[论文解读] Biocosmology: Biology from a cosmological perspective

Marina Cortês, Stuart Kauffman+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2022

Earth Systems and Cosmic Evolution被引用 20

一句话总结

本文主张，生命是在宇宙中的一个根本非遍历性的 Type III 系统，需要在宇宙学中将还原论和功能性解释结合起来，并提出第四热力学定律。

ABSTRACT

The Universe contains everything that exists, including life. And all that exists, including life, obeys universal physical laws. Do those laws then give adequate foundations for a complete explanation of biological phenomena? We discuss whether and how cosmology and physics must be modified to be able to address certain questions which arise at their intersection with biology. We show that a universe that contains life, in the form it has on Earth, is in a certain sense radically non-ergodic, in that the vast majority of possible organisms will never be realized. We argue from this that complete explanations in cosmology require a mixture of reductionist and functional explanations.

研究动机与目标

• 推动修改宇宙学与物理学以解决生物学—宇宙学界面的相关问题。
• 区分三种宇宙学统计系统类型（Type I–III）并分析它们对生物系统的影响。
• 论证对宇宙中生物的完整解释需要同时采用还原论与功能性方法。
• 提出第四热力学定律，以解释非平衡、由能量流驱动的系统。
• 在 Type III 框架下定义生命并讨论对宇宙学与生物学的影响。

提出的方法

• 通过热化时间与约束引入并形式化三种系统类型（Type I、II、III）。
• 在宇宙学情境下分析遍历性、等分布与准稳定态（如恒星、黑洞、核合成）。
• 论证 Type III 系统在极度非遍历的同时具有庞大的状态空间，并且需要功能性解释来理解生物现象。
• 讨论纯决定论和还原论在 Type III 系统中的局限性，以及需要混合方法论。
• 提出第四热力学定律以描述非平衡系统中持续的能量流动。
• 给出一个以 Type III 动力学和能量/熵考量为基础的生命定义。

实验结果

研究问题

• RQ1 在宇宙学背景下解释生物学需要哪些类型的解释？
• RQ2 应如何修订宇宙学以容纳生物现象和作为宇宙一部分的生命？
• RQ3 在遍历性与能量流方面，Type III（类生命）系统与 Type I、II 有何区别？
• RQ4 如何在宇宙统计框架中定义生命与生物学的复杂性？
• RQ5 前瞻性的第四热力学定律在支配非平衡、能量流动系统中的作用是什么？

主要发现

• 生物系统在遍遍历性方面极其反遍历：只有极小一部分可能状态被实现。
• Type III 系统（如生物圈）因持续的能量流动而永远不达到平衡，使得纯还原论解释不足。
• 需要还原论与功能性解释的混合来解释宇宙学中的生命。
• 生物圈和生命由低熵能量源（如太阳）维持，并且可以在宇宙尺度的时间尺度上持续。
• 提出的第四热力学定律旨在形式化能量流在维持非平衡、复杂结构中的作用。
• 地球上观察到的生命体现了标准遍历性假设失败的情形，需要新的解释框架。