生物的时间之箭：缠结的层级结构、自指与跃迁——《物理学杂志·复杂》全文翻译
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原创 王璇 2026-11-06 14:34 日本 缠结层级、自我建模与开放式元模拟，重释重大演化转变的计算逻辑 导语 生命演化并不只是从一组既定的可能性中筛选答案。生命起源、真核细胞形成以及多细胞生命的涌现等重大演化跃迁事件还会改变演化过程中什么信息能够被编码、复制和实现。Prokopenko等人从计算与信息处理的视角，提出当宏观涌现模式被压缩并编码进微观组成部分的时候，生物系统便会形成具备自我建模能力的缠结的层级结构，但任何既有编码都无法穷尽环境中的可能性，由此产生的失配与张力，可能推动系统扩展自身的问题空间。这篇文章借助哥德尔—图灵—波斯特（Godel-Turing-Post）框架，将开放式演化理解为不断跳出系统的开放式元模拟过程，并据此提出生物时间箭头的计算理论猜想：生命的复杂化或许不是朝某个预设终点前进，而是在持续地重写自身可表达、可计算和可实现的边界。这是一套跨学科的理论框架，并非已经得到直接实验证实的普遍机制。 关键词：缠结层级（tangled hierarchy）、自指（self-reference）、不可判定性（undecidability）、开放式复杂性（open-ended complexity）、演化转变（evolutionary transition） 王璇 丨作者 张江 丨审校 论文题目：Biological arrow of time: emergence of tangled information hierarchies and self-modelling dynamics 论文链接： https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2632-072X/ad9cdc 发表时间：2025年1月23日 论文来源：Journal of Physics: Complexity 目录 引言 开放式生物复杂性与演化跃迁 2.1. 重大演化跃迁 2.2. 编码阈值与相空间扩展 2.3. 编码阈值处的创新共享 2.4. 劳动分工提高适应度并增加表现型空间的维数 2.5. 高层级智能体利用扩展的信息模式运作 2.6. 个体利益与群体利益之间的张力 2.7. 生态脚手架（Ecological scaffolding） 超越计算不可判定性：“突破”计算极限 3.1. 自指与对角化论证 3.2. 表达式与指称对象之间的差异 3.3. 不可计算性与预言机 3.4. 开放式计算元模拟 动力系统中的不可判定性与开放性 4.1. 物理动力系统中的不可判定性 4.2. 相空间的扩展 4.3. 生命游戏 新颖性生成的跨学科视角 5.1. 混沌、不可计算性与不可判定动力学 5.2. 计算新颖性的生成 5.3. 纠缠层级与怪圈 5.4. 生物信息的因果效力 5.5. 演化作为集体信息处理的动力学 5.6. 演化中的自我建模动力系统 5.7. 集体行动中的信息整合 5.8. 演化联结主义与生态脚手架 缠结的层级与自我建模 6.1. 两类缠结的层级 6.2. 不同类型缠结层级的实例 6.2.1. 蚂蚁觅食、共迹作用与最优路径形成 6.2.2. 基因型—表现型关系 6.2.3. 植物中的叶序模式形成 6.2.4. 自我建模集体动力学的演化 6.2.5. 没有自我建模的生态脚手架 6.2.6. 视觉悖论 6.3. 纠缠层级中的复制 缠结的层级中自我建模的涌现 7.1. 功能性自我描述的涌现 7.2. 利用了“指称对象”与“表达式”之间差异的协同适应度相互作用 作为开放式元模拟的生物时间箭头 讨论与结论 9.1. 扩展基因组的演化作用 9.2. 动态动力学稳定性（DKS）的提高 9.3. 功能信息的增加 9.4. 组装理论与“相邻可能” 9.5. 社会动力学与不可判定性 9.6. 总结 数据可用性声明 附录A 自指与不可判定性 A.1. 计算模型：图灵机 A.1.1. 停机问题与对角化 A.1.2. 自指的说谎者机器 A.2. 形式系统 A.2.1. 哥德尔不完备定理 A.2.2. 不可判定性 A.3. 动力系统：元胞自动机 A.3.1. 通用元胞自动机 A.3.2. 不可判定的元胞自动 附录B 不同框架之间的等价关系 ORCID标识符 1. 引言 生物学长期面临的一项挑战，是建立能够解释生命复杂性为何似乎会随时间而增加的基本原理[2, 62]。在微观尺度上，复杂的分子相互作用网络和细胞过程会随时间演化并适应[72]；在介观尺度上，有机体似乎不断产生新的形态、行为、学习策略和组织结构[73]；在宏观尺度上，生态系统以支持物种间复杂相互作用的方式发展，从而产生新的生态位（niche）与生态关系，而这些又会推动进一步的演化改变[26]。 遗传、环境和生态因素的相互作用，产生了永不停息的生物创新和丰富多样性。