细胞布局及胞内物质的运输。
演化带来的细胞间交流表示出了显著的顺应性优势，于是，多细胞生物降生了。开初呈现的多细胞生物（如现代海绵）形态单一，随后呈现了具有形态差别的生命。这些差别可能表现在空间上，如功能分歧的器官；也可能表现在时候上，如跟着生命的发展发生的转变差别。这些功能性差别的布局性根本是基因组之间的交互影响。
在此根本上，诸如同源异形框基因（homeobox genes）不仅可以或许编码卵白，还能经由过程基因间的彼此调节缔造出规模较大的空间布局，同时为生命的成长供给秩序。
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（electrically excitable），该特征不仅包管了信息可以或许快速的在细胞间传布，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，神经元的呈现包管了生命对时空的进一步操控：它们赐与了生命在情况中活动的能力和表征时空的能力。
-leonardo santamaria-
活动
在六亿年前，地球上仅仅充溢着水生生物。他们要么无法活动，要么凭着洋流移动。生命的静止持续到了大约五亿六万万年前，直到可以或许自立活动的多细胞生命以蠕虫类生物的样貌呈现。开初这些生物只能在海底有机矿泥中径直穿行，随后，它们又进化出了转弯和挖掘的能力——海床化石中的蜿蜒甬道为它们的这些行为供给了证据。这种进化的主要性是无与伦比的：自此之后，生命不再被动期待——它们把握了本家儿动获取自由能的力量。
约五亿四万万年前，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爆发（Cambrian explosion）。现今存在的绝大大都生物门类都在这一期间呈现，直到今天我们无法诠释是什么导致了随寒武纪大爆发呈现的井喷式的生物多样化。这一现象可能是由神经元及肌细胞的呈现催生的：神经元和肌细胞赐与了生命自由活动及快速处置信息的能力，这可能助推了新生命（即抽象状况空间中的气泡）的发生。
活动的演化增添了系统的选择压力（selection pressure），还促进了捕食行为的增加——生命不再被动地经由过程光合感化或是清理残骸上的有机物来获取能量，活动赐与了生命追逐和捕食的能力。寒武纪时代的生命演化出了外骨骼，这让我们有机遇经由过程化石证据一睹远古期间捕食者与猎物之间的斗争。与此同时，复杂器官的呈现又促进了动物的觅食，捕猎及逃走等行为。以演化的时候不雅来看，生命复杂器官系统的成长很是敏捷：从迩来科学家们发现的一块五亿两万万年前的节肢动物（arthropodFuxianhuia protensa）化石中我们可以或许看到，完整的视觉系统、大脑及视叶已经呈现了。
空间、时候和记忆
因为宿世界同步靠的是时候，所以储存关于曩昔的信息能力使生物能对将来做出展望——这对保存来说有着极大的感化。是以，神经元的呈现陪伴着突触可塑性，神经收集曩昔的活动是以得以被保留下来，这也许是绝大大都，甚至全数形式的记忆的神经机制。突触可塑性的演化可能与核酸的演化具有划一的主要性，两者都许可当前的状况被跨越时候地储存下来——这就许可生物操纵曩昔的信息来展望（并操纵）将来。
记忆的一项主要用途，就是储存空间信息。一旦动物起头远距离移动，一个新的选择压力就会逐渐较着：情况中的一些区域，会比另一些区域有更高的保存潜力（survival potential）。若是一个生物能经由过程储存通往高潜力区域的导航信息，来操纵这种保存潜力的分歧，那将会对这个生物的保存形当作极大的优势——于是，内涵的空间表征就降生了。今朝，我们尚不清晰这种能力是如何在早期的活动动物中成长出来的，但我们能经由过程有限的化石记实，和地球上现存的各类神经空间系统，来进行合理的猜测。
-Matt Chinworth-
最原始的导航系统，灯塔导航（beacon navigation），只需要动物探测到一个合适的情况方针并标的目的之移动。这种探测能力可所以与生俱来的，例如虫豸朝着亮光移动；但这种能力也能从经验中习得。更复杂的空间表征则不仅需要自我中间编码（egocentric coding，编码外界物体相对于本身身体的位置），还需要非自我中间编码（allocentric coding，编码外界物体活着界中的客不雅位置）。一个利用非自我中间导航系统的生物，需要表征移动的偏向（direction）和距离（distance），从而成立一个外界空间的二维模子。
偏向感是一个古老的能力，早在脊椎动物呈现之前就已呈现：早至虫豸，晚至哺乳动物，大师所利用的神经“罗盘”在主要方面上并无二致。但与此同时，动物也需要监测本身的移动距离，并将移动距离与移动偏向用三角学方式连系起来，这样才能精确地回到旅途的起点。包罗虫豸在内的各类动物都具有这种“路径整合”（path integration）的能力。路径整合的演化许可活动动物成立起可返回的营地，这对生物的保存至关主要，这促进了自我复制和延续，也是以打开了通往更多状况空间泡泡的通道。
与此同时，路径整合也许可生物以非自我中间的体例，表征外部宿世界中有显著特征的地址。这些地址可以被进一步整合，形当作与地图近似的内涵表征，这许可动物对它们所处的情况成立细节丰硕的模子。海马体（hippocampus）经由过程接收（和处置）偏向、距离、情况中的物体和事务信息，当作为了哺乳动物实现路径整合的关头。
越来越多的证据表白，海马体也能表征时候。对于一个活动的动物来说，时候和空间自己就在速度和距离的计较中被整合了，但时候或许也能被自力地表征。对时候的表征能加强空间记忆的展望能力。好比，具有时候概念的动物能知道它们有一段时候没摸索一个特定的地址了，是以也许需要从头摸索一下那个地址；或者，它们能知道猎食动物什么时辰颠末一片海滩，从而展望海滩在什么时辰会变得相对平安。对人类来说，同时表征空间和时候的能力许可我们形当作情景记忆（episodic memory），也就是对糊口事务的记忆；另一方面，我们也能对尚未发生的工作和不会发生的工作别离进行打算（planning）和想象（imagination）。
人类
由此，人类和他们复杂的活动形式进入了我们的视野。在良多方面上，人类与其它亿万个物类别无二致。可是，人近似乎是现存物种中，独一能利用符号说话的。说话不留下任何化石陈迹，我们因而无法确定人类说话呈现的具体时候——但这必定比人类与大猩猩分道扬镳要晚上几百万年，并且很可能与人族（hominin）大脑的体积在曩昔三四百万年间的飞速增加慎密相关。说话的发生和上面提到的其它认知能力（例如我们复杂的情景记忆）可能是并肩演化出来的。
在本文的会商中，说话对我们来说最主要的特征就是，它许可我们跨越时候和空间的限制（从一个个别到另一个/多个个别，从一代个别到下一代个别）来储存和传递信息。如同其他的演化转折一样，说话的呈现让人类可以或许摸索相空间*内更多的区域。个别的设法被时候和空间分隔，要想集中力量办大事，人类需要可以汇集个别设法的能力，而说话刚好供给了这种能力——说话之于认知，就如同生命初始的分子对接之于生命自己。
*译者注
相空间：即phase space，用来表达一个系统能处在的所有状况的空间；在一个系统的相空间内，这个系统所有可能的状况都有其对应的点。
-leonardo santamaria-
多亏说话，人类得以摸索物理（例如对星球和外太空的摸索）和抽象（例如对抽象范畴，如数学、艺术、科学和哲学等，的摸索）的空间。这致使原先不会彼此感化的系统之间，成长出了彼此感化，并对生态圈（ecosphere）造当作了极大的影响。
举个例子，人类将数目复杂的植物和动物物种，从一个大陆上搬运到了另一个大陆上，导致了很多物种灭尽和疾病的自觉性传布——近期的人畜共患流行症COVID-19就是一个相关例子。在新型冠状病毒突变之后就发生了航空传布，让病毒得以漫衍到了全宿世界，而现在，它已经极大地改变了各类举世系统，从货色流，到人群流动，再到各个经济体的运作。另一个例子，就是在工业革命后，人类对地下化石燃料储蓄的开采。这已经影响到了整个地球的天气系统，留下了需要用地质学时长术语来描述的久远改变；我们有了描述人类时代的地质学名称——人类宿世（Anthropocene）。
光是由说话衍生出的科技自己就在快速地更新换代。曩昔的一百年间，我们见证了电子信息革命，其影响之深远甚至跨越了工业革命。工业革命与能量相关，电子革命与信息相关，两者都与熵密不成分，两者都致使大量的熵流入它们发生的“泡泡”中。我们今朝正在接近一个新的手艺演化点，那就是人工智能（artificial intelligence）成长——在不远的未来，人工智能将许可自力于人类的、新的智能存在。毫无疑问，这会在我们与相空间内的很多新泡泡之间搭建毗连。人类要拭目以待的是，这些新的泡泡中，有没有哪一个泡泡象征着人类的灭尽。
结语与瞻望
最后，让我们回首文章开首的问题：复杂性为何跟着演化而增添？以上的会商提出了一个可能的谜底：复杂化的过程就是生命可占有的新状况空间逐渐增添的过程，此中的每一步都在改良生命自我复制和延续的能力，但与此同时，也打开了熵增的新通道。
复杂化不是一个单行道——正如过往数量浩繁的物种灭尽所示，复杂化是一个纯粹的统计学过程，可增可减。之所以复杂性看起来只增不减，只是因为生命发源于低复杂性的状况中，是以在统计学意义上，早期演化中可能实现的更复杂的状况比更简单的状况要多，是以复杂性更可能增，而非减。
但与熵分歧，无尽的复杂化绝非必然。在任一时刻，跟着生命的复杂性增添，通往新的状况空间泡泡的通道也会打开——此中的一些泡泡小而没有出口。一个例子就是核兵器的发现：在这里，小而没有出口的泡泡象征着地球上所有生命的末日。生命越复杂，通往泡泡的通道就越多，没有出口的的泡泡也就越有可能被发现。
而熵就纷歧样了。熵它什么也不在乎。熵它不会削减一分一毫。
人类可以防止本身的灭尽吗？
作为（很可能是）第一个能理解并展望其履历的物种，我们很轻易认为本身能预防灭尽。然而，本文中提到的熵增过程，是描述物质和能量的一个根基热力学热力学性质——是以，灭尽是不成避免的。一个更合适的问题应该是，我们是否能在可预见的将来中延续下去？要告竣这个方针，我们需要避免由我们当前的复杂性而带来的灭尽路子，包罗战争、疾病和主动兵器等致命手艺。
人类是否会节制本身的演化？
我们已经看到了在曩昔，演化是如何驱动复杂化的。然而，自从工业革命以来，演化就在同人类的手艺前进并肩进步。在不久的未来，跟着人类起头点窜分歧生物（可能包罗人类本身）的基因组，这两股力量将会融为一体。基因编纂手艺（如CRISPR）是否会代替演化，当作为复杂化的驱动引擎呢？我们人类会不会操纵手艺来驱动本身大脑的演化呢？这样做势必会打开通往更多状况空间内的泡泡的通道。我们是否能选择进入哪个通道，从而避免灭尽呢？或者，也许我们的手艺前进会将人类更快地推标的目的灭尽？
