摘要/Abstract
大腦是如何進化成的複雜系統的，他在未來會走向何方？大腦的存在對現有的理論提出了這樣一個挑戰，眾所周知，熵不可避免地隨著時間的推移而增加，這通常與無序性和簡單性有關*。我們發現進化是一個熵進化的過程：結構的建立（即生命的產生）促進了熵的增加。在這裡，我們提出進化的關鍵轉折點與生命對時間和空間的操縱有關，通過複雜的多維度狀態空間（multi-dimensionalstatespace），生命開啟了促進熵增加的新途徑。大腦的進化促進了時間和空間在大腦中的表徵，從而進一步加速了熵的增加過程。然而這些路徑有時會指向狀態空間的死胡同，因此根據熱力學定律，我們無法預測未來複雜生命系統還會繼續存在。
*翻譯筆記
這種簡單性在概念上是相對於下面描述的複雜性的。
複雜系統演化之謎
在過去的兩個世紀裡，出現了兩種深刻但看似矛盾的理論，他們重塑了我們對宇宙的理解和我們在宇宙中的地位。第一個理論是熱力學第二定律，他認為宇宙正朝著熵增加的方向方向發展；第二個理論是達爾文的演化理論。這兩種理論雖有數據支持，但對宇宙的走向提出了不同的預測：熵的增加將導致整個系統的混亂和無序，近40億年的進化促進了人類社會的有序和複雜，並帶來了當今複雜的人類文明。為什麼數據驅動的理論會導致解釋宇宙發展的無序和有序？
我們探討了時間和空間結構可以連接這兩個結論的可能性。具體來說，我們想知道生命是如何在最大化生存概率的前提下控制導致熵增加的化學反應的。生命在多維度狀態空間（multidimensionalstate-space）中找到了一種引導熵的新方法，從而在熵增加的同時達到一種更有序、更複雜的狀態。在這裡，我們將上述問題的對象延伸到大腦，也就是說，大腦在提升所能達到的狀態空間中的作用。在接下來的論文中，我們將重點討論在上述過程中大腦在時空表徵方面的進化，並對這種進化的未來發展進行推測。
-CharlieDavis-
熵
從物理學的觀點來看，熵是與自由能（freeenergy，即外功的能量）相對應的概念。熵總是增加的，就像進入一系列相連容器的氣體總是會找到斜率最高、直徑最寬的通道，從而以最快的速度上升。同樣，隨著時間的推移，系統總是會從低概率狀態變為高概率狀態，基於Boltzmann的（Boltzmann）理論，高概率態是指可以由大量微觀結構（microscopicconfigurations）實現的態。一旦系統達到熱力學平衡態，即最大熵態，系統就不再做功，不再發生變化。
熵與空間均勻性和梯度損失有關。例如，熵隨著物質的自發均勻分布而增加，例如兩種最初分離的氣體的混合。同樣，隨著溫度梯度的減小（temperaturegradient），熱也帶來了熵的增加，這是由空間中粒子熱能的均勻分布引起的。空間中自由運動的粒子總是呈現無結構的隨機排列，造成這種現象的原因很簡單：無序態比有序態有更多的可能性。玻耳茲曼將熵量化為能保持宏觀狀態的微觀狀態數：對於空間結構有序的系統，如容器中的氣體或冷暖物體，能保持系統狀態（宏觀狀態）不變的粒子排列方式（微觀狀態）較少，所以系統的熵很低。
熵的增加不是連續的：系統可能在短時間內處於低熵（自由能高）狀態。我們可以把這種短暫的中間狀態想像成抽象時空中的一個氣泡——一棵已經生長了好幾年的樹在被閃電擊中之前保持著穩定的低熵狀態，直到閃電引起的火災將其摧毀。在破壞時刻，樹的現有系統的熵值瞬間增加。在這種情況下，閃電通過摧毀樹，將抽象泡泡中抑制的熵瞬間轉移到另一個更大的泡泡中。因此一棵樹的存在不是持久的，我們稱這種狀態為亞穩態（metastable）。
生命與熵
接下來我們將探索生命，以及為什麼他進化成的樣子。根據薛丁格（Schrdinger），生命的發展是環境熵的反轉。為了維持生命的低熵，生命需要改變其生存環境。這一觀點背後的前提是，低熵是成為生命結構所必需的。然而基於以上討論，我們認為生命可能是一個類似於油水混合物、聚變星或黑洞的高熵系統。根據物理定律和宇宙的現狀，生命的產生是因為他給整個系統帶來了更多的可能性。生命的結構和秩序並不意味著他會降低系統的熵，正如我們之前所討論的，在某些過程中，他也可能導致系統中產生秩序的熵增加。
-MattChinworth-
進化、變遷、複雜性與時空
進化過渡是進化的重要特徵之一。根據Szathmary和MaynarDSmith，在進化過程中有幾個重要的轉變。在這裡，我們將集中討論一系列有助於時空相互作用的過渡點。
隨著能夠自組裝（self-assembly）的碳基分子和能夠複製自身序列的核酸的出現，生命出現了。從這個時間節點開始，他演變成一往無前的輪子，在前進的過程中，有利於自我複製的新分子被保留下來。碳原子的四面體排列使得形成穩定的長聚合物鏈成為可能，從而保證了自複製機製得以保留。此外，這些分子的柔韌性使底物在空間中緊密接觸，從而保證了新化學反應的進行：化學反應將自由能轉化為熱量，增強了整個系統的熵。綜上所述，碳基團在空間維度中通過化學反應促進進化，而核酸在時間維度中通過自我複製促進進化。
下一個進化過程進一步為生命提供了通過化學反應操縱時間和空間的能力。由於膜結構和細胞的出現，化學物質為「隔室化（compartmentalised）」，因此化學反應可以在不受外界環境幹擾的情況下進行。這種進化大大提高了化學反應的效率和穩定性。三個磷酸腺苷（ATP）隨著進化也出現在生命早期。ATP使生命不受時空條件的限制，利用儲存的能量進行化學反應，這種進化也確保了生命的穩定性和自我複製。ATP系統通過捕獲和儲存當前的能量並使其在未來可供細胞使用來促進時間上的進化維度，而第二信使（second-messenger）系統通過在細胞內傳輸能量來促進空間上的進化。35億年前，光合作用的出現促進了上述反應：從那時起，細胞能夠從太陽捕獲並儲存大量能量。
*翻譯筆記
第二信使：細胞內信號分子，負責細胞內信號轉導，從而觸發細胞增殖、分化、遷移、存活和凋亡等生理變化。
[https://en.wikipedia.org/wiki/Secondmessengersystem]
*翻譯筆記
骨架是微管的一部分。他分布在細胞質中，負責維持細胞結構和細胞內物質運輸。
[https://en.m.wikipedia.org/wiki/Microtubule]
進化所帶來的細胞間通訊表現具有顯著的適應性優勢，因此多細胞生物應運而生。首先，多細胞生物（如現代海綿）以單一的形式出現，其次是形態不同的生命。這些差異可能體現在空間上，比如器官功能不同；也可能體現在時間上，比如生命成長過程中的變化。這些功能差異的結構基礎是基因組之間的相互作用。
在這裡，基礎上，諸如同源框基因（homeoboxgenes）不僅可以編碼蛋白質，還可以通過基因調控創造產生大規模的空間結構，為生命的發展提供秩序。
大約五百萬到六百萬年前，一類新的細胞出現了。這些細胞具有電興奮性（electricallyexcitable），既保證了細胞間信息的快速傳遞，又保證了信息從細胞內傳遞到細胞外，這些細胞是第一批神經元，神經元確保了生命對空間和時間的進一步控制：他們賦予了生命在環境中運動的能力和表徵空間和時間的能力。
-leonardosantamaria-
運動
六億年前，地球上充滿了水生生物。他們要麼不能移動，要麼靠洋流移動。生命的靜止一直持續到大約5.6億年前，直到自主的多細胞生命以蠕蟲的形式出現。起初，這些生物只能徑直穿過海底的有機黏液，然後他們進化出轉身和挖掘的能力，海床化石中的曲流廊道為這些行為提供了證據。這種進化的重要性是無與倫比的：從那時起，生命不再被動地等待——他們已經掌握了主動獲取自由能的能力。
大約5.4億年前，地球上的生命迎來了1300萬到2500萬年寒武紀大爆發（Cambrianexplosion）。現存的生物種類大多出現在這一時期，直到現在，我們還不能用寒武紀大爆發來解釋井噴式生物多樣性的原因。這種現象可能是由神經元和肌肉細胞的出現引起的：神經元和肌肉細胞賦予生命自由移動和快速處理信息的能力，這可能促進新生命（抽象狀態空間中的氣泡）的產生。
運動的演化不僅增加了系統的選擇壓力（selectionpressure），而且促進了捕食行為的發展，生命不再被動地通過光合作用或清理殘骸上的有機物獲得能量，運動賦予生命追逐和狩獵的能力。在寒武紀期間的生命進化出外骨骼，這使我們有機會通過化石證據看到遠古期間捕食者和獵物之間的鬥爭。同時，複雜器官的出現促進了動物的覓食、狩獵和逃跑等行為。從進化時間的角度來看，生命複雜器官系統的發展非常迅速：從科學家發現的節肢動物化石（arthropodFuxianhuiaprotensa）可以看出，已經出現了完整的視覺系統、大腦和視葉。
空間、時間和記憶
因為世界同步依賴於時間，存儲過去信息的能力使有機體能夠預測未來，這對生存有很大影響。因此神經元的出現伴隨著突觸的可塑性，使得神經網絡過去的活動得以保存，這可能是大多數，甚至所有形式記憶的神經機制。允許核酸隨著時間的推移而進化與允許信息在過去被存儲和利用同樣重要。
存儲器的一個重要用途是存儲空間信息。一旦動物開始遠離，一種新的選擇壓力將逐漸顯現：環境中的某些區域將比其他區域具有更高的生存潛力（survivalpotential）。如果生物能夠利用生存潛力的差異，將導航信息存儲到高潛力區域，將對生物的生存形成巨大的優勢，從而產生內部空間表徵。之前，我們還不知道這種能力是如何在早期運動動物身上發展起來的，但是我們可以通過有限的化石記錄和地球上現存的各種神經空間系統做出合理的推測。
-MattChinworth-
最原始的導航系統，燈塔導航（beaconnavigation），只需要動物探測到一個合適的環境目標並向他移動。這種探測能力可能是天生的，比如昆蟲向光移動；但也可以從經驗中學習習得。更複雜的空間表示不僅需要自我中心編碼（egocentriccoding，編碼外部物體相對於在自己身體中的位置），還需要非自我中心編碼（allocentriccoding，編碼外部物體在世界中的客觀位置）。使用非自中心導航系統的生物需要表示移動的方向（direction）和距離（distance），從而建立外部空間的二維模型。
方向感是一種古老能力，早在脊椎動物之前就出現了：早在昆蟲時期，晚在哺乳動物時期，人類使用的神經「羅盤」在重要方面是相同的。同時，動物也需要監測自身的運動距離，並將運動距離和方向與三角法相結合，從而準確地回到旅程的起點。包括昆蟲在內的各種動物都有這種「路徑整合」（pathintegration）能力。路徑整合的進化使得移動動物能夠建立可返回的營地，這對生物體的生存至關重要，他促進了自我複製和連續性，從而為更多的狀態空間泡沫開闢了道路。
同時，路徑整合也允許生物體以非自我中心的方式來表現外部世界的重要特徵。這些網站可以進一步整合，形成類似於地圖的內部表示，這使得動物可以建立其環境的詳細模型。海馬體（Hippocampus）通過接收（和處理）方向、距離、物體和環境中的事件，是哺乳動物路徑整合的關鍵。
越來越多的證據表明海馬體也可以表示時間。對於移動的動物來說，時間和空間被整合在速度和距離的計算中，但時間也可以獨立地表示。時間的表徵可以提高空間記憶的預測能力。例如，有時間概念的動物可以知道他們已經有一段時間沒有探索過一個特定的地方，所以他們可能需要重新探索那個地方；或者他們可以知道捕食者什麼時候經過一塊海灘，從而預測海灘何時會變得相對安全。對人類來說，同時表現空間和時間的能力使我們能夠形成情節記憶（episodicmemory），即對生活事件的記憶；另一方面，我們可以計劃（planning）和想像（imagination）尚未發生的事情和不會發生的事情。
人類
在本文的討論中，最重要對我們來說的特點是他允許我們跨時間和空間限制（從一個個體到另一個/多個個體，從一代到下一代）存儲和傳輸信息。與其他進化轉折一樣，語言的出現使人類能夠探索更多的相空間領域*。個人的想法被時間和空間分開，為了專注於大事，人類需要收集個人想法的能力，而語言恰恰提供了這種能力——語言對認知的作用就像生命的最初分子對生命本身的作用一樣。
*翻譯筆記
相空間：即phasespace，用來表示系統的所有狀態；在系統的相空間中，系統的所有可能狀態都有對應的點。
-leonardosantamaria-
由於語言，人類能夠探索物理空間（如行星和外層空間的探索）和抽象空間（如數學、藝術、科學和哲學等抽象領域的探索）。這導致了系統間相互作用的發展，而這些系統之間沒有相互作用，對生態系統有很大的影響（ecosphere）。
例如，人類將大量動植物物種從一個大陸遷移到另一個大陸，導致許多物種滅絕，疾病自然傳播，的人畜共患病傳染病COVID-19就是一個相關的例子。新型冠狀病毒變異後，航空傳播並向世界傳播，現在，他已經極大地改變了全球體系，從貨物物流到人群流動，再到各個經濟體的運作。。另一個例子是在工業革命之後開採地下化石燃料礦床。這影響了整個地球的氣候系統，留下了需要用地質時間來描述的長期變化；我們有人類時代的地質名稱，人類世（Anthropocene）。
結論與展望
最後，讓我們回顧一下文章開頭的問題：為什麼複雜性會隨著進化而增加？上面的討論提出了一個可能的答案：複雜性的過程就是生命所能佔據的新的狀態空間逐漸增大的過程，在這個過程中，每一步都在提高生命自我複製和延續的能力，但同時也開啟了一條新的熵增通道。
複雜性不是單行道——正如過往物種的大滅絕所表明的那樣，複雜性是一個純粹的統計過程，可以增加或減少。複雜性似乎增加而不是減少的原因是生命起源於一種低複雜性的狀態，因此從統計學上講，較簡單的狀態在早期演化中可能實現更複雜的狀態，因此複雜性更可能增加而不是減少。
與熵不同的是，無盡的複雜性絕不是不可避免的。在任何一個特定的時刻，隨著生命複雜性的增加，通往新的狀態空間的通道也隨之增加——其中有些氣泡很小，沒有出口。一個例子是核武器的發明：在這裡，沒有出口的小氣泡象徵著地球上所有生命的終結。生命越複雜，通向氣泡的通道就越多，沒有出口的有可能氣泡就越多。
熵是不同的。熵，他什麼都不在乎。熵，不會損失一分錢的。
Box1的主要時空演化節點
核酸是可以進行序列複製的分子，從而使更多的成功（持續時間更長）序列繼續，從而大大增加延長反應時間。分子ATP可以儲存和重新分配能量，使化學反應在更長時間內佔據更大的空間。通過與核酸的合作，ATP整合了複製和延續的過程，並增強了這些過程。光合作用調節光合作用的化學反應，以便太陽釋放的自由能可以大量收集，並用於驅動支持自我複製的過程。細胞膜和微管保護自我複製過程免受外部環境的影響，而微管一方面允許能量和材料在細胞內移動，另一方面允許細胞自身移動。基因-基因相互作用和同源異型盒（homeobox）基因開始用核酸序列和表型數（可達狀態空間的大小）大大增加來調控其他序列，為序列（developmentalsequencing）的發展和複雜多細胞生命的起源鋪平了道路。神經元和突觸可塑性神經元允許信息在多細胞生物中迅速傳播，從而發展出複雜的適應行為。突觸可塑性將神經元的影響延長了一段較長的時間，使生物體能夠用過去的事件預測（和適應）未來。肌肉細胞在物理空間中長距離運動的能力和機動性極大地改善了生物體獲取能量的方式，同時也促進了狩獵的進化。狩獵是一種非常重要的選擇壓力（selectionpressure），當寒武紀大爆發（CambrianExplosion）出現時，他可能是複雜生命物種迅速增加的原因之一。大腦和空間表徵隨著神經系統獲得形成外部世界內部表徵的能力，這些內部表徵大大增強了動物適應和預測環境的能力。從此，動物可以記住食物、水、庇護所、同類等的位置，也可以建立固定的營地返回。語言個體的思想被空間和時間分開，語言允許人類超越這些差距，發展新的行為和技術。像核酸一樣，語言允許信息隨著時間的推移而被儲存。在基因技術之外，人類藉助語言發展了技術，技術增強了我們在時間和空間上的存在，使我們能夠做許多以前做不到的事情。這使地球成為一個新的行星，進入了地理學的新紀元——人類世。
重要問題
人類能阻止自己的滅絕嗎？作為（可能）第一個了解和預測其經歷的物種，很容易認為我們可以防止滅絕。然而本文提到的熵增過程是描述物質和能量的一個基本熱力學性質，因此滅絕是不可避免的。一個更恰當的問題應該是，我們能否在可預見的未來繼續？為了實現這一目標，我們需要避免我們之前的複雜性帶來的滅絕之路，包括戰爭、疾病和自動武器等致命技術。人類進化會控制自己嗎？過去我們已經看到進化是如何驅動複雜性的。然而自工業革命以來，進化一直與人類的技術進步並駕齊驅。在不久的將來，隨著人類開始修改不同有機體的基因組，這兩種力量將合併，可能包括人類自己。基因編輯技術（比如CRISPR）會取代進化，成為一個複雜的驅動引擎嗎？我們會用科技來推動我們大腦的進化嗎？這必然會為狀態空間中更多的氣泡打開道路。我們能選擇進入哪個通道以避免滅絕嗎？或者我們的技術進步會使人類更快地滅絕？
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編譯：山雞，阿莫東森版次：漢娜，阿莫東森排版：酸