摘要

我們展示了有不同終態的自組織過程是如何聯系在一起的，使它們共同抑制彼此的自我破壞傾向（self-undermining tendency），盡管同時也以某種受限的方式增強了這種趨勢。通過這種方式，每個過程為另一個過程提供了支持和限制的邊界條件。邊界條件的產生需要動力學過程，這些過程能夠減少局部熵的同時，增加局部約束。只有遠離平衡態的自組織過程的耗散動力學才能產生這些效果。當兩個這樣的互補自組織過程通過共享的基質（即一個過程的廢物是另一個過程的必要成分）相互連接時，由此產生的相互依賴結構會朝著一個自我維持的目標狀態發展，從而避免整個系統或其任何組成部分的終止。其結果是一個完全自然化的目的論因果模型，既避免了逆向因果的威脅，也不將目的論簡化為選擇、化學或偶然性。

本文是主題專刊《熱力學2.0：連接自然科學與社會科學（第一部分）》的一部分。

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關鍵詞：自我破壞傾向（self-undermining tendency），自組織，耗散動力學，目的論，因果

Terrence W. Deacon,Miguel García-Valdecasas丨作者

彭晨丨翻譯

楊明哲丨審校

英國皇家學會「熱力學2.0」特刊丨來源https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsta.2022.0282

目錄

1. 引言

2. 目的論與熱力學之爭

3. 目的論 vs 自然選擇 vs 控制論

4. 熱力學的啟示

5. 終局和目標導向的過程

6. 從終局到目標導向

7. 從終局到目標導向

8. 結論

1. 引言

目的論（teleology）是科學和哲學史上最為復雜且飽受爭議的概念之一。早期的啟蒙思想家，弗朗西斯·培根（1561–1626）和斯賓諾莎（1632–1677），將其視為對物質因果關系的誤解，認為它模糊了科學解釋的邏輯。在培根看來，“目的因……給科學帶來麻煩，誤使我們把神學和目的論的觀點混為一談”[1]。斯賓諾莎則提出，“這種目的因學說完全顛倒了事實，因為它將事實上是結果的東西視為原因，反之亦然”[2]。這種因果關系上的顛倒，有時被稱為逆向因果關系（backward causation），極大地影響了目的論的可信度。它暗示了一種未實現的狀態能夠影響當前的物理過程，從而使該狀態得以實現。這顯然在物理上是很難成立的。然而，實際并沒有那么奇怪。人類的目的性行為是一種實現目標的傾向，而這一目標形式預先影響著它的有效實現過程。當然，人類主體性是從所有生命形式中普遍存在的、不發達但仍具有結果導向的動力學中演化而來的。因此，目的論因果關系(teleonlgical causality)的基礎應該能在最簡單的生命系統的組織中有所體現。這表明，我們應該去找到這種預先指定形式的原始同源物（primitive homologue），并弄清楚它是如何組織工作，以提高實現的概率。

二十世紀的理論家們試圖通過將目的論因果關系簡化為機械過程來克服其中的矛盾，例如將其視為控制論的反饋調節（如[3]），將其作為程序或算法處理（如[4]），用“目的性”（teleonomy）等純描述性概念替代它[5]，或將其表面上的性質歸因于達爾文選擇，如所謂的“選擇效應理論”[6–8]。羅森布魯斯（Rosenbluth）的機制、皮滕德里（Pittendrigh）的目的性以及選擇過程將在下文中簡要回顧。在每一種情況下，目的論因果關系都被視為一種附帶現象，其誤導性的表象是由于分析不完整所致。因此，盡管目的論在社會科學和人類學中被視為既定事實，但在自然科學中，目的論解釋幾乎成了一條不成文的規則，即不應發揮任何解釋作用。這包括生物學領域，盡管功能和適應等明顯具有目的論色彩的概念對于解釋為什么諸如代謝和分子過程具有功能性和適應性是不可或缺的。

解釋最基礎的生命過程需要跨越機械論和目的論之間的界限。即使從熱力學的角度來看，目的論的框架似乎也是不可避免的。生物體被描述為通過進行化學反應使得自身遠離平衡狀態，為此，需要將熵以比內部熵減更快的速度“輸出”到周圍環境中。為了實現這一點，它們必須以某種方式利用熱力學第二定律來對抗其自身。因此，對這種最簡形式的目的論因果關系進行熱力學解釋，必須建立在對這種熱力學邏輯奇特之處的理解之上，也就是第二定律的影響在局部暫時地被逆轉。

圖片來源：https://evolutionnews.org/2017/06/thermodynamics-of-the-origin-of-life/

在本文中，我們對生物學中的目的論過程進行了概念上的重新分析，既保留了其面向未來的結果導向（future-oriented end-directed）特性，又完全符合熱力學原理。下面將介紹七個部分的內容。

第一部分簡要回顧了多年來目的論概念對熱力學理論提出的挑戰；第二部分總結了如何通過自然選擇理論來回避生物學中的目的論問題；第三部分對目的論現象進行了直觀的描述，并闡明了結果導向過程在熱力學背景中的一些意義。第四部分介紹終局過程（terminal process）與目標導向過程（target-directed processes）之間的主要區別。終局過程在外部條件下自發地向某種最大狀態發展，超過這一狀態后，外部條件就不再可能使其改變。目標導向過程則朝著并非終局最大值、而是反映系統內部穩定值的最終狀態發展。第五部分討論了遠離平衡態的自組織過程如何朝著局部遠離平衡態，但本質不穩定且依賴外部條件的終局狀態發展。第六部分解釋了相互關聯依賴的自組織過程如何補償各自終止的傾向。這種耦合關系使得這種關系的形式有延續到未來的傾向。第七部分為結論，總結了這種獨特的熱力學過程如何能夠應對培根和斯賓諾莎提出的挑戰，并為自然目的論過程提供合理的解釋。

2. 目的論與熱力學之爭

自啟蒙運動以來，目的論的概念一直被逆向因果關系的幽靈所困擾。隨著19世紀中葉熱力學的發展，逆向因果關系的合理性遭遇了比早期啟蒙哲學家想象中更為微妙和復雜的質疑。熱力學第二定律為機械論理論引入了時間不對稱性，這是牛頓力學所不具有的。簡單來說，熱力學第二定律說明物質會從有秩序狀態，自發且不可避免地向更混亂的狀態發展，而反過來幾乎不可能發生。然而，一個很顯然的例外是生命和心智過程中特有的結果導向動力學（end-directed dynamics），這些過程與熱力學第二定律所述的普遍趨勢背道而馳。

在熱力學這一新興領域中，麥克斯韋[9]提出了一個著名的“麥克斯韋妖”思想實驗，隱晦地將第二定律的物理性與心智的因果關系進行了對比。他提出，有兩個容器，它們通過一根管道相連，如果存在能夠測量通道內分子相對速度的微型工具，并且能夠控制特定分子在通道中通過的方向，那么就有可能逆轉第二定律，進而降低整個系統的熵。當然，要實現這一點，“妖”需要做到控制速度較快的分子向一個方向流動，而速度較慢的分子向相反方向流動。這么做的結果是，其中一個容器溫度會逐漸升高，而另一個會降低，這也將無限增加系統做功的能力。這一結果看起來十分荒謬，但要解釋問題所在并不那么容易。

鏈接閱讀：

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盡管這個思想實驗在充滿想象與矛盾，但在某種程度上，它體現了“妖”的結果導向行為具有與第二定律相反的傾向。1930年，大衛·沃森（David Watson）在《科學》雜志的一篇文章[10]中精辟地總結了目的性現象與熱力學之間關系的含義，他說：“思想干擾了事件發生的概率，那么長期來看，也干擾了熵。”但這是如何實現的呢？

在整個20世紀，各種理論論證試圖證明，任何違反第二定律的行為都是不可能的。舉幾個具有范式轉變意義的貢獻，它們包括：西拉德（Szilard）[11]分析測量分子速度所需的能量成本，布里淵（Brillouin）[12]使用負熵概念將信息與能量聯系起來，杰恩斯（Jaynes）[13]從信息角度對最大熱力學熵的分析，以及蘭道爾（Landauer）[14]證明信息擦除（例如在計算中）必然會增加物理熵的研究，等等。

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以上和其他分析均表明，任何物理上實現的結果導向過程，都無法克服第二定律所導致的熵的不可逆性和必然增加，至少在全局或孤立系統中是如此。麥克斯韋妖需要執行的測量和選擇控制過程本身涉及物理操作，這會增加熵，增加的程度超過了它給系統減少的熵。然而，盡管具有智能的主體行為不能違反第二定律，但這并不排除真正目的論因果關系的可能性，它只是描述了目的論因果關系不能是什么。

3. 目的論 vs 自然選擇 vs 控制論

大約同一時代，查爾斯·達爾文（Charles Darwin）的自然選擇進化論對目的論也提出了挑戰。人們普遍認為，自然選擇的邏輯為生物體的結果導向適應提供了一種非目的論的解釋。即使自然選擇并未預知哪種生物設計將與環境更適配，適應仍然會不斷演化，但適應都是事后結果。然而，一個常被忽視的熱力學問題使這一解釋變得復雜，它與自然選擇中的一個必要過程有關：繁衍。

圖片來源：https://kknews.cc/zh-my/science/l8paob.html

為產生自然選擇，必須產生多種變體并依次“測試”。正如進化生物學家Maynard Smith[15]所說，這需要靠大量繁殖增加變體數量。可選的變體數量必須遠遠超過最終能夠持續存在的數量，一些不太成功的變體需要被淘汰。但這些變體副本并非自然出現，它們依靠繁殖，而繁殖需要以新陳代謝的形式進行熱力學工作來完成。因此，盡管自然選擇可以解釋特定適應目的的設計表象，但它仍然依賴為局部對抗熱力學第二定律而進行的新陳代謝和繁殖活動。

為了解釋生物體生理和繁殖的結果導向性，需要一個更加聚焦的機制。Rosenblueth等人在《行為、目的與目的論》[3]中提出，可以通過負反饋機制來解釋生物體表面的目的性行為。負反饋調節的經典例子包括蒸汽機的離心調速器或控制家用暖氣的恒溫器，它們會在系統偏離某個設定值時開始工作，其目標就是盡量減少對某些功能重要的物理參數值的偏離，由此產生的行為可以描述以設定值為結果的導向行為。

這種以機械論方式解釋結果導向性的方法啟發Pittendrigh[5]創造了“目的性”（teleonomy）一詞，不帶任何感情色彩描述生物學中的此類傾向。他說：“如果所有結果導向系統都用‘目的性’這樣的術語來描述，強調對結果導向性的描述，但不涉及到亞里士多德目的論，那么生物學家長期以來的困惑將得以解決。”舉例而言，以這種方式描述海龜的行為，人們會說它游到海灘并產卵，而不是說它為了產卵而游到海灘。多年后，Pittendrigh在回應Mayr[4]時提到：“問題的關鍵在于區分進化改變的機制，和從進化時間尺度中抽象出來的生理機制。”但是，進化過程能否從其所依賴的生理機制中抽象出來，而避免留下其結果導向特性無法解釋？

Pittendrigh 承認了生物體新陳代謝的重要性：“所有生物學‘目的’或‘目標’中最普適的一個當然是通過繁衍實現永續。這一目標（及其所有附屬目標，如進食、防御和生存）在某種意義上有效地引起自然選擇和進化改變，但并不因果地影響其自身”[4]。這給我們留下了一個“先有雞還是先有蛋”的問題。用于維持新陳代謝和促進繁衍的熱力學過程是進化的結果嗎？還是它是自然選擇得以存在的先決條件？在從“所有生物學‘目的’中最普遍的一個”中抽象出進化改變的邏輯時，生命的熱力學獨特性被認為與自然界中結果導向性問題無關。因此，目的性（teleonomy）既不能解釋目的論，也不能將其消除掉，它只是提供了一種回避目的論問題的方法。

4. 熱力學的啟示

目的論因果過程（teleological causal processes）不僅由它們假定會帶來的目標變化來定義，還由它們的非自發性質來定義。從這一點上講，目的論因果過程具有“干預性”特征，只有當這些過程傾向于阻止一個正在進行的過程或打破一個穩態時，這種特征才得以體現。從熱力學的角度來看，這種面向未來的特性通常可以與熱力學第二定律相聯系，因為熵的增加特征性地描述了普遍存在的自發背景情境。因此，一般而言，目的論因果過程涉及通過“做功”來促成某些狀態的出現，而這些狀態在熱力學上本來是不太可能自發產生的。

考慮一些人們熟悉的例子，比如撐傘防止雨水浸濕衣服，在寒冷天氣穿保暖衣物御寒，或者進食以滿足饑餓感。前兩種情況涉及通過干預阻止正在進行的物理過程，進食也阻止了一個自發過程，即維持生命的新陳代謝工作中持續的能量消耗。因為我們的生物體需要維持在熱力學不穩定，且遠離平衡的狀態，除非通過某種能量屏障或者不斷做功，否則這種狀態將自發退化。

然而，這并不意味著目的論因果過程必然與熵的增加相對立。很多時候，它們會促進熵的增加。例如，攪拌咖啡以加快糖的溶解速度，或者清除溪流中的灌木以疏通水流，或者咀嚼食物以破碎其結構，增加暴露于消化酶的表面積，這些行為都涉及通過做工掃除熵增的障礙，從而加快熵增速率。盡管預期的結果是實現熵增或平衡的狀態，但這種活動是結果導向的，因為它涉及為對抗自發趨勢而進行的工作，不論是加快、阻礙還是逆轉其變化速率。

總結來說，這些過程或活動都表現出兩個共同特征：

首先，無論這些活動是由有機體有意識地執行，還是自發發生，它們都涉及做功以改變那些本會持續存在的狀態——無論這是一種自發的變化速率，還是對變化的阻礙。

其次，從熱力學的角度來看不那么明顯，在所有情況下，做功都是為了直接或間接地使某個最終受益者獲益。

正如我們將在下面論述的，這兩種特征都可以用熱力學的角度來理解，本質上是針對一種如果不加阻止就會自然發生的背景趨勢進行抵抗。這個背景趨勢本身可能是由另一種相反方向的、有目的的過程所產生，比如由另一種生物的行為（捕食者與被捕食者）或者復雜的社會關系所引發的壓力（個體自由與社會規訓）不過，為了識別目的論因果關系的最基本熱力學決定因素，接下來的討論將聚焦于簡單的熱力學條件。

圖片來源：https://www.sohu.com/a/671940366_120545240

5. 終局和目標導向的過程

通俗地說，我們用它們產生（或旨在產生）的結果來描述目的論因果過程。因此，活動 X被啟動“以便”使條件 Y 得以實現。Y 是 X 產生的目的，并且可以推測，如果沒有 X 增加這種可能性，Y 就不太可能出現，這是我們對目的性行為的常識性理解。但是，以變化趨向的狀態形式出現的結果無處不在。那么，是什么將目的論因果過程與其他自我終止的過程區分開來呢？

許多我們通常不會認為具有目的性的自然過程，實際上都會引導系統向特定的終極狀態發生不對稱的變化。例如，拋向空中的物體在地球引力的作用下被拉向地球中心，并落回地面，直到它們靜止在地面上；兩塊磁鐵的異極會相互靠近，直到它們接觸；混入茶中的糖會溶解并均勻分散，直到濃度各處相同；解凍的冷凍食品最終會達到與周圍環境平衡的溫度。

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我們將這些作為全局不對稱性簡單結果的過程稱為“終局”（terminal）過程，因為它們涉及向某個變量終局（最大值或最小值）的自發變化，超過這個值后，不再發生進一步的不對稱變化。亞里士多德認為自然界充滿了較低層次的終局趨勢。在他的宇宙觀中，他認為基本元素如土、氣、火和水會自發地趨向其“自然層次”，除非被外力阻止。

在這方面，熱力學第二定律描述了一個終局過程。除非被阻止改變，否則一個由許多動態相互作用部分組成的物理系統的熵將自發地增加，直到達到其最大值，即平衡狀態，此時不對稱的變化過程最終將達到平衡。外部邊界條件決定了某些狀態變量可以假設的最大值和最小值。當達到這個值時，不對稱變化停止。在這方面，熱力學系統的最大熵狀態可以被描述為其終局狀態；即在該方向上進一步變化是不可能的點。鑒于各種物理轉變都伴隨著不可阻擋的自發熵增加，第二定律是許多其他不可逆不對稱變化的間接來源，而目的論過程通常與之區分開來。

需要注意的是，終局狀態雖然表面上具有結果導向性，但并不具備任何滿足條件，它們不會“吸引”向該方向的變化，也不會“強迫”事物趨向某個終態值，沒有任何功在將事物拉向或推動到終態。相反，這些終態反映了潛在變化軌跡的全局不對稱性，對局部因果過程施加了約束。以引力相互作用為例，決定因素是質量和距離；以化學反應為例，重要的是相對濃度、環境溫度、分子價態等。這種現象類似于一種“場效應”[16]，即變化的任何方向性都是由外在因素決定的，可視作邊界條件，這些條件決定了哪些屬性參與了某種轉變。因此，變化過程停止時所達到的終點，就是這些外部關系的函數。

有趣的是，巴布科克（Babcock）和麥克謝（McShea）認為，目的論只是外部匯聚場效應的一種局部化表達。基于此，他們斷言不存在任何內在的目的論屬性。我們同意：所有的因果傾向都源于外部影響的匯聚；將目的論過程歸諸有機體的構成要素，往往會引入一種難以言說的目的論屬性，卻無助于解釋其因果根基。相反，我們將展示，生物學中的目的論過程可以由局部動力學過程的組織產生——這些過程相互構筑彼此的邊界條件。如此一來，原本外在于各組成過程的關鍵場效應便被整體所內在化，并能對抗外部背景場效應。從這個意義上說，我們提出的生物目的論理論既與嚴格的外在主義相容，但又既非簡化為外部關系的匯聚，也不訴諸任何“生命力”（élan vital）。欲了解對場論及其對內在目的論否定的更深入批評，請參見 García-Valdecasas[17]。

與終局過程相反，我們所稱的“定向”（‘targeted’）或“目標導向”（‘target-directed’）過程，僅在內部邊界條件的意義下才算“終止”。這些內部邊界條件體現了系統內部某些局部參數的具體取值。因此，這類過程既非自發發生，也非廣泛分布；它們涉及似乎由局部源頭發起的功，以阻止特定結果的出現，并產生偏離外部邊界條件本應施加模式的變化軌跡。

例如，將物體從地面提起放到更高的臺面上；將被磁力吸附在一起的磁鐵拉開；穿上外套以減緩體熱散失的速度——這些都是與它們所處更大環境中隱含的自發終態傾向相違背的行為。即便所導致的變化與熱力學變化方向相似，比如攪拌茶水以加快糖的溶解，它仍然改變了本來會自發發生的過程。這類終局導向行為的終點，是一些特定的非終局狀態。它們是“目標”狀態：如果不是由于這些局部發起的干預，事物原本不會趨向或停留于此。

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“定向”或“目標導向”過程是真正的目的論過程。然而，其難點在于證明關鍵的邊界條件如何被內在化，以便它們至少能暫時克服外部邊界條件的影響。

6. 從終局到目標導向

為了描述一個給定的動態轉變，識別系統的哪些狀態參數保持不變、哪些狀態參數發生變化以及這種變化能力的上下限是有用的。在經典熱力學中，前兩者大致對應于熱力學的第一和第二定律。

絕對零度，只能漸近地接近，通常被認為是任何物理系統所能達到的最低溫度。在任何具體的變換過程中，也都存在一個臨界點：在不改變系統組成的前提下，系統的熵不可能再進一步增加。在孤立系統中，這一臨界點即對應其最大熵狀態——平衡態。該平衡態亦趨于漸近：系統可以在此之下發生熵的微小波動，但一旦達到這一限度，熵就無法再自發增加。

除了這些刻畫一切動力學系統的基本原則之外，熱力學還以第二定律的不對稱性為特征。在任何物理變換中，唯一變化的狀態參量是熵；至少在與外界隔絕的系統里，熵只能增加，而自由能（或做功能力）只能減少。這進一步意味著：若要減少系統的熵，必須做功；而熵的自發增大則無需額外功的付出。因此，生命過程必須通過做熱力學功來在內部維持遠離平衡態的狀態，并將熵“排出”到周圍環境中。而且，它們必須能夠在不利于此的外部邊界條件下持續進行。換言之，生命系統必須找到將自身邊界條件“內在化”的途徑。

要理解這是如何可能的，我們首先需要考慮遠離平衡態的耗散過程所呈現的獨特終局動力學（terminal dynamics）。空氣或水中的渦流，以及加熱油中雷利–貝納德對流單元（Rayleigh–Bénard convection cells）呈現的六邊形蜂窩結構等耗散“結構”，常被稱為自組織，因為它們高度規則的幾何形態并非外部強加的，而僅僅是對持續擾動或遠離平衡的極端驅動作出響應。當系統偏離平衡越遠，可用的“自由能”就越多地驅使它趨向這種結果態（end state）。在這種條件下，隨著耗散過程被越來越直接地引導，系統便能更有效地將熵“卸載”到周圍環境中，從而形成規則結構。

這種加速的耗散，超出了能量梯度自發耗散的速率，因為較不規則的耗散模式會被效率更高、結構更規則的模式所取代。在此過程中，耗散在介質的約束下被最大化。這種趨向有時被稱為“最大熵產生原理”（maximum entropy production principle ，MEPP）[18]。

近幾十年來，自組織耗散過程的研究已成為生命熱力學的一個重要焦點。早在1944年，物理學家埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr?dinger）在其著作《生命是什么》中從物理學家的角度探討了生命的獨特特征，暗示了其重要性。在這部作品中，他思考道，生物體熵增加的趨勢需要通過獲取他所謂的“負熵”來補償。但正是普利高津（Prigogine）[19]和艾根（Eigen）[20]等熱力學理論家在探索遠離平衡態過程動力學方面的開創性工作，引起了人們對自組織特殊性質的關注。

由于生命系統是遠離平衡態的低熵現象，本質上極為不穩定。因而，要使其得以持續存在，必須持續不斷地投入熱力學功，以維持這一本質上不穩定的狀態，并保持任何防止其退化的約束。

這就解釋了為何自組織過程對生命活動至關重要。表面上看，自組織動力學與生命的明顯關聯在于：此類過程傾向于局部增加有序度、降低熵值。因此，人們對將生命僅僅視作一種復雜自組織系統的可能性產生了濃厚興趣（例如[18,21,22]）。雖然自組織過程需要持續的外部能量和物質輸入，并必須將熵排出到環境中，但正是這種機制使它們能夠降低局部熵。這種熵的轉移進而在物理結構和動力學規律的形式上，生成了對能量和物質流動的局部約束，而這些結構與規律又反過來引導能量的利用，持續推動自組織過程的進行。

然而，將生命等同于自組織等式至少存在三個關鍵問題。

首先，自組織過程本質上是自我破壞的。它們增加的組織性（局部熵減少）是最大化熵通過速率的結果。這意味著，它們在最大化熵傳遞的同時，也在降低創造這些有序結構所依賴的能量梯度。只要這個梯度存在，這就不成問題，但它顯著限制了這些過程能夠維持的環境條件。

盡管“自組織”中“自”的含義在于其生成的形式并非外部強加，但同樣也不是由內部某個實體所強加。它們是內部物質約束與外部擾動形式相互作用的產物，并不存在某個獨立的“自”作為這一效應的根源。

第三，由于這種形式并未體現在任何內在特征中，它無法復制。它只能通過擾動相鄰區域的動力學來傳播（如瑞利-貝納德對流單元或渦街所展示的那樣）。

這三個特性使得自組織過程僅僅是終局過程。所產生的穩定規律——即便在能量梯度可耗竭的情況下也只是短暫存在——本質上是為了實現可能的最大熵產生水平。如果支撐這種規律的梯度最終被耗盡，它們就會逐漸退化，走向接近平衡的最大熵終局狀態。

這就留下了一個難題：為了產生并維持有序，生命過程必須利用自組織機制，然而又必須防止這些機制耗盡驅動它們的能量梯度。那么，生命如何才能在利用自組織的同時，又抑制或延緩其走向終局態的傾向呢？

本視頻是張江老師在集智俱樂部、葦草智酷、信息社會50人論壇舉辦的《生命是什么？——從圣塔菲研究所“個體信息論”談起》系列研討會上的分享，從建模的視角看待主體起源的問題，分享了生命個體計算模型四個階段的發展。張江老師更傾向于從內在涌現的角度解釋生命，我們不可能從外在觀察者的角度劃分生命的邊界。能定義生命的，只有生命它自己。掃碼查看視頻

7. 目的導向動力學（Teleodynamics）

這一難題只能通過認識到，不同的自組織動力學由獨立的能量梯度驅動，并受制于各自不同的動力學特性，以相互補充的方式進行交互，才能得以解決。要了解這種協同關系如何可能，不妨考慮一個簡單的模型系統。該模型由 Deacon [23–26] 提出，用于探討生命起源、遺傳信息的本質以及結果導向過程的性質。在此，我們僅利用該模型來研究那些本身屬于終局過程的自組織機制，如何結合起來產生目標動力學（targeted dynamics）。

首先從這個簡單的模型系統入手是必不可少的第一步，因為即便是最簡單的自主生存的細胞生物——細菌，它的熱力學組織也極其復雜。當前尚無工具能夠理清構成此類系統物理–化學相互作用的精密網絡。即便未來出現了這樣的工具，也很難從近 40 億年進化中形成的、錯綜復雜的動力學過程網絡中，剝離出那些最為基礎和必需的動力學機制。

因此，我們需要一個盡可能簡單的模型，但又不能簡單到遺漏關鍵特性。那么，這樣的模型中必須包含哪些要素？要為目的論因果提供一個物理基礎，就必須解決這樣一個熱力學難題：不同的終局過程之間，其相互作用如何才能被組織起來，使它們既能共同收斂到一個“目標態”（該目標態不同于任何單一的終局態），又能保持各自固有的傾向，以助于它們的集體維持下去？

生物體的自組織組成過程使其成為可能的一個關鍵特征是，熵的減少也是可能變化自由度的減少，即約束的增加。物理約束可以通過多種形式體現，從動力學規律到物理障礙再到分布偏差。此外，能夠支持或抑制某種自組織動力學形式的邊界條件，本質上是對其所需能量和物質流動的環境約束。因此，理論上應當能夠識別出若干相互自組織過程——它們通過互為“允許性”邊界條件來生成彼此的存在基礎，并共同防止對方走向平衡時的終局態。

通過阻止各個自組織過程達到其終局態，這樣的系統就會傾向于朝向一個目標狀態演化——該目標狀態既保留了每個過程原有的終局趨向，又防止它們真正到達。這樣一個由相互關聯的自組織過程組成的系統，會在整體資源被耗盡之前，持續維持各過程所產生的局部約束。換句話說，系統會發展到一個并非終局態的目標狀態；而當系統偏離這一目標狀態時，各自組織過程的集體作用又會使其回歸到該狀態。這種機制可視為一種最基本的自我修復形式。

下面描述了一個展示這些特性的分子“模型系統”。它實際上是一個“自生病毒”（簡稱“自生體”）。它模仿了簡單的病毒分子結構，但它是“自生的”，因為它可以自主修復和復制自身。盡管自生體表面上可以被描述為自創生系統（autopoietic system）[27]的一個版本，但定義它的是其熱力學組織，而不是其行為特性——如自主性或約束閉合[28]。分析其假設可能的動力學特性有助于闡明目的論因果關系的熱力學要求。

自生動力學的基本熱力學特性及其與近平衡和遠平衡熱力學過程的關系，已在2020年熱力學2.0會議的演示文稿和論文中正式闡述（參見[25]）。而關于這一模型與生物信息相關性的更詳細探討，可見于迪肯[26]的論述。鑒于此，下文將僅作簡要描述。

設想一個簡化的病毒生物學的情景。一個簡單的病毒結構包含兩種不同的分子成分：一個蛋白質外殼（稱為衣殼），其內包裹著核酸聚合物，如RNA或DNA。若病毒感染宿主細胞，衣殼破裂，釋放其核酸內容物。細胞誤將其視為自身物質，并開始復制它，同時將其核苷酸代碼翻譯成衣殼蛋白質分子。在細胞內，新的衣殼分子自我組裝（大致類似于晶體形成）成新的衣殼容器，其中包含新復制的病毒核酸聚合物。最終，如果細胞破裂，許多新的病毒復制品被釋放出來感染其他細胞。在細胞外，它們是相對惰性的分子結構，常常能在多樣且不太有利的條件下持續存在。

相比之下，自生病毒不以這種方式寄生。由于缺乏細胞復雜的DNA-RNA復制和翻譯機制，其內容物需要能夠更簡單直接地參與自身的復制和衣殼分子的生產。一個能同時實現這兩個特征的過程是相互催化——也稱為分子的集體自催化集合（參見[21]）。在其最簡單的形式中，兩個催化劑分子A和B各自通過催化底物分子來催化對方的形成。由于催化劑本身在此過程中不被轉化，這將導致局部區域內催化劑濃度的加速增加，以及底物的減少和副產物的產生，直至催化形成達到最大程度。當達到這一點時，其速率不再超過相互催化劑的擴散速度，它們相互作用的概率降低。換言之，這是一個自組織的終局過程。但如果底物耗盡之前，相互催化劑被一起封裝，使它們既不能相互擴散遠離，也不能耗盡底物，那么這個終局狀態可以被推遲。如果像病毒一樣，這些分子被封裝在一個具有不透性的衣殼內，這是可能的。

衣殼的形成——如同晶格的生長——依賴于衣殼分子的相互形狀和特性，這些特性促使它們有規律地鑲嵌在一起，同時也依賴于它們的相對濃度，這影響了它們附著或脫離生長晶格的速率。隨著衣殼的增長，周圍溶液中的衣殼分子濃度將逐漸降低，直至達到一個平衡點，此時衣殼分子在晶格上的附著與脫離達到平衡。這是晶體自組裝過程的終局狀態。衣殼增長的另一個可能的終局狀態，也是大多數病毒衣殼的特征：生長成一個有限的封閉多面體容器，無法再添加額外的分子。即使衣殼分子的分子幾何結構傾向于形成多面體，這一結果也只能在衣殼濃度在周圍環境中保持高水平的條件下實現，盡管衣殼的增長會降低這一濃度。

這兩個過程在生物界中頗為常見。比較它們，可以發現一個有趣的互補性。如果相互催化產生的副產物之一是形成衣殼的分子，那么增加催化劑的產量也將持續增加衣殼分子的濃度。這種增加可以補償由衣殼增長引起的減少。在這種情況下，衣殼的形成將傾向于在相互催化最迅速的區域最為有效地發生。這反過來又會增加衣殼封裝催化劑的可能性，既通過將它們與底物分離來停止催化，又防止它們相互擴散。這一關系如圖1所示。

換言之，這些自組織的終局過程——相互催化和衣殼自組裝——各自生成了對方所需的邊界條件，同時阻止對方達到不可逆的終局狀態。因此，這兩個過程的協同耦合將朝著一個目標狀態發展，這個狀態雖然相對惰性，但在條件適宜時保留了兩種自組織能力再次發生的可能性。

這種目標導向的傾向是目的論性質的（即面向未來的）。可以通過考慮此類系統的自我修復和自我復制特性來說明：如果在充足的底物和適宜條件下，自生病毒（autogen）的衣殼受到破損或干擾，那么其相互催化過程和衣殼自組裝過程都會重新啟動。該過程將持續進行，直到復合體重新封閉、失去活性并達到相對穩定的狀態——就像細胞外的病毒顆粒一樣。如果可用組分過剩，還可能組裝出多個自生體。這意味著，目標狀態不僅“記憶”了這一內在的“自我描述”，還可能將其轉移到新的分子復合體中。實際上，自生體內在的目標導向傾向蘊含了向未來投射自身的潛能。由此，即使是這樣一個極簡的目的性組織系統也具備可進化性：它能夠將其因果組織結構傳遞給新的底物，從而保留先前適應的痕跡，并在此基礎上添加新變體，不斷演化出更復雜的自我修復形式。

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8. 結論

自生過程（autogenic process）是由兩個或更多終局過程的協同耦合所產生的。這些終局過程必須是遠離平衡的自組織過程，且每一過程都為其他過程提供支持性與限制性的邊界約束。因此，各自的局部熵減動力學得以促進，同時其向自我終止發展的趨勢被抑制。這些自組織動力學的相互依賴耦合，進而創造出一種更高階的動力協同，使系統具有在遭受破壞時修復其完整性并在重大物質置換后仍能重塑其整體性的傾向。我們所描述的模型表明，至少兩個相互依賴耦合的自組織過程對于產生一個目的性因果的“發生點”而言，既是必要的，也是最小充分的。更復雜的目的性組織也是可能的，并且一旦最小的目的性能動性出現，就很可能進一步演化而成。

這種產生約束的過程之間的遞歸相互依賴關系可能體現在一系列分子底物中。在這方面，它是多重可實現的。因此，盡管我們以已知的分子過程描述了一個最小的目的論系統，但可能有許多物理過程可以以自生的方式組織起來。這種多重可實現性表明，維持這些統一約束的連續性是其目標狀態，也就是一個能夠在未來條件下施加于新底物的狀態。結果是，一個有組織的系統，當它的統一性處于危險時，它會為了自己的利益采取行動以維持其存在，甚至在足夠的剩余和分散條件下有自我復制的可能性。

這里描述的自生病毒[26]的具體分子模型不僅僅是一個思想實驗，而且是一個可能實現的實體，由生命系統中常見的分子過程構成。這使得這一理論主張可以通過經驗進行測試。盡管極其簡單且缺乏任何主觀性的表象，這種基于分子的因果潛力的基本形式值得被描述為目的論的而非僅僅是目的性的。這是因為它不僅表現出目標導向的行為，而且因為這種行為的目標對產生它的系統具有內在價值。在這方面，我們稱之為自生的過程構成了一種最小形式的目的論，它為了自身的存在而存在。

類似于潛在未來狀態的心理表征導向了有目的的行動，這種最小目的論傾向重新呈現了未來狀態的抽象形式，并影響了這種形式在某種尚未存在的物理條件下實現的概率。因此，盡管自生比心理目的簡單得多，但它提供了一個自然化的目的論因果模型，既避免了逆向因果的威脅，也不將目的論簡化為選擇、反饋或僅僅是描述的效果。理解這種最小形式的目的論動力學的熱力學基礎是解釋心理主體涌現的第一步。

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