[论文解读] No entailing laws, but enablement in the evolution of the biosphere

Giuseppe Longo, Maël Montévil+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2012

Earth Systems and Cosmic Evolution被引用 50

一句话总结

本文主张，由于新表型、新生态位和新生态系统的根本性、不可预测的涌现，生物进化违背了蕴含性定律。进化并非由决定论定律驱动，而是由‘赋能’（enablement）所推动——一种动态的、共同创造的过程，其中康德整体（有机体）与其环境共同进化，通过历史性的、非遍历的轨迹使新可能性成为可能。

ABSTRACT

Biological evolution is a complex blend of ever changing structural stability, variability and emergence of new phenotypes, niches, ecosystems. We wish to argue that the evolution of life marks the end of a physics world view of law entailed dynamics. Our considerations depend upon discussing the variability of the very "contexts of life": the interactions between organisms, biological niches and ecosystems. These are ever changing, intrinsically indeterminate and even unprestatable: we do not know ahead of time the "niches" which constitute the boundary conditions on selection. More generally, by the mathematical unprestatability of the "phase space" (space of possibilities), no laws of motion can be formulated for evolution. We call this radical emergence, from life to life. The purpose of this paper is the integration of variation and diversity in a sound conceptual frame and situate unpredictability at a novel theoretical level, that of the very phase space. Our argument will be carried on in close comparisons with physics and the mathematical constructions of phase spaces in that discipline. The role of (theoretical) symmetries as invariant preserving transformations will allow us to understand the nature of physical phase spaces and to stress the differences required for a sound biological theoretizing. In this frame, we discuss the novel notion of "enablement". This will restrict causal analyses to differential cases (a difference that causes a difference). Mutations or other causal differences will allow us to stress that "non conservation principles" are at the core of evolution, in contrast to physical dynamics, largely based on conservation principles as symmetries. Critical transitions, the main locus of symmetry changes in physics, will be discussed, and lead to "extended criticality" as a conceptual frame for a better understanding of the living state of matter.

研究动机与目标

• 挑战依赖于预设相空间和蕴含性定律的经典物理学世界观，以解释生物进化。
• 证明生物进化的相空间本质上无法预设且动态变化，导致无法建立运动方程。
• 引入‘赋能’作为核心理论概念，取代进化动力学中的因果性，强调有机体与其环境之间的共同创造。
• 表明守恒律与对称性——物理动力学的核心——不适用于生物进化，后者涉及非守恒、对称性破缺的过程。
• 将进化复杂性重新定义为非蕴含性，而是历史性的、累积性的、非遍历过程所导致的根本性涌现的结果。

提出的方法

• 对比基于预设相空间和测地线运动的物理动力学与生物进化，后者中相空间并非预先定义，而是通过历史过程涌现。
• 运用物理中对称性与不变变换的数学分析，凸显守恒律在物理相空间中的基础性作用。
• 应用‘康德整体’（即其部分的存在依赖于整体的有机体）概念，分析功能角色如何仅通过自然选择与共同进化而产生。
• 引入‘扩展临界性’作为概念框架，描述驱动进化创新的非平衡、对称性破缺的转变。
• 分析‘相邻可能’作为被赋能的未来可能性的动态空间，其通过有机体与环境的共同进化而生成。
• 证明生物系统非遍历的本性——即大多数分子构型从未被实现——使得进化轨迹的算法或有限形式描述成为不可能。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否用具有蕴含性动力学的物理式定律来描述生物圈的演化？
• RQ2 为何生物进化的相空间本质上无法预设且非不变？
• RQ3 ‘赋能’概念如何取代进化生物学中传统因果性？
• RQ4 康德整体在共同创造环境与生态位方面发挥什么作用，从而赋能新的进化轨迹？
• RQ5 生命的历史性与非遍历本性如何削弱守恒律与对称性在进化理论中的适用性？

主要发现

• 生物进化的相空间无法预先指定，导致传统运动方程不适用，因为可能的表型与生态位集合持续变化。
• 由于边界条件（即生态位）无法预设，即使假设的运动方程也无法积分，从而否定了进化中决定论预测的可能性。
• 生物圈的出现并非由任何定律所蕴含，表明高度复杂的系统可在无蕴含性定律的情况下产生，从而反驳了强还原论。
• 进化以‘扩展临界性’为特征——由随机与非随机过程共同驱动的一系列对称性破缺事件，导致非遍历、历史性的轨迹。
• 由于物理限制，大多数生物构型（如200个氨基酸长度的蛋白质）在宇宙中从未被实现，凸显生命复杂性的历史性与偶然性。
• ‘赋能’概念捕捉了有机体如何与环境共同创造未来可能性，取代因果性，成为进化涌现中动态、共同创造过程的核心。