特刊长文：热力学与目的论

摘要

我们展示了有不同终态的自组织过程是如何联系在一起的，使它们共同抑制彼此的自我破坏倾向（self-undermining tendency），尽管同时也以某种受限的方式增强了这种趋势。通过这种方式，每个过程为另一个过程提供了支持和限制的边界条件。边界条件的产生需要动力学过程，这些过程能够减少局部熵的同时，增加局部约束。只有远离平衡态的自组织过程的耗散动力学才能产生这些效果。当两个这样的互补自组织过程通过共享的基质（即一个过程的废物是另一个过程的必要成分）相互连接时，由此产生的相互依赖结构会朝着一个自我维持的目标状态发展，从而避免整个系统或其任何组成部分的终止。其结果是一个完全自然化的目的论因果模型，既避免了逆向因果的威胁，也不将目的论简化为选择、化学或偶然性。

本文是主题专刊《热力学2.0：连接自然科学与社会科学（第一部分）》的一部分。

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关键词：自我破坏倾向（self-undermining tendency），自组织，耗散动力学，目的论，因果

Terrence W. Deacon,Miguel García-Valdecasas丨作者

彭晨丨翻译

杨明哲丨审校

英国皇家学会「热力学2.0」特刊丨来源https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsta.2022.0282

1. 引言

2. 目的论与热力学之争

3. 目的论 vs 自然选择 vs 控制论

4. 热力学的启示

5. 终局和目标导向的过程

6. 从终局到目标导向

7. 从终局到目标导向

8. 结论

1. 引言

目的论（teleology）是科学和哲学史上最为复杂且饱受争议的概念之一。早期的启蒙思想家，弗朗西斯·培根（1561–1626）和斯宾诺莎（1632–1677），将其视为对物质因果关系的误解，认为它模糊了科学解释的逻辑。在培根看来，“目的因……给科学带来麻烦，误使我们把神学和目的论的观点混为一谈”[1]。斯宾诺莎则提出，“这种目的因学说完全颠倒了事实，因为它将事实上是结果的东西视为原因，反之亦然”[2]。这种因果关系上的颠倒，有时被称为逆向因果关系（backward causation），极大地影响了目的论的可信度。它暗示了一种未实现的状态能够影响当前的物理过程，从而使该状态得以实现。这显然在物理上是很难成立的。然而，实际并没有那么奇怪。人类的目的性行为是一种实现目标的倾向，而这一目标形式预先影响着它的有效实现过程。当然，人类主体性是从所有生命形式中普遍存在的、不发达但仍具有结果导向的动力学中演化而来的。因此，目的论因果关系(teleonlgical causality)的基础应该能在最简单的生命系统的组织中有所体现。这表明，我们应该去找到这种预先指定形式的原始同源物（primitive homologue），并弄清楚它是如何组织工作，以提高实现的概率。

二十世纪的理论家们试图通过将目的论因果关系简化为机械过程来克服其中的矛盾，例如将其视为控制论的反馈调节（如[3]），将其作为程序或算法处理（如[4]），用“目的性”（teleonomy）等纯描述性概念替代它[5]，或将其表面上的性质归因于达尔文选择，如所谓的“选择效应理论”[6–8]。罗森布鲁斯（Rosenbluth）的机制、皮滕德里（Pittendrigh）的目的性以及选择过程将在下文中简要回顾。在每一种情况下，目的论因果关系都被视为一种附带现象，其误导性的表象是由于分析不完整所致。因此，尽管目的论在社会科学和人类学中被视为既定事实，但在自然科学中，目的论解释几乎成了一条不成文的规则，即不应发挥任何解释作用。这包括生物学领域，尽管功能和适应等明显具有目的论色彩的概念对于解释为什么诸如代谢和分子过程具有功能性和适应性是不可或缺的。

解释最基础的生命过程需要跨越机械论和目的论之间的界限。即使从热力学的角度来看，目的论的框架似乎也是不可避免的。生物体被描述为通过进行化学反应使得自身远离平衡状态，为此，需要将熵以比内部熵减更快的速度“输出”到周围环境中。为了实现这一点，它们必须以某种方式利用热力学第二定律来对抗其自身。因此，对这种最简形式的目的论因果关系进行热力学解释，必须建立在对这种热力学逻辑奇特之处的理解之上，也就是第二定律的影响在局部暂时地被逆转。

图片来源：https://evolutionnews.org/2017/06/thermodynamics-of-the-origin-of-life/

在本文中，我们对生物学中的目的论过程进行了概念上的重新分析，既保留了其面向未来的结果导向（future-oriented end-directed）特性，又完全符合热力学原理。下面将介绍七个部分的内容。

第一部分简要回顾了多年来目的论概念对热力学理论提出的挑战；第二部分总结了如何通过自然选择理论来回避生物学中的目的论问题；第三部分对目的论现象进行了直观的描述，并阐明了结果导向过程在热力学背景中的一些意义。第四部分介绍终局过程（terminal process）与目标导向过程（target-directed processes）之间的主要区别。终局过程在外部条件下自发地向某种最大状态发展，超过这一状态后，外部条件就不再可能使其改变。目标导向过程则朝着并非终局最大值、而是反映系统内部稳定值的最终状态发展。第五部分讨论了远离平衡态的自组织过程如何朝着局部远离平衡态，但本质不稳定且依赖外部条件的终局状态发展。第六部分解释了相互关联依赖的自组织过程如何补偿各自终止的倾向。这种耦合关系使得这种关系的形式有延续到未来的倾向。第七部分为结论，总结了这种独特的热力学过程如何能够应对培根和斯宾诺莎提出的挑战，并为自然目的论过程提供合理的解释。

2. 目的论与热力学之争

自启蒙运动以来，目的论的概念一直被逆向因果关系的幽灵所困扰。随着19世纪中叶热力学的发展，逆向因果关系的合理性遭遇了比早期启蒙哲学家想象中更为微妙和复杂的质疑。热力学第二定律为机械论理论引入了时间不对称性，这是牛顿力学所不具有的。简单来说，热力学第二定律说明物质会从有秩序状态，自发且不可避免地向更混乱的状态发展，而反过来几乎不可能发生。然而，一个很显然的例外是生命和心智过程中特有的结果导向动力学（end-directed dynamics），这些过程与热力学第二定律所述的普遍趋势背道而驰。

在热力学这一新兴领域中，麦克斯韦[9]提出了一个著名的“麦克斯韦妖”思想实验，隐晦地将第二定律的物理性与心智的因果关系进行了对比。他提出，有两个容器，它们通过一根管道相连，如果存在能够测量通道内分子相对速度的微型工具，并且能够控制特定分子在通道中通过的方向，那么就有可能逆转第二定律，进而降低整个系统的熵。当然，要实现这一点，“妖”需要做到控制速度较快的分子向一个方向流动，而速度较慢的分子向相反方向流动。这么做的结果是，其中一个容器温度会逐渐升高，而另一个会降低，这也将无限增加系统做功的能力。这一结果看起来十分荒谬，但要解释问题所在并不那么容易。

链接阅读：什么是麦克斯韦妖 | 集智百科

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尽管这个思想实验在充满想象与矛盾，但在某种程度上，它体现了“妖”的结果导向行为具有与第二定律相反的倾向。1930年，大卫·沃森（David Watson）在《科学》杂志的一篇文章[10]中精辟地总结了目的性现象与热力学之间关系的含义，他说：“思想干扰了事件发生的概率，那么长期来看，也干扰了熵。”但这是如何实现的呢？

在整个20世纪，各种理论论证试图证明，任何违反第二定律的行为都是不可能的。举几个具有范式转变意义的贡献，它们包括：西拉德（Szilard）[11]分析测量分子速度所需的能量成本，布里渊（Brillouin）[12]使用负熵概念将信息与能量联系起来，杰恩斯（Jaynes）[13]从信息角度对最大热力学熵的分析，以及兰道尔（Landauer）[14]证明信息擦除（例如在计算中）必然会增加物理熵的研究，等等。

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以上和其他分析均表明，任何物理上实现的结果导向过程，都无法克服第二定律所导致的熵的不可逆性和必然增加，至少在全局或孤立系统中是如此。麦克斯韦妖需要执行的测量和选择控制过程本身涉及物理操作，这会增加熵，增加的程度超过了它给系统减少的熵。然而，尽管具有智能的主体行为不能违反第二定律，但这并不排除真正目的论因果关系的可能性，它只是描述了目的论因果关系不能是什么。

3. 目的论 vs 自然选择 vs 控制论

大约同一时代，查尔斯·达尔文（Charles Darwin）的自然选择进化论对目的论也提出了挑战。人们普遍认为，自然选择的逻辑为生物体的结果导向适应提供了一种非目的论的解释。即使自然选择并未预知哪种生物设计将与环境更适配，适应仍然会不断演化，但适应都是事后结果。然而，一个常被忽视的热力学问题使这一解释变得复杂，它与自然选择中的一个必要过程有关：繁衍。

图片来源：https://kknews.cc/zh-my/science/l8paob.html

为产生自然选择，必须产生多种变体并依次“测试”。正如进化生物学家Maynard Smith[15]所说，这需要靠大量繁殖增加变体数量。可选的变体数量必须远远超过最终能够持续存在的数量，一些不太成功的变体需要被淘汰。但这些变体副本并非自然出现，它们依靠繁殖，而繁殖需要以新陈代谢的形式进行热力学工作来完成。因此，尽管自然选择可以解释特定适应目的的设计表象，但它仍然依赖为局部对抗热力学第二定律而进行的新陈代谢和繁殖活动。

为了解释生物体生理和繁殖的结果导向性，需要一个更加聚焦的机制。Rosenblueth等人在《行为、目的与目的论》[3]中提出，可以通过负反馈机制来解释生物体表面的目的性行为。负反馈调节的经典例子包括蒸汽机的离心调速器或控制家用暖气的恒温器，它们会在系统偏离某个设定值时开始工作，其目标就是尽量减少对某些功能重要的物理参数值的偏离，由此产生的行为可以描述以设定值为结果的导向行为。

这种以机械论方式解释结果导向性的方法启发Pittendrigh[5]创造了“目的性”（teleonomy）一词，不带任何感情色彩描述生物学中的此类倾向。他说：“如果所有结果导向系统都用‘目的性’这样的术语来描述，强调对结果导向性的描述，但不涉及到亚里士多德目的论，那么生物学家长期以来的困惑将得以解决。”举例而言，以这种方式描述海龟的行为，人们会说它游到海滩并产卵，而不是说它为了产卵而游到海滩。多年后，Pittendrigh在回应Mayr[4]时提到：“问题的关键在于区分进化改变的机制，和从进化时间尺度中抽象出来的生理机制。”但是，进化过程能否从其所依赖的生理机制中抽象出来，而避免留下其结果导向特性无法解释？

Pittendrigh 承认了生物体新陈代谢的重要性：“所有生物学‘目的’或‘目标’中最普适的一个当然是通过繁衍实现永续。这一目标（及其所有附属目标，如进食、防御和生存）在某种意义上有效地引起自然选择和进化改变，但并不因果地影响其自身”[4]。这给我们留下了一个“先有鸡还是先有蛋”的问题。用于维持新陈代谢和促进繁衍的热力学过程是进化的结果吗？还是它是自然选择得以存在的先决条件？在从“所有生物学‘目的’中最普遍的一个”中抽象出进化改变的逻辑时，生命的热力学独特性被认为与自然界中结果导向性问题无关。因此，目的性（teleonomy）既不能解释目的论，也不能将其消除掉，它只是提供了一种回避目的论问题的方法。

4. 热力学的启示

目的论因果过程（teleological causal processes）不仅由它们假定会带来的目标变化来定义，还由它们的非自发性质来定义。从这一点上讲，目的论因果过程具有“干预性”特征，只有当这些过程倾向于阻止一个正在进行的过程或打破一个稳态时，这种特征才得以体现。从热力学的角度来看，这种面向未来的特性通常可以与热力学第二定律相联系，因为熵的增加特征性地描述了普遍存在的自发背景情境。因此，一般而言，目的论因果过程涉及通过“做功”来促成某些状态的出现，而这些状态在热力学上本来是不太可能自发产生的。

考虑一些人们熟悉的例子，比如撑伞防止雨水浸湿衣服，在寒冷天气穿保暖衣物御寒，或者进食以满足饥饿感。前两种情况涉及通过干预阻止正在进行的物理过程，进食也阻止了一个自发过程，即维持生命的新陈代谢工作中持续的能量消耗。因为我们的生物体需要维持在热力学不稳定，且远离平衡的状态，除非通过某种能量屏障或者不断做功，否则这种状态将自发退化。

然而，这并不意味着目的论因果过程必然与熵的增加相对立。很多时候，它们会促进熵的增加。例如，搅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结构，增加暴露于消化酶的表面积，这些行为都涉及通过做工扫除熵增的障碍，从而加快熵增速率。尽管预期的结果是实现熵增或平衡的状态，但这种活动是结果导向的，因为它涉及为对抗自发趋势而进行的工作，不论是加快、阻碍还是逆转其变化速率。

总结来说，这些过程或活动都表现出两个共同特征：

首先，无论这些活动是由有机体有意识地执行，还是自发发生，它们都涉及做功以改变那些本会持续存在的状态——无论这是一种自发的变化速率，还是对变化的阻碍。

其次，从热力学的角度来看不那么明显，在所有情况下，做功都是为了直接或间接地使某个最终受益者获益。

正如我们将在下面论述的，这两种特征都可以用热力学的角度来理解，本质上是针对一种如果不加阻止就会自然发生的背景趋势进行抵抗。这个背景趋势本身可能是由另一种相反方向的、有目的的过程所产生，比如由另一种生物的行为（捕食者与被捕食者）或者复杂的社会关系所引发的压力（个体自由与社会规训）不过，为了识别目的论因果关系的最基本热力学决定因素，接下来的讨论将聚焦于简单的热力学条件。

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5. 终局和目标导向的过程

通俗地说，我们用它们产生（或旨在产生）的结果来描述目的论因果过程。因此，活动 X被启动“以便”使条件 Y 得以实现。Y 是 X 产生的目的，并且可以推测，如果没有 X 增加这种可能性，Y 就不太可能出现，这是我们对目的性行为的常识性理解。但是，以变化趋向的状态形式出现的结果无处不在。那么，是什么将目的论因果过程与其他自我终止的过程区分开来呢？

许多我们通常不会认为具有目的性的自然过程，实际上都会引导系统向特定的终极状态发生不对称的变化。例如，抛向空中的物体在地球引力的作用下被拉向地球中心，并落回地面，直到它们静止在地面上；两块磁铁的异极会相互靠近，直到它们接触；混入茶中的糖会溶解并均匀分散，直到浓度各处相同；解冻的冷冻食品最终会达到与周围环境平衡的温度。

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我们将这些作为全局不对称性简单结果的过程称为“终局”（terminal）过程，因为它们涉及向某个变量终局（最大值或最小值）的自发变化，超过这个值后，不再发生进一步的不对称变化。亚里士多德认为自然界充满了较低层次的终局趋势。在他的宇宙观中，他认为基本元素如土、气、火和水会自发地趋向其“自然层次”，除非被外力阻止。

在这方面，热力学第二定律描述了一个终局过程。除非被阻止改变，否则一个由许多动态相互作用部分组成的物理系统的熵将自发地增加，直到达到其最大值，即平衡状态，此时不对称的变化过程最终将达到平衡。外部边界条件决定了某些状态变量可以假设的最大值和最小值。当达到这个值时，不对称变化停止。在这方面，热力学系统的最大熵状态可以被描述为其终局状态；即在该方向上进一步变化是不可能的点。鉴于各种物理转变都伴随着不可阻挡的自发熵增加，第二定律是许多其他不可逆不对称变化的间接来源，而目的论过程通常与之区分开来。

需要注意的是，终局状态虽然表面上具有结果导向性，但并不具备任何满足条件，它们不会“吸引”向该方向的变化，也不会“强迫”事物趋向某个终态值，没有任何功在将事物拉向或推动到终态。相反，这些终态反映了潜在变化轨迹的全局不对称性，对局部因果过程施加了约束。以引力相互作用为例，决定因素是质量和距离；以化学反应为例，重要的是相对浓度、环境温度、分子价态等。这种现象类似于一种“场效应”[16]，即变化的任何方向性都是由外在因素决定的，可视作边界条件，这些条件决定了哪些属性参与了某种转变。因此，变化过程停止时所达到的终点，就是这些外部关系的函数。

有趣的是，巴布科克（Babcock）和麦克谢（McShea）认为，目的论只是外部汇聚场效应的一种局部化表达。基于此，他们断言不存在任何内在的目的论属性。我们同意：所有的因果倾向都源于外部影响的汇聚；将目的论过程归诸有机体的构成要素，往往会引入一种难以言说的目的论属性，却无助于解释其因果根基。相反，我们将展示，生物学中的目的论过程可以由局部动力学过程的组织产生——这些过程相互构筑彼此的边界条件。如此一来，原本外在于各组成过程的关键场效应便被整体所内在化，并能对抗外部背景场效应。从这个意义上说，我们提出的生物目的论理论既与严格的外在主义相容，但又既非简化为外部关系的汇聚，也不诉诸任何“生命力”（élan vital）。欲了解对场论及其对内在目的论否定的更深入批评，请参见 García-Valdecasas[17]。

与终局过程相反，我们所称的“定向”（‘targeted’）或“目标导向”（‘target-directed’）过程，仅在内部边界条件的意义下才算“终止”。这些内部边界条件体现了系统内部某些局部参数的具体取值。因此，这类过程既非自发发生，也非广泛分布；它们涉及似乎由局部源头发起的功，以阻止特定结果的出现，并产生偏离外部边界条件本应施加模式的变化轨迹。

例如，将物体从地面提起放到更高的台面上；将被磁力吸附在一起的磁铁拉开；穿上外套以减缓体热散失的速度——这些都是与它们所处更大环境中隐含的自发终态倾向相违背的行为。即便所导致的变化与热力学变化方向相似，比如搅拌茶水以加快糖的溶解，它仍然改变了本来会自发发生的过程。这类终局导向行为的终点，是一些特定的非终局状态。它们是“目标”状态：如果不是由于这些局部发起的干预，事物原本不会趋向或停留于此。

图片来源：https://www.sj33.cn/dphoto/other/201003/22604.html

“定向”或“目标导向”过程是真正的目的论过程。然而，其难点在于证明关键的边界条件如何被内在化，以便它们至少能暂时克服外部边界条件的影响。

6. 从终局到目标导向

为了描述一个给定的动态转变，识别系统的哪些状态参数保持不变、哪些状态参数发生变化以及这种变化能力的上下限是有用的。在经典热力学中，前两者大致对应于热力学的第一和第二定律。

绝对零度，只能渐近地接近，通常被认为是任何物理系统所能达到的最低温度。在任何具体的变换过程中，也都存在一个临界点：在不改变系统组成的前提下，系统的熵不可能再进一步增加。在孤立系统中，这一临界点即对应其最大熵状态——平衡态。该平衡态亦趋于渐近：系统可以在此之下发生熵的微小波动，但一旦达到这一限度，熵就无法再自发增加。

除了这些刻画一切动力学系统的基本原则之外，热力学还以第二定律的不对称性为特征。在任何物理变换中，唯一变化的状态参量是熵；至少在与外界隔绝的系统里，熵只能增加，而自由能（或做功能力）只能减少。这进一步意味着：若要减少系统的熵，必须做功；而熵的自发增大则无需额外功的付出。因此，生命过程必须通过做热力学功来在内部维持远离平衡态的状态，并将熵“排出”到周围环境中。而且，它们必须能够在不利于此的外部边界条件下持续进行。换言之，生命系统必须找到将自身边界条件“内在化”的途径。

要理解这是如何可能的，我们首先需要考虑远离平衡态的耗散过程所呈现的独特终局动力学（terminal dynamics）。空气或水中的涡流，以及加热油中雷利–贝纳德对流单元（Rayleigh–Bénard convection cells）呈现的六边形蜂窝结构等耗散“结构”，常被称为自组织，因为它们高度规则的几何形态并非外部强加的，而仅仅是对持续扰动或远离平衡的极端驱动作出响应。当系统偏离平衡越远，可用的“自由能”就越多地驱使它趋向这种结果态（end state）。在这种条件下，随着耗散过程被越来越直接地引导，系统便能更有效地将熵“卸载”到周围环境中，从而形成规则结构。

这种加速的耗散，超出了能量梯度自发耗散的速率，因为较不规则的耗散模式会被效率更高、结构更规则的模式所取代。在此过程中，耗散在介质的约束下被最大化。这种趋向有时被称为“最大熵产生原理”（maximum entropy production principle ，MEPP）[18]。

近几十年来，自组织耗散过程的研究已成为生命热力学的一个重要焦点。早在1944年，物理学家埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）在其著作《生命是什么》中从物理学家的角度探讨了生命的独特特征，暗示了其重要性。在这部作品中，他思考道，生物体熵增加的趋势需要通过获取他所谓的“负熵”来补偿。但正是普利高津（Prigogine）[19]和艾根（Eigen）[20]等热力学理论家在探索远离平衡态过程动力学方面的开创性工作，引起了人们对自组织特殊性质的关注。

由于生命系统是远离平衡态的低熵现象，本质上极为不稳定。因而，要使其得以持续存在，必须持续不断地投入热力学功，以维持这一本质上不稳定的状态，并保持任何防止其退化的约束。

这就解释了为何自组织过程对生命活动至关重要。表面上看，自组织动力学与生命的明显关联在于：此类过程倾向于局部增加有序度、降低熵值。因此，人们对将生命仅仅视作一种复杂自组织系统的可能性产生了浓厚兴趣（例如[18,21,22]）。虽然自组织过程需要持续的外部能量和物质输入，并必须将熵排出到环境中，但正是这种机制使它们能够降低局部熵。这种熵的转移进而在物理结构和动力学规律的形式上，生成了对能量和物质流动的局部约束，而这些结构与规律又反过来引导能量的利用，持续推动自组织过程的进行。

然而，将生命等同于自组织等式至少存在三个关键问题。

首先，自组织过程本质上是自我破坏的。它们增加的组织性（局部熵减少）是最大化熵通过速率的结果。这意味着，它们在最大化熵传递的同时，也在降低创造这些有序结构所依赖的能量梯度。只要这个梯度存在，这就不成问题，但它显著限制了这些过程能够维持的环境条件。

尽管“自组织”中“自”的含义在于其生成的形式并非外部强加，但同样也不是由内部某个实体所强加。它们是内部物质约束与外部扰动形式相互作用的产物，并不存在某个独立的“自”作为这一效应的根源。

第三，由于这种形式并未体现在任何内在特征中，它无法复制。它只能通过扰动相邻区域的动力学来传播（如瑞利-贝纳德对流单元或涡街所展示的那样）。

这三个特性使得自组织过程仅仅是终局过程。所产生的稳定规律——即便在能量梯度可耗竭的情况下也只是短暂存在——本质上是为了实现可能的最大熵产生水平。如果支撑这种规律的梯度最终被耗尽，它们就会逐渐退化，走向接近平衡的最大熵终局状态。

这就留下了一个难题：为了产生并维持有序，生命过程必须利用自组织机制，然而又必须防止这些机制耗尽驱动它们的能量梯度。那么，生命如何才能在利用自组织的同时，又抑制或延缓其走向终局态的倾向呢？

本视频是张江老师在集智俱乐部、苇草智酷、信息社会50人论坛举办的《生命是什么？——从圣塔菲研究所“个体信息论”谈起》系列研讨会上的分享，从建模的视角看待主体起源的问题，分享了生命个体计算模型四个阶段的发展。张江老师更倾向于从内在涌现的角度解释生命，我们不可能从外在观察者的角度划分生命的边界。能定义生命的，只有生命它自己。扫码查看视频👇

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7. 目的导向动力学（Teleodynamics）

这一难题只能通过认识到，不同的自组织动力学由独立的能量梯度驱动，并受制于各自不同的动力学特性，以相互补充的方式进行交互，才能得以解决。要了解这种协同关系如何可能，不妨考虑一个简单的模型系统。该模型由 Deacon [23–26] 提出，用于探讨生命起源、遗传信息的本质以及结果导向过程的性质。在此，我们仅利用该模型来研究那些本身属于终局过程的自组织机制，如何结合起来产生目标动力学（targeted dynamics）。

首先从这个简单的模型系统入手是必不可少的第一步，因为即便是最简单的自主生存的细胞生物——细菌，它的热力学组织也极其复杂。当前尚无工具能够理清构成此类系统物理–化学相互作用的精密网络。即便未来出现了这样的工具，也很难从近 40 亿年进化中形成的、错综复杂的动力学过程网络中，剥离出那些最为基础和必需的动力学机制。

因此，我们需要一个尽可能简单的模型，但又不能简单到遗漏关键特性。那么，这样的模型中必须包含哪些要素？要为目的论因果提供一个物理基础，就必须解决这样一个热力学难题：不同的终局过程之间，其相互作用如何才能被组织起来，使它们既能共同收敛到一个“目标态”（该目标态不同于任何单一的终局态），又能保持各自固有的倾向，以助于它们的集体维持下去？

生物体的自组织组成过程使其成为可能的一个关键特征是，熵的减少也是可能变化自由度的减少，即约束的增加。物理约束可以通过多种形式体现，从动力学规律到物理障碍再到分布偏差。此外，能够支持或抑制某种自组织动力学形式的边界条件，本质上是对其所需能量和物质流动的环境约束。因此，理论上应当能够识别出若干相互自组织过程——它们通过互为“允许性”边界条件来生成彼此的存在基础，并共同防止对方走向平衡时的终局态。

通过阻止各个自组织过程达到其终局态，这样的系统就会倾向于朝向一个目标状态演化——该目标状态既保留了每个过程原有的终局趋向，又防止它们真正到达。这样一个由相互关联的自组织过程组成的系统，会在整体资源被耗尽之前，持续维持各过程所产生的局部约束。换句话说，系统会发展到一个并非终局态的目标状态；而当系统偏离这一目标状态时，各自组织过程的集体作用又会使其回归到该状态。这种机制可视为一种最基本的自我修复形式。

下面描述了一个展示这些特性的分子“模型系统”。它实际上是一个“自生病毒”（简称“自生体”）。它模仿了简单的病毒分子结构，但它是“自生的”，因为它可以自主修复和复制自身。尽管自生体表面上可以被描述为自创生系统（autopoietic system）[27]的一个版本，但定义它的是其热力学组织，而不是其行为特性——如自主性或约束闭合[28]。分析其假设可能的动力学特性有助于阐明目的论因果关系的热力学要求。

自生动力学的基本热力学特性及其与近平衡和远平衡热力学过程的关系，已在2020年热力学2.0会议的演示文稿和论文中正式阐述（参见[25]）。而关于这一模型与生物信息相关性的更详细探讨，可见于迪肯[26]的论述。鉴于此，下文将仅作简要描述。

设想一个简化的病毒生物学的情景。一个简单的病毒结构包含两种不同的分子成分：一个蛋白质外壳（称为衣壳），其内包裹着核酸聚合物，如RNA或DNA。若病毒感染宿主细胞，衣壳破裂，释放其核酸内容物。细胞误将其视为自身物质，并开始复制它，同时将其核苷酸代码翻译成衣壳蛋白质分子。在细胞内，新的衣壳分子自我组装（大致类似于晶体形成）成新的衣壳容器，其中包含新复制的病毒核酸聚合物。最终，如果细胞破裂，许多新的病毒复制品被释放出来感染其他细胞。在细胞外，它们是相对惰性的分子结构，常常能在多样且不太有利的条件下持续存在。

相比之下，自生病毒不以这种方式寄生。由于缺乏细胞复杂的DNA-RNA复制和翻译机制，其内容物需要能够更简单直接地参与自身的复制和衣壳分子的生产。一个能同时实现这两个特征的过程是相互催化——也称为分子的集体自催化集合（参见[21]）。在其最简单的形式中，两个催化剂分子A和B各自通过催化底物分子来催化对方的形成。由于催化剂本身在此过程中不被转化，这将导致局部区域内催化剂浓度的加速增加，以及底物的减少和副产物的产生，直至催化形成达到最大程度。当达到这一点时，其速率不再超过相互催化剂的扩散速度，它们相互作用的概率降低。换言之，这是一个自组织的终局过程。但如果底物耗尽之前，相互催化剂被一起封装，使它们既不能相互扩散远离，也不能耗尽底物，那么这个终局状态可以被推迟。如果像病毒一样，这些分子被封装在一个具有不透性的衣壳内，这是可能的。

衣壳的形成——如同晶格的生长——依赖于衣壳分子的相互形状和特性，这些特性促使它们有规律地镶嵌在一起，同时也依赖于它们的相对浓度，这影响了它们附着或脱离生长晶格的速率。随着衣壳的增长，周围溶液中的衣壳分子浓度将逐渐降低，直至达到一个平衡点，此时衣壳分子在晶格上的附着与脱离达到平衡。这是晶体自组装过程的终局状态。衣壳增长的另一个可能的终局状态，也是大多数病毒衣壳的特征：生长成一个有限的封闭多面体容器，无法再添加额外的分子。即使衣壳分子的分子几何结构倾向于形成多面体，这一结果也只能在衣壳浓度在周围环境中保持高水平的条件下实现，尽管衣壳的增长会降低这一浓度。

这两个过程在生物界中颇为常见。比较它们，可以发现一个有趣的互补性。如果相互催化产生的副产物之一是形成衣壳的分子，那么增加催化剂的产量也将持续增加衣壳分子的浓度。这种增加可以补偿由衣壳增长引起的减少。在这种情况下，衣壳的形成将倾向于在相互催化最迅速的区域最为有效地发生。这反过来又会增加衣壳封装催化剂的可能性，既通过将它们与底物分离来停止催化，又防止它们相互扩散。这一关系如图1所示。

换言之，这些自组织的终局过程——相互催化和衣壳自组装——各自生成了对方所需的边界条件，同时阻止对方达到不可逆的终局状态。因此，这两个过程的协同耦合将朝着一个目标状态发展，这个状态虽然相对惰性，但在条件适宜时保留了两种自组织能力再次发生的可能性。

这种目标导向的倾向是目的论性质的（即面向未来的）。可以通过考虑此类系统的自我修复和自我复制特性来说明：如果在充足的底物和适宜条件下，自生病毒（autogen）的衣壳受到破损或干扰，那么其相互催化过程和衣壳自组装过程都会重新启动。该过程将持续进行，直到复合体重新封闭、失去活性并达到相对稳定的状态——就像细胞外的病毒颗粒一样。如果可用组分过剩，还可能组装出多个自生体。这意味着，目标状态不仅“记忆”了这一内在的“自我描述”，还可能将其转移到新的分子复合体中。实际上，自生体内在的目标导向倾向蕴含了向未来投射自身的潜能。由此，即使是这样一个极简的目的性组织系统也具备可进化性：它能够将其因果组织结构传递给新的底物，从而保留先前适应的痕迹，并在此基础上添加新变体，不断演化出更复杂的自我修复形式。

集智俱乐部生命复杂性读书会第一季中，北京师范大学副教授刘宇老师分享了“生命起源与自我复制”的话题，扫码查看视频回放👇

8. 结论

自生过程（autogenic process）是由两个或更多终局过程的协同耦合所产生的。这些终局过程必须是远离平衡的自组织过程，且每一过程都为其他过程提供支持性与限制性的边界约束。因此，各自的局部熵减动力学得以促进，同时其向自我终止发展的趋势被抑制。这些自组织动力学的相互依赖耦合，进而创造出一种更高阶的动力协同，使系统具有在遭受破坏时修复其完整性并在重大物质置换后仍能重塑其整体性的倾向。我们所描述的模型表明，至少两个相互依赖耦合的自组织过程对于产生一个目的性因果的“发生点”而言，既是必要的，也是最小充分的。更复杂的目的性组织也是可能的，并且一旦最小的目的性能动性出现，就很可能进一步演化而成。

这种产生约束的过程之间的递归相互依赖关系可能体现在一系列分子底物中。在这方面，它是多重可实现的。因此，尽管我们以已知的分子过程描述了一个最小的目的论系统，但可能有许多物理过程可以以自生的方式组织起来。这种多重可实现性表明，维持这些统一约束的连续性是其目标状态，也就是一个能够在未来条件下施加于新底物的状态。结果是，一个有组织的系统，当它的统一性处于危险时，它会为了自己的利益采取行动以维持其存在，甚至在足够的剩余和分散条件下有自我复制的可能性。

这里描述的自生病毒[26]的具体分子模型不仅仅是一个思想实验，而且是一个可能实现的实体，由生命系统中常见的分子过程构成。这使得这一理论主张可以通过经验进行测试。尽管极其简单且缺乏任何主观性的表象，这种基于分子的因果潜力的基本形式值得被描述为目的论的而非仅仅是目的性的。这是因为它不仅表现出目标导向的行为，而且因为这种行为的目标对产生它的系统具有内在价值。在这方面，我们称之为自生的过程构成了一种最小形式的目的论，它为了自身的存在而存在。

类似于潜在未来状态的心理表征导向了有目的的行动，这种最小目的论倾向重新呈现了未来状态的抽象形式，并影响了这种形式在某种尚未存在的物理条件下实现的概率。因此，尽管自生比心理目的简单得多，但它提供了一个自然化的目的论因果模型，既避免了逆向因果的威胁，也不将目的论简化为选择、反馈或仅仅是描述的效果。理解这种最小形式的目的论动力学的热力学基础是解释心理主体涌现的第一步。

直播预告

本周日，集智俱乐部会有一场和此话题相关的直播，活动详情如海报所示，欢迎你来参加：

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因果涌现读书会第六季

在霓虹灯的闪烁、蚁群的精密协作、人类意识的诞生中，隐藏着微观与宏观之间深刻的因果关联——这些看似简单的个体行为，如何跨越尺度，涌现出令人惊叹的复杂现象？因果涌现理论为我们揭示了答案：复杂系统的宏观特征无法通过微观元素的简单叠加解释，而是源于多尺度动态交互中涌现的因果结构。从奇异值分解（SVD）驱动的动态可逆性分析，到因果抽象与信息分解的量化工具，研究者们正逐步构建起一套跨越数学、物理与信息科学的理论框架，试图解码复杂系统的“涌现密码”。

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读书会将从2025年3月16日开始，每周日早9:00-11:00，持续时间预计10周左右。每周进行线上会议，与主讲人等社区成员当面交流，之后可以获得视频回放持续学习。诚挚邀请领域内研究者、寻求跨领域融合的研究者加入，共同探讨。

详情请见：因果涌现第六季——动力学、因果抽象与信息分解

自生成结构读书会

生命是有心（意识）的，但当你一层层剥开生命的组织，却只有心脏而没有一颗“心灵”；打开大脑皮层看到一个个神经元，却看不到“意识”。然而，生命与意识都具有“自我生成“的能力，生命自发从非生命中生成，意识自发从生命中生成。更惊人的是，生命与意识的自我生成结构似乎很相似。如果这个假设成立，那么最可能的备选结构会是什么呢？

为了更深入地认识复杂活系统的自生成结构，集智科学家小木球(仇玮祎)联合周理乾、王东、董达、刘宇、苑明理、傅渥成、章彦博等科学哲学、计算机科学、物理学和生物化学等学科的一线研究者共同发起组织《自生成结构系列读书会》。其中第一季《共识——自生成结构与自复制自动机的研究背景》已经完结，读书会所形成的自生成结构社群集结了相关领域的教授、硕博及产业界人士。现在报名读书会即可解锁第一季读书会所有录播视频并入群，欢迎从事相关研究、对相关领域有浓厚兴趣的探索者报名参与交流。

详情请见：

自生成结构读书会启动：剖解生命、意识与智能的核心结构

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