科普长文揭秘生命为何会具有主观能动性

动物的免疫系统依赖于被称为巨噬细胞的白细胞吞噬并吞噬入侵者。这些细胞有着坚定的决心和热情: 在显微镜下，你可以看到一个像球状的巨噬细胞在玻璃片上追逐一个细菌，它的猎物试图通过红细胞的障碍物逃跑时，而在它最终抓住这个流氓微生物并将其吞噬之前，它还会改变路线。

但是等一下: 这难道不是用荒谬的拟人化的方式来描述生物学过程吗？单细胞没有自己的思想——所以它们肯定没有目标、决心和热情？当我们把目标和目的归因于这些原始的生物体时，难道我们不是屈服于一种幻觉吗？

事实上，你可能会怀疑这是1944年一个经典心理学实验的现实版本，这个实验揭示了人类将于我们所看到的东西归因于目标的结果的冲动。当 Fritz Heider 和 Marianne Simmel 向人们展示一部由一个圆圈和两个三角形组成的粗糙的动画电影时，大多数观众构建了一个关于追逐和拯救的戏剧性故事——即使他们只是观察在空旷背景中移动的抽象的几何图形列表。

巨噬细胞追逐细菌，以及Fritz Heider 和 Marianne Simmel(1944)的框架。

然而，我们认为巨噬细胞有目标和使命的感觉真的只是一种叙事投射吗？毕竟，我们无法有意义地描述巨噬细胞是什么，即使没有提到它的目的: 它的存在正是为了进行这种“寻找和破坏”的行动。

生物学最持久的困境之一是，它如何绕过这个描述的核心问题: 能动性，即生命实体为了适应议程而改变其环境(和自身)的能力。一般来说，关于生物学的目标和目的的讨论都会因引用的上述的描述而被忽略: 细胞和细菌并不真的“试图”做任何事情，就像生物体不会“为了”实现任何目标而进化(比如跑得更快以提高生存几率)。归根结底，这一切都可以归结为基因和分子、化学和物理。事件的发展没有任何目的或设计，但这欺骗了我们沉迷于叙事的头脑，让它们感知这些事情。

然而，恰恰相反，我们现在有越来越多的理由怀疑能动性是一种真正的自然现象。只要我们有一个合适的理论来解释它是如何产生的，生物学就不会对此如此含糊其辞。不幸的是，目前还没有这样的理论存在，但是越来越多的人乐观地认为可以找到一种理论，而且，这种理论并不一定只适用于活的有机体。

能动性使一个实体能够作为自主行为者，改变其行为和环境以达到某些目的的真正原因，有助于调和生物学与令人烦恼的目的和功能概念之间的矛盾。

自下而上的能动性理论可以帮助我们解释我们在生活中看到的东西，从细胞到社会，还有我们的一些“智能”机器和技术。我们开始怀疑人工智能系统是否会自己发展出能动性。但是如果我们不能说明什么是能动性？我们又该如何回答上述问题了？夏威夷大学的物理学家 Susanne Still 说，只有当我们能从简单的第一性原理导出复杂的行为时，我们才能声称理解成为一个具有能动性的个体需要什么。到目前为止，她承认这个问题仍然没有解决。下面是一个解决方案可能会是什么样子的草图。

生物学家Ernst Mayr在他的著作《生物学的独特之处？(2004).他承认，生物学不能避免谈到功能。我们的眼睛进化了，所以我们可以更好地驾驭我们的环境; 乳糖酶的功能是分解乳糖，等等。目标导向的行为几乎是理论生物学: 分子和细胞生物学家、神经科学家和遗传学家的必需品，如果不采用这种思维模式几乎无法完成他们的工作。

然而，他们往往很快坚持认为，这只是一种比喻——一种解释性的立场，仅此而已。有机体之所以这样做，只是因为它们的基因被自然选择设定了这样做的程序。

即使在人文科学领域，也存在对真正能动性概念的抵制。根据激进的行为主义学说，一个由美国心理学家B F Skinner 在20世纪30年代发起，直到20世纪80年代一直是心理学的一个重要分支。动物行为只是习得的(“条件”)行为，训练成最初的白板思维。即使在今天，人们也普遍不愿意接受其他动物的认知过程就是真正自主的选择。

现在流行的一种说法是，所有的生命体都是由基因构建的机器，理查德 · 道金斯这样称呼它们。对Mayr而言，生物学之所以在科学界独树一帜，恰恰是因为它的研究对象拥有一个将明显的目的、设计和能动性编码到它们所做的事情中的程序。根据这种观点，能动性实际上并不在行动的瞬间显现，而是由我们的基因和进化历史所唤起的幻影。

但是这种框架并不能解释能动性，它只是试图把它解释清楚。个体基因没有作用机制，因此能动性不能以任何明显的方式从收集足够数量的基因中产生。确定基因组的作用机制并不能告诉我们什么是能动性或者是什么使它显现出来。

此外，基因并不能完全确定任何特定情况下的行为结果——不仅仅是人类，甚至是非常简单的有机体。

基因可以影响性情或倾向，但是即使一个生物体的最后一个细胞和基因都被研究，通常也不可能精确地预测它会做什么。如果所有的行为都是天生的，那么个体生物就永远不可能找到新奇问题的创造性解决方案，比如乌鸦塑造和使用即兴工具获取食物的能力。

这揭示了能动性的一个关键方面: 对新的和不可预见的情况作出选择的能力。当一只野兔被一只狼追赶时，没有什么有意义的方法可以预测它会如何飞奔，如何变换方向，也没有什么方法可以预测它的策略是否足以躲避捕食者，而捕食者会做出相应的反应。野兔和狼都在行使他们的能动性。

没有人能合理的假设巨噬细胞和狼在同样丰富的认知环境中发挥作用，但有时候很难确定它们之间的区别。人们普遍认为，复杂的能动性需要伴随而来的复杂头脑。例如，在通常平静的植物生物学中，一场风暴正在肆虐，争论植物是否具有知觉和意识。植物所做的一些事情——比如根据过去的经验选择生长方向——看起来像是有目的的甚至是“有意识的”行动，特别是因为它们涉及神经元产生的电信号。

但是，如果我们把能动性分解成它的组成部分，我们就可以看到，即使没有“思考”的头脑，至少在传统意义上，它也可能出现。能动性源于两个因素: 第一，对相同(或相当)的刺激产生不同反应的能力，第二，以目标导向的方式在它们之间进行选择。这两种能力都不是人类所独有的，也不是大脑所独有的。

第一个要素，对给定刺激做出不同反应的能力，是最容易获得的。它需要的仅仅是行为的随机性，就像掷硬币一样。这种不可预测性具有进化意义，因为如果一个生物体总是以同样的方式对刺激作出反应，它可能成为捕食者的活靶子。这在自然界有时确实会发生: 某些种类的水生蛇触发了可预见的鱼类逃跑策略，直接把鱼带进蛇的嘴里。

在看似相同的情况下反应不同的生物体更有可能智胜捕食者。例如，当蟑螂察觉到空气流动，或多或少地向与气流相反的方向移动时，它们会逃跑——但角度看起来是随机的。果蝇在飞行时，甚至在没有任何刺激的情况下，它们的转身动作也会有一些随机的变化; 这大概是因为它们(比如说，在觅食时)可以扩大你的选择范围，而不需要依赖某些信号来这样做。这种不可预测性甚至体现在一句名为《哈佛动物行为法则》(Harvard Law of Animal Behaviour)的格言中: “在精心控制的实验环境下，动物可以随心所欲地行事。”

纤毛虫是一种单细胞水生生物，它是一种附着在表面的小喇叭状细胞，看起来像海葵，这为一种简单的无脑生物体提供了一个突出的随机性例子。当研究人员向它发射一束微小的塑料珠子，模仿掠食者的侵犯时，它有时作出反应收缩，有时分离和漂走，以不可预知的50:50的几率。显然，你甚至不需要一个神经系统就可以随机选择。

自由选择通常是需要努力的，包括对想象中的未来情景的有意识的沉思。

产生可供选择的行为并不等同于能动性，但它是一个必要的条件。真正的能动性在于从这一系列选择中做出的选择。这种选择是有目的的: 有机体这样做而不是那样做，因为它认为这样做会使它更有可能达到预期的结果。

英国华威大学的认知科学家 Thomas Hills 指出，对于人类来说，这种选择过程通常需要专门的神经回路进行大量的思考。对我们来说，自由选择通常是需要努力的，包括基于过去经验对想象中的未来场景的有意识的沉思。它要求我们有能力在我们的环境中构建一个自我的形象: 一个丰富的心智表征，让这些场景的想象足够详细，可靠地预测结果。

它还需要一种能力，即使面对分心和干扰，也能保持专注于我们的目标。所有这些都不是人类独有的，Hills说，我们知道其他动物‘选择性地重复与过去经历相关的神经激活模式’ ，例如，就好像在为未来类似的遭遇做准备。但是它可能需要一个特定的神经激活模式。

然而，如果我们认为细胞和纤毛虫具有能动性，我们就不能论证能动性依赖于认知资源。但是这些简单的生物实体并不是唯一表现出选择不同行为的能力的，这种能力似乎存在于那些完全没有明确生物特征的系统中。

为了抓住能动性的要害，我们需要把生物学抛在脑后。相反，我们可以透过统计物理学的棱镜来看待能动性，并反思信息处理在带来变化方面所起的作用。

这并不是一种新的方法。在19世纪中期，物理学家认为宇宙中的所有变化都是由热力学第二定律控制的，它指出这种变化必然导致熵的增加——宽泛地说，就是粒子之间无序的总量。这是因为第二定律，热量自发地从高温区移动到低温区。

在1867年，物理学家James Clerk Maxwell 提出了热力学第二定律的一个漏洞。他想象一个巧妙的生物，后来被称为麦克斯韦恶魔。一个装满气体粒子的盒子，被分成两个部分。这个魔鬼操作着一种机制，通过让冷粒子有选择地穿过隔离墙上的活板门，从冷粒子中筛选出热粒子。结果，热的(运动较快的)粒子聚集在一边，冷的(运动较慢的)粒子聚集在另一边。正常情况下，第二定律指出了相反的事实: 热量传播和消散，直到气体有一个统一的温度。

思想实验中的魔鬼通过获得关于粒子运动的微观信息，打破了这一热力学定律——这些信息是我们永远无法感知到的。显而易见的是，这个恶魔在利用这些信息的过程中表现出了自己的能动性。它有一个目标，为了达到这个目标，它选择打开一些粒子的活板门，而不是其他粒子的活板门——这不仅取决于它们的能量，还取决于它们在哪个隔间里。

为了试图理解麦克斯韦假想的恶魔是否真的破坏了第二定律，后来科学家们用一种假想的机制取代了定义模糊、反复无常的恶魔。你可以用一个相当简单的电子控制的活板门，比如说，再加上能感知粒子速度或能量的装置。这相当于有意识地根据目的: 从环境中收集的信息将如何用于决定行动方向(是否打开活板门)。然后，恶魔就变成了一个“信息引擎” : 一种利用信息来完成工作的机制(在这里，建立一个热气库)。

这个缺失的环节可以让生物学不再假装能动性只是一个方便的虚构。

正是通过这种方式使恶魔自动化，它最终被驯服了。上世纪60年代，物理学家罗尔夫 · 兰道尔(Rolf Landauer)指出，恶魔机器最终将不得不补偿由于热分子和冷分子分离而积累起来的熵损失。为了利用它收集到的关于粒子运动的信息，该设备必须首先将它们记录在某种存储器中。

但是任何真正的存储器都有一个有限的容量——一盒气体包含许多分子。因此，记忆必须时不时地被擦除，以便为新信息腾出空间。兰道尔指出，这种消除有着不可避免的熵开销。所有因冷热分离而损失的熵都通过重置记忆得到补偿。

兰道尔的分析揭示了热力学和信息之间的深层联系。信息——更具体地说，储存环境信息的能力——是一种必须不断补充的燃料。

这个恶魔所达到的，正是物理学家埃尔温·薛定谔在20世纪40年代所确定的生命有机体的特征: 面对第二定律的侵蚀，它创造并维持秩序。尽管他不是第一个这样做的人，但薛定谔指出，生物体最终也必须通过增加周围环境的熵来为其内部组织和秩序买单——这就是为什么我们的身体会产生热量。他开创性的著作《生命是什么》，基于一系列的演讲，对几个科学家产生了巨大的影响，他们从物理学转向思考生命是如何运作的——包括弗朗西斯 · 克里克，他和詹姆斯 · 沃森在1953年发现了 DNA 的结构。

薛定谔认为，表面上的生命能动性完全是通过编码指令来维持的，这些指令指明了生命对环境的反应。当然，机械读出的指令由进化塑造，并以某种分子形式储存——薛定谔称之为“非周期晶体” ，克里克和沃森认为这就是 DNA ——解释了生物是如何工作的。但是，这种观点没有为真正能动性具有的偶然性、情境性和多面性操作留下余地，因为能动性有一个目标，但没有达到目标的规定路径。

这是科学界错失的重大机遇之一，薛定谔未能将他对生命的观点与他的物理学家同事对麦克斯韦魔鬼所做的工作联系起来。这就是缺失的一环，它可以让生物学不再假装能动性只是一个方便的虚构，是进化的幻觉。复杂系统理论学家斯图尔特 · 考夫曼(Stuart Kauffman)和哲学家菲利普 · 克莱顿(Philip Clayton)说，“完全理解生物能动性所需要的东西还没有形成: 一个适当的组织理论。”

随着科学家们在探索信息论、热力学和生命的交叉学科中取得的进展，组织、信息和能动性之间的联系终于开始显现。2012年，Susanne Still 与加利福尼亚州劳伦斯伯克利国家实验室的 Gavin Crooks 和其他人一起工作，展示了为什么一个目标导向的实体如细胞、动物甚至一个小魔鬼拥有记忆是至关重要的。有了记忆，任何有能动性的个体都可以存储对环境的表征，然后可以利用这些表征对未来进行预测，使其能够预测、准备并尽可能最好地利用其能量——也就是说，有效运作。

能量效率显然是生物进化的一个重要目标: 一个浪费能量较少的有机体可以花费较少的时间来获取能量。能源效率在技术上也是至关重要的。19世纪早期，提高机器效率的愿望推动了热力学的发现。这些原理揭示了，如果没有熵的代价，就不可能做任何有用的工作，你的效率越高，越少的能量就会作为无用的热量消耗掉。

麦克斯韦的恶魔没能逃脱熵增，因为它的记忆是有限的，最终必须被清除。即便如此，这个恶魔还是意识到了这是任何生物都无法企及的分子层面上的事件，这也使得它能够控制在我们看来像是随机混乱的粒子运动。但是，如何才能最好地实现你的目标呢? 如何才能最大限度地利用你的能动性呢？这就是预测和期待的价值所在。

“大多数真实的系统，尤其是生物系统，都有“感知过滤器” ，”斯蒂尔说，“这意味着他们无法进入真实世界的潜在真实状态，只能测量其中的某些方面。”。他们被迫在局部知识的基础上进行操作，需要进行推理。”

通过考虑现实世界的“信息引擎”。如何应对世界无法被完整观察这一事实，克鲁克斯和他们的同事发现，效率取决于一种能力，这种能力只关注那些对预测不久后环境会变成什么样子有用的信息，并过滤掉其余的信息。换句话说，这是一个识别和存储有意义信息的问题: 那些对实现你的目标有用的信息。研究人员发现，有能动性的个体在其记忆中存储的“无用”信息越多，其行动的效率就越低。简而言之，有效的能动性意味着一个有辨别力的人。

然而这样的解释任然不完美。一般来说，环境不是一个静态的，而是能动者经由自身影响的。因此，仅仅了解环境的本来面目是不够的，因为，斯蒂尔说，“我们的认知行为改变了我们要了解的过程。”。这就产生了一个更加棘手的情况。能动者可能面临着适应环境或采取行动改变这些环境的选择: 她们有时绕过一个障碍，有时试图跨越它。

看起来，即使是“最小的代理人”也能找到创造性的策略，而根本不必有任何真正的认知。

更重要的是，只有当环境能够适应这种策略时，采取行动才是有效的。比如说，试图以比周围环境对这些努力的反应更快的速度做出改变是没有意义的。正如斯蒂尔所说: “在特定的动作序列和环境的动态之间可能存在某种‘阻抗匹配。”在现实生活中，能动者可能不得不在几个相互冲突的目标之间找到妥协。斯蒂尔说，她现在正在积极研究能动者如何处理这些问题。

然而，如果一个能动者没有为它将遇到的每一种可能性进行预先编程，它又如何能够找到实现其目标的方法呢？对于人类来说，这往往来自深思熟虑、经验和本能的混合。然而，似乎即使是“最小的代理人”也能找到创造性的策略，而根本没有任何真正的认知。2013年，哈佛大学的计算机科学家Alex Wissner-Gross和麻省理工学院的Cameron Freer展示了一个简单的优化规则，可以在没有生物内容的简单物体上产生非常逼真的行为: 例如，引导它们合作完成一项任务，或显然是将其他物体作为工具。

Wissner-Gross 和 Freer 对在二维空间中移动的圆盘进行了计算机模拟，有点像细胞或细菌在玻璃片上游动。磁盘可以沿着空间中的任何路径前进，但是要遵循一个简单的总体规则: 磁盘的运动和相互作用必须在特定的时间窗口内最大化它所产生的熵。粗略地说，这往往需要保持开放的对象可能如何移动的最大数量的选择-例如，它可能选择留在开放的领域，避免陷入密闭的空间。这个要求就所谓的“熵力”引导物体的运动。

奇怪的是，产生的行为看起来像是明智的选择，是为了确保一个目标。在一个例子中，一个大磁盘“使用”一个小磁盘从一个狭窄的管道中提取第二个小磁盘——这个过程看起来非常像工具使用。在另一个例子中，位于不同隔间中的两个磁盘同步移动，以操纵一个较大的磁盘进入它们可以与其互动的位置——这种行为看起来像是社会合作。

这些场景的计算机模拟让人联想到海德和西梅尔的动画。但这种比较是有误导性的，因为1944年的那个实验确实体现了隐藏的意图——这些动作是由人类精确设计的，目的是在观察者的眼中引出物体的能动性。相比之下，Wissner-Gross 和 Freer 的模型只是为系统的总熵随时间的变化规定了一个数学公式。实际上，这些能动者利用他们的能力来投射他们的行动到未来-计算出熵的后果-来做出他们的“选择”。

在现实世界中，自主进行这种计算的对象需要以某种内部方式来表示其环境中可能的轨迹——也就是说，一种工作记忆。他们还需要固有的计算资源来计算可能的结果。但是 Wissner-Gross 和 Freer 的模型从来没有被认为能够提供一个生物学中的现实场景。相反，关键点在于，解决表面上复杂问题所需的能动机，能够从极其简单的熵规则中显现出来。这种说法并不是说生物机能真的是以这种方式产生的，而是说简单的物理原理，而不是认知的复杂性，足以产生复杂的、目标导向的行为。

这里，我们可以讲述一个可能的故事，关于真正的生物的能动性是如何产生的，而不依赖于神秘主义。进化创造并强化了目标——比如说，能源效率——但没有具体说明实现这些目标的方法。相反，为了效率而选择的生物体将进化出一种记忆，以存储和表示其环境中对这一目的显著的方面。这就是为能动性创造原材料的原因。

与此同时，一个被选择来避免被捕食或有效搜寻的生物体将进化出一种能力，来产生其他的行动过程，以促成基本相同的刺激模式: 创造选择和灵活性。起初，他们之间的选择可能是随机的。但是有记忆的生物体能够根据自身对环境的内在表征，对其他行为进行思考，从而做出更有效的选择。大脑对此并非必不可少(尽管它们可以提供帮助)。简而言之，这就是能动性。

当然，事情可能不会这样发生。但是这样一幅图景的优点是将复杂的能动性分解成简单的过程，而不依赖于高度特定(甚至是“有机”的)硬件。它还反映了复杂认知经常似乎是从为其他目的而产生的混合能力演化而来的方式。

至少，最新的研究表明，把能动性仅仅看作是盲目进化力量的一个好奇的副产品是错误的。我们也不应该相信这是我们把人类特性投射到世界上的倾向所产生的幻觉。相反，能动性似乎是一个偶然出现的性质，以及一个我们在解释因果关系，常常自然引用的概念。

一个真正的能动性理论可能最终有助于澄清科学可以对自由意志说些什么。

如果我们想要解释为什么火山岩会出现在一个特定的地点，我们可以用纯粹的力学来讲述其中的因果关系，而不涉及能动性，例如在地球深处的分子运动，伴随着重力，产生了岩石的对流流动，将岩浆带到了地表。然而，如果我们想要解释为什么一个鸟巢会在一个特定的地点如果不提及鸟筑巢的目的，只描述什么力量作用在树枝上把它们送到那里，这个解释是不完整的。

一个关于巢穴为何出现的因果解释不可能总是自下而上的。都柏林三一学院的神经科学家 Kevin Mitchell 说: 能动性是宇宙万物的起因。

你可能会说，机械式的描述仍然适用于鸟巢，但它只是需要一个更大的描述视角: 比如说，从生命的起源开始。但是，如果它想要有一个真正的解释，来为这个橡树枝上的鸟巢的存在提供一个“为什么”的话，没有任何这种巴洛克式的细致入微的观点可以避免谈论鸟类的能动性的必要性。能动性是涌现属性的一个典型例子，涌现属性产生于但并不完全(也许根本不是)由更“基本”成分的属性所解释。

一个真正的能动性理论可能最终有助于澄清科学可以对自由意志说些什么。因为这可以说只不过是一种能动性: 一种以有目的的方式做出影响世界的决定的能力，并且意识到我们自己正在这样做。按照这种观点，自由意志问题并没有给意识问题增加任何新的障碍。此外，引入能动性允许从进化论和神经科学的角度来考虑自由意志，这与决定论的哲学问题不同。

所有这一切的关键点在于，像能动性一样的意识，甚至生命本身，不仅仅是你可以通过观察细节而感知到的东西。当足够多的粒子聚集在一起时，这些粒子的表现就好像它们是能动者，甚至是有意识的代理者，这也不是什么二阶效应。能动性本身就是真实存在的，不应该被忽略。那些反对者之所以能够这样做，只是因为迄今为止我们还没有找到足够的理论来解释能动性是如何产生的。但也许那只是因为我们直到现在还没能在正确的地方找到它们。

本文翻译自：https:///essays/the-biological-research-putting-purpose-back-into-life

更多阅读

《未完成的进化》书评-进化的四种形态与悖论

读《美的进化》-说说我们如何避免美丽新世界的结局