[论文解读] Biocosmology: Towards the birth of a new science

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

Earth Systems and Cosmic Evolution被引用 19

一句话总结

本文提出了一门新的跨学科科学——生物宇宙学（biocosmology），主张生物圈的构型复杂性可能主导宇宙的信息总量。通过运用相邻可能理论（TAP），该研究建模了生物态空间中通过组合创新实现的爆炸性增长，表明生命可能产生的信息量超过基本物理，从而挑战了关于宇宙初始条件的还原论观点。

ABSTRACT

Cosmologists wish to explain how our Universe, in all its complexity, could ever have come about. For that, we assess the number of states in our Universe now. This plays the role of entropy in thermodynamics of the Universe, and reveals the magnitude of the problem of initial conditions to be solved. The usual budgeting accounts for gravity, thermal motions, and finally the vacuum energy whose entropy, given by the Bekenstein bound, dominates the entropy budget today. There is however one number which we have not accounted for: the number of states in our complex biosphere. What is the entropy of life and is it sizeable enough to need to be accounted for at the Big Bang? Building on emerging ideas within theoretical biology, we show that the configuration space of living systems, unlike that of their fundamental physics counterparts, can grow rapidly in response to emerging biological complexity. A model for this expansion is provided through combinatorial innovation by the Theory of the Adjacent Possible (TAP) and its corresponding TAP equation, whose solutions we investigate, confirming the possibility of rapid state-pace growth. While the results of this work remain far from being firmly established, the evidence we provide is many-fold and strong. The implications are far-reaching, and open a variety of lines for future investigation, a new scientific field we term biocosmology. In particular the relationship between the information content in life and the information content in the Universe may need to be rebuilt from scratch.

研究动机与目标

• 重新评估生物系统在宇宙信息预算中的作用，挑战‘基本物理主导熵与信息含量’的假设。
• 探究涌现的生物复杂性是否能产生足够大的态空间，以与引力和真空能量对宇宙熵的贡献相匹敌或超越。
• 探讨生物学中非还原论、涌现的复杂性对宇宙初始条件及宇宙信息起源的影响。
• 基于相邻可能理论（TAP）构建一个理论框架，以建模生物构型空间的爆炸性增长。
• 质疑牛顿范式（即所有信息在大爆炸时即已存在）是否能解释生命的出现及其信息丰富的状态。

提出的方法

• 将相邻可能理论（TAP）应用于生物系统，以建模从现有配置中涌现的新配置的组合创新。
• 使用TAP方程描述生物态数量的增长速率，允许超越标准排列计数的超组合扩展。
• 将TAP模型应用于层次化生物系统（如细胞和多细胞生物圈），以估算其构型态空间。
• 将所得的态空间增长与黑洞和真空能量的传统熵估计进行比较，以贝肯斯坦界限作为基准。
• 引入‘创造性潜能’（Q）的概念，区分牛顿物理（Q^NP = 1）与演化定律框架（Q^EL ≫ 1），后者允许随时间生成新信息。
• 强调生物信息不仅编码于基因组，更依赖于可持续的生态系统，这些系统能够实现重复的创新与复制。

实验结果

研究问题

• RQ1 生物系统的构型空间是否能以足够快的速度增长，从而对宇宙总信息含量做出主导性贡献？
• RQ2 复杂生物系统的出现在多大程度上挑战了‘宇宙中所有信息在大爆炸时即已存在’的还原论观点？
• RQ3 TAP方程如何建模生物态空间的爆炸性增长？它是否能超越物理学中的传统排列计数？
• RQ4 ‘被记住的信息’（如DNA、文化、专利）在促进生物学中持续组合创新方面起什么作用？
• RQ5 生命的出现是否意味着一个具有创造性的宇宙，即新信息随时间生成，从而与牛顿范式中初始条件固定的观点相矛盾？

主要发现

• 生物圈的构型空间可能通过组合创新以超过标准排列计数的速率增长，实现超组合扩展。
• TAP方程的解表明，生物态空间可实现爆炸性增长，暗示了复杂性快速涌现的机制。
• 生物系统可能对宇宙的信息含量贡献超过黑洞或真空能量，挑战了引力熵的主导地位。
• ‘创造性潜能’（Q）的概念揭示，在演化定律的宇宙学框架中，宇宙可随时间生成新信息，且Q^EL ≫ 1。
• 生命的出现并未增加初始条件的代价，因为其生成的状态在大爆炸时并不存在——因此初始条件问题并未因此恶化。
• 生物信息不仅是物理的，更依赖于嵌入式、可重复且可记忆的系统（如基因组、文化传递），这些系统使创新得以超越单一事件持续存在。