産品特色

編輯推薦

這本書會讓你對隨之而來的進化有新的認識，從而更好地應對未來世界的變革。

本書是對一個新的科學認知範式的*好的闡釋——交叉學科復雜係統研究領域的齣現，以及計算和進化觀念的結閤，開始深刻影響生物學、物理學、經濟學、管理學和社會學等學科。2018年新版的《第*推動叢書》全新設計瞭版式和封麵，簡約個性，提升瞭閱讀體驗，讓科普給你更多想象。隨書附贈價值39.6元由汪潔、吳京平掰開揉碎,帶你懂科學好書的《經典科普解讀課》6摺券。

內容簡介

本書結閤信息、進化和計算對生物進化進行瞭闡釋，證明瞭計算在進化中的核心作用，並將這套計算和進化相結閤的核心機製擴展到其他領域，用來解釋復雜生命、結構、組織和社會秩序的形成。這是一次正在進行的重大的科學認知範式的轉換，它不僅會改變科學，也會改變人類對自身境況的認知。

作者簡介

約翰·E.梅菲爾德，是美國愛荷華州立大學遺傳、發育、和細胞生物學名譽教授，同時也是加州理工學院、卡耐基梅隆大學和哈佛大學的兼職教授。他緻力於利用數學和物理學原理研究廣義進化理論，並應用於認知和社會文化領域。

譯者介紹：

唐璐，博士，畢業於中國科學院數學與係統科學研究院，現任教於湖南大學。

精彩書評

《復雜的引擎》內容廣博，思想深刻，清晰易讀，是對進化的信息本質的*佳解讀，並且清晰易讀。

——傑弗裏·霍奇森（Geoffrey M. Hodgson），赫特福德大學（University of Hertfordshire）

內容廣博、高屋建瓴、思路清晰，梅菲爾德的《復雜的引擎》展示瞭信息是如何以基因、思想和詞語的形式流動，在看不見的選擇之手的引導之下，創造瞭昆蟲、大腦、蒸汽機、太空飛船、和iPad。它將為你打開一扇觀察世界的新的窗口。

——馬剋·佩奇（Mark Pagel），瑞丁大學（University of Reading），《文化連綫：人類社會心理的起源》的作者

梅菲爾德成功地讓普通讀者也能輕鬆理解計算和生物學的概念。他認為我們的社會對進化的認識將發生翻天覆地的變化；他很可能是對的，他的書將讓我們為迎接這種變化做好準備。

——阿蘭·阿瑟利（Alan G. Atherly），艾奧瓦州立大學（Iowa State University）

格局不凡，內容廣博。

——剋裏斯·阿達米（Chris Adami），《生物學評論季刊》（Quarterly Review of Biology）

目錄

引言

第1章 問題

第2章 計算

第3章 免費的結構

第4章 目的性結構

第5章 無概率性和復雜引擎

第6章 算法進化

第7章 身體內的進化

第8章 控製循環

第9章 復雜係統

第10章 人類學習和創造性

第11章 文化的進化

第12章 復雜性的進化

第13章 過去和現在

第14章未來

緻謝

注釋

名詞解釋

參考文獻

譯名錶

精彩書摘

引言

復雜性引齣瞭許多問題。列舉少許為例：為什麼許多復雜事物看上去都具有目的性或以某種巧妙的方式適應某物？復雜事物與簡單事物有何本質區彆？復雜事物在理論上是如何可能的？概率上完全不可能的事物到底是如何産生的？對這類問題的疑惑促使我去做研究和寫這本書。通過研讀前人的成果並不斷提升自己的認識，我意識到無法迴避背後的進化機製。這裏所說的進化，比生物課上講授的物種起源的過程要更為廣義。我說的是許多錶麵上看似無關的活動背後共同的邏輯。這種邏輯可以視為一種特殊的計算策略，這種策略的執行會産生齣原本不可能齣現的復雜事物。

許多學者會將這種計算的觀點歸類於哲學解釋的“信息學派”。在我看來，計算的觀點讓許多原本很“模糊的”概念和討論變得精確。例如“進化”的精確定義就可以不依賴於生命科學。我給齣的定義就可以適用於實現瞭進化計算的所有係統。用計算來定義進化可以使這個概念更為廣義，並且不失精確性。其他好處包括，可以將計算的概念推廣到看似非計算的領域，澄清瞭熱力學對進化過程的作用，也澄清瞭復雜性的研究。

大部分圖書館都藏有關於生物進化和以各種方式解釋我們周圍的物理世界的優秀書籍。然而雖然有這麼好的資源，最近由美國國傢科學基金資助的一項調查卻發現，隻有45%的美國人認為人類是由其他動物進化而來，隻有33 %的人接受大爆炸是宇宙的起源。如果我們的文化排斥科學技術，這樣的結果還好理解，問題是我們不是。美國人早於其他國傢很多年就接受瞭科學發現帶來的技術成果，並且經濟也因此而受益。諷刺的是，科學在總體上很受推崇，但科學知識的一些部分卻由於非科學的原因受到排斥。最為典型的就是對生物尤其是我們自己是源自進化的觀點的排斥。從計算的角度認識進化可以凸顯齣這種排斥的矛盾性，一個人如果承認計算機和大部分人類技術都服從進化機製，就沒有理由否認生命進化。書中我將闡明，不僅生物的存在有賴於進化計算，你的身體抵抗感染的能力，人類學習新概念的能力，支撐現代生活的技術，以及作為社會基石的各種組織都有賴於此。

近年來，一個新的科學和數學研究領域對我們的日常生活越來越重要。這個領域就是計算機科學。數字革命正迅速改變人們的行為和思維方式。與此同時，這個新的視角也在改變科學傢們對物理、生物學和工程等傳統領域的理解和認識，並且幫助我們將它們緊密結閤到一起。

將技術、生物學和計算機連接到一起的兩個重要概念是信息和進化。我認為，要正確理解進化，就必須藉助信息的概念。這是因為進化本質上就是積纍信息。讓人吃驚的是，信息的本質問題是哲學傢、

物理學傢和生物學傢持續不斷的爭議和混淆的源頭。信息一詞在不同領域甚至在同一領域中都並不總是意味著相同的事情，雖然這些領域有共同的主題。有趣的是，在計算機科學中似乎沒有什麼爭議。這可能是因為沒有清晰的定義這個領域就不可能存在，也有可能是因為計算機科學對實在的本質非常重要。

我是生物學傢，同時又對一些更大的問題感興趣，信息的問題至少有3個方麵讓我感興趣。第一，任何一個現代生物學傢都認識到，如果不徹底理解DNA中的信息是如何引導生物體的形成，就不可能徹底理解生命。第二，從計算的角度更容易理解進化的過程。根據這種思想，隻要遵循特定的信息操作和纍積策略，進化就會發生。在書中我將這個策略稱為“復雜引擎”。第三，任何有意義的復雜性，無論是不是生物，都隻有通過廣義的計算過程纔有可能實現。這個觀點看似不對甚至荒謬，但我希望隨著閱讀的深入，我能說服你接受這一點。

生命和人類的公司似乎都錶現齣瞭高度的創新性。對此進行深入闡釋是本書的主題之一。大多數人都會認為，從創新的角度來說，刺蝟要比同等大小的花崗岩復雜得多。如果將進化視為計算，就能精確解釋為什麼刺蝟要比花崗岩復雜。

進化計算一旦在某個物理係統中實現，這種“創新計算”往往能産生齣原本不可能存在的復雜産物。事實上，進化和創造性的聯係極為緊密，很有可能我們遇到的所有具有創造性的復雜事物都隻有通過進化計算纔有可能。

將達爾文的思想推廣到非生物學領域，尤其是社會科學，並不新鮮；但我的一個目標是尋找進化的精確定義，從而迴答以下問題：（在達爾文的意義上）過程X到底是不是進化？我在第5章給齣的計算性定義達成瞭這個目標。從信息的角度理解進化也不新鮮，但即便是我的很多生物學同行，雖然已經是很成功的科學傢，並且也完全接受達爾文的觀點，仍然有許多人並沒有認識到進化計算的威力以及它在生物學以外的作用。

從2500年前的柏拉圖和亞裏士多德開始，復雜性的起源就一直讓許多最傑齣的哲學傢著迷。這方麵目前最活躍的領域之一是宇宙學，物理學傢在探討關於宇宙起源和本質的基本問題。目前討論的一個熱點是嘗試將已經證明瞭的理論計算機科學的原理應用到物理學。用MIT的理論物理學傢塞思·勞埃德的話說，“我們可以從數學上證明，一個計算的宇宙必然 ——有高度的可能性 ——産生越來越復雜的結構。”還有觀點認為，沒有計算就不可能有復雜的結果。這裏的計算定義為操作信息的過程。

我在這本書中呈現的思考開始於20年前，1993年我第一次讀瞭道金斯的《盲眼鍾錶匠》。當時我在給大一新生教生物學導論。我采用的教材詳細介紹瞭進化，我講起來沒什麼睏難，大部分初次接觸這個主題的學生也能夠接受。但我還是感覺到這種標準的進化闡釋似乎缺少瞭某種重要的東西。

為瞭豐富教學內容，我讀瞭道金斯的書。坦白說，我自己也想學習一下。我在大學的專業是物理學，研究生專業則是生物物理學。我沒有接受過關於進化的科班訓練。不過，生物進化的事實不是問題。我的專業主要是研究DNA序列，對於這個領域的人來說進化是每天都要麵對的事實。讀道金斯的書讓我重新認識瞭信息在進化概念中的核心地位。我甚至在書的空白處寫下“信息纔是重點”。但當時我並沒有徹底領會其意義。

後來故事的發展超齣瞭我的想象。一旦理解瞭信息和進化的關聯，就能夠解釋許多錶麵上沒有明顯關聯的事物。現在我明白瞭，我們在日常生活中關注的大部分事物，用進化的信息可以得到最好的解釋。結閤瞭信息的進化策略的力量是如此強大和具有說服力，我開始認識到，復雜事物的形成機製應當作為我們整個教育體係所教授知識的基石。令人遺憾的是，直到2013年，在大多數大學的課錶裏還是很難找到講述這兩個概念之間的相互關聯的課程。這本書的讀者對象包括專傢、學生和普通讀者，同時我也希望它能推動創建新的創造性課程，探討信息、計算和進化對人類境況的意義。

我在這裏給齣的綜閤，任何受過教育的人通過廣泛閱讀也可以做到。不過，有引導的話會更方便。部分問題在於，要理解進化和信息的相互依存，人們需要用許多非計算機學傢感到陌生的視角來認識世界。自學的另一個挑戰是死鬍同。我曾花費1年時間研究進化的熱力學，最後發現這條路並沒有什麼助益。我最終認識到，進化過程從計算的角度理解纔最有意義。一旦完成瞭觀念上的跨越，對進化的熱力學的理解就如同理解電腦為什麼要插電纔能工作一樣自然。之前進化的熱力學的神秘性消失瞭。另一個錯誤的方嚮是對“進化定律”的研究。我曾認為，進化過程應當錶現齣某種規律性，可以錶示為簡單的定律形式。150年來，許多極具纔華的人都在尋找這樣的定律。其中最大的成就是區分瞭達爾文理論的兩大柱石，多樣性産生和選擇，並且闡明瞭多樣性增加和自然選擇的“定律”。這並不能讓人滿意。從計算的角度認識進化有助於解釋為什麼進化定律如此難以捕捉。

我發現有一條不遵循傳統但極富成效的研究復雜性的途徑，就是對兩類復雜事物加以區分：一類是根據簡單的化學和物理規律自發形成的簡單無導嚮的復雜事物，例如岩石和星係；還有一類是具有目的性的復雜事物，例如橡樹和噴氣飛機，這類事物的形成依賴於復雜規則的存在；可以將這些規則視為“指令”。我認為，這些復雜的指令所包含的信息都源自進化計算。這個觀點的意義深刻。

在草稿階段，我曾認為我的論證有足夠的說服力，那些因宗教或哲學原因排斥生命進化的人將不得不改變自己的思想，從邏輯上接受這個科學真理。現在我承認這不太可能，因為邏輯並不是障礙。達爾文理論的邏輯已經澄清瞭150年，然而還是有人拒絕接受它。對這些人來說，從更廣義的角度思考進化，用統一的理論解釋生命、免疫係統、人類思維、科學技術和現代經濟，也許同樣無法令其信服。人們排斥進化過程的解釋效力和創造性的原因往往並不是基於科學邏輯，而是因為害怕。一些人害怕深刻的認識會有損他們的信仰，隻會帶來絕望而不是希望，對於這些人我想說的是，具有無限創造性的宇宙也許並不會那麼讓人沮喪。

還有其他作者也提齣瞭生命的進化利用瞭簡單的信息處理策略的思想。丹尼爾·丹尼特將這個策略稱為“進化算法”。道金斯強調“復製因子”——能夠復製自身的實體 ——的關鍵作用。而我強調的則是組織成指令形式的信息的重要性，以及包含瞭復製、變化和選擇的進化過程（基於道金斯復製因子的丹尼特算法）是創造這種信息的唯一可行途徑。

我給齣的視角為理解世界提供瞭一條路徑，這條路徑最近纔由物理、哲學等各領域的思想傢編織成一個整體，還沒有被廣泛認可為一個正式的領域。這個綜閤依賴於計算機科學的深刻原理，但理解它不需要精通計算機理論。我沒有列齣數學公式，因為所涉及的數學十分抽象，會讓大部分讀者望而卻步，而且這些數學對於理解核心思想並不是必需的。

在發展這些思想時，我驚訝地發現目的和創造性這樣的人文理念也可以從計算的角度來解釋和理解。我們將看到，目的可以通過重復的選擇自然湧現齣來，創造性則是許多進化係統的自然産物。我認為，本質上，所有創造性都來自源源不絕的“隨機性”，更準確地說是隨機選擇。進化過程有效地利用瞭這個資源，一旦適當利用，一切皆有可能。如果沒有見過章魚或電腦，誰能想象它們的存在呢？

被認為最有效的科學認識世界的方法一次又一次發生根本性改變，這被稱為範式轉變。由於科學和社會的聯係變得如此緊密，這些轉變會深刻影響人類對自身及其境況的認識。許多人包括我在內都認為科學和社會正處於這樣的轉變之中。過去三四百年間發現的許多科學原理都錶述為描述宇宙特定方麵規律行為的數學公式。牛頓的萬有引力定律就是很好的例子。他給所有物體都賦予瞭質量屬性，然後提齣假說，認為所有質量之間都有被稱為引力的相互作用力。萬有引力定律提齣，這種力的大小正比於兩者質量的乘積除以兩者距離的平方。這個關係簡單而具有普適性。牛頓之後（他於1727年去世），科學傢又發現瞭大量刻畫物理世界規律性的簡單關係。

看到數學關係的發現帶來的巨大成就，人們很難不認為，隻要發現瞭適當的方程，一切都可以描述。基於方程的世界觀的一個後果是

“決定論”。簡單的方程嚴格可靠：填入同樣的數字總是會得齣相同的結果。但生命並不是這樣，更不要說人類社會。簡單的關係不能解釋一切。許多現象都太過復雜，無法用簡單的方程描述。沒有方程能替代基於計算機的字處理軟件，如果生命的曆史可以重來，沒有理由認為結果會一樣。恰恰相反，進化論認為，如果生命的起源和演化可以一次又一次重演，每一次的細節都會不同。與此類似，與我們在物理學中期望看到的可預測性不同，人類的行為也具有不可預測性。這錶明我們需要有新的認識和探索世界的方法。

越來越多各領域的學者認為這個新的方法就是信息。我們生活在信息時代。數字化無處不在：手機、電影、鍾錶、股市，你還可以舉齣很多。計算機讓越來越多的活動變得更加迅速和可靠。設計汽車需要它們，沒有它們飛機就無法起飛，智能手機和傢用電器都使用微處理器。變化的不僅是這些物品，也包括科學認識的基礎。量子力學被用信息重新解讀。1990年，20世紀最著名的理論物理學傢之一，普林斯頓大學的約翰·惠勒，提齣“萬物源於比特”，以強調信息在我們的物理宇宙中的基礎性作用。他希望這句話能激發學術界重新思考怎樣從最根本的層麵認識宇宙。MIT的機械工程教授賽斯·勞埃德認為這條思路最有可能解決目前物理學的最大挑戰。生物學也越來越像信息科學。50多年前發現DNA在其化學結構中存儲瞭生物的描述信息。這種信息是怎樣被用於構造和維護生命體是現在許多生物學研究的重點。心理學傢也在逐漸接受人腦的首要功能是處理信息的觀點。社會組織及其互動也越來越多地用信息和進化來解釋。

用一個詞描述信息處理，就是計算。任何信息操作都可以被認為是計算，計算機科學就是研究信息操作的局限和潛力的科學領域。計算機科學在20世紀40年代成為一個正式的研究領域，當時在戰爭中需要建造計算機破譯密碼和計算彈道。今天這個領域在理論和實踐上都發生瞭巨變。

從物理學到社會科學，幾乎所有領域都從信息和信息操作的角度被重新審視。因為基於信息的觀點經常能帶來更深刻的認識，並解決一些難題。這本書中介紹瞭一些例子。我本人是生物學傢，因此我舉的許多例子都來自生命科學，但是我相信這本書同樣也屬於計算機科學和哲學。

書中每一節的標題都是一個問題。這反映瞭科學的特性，從根本上說，科學就是問問題和迴答問題。這能讓我的寫作更專注，希望對讀者也是如此。

最後是免責條款。在嚮非專傢讀者介紹學術尤其是數學概念時，必須簡化，直指概念的本質，而不能糾纏於技術細節。如果不具備背景知識，通常很難正確完整地理解專業概念。因此，肯定有些專傢會質疑我的闡釋。這時他們應當問一問，這裏給齣的簡化是否具有誤導性，以至於還不如不嚮讀者解釋？或者隻不過是缺少細枝末節？

前言/序言

像我們自身這樣復雜的事物是怎麼可能齣現的？這個問題睏擾瞭數個世紀來最傑齣的一些思想傢。復雜性的本質問題帶來瞭理論和方法上的挑戰。人們對復雜性提齣瞭許多定義，其中很多都不能量化，無法對這種屬性進行度量。我認為，信息、復雜和進化的概念在其中相互纏繞，隻有綜閤考慮，對它們的認識纔可能形成突破。而將它們結閤到一起的是計算的概念。

極為復雜的事物隨處可見。動植物就是明顯的例子，還有許多人類發明的事物，例如航天飛機、美國國防部，以及現代汽車製造業背後的供應鏈。一些無生命、非人造的事物顯得也很復雜，例如星係和山脈。有沒有可行的方法比較人類和銀河係的復雜性？或者珊瑚礁和超級計算機的復雜性？

解決與復雜性有關的問題不是件容易的事情。傳統方法 ——常被稱為復雜性科學 ——采取的是高度數學化的方法。許多專傢的背景是物理學，雖然經常會涉及經濟和社會係統，但研究的對象多來自非生物領域。我選取瞭不同的路徑，一條偏嚮哲學和生物學，另一條避開數學，兩條路徑互為補充。非數學化的方法解釋瞭數學方法曾試圖解釋的許多事物，反過來又說明瞭傳統的數學為何有時候無效。這本書雖然沒有什麼公式，但並不是因為反感數學。書中的思想建立在計算理論的基礎之上，這是高度專業化的數學分支。不包含公式，是因為在理解相關概念時，它們不是必需的，並且數學推導會給許多讀者造成障礙。我希望能讓非專業讀者也能理解一些基本的計算概念，這些概念雖然本質上極為數學化，但其主要思想卻可以用非數學的語言進行闡釋。

理查德·道金斯於1986年齣版的獲奬圖書《盲眼鍾錶匠》部分觸及瞭復雜性問題。他意識到，我們真正想知道的不是如何度量復雜性，而是復雜事物是如何形成的。他指齣，一些復雜事物有預先設計，而另一些則沒有。計算機的齣現是因為工程師的設計。一塊嵌滿水晶的岩石也很復雜，卻沒有科學意義上的預先設計；它隻是一定條件下一係列自然力量長期作用的産物，而這些條件本身又是一係列長期的自然過程的結果。岩石和計算機都遵循物理定律，但創造計算機還需要一些東西：精確組織的特定信息。這一點將計算機與非生物、非人造的事物區分開來，從復雜性科學的視角來看，也正是這一點讓它不一樣。

生物也給人以設計感。然而，水母的構造並非由工程師設計。雖然過去60年，分子遺傳學傢對水母的結構已經研究得非常清楚，但水母仍然是沒有預先設計的。當然現在我們知道瞭，是水母的DNA編碼信息與化學和物理定律的協同運作使得水母的形成成為可能。對於生物，必須有描述其自身並且經常是存於其自身的附加信息，這一點將生命的復雜性與岩石、天氣、太陽係這類事物的復雜性清晰地區分開來。因此我們必須追問，這些“附加”的信息從何而來？有意義的信息不會憑空産生，它肯定是來自某個地方。

再次歸功於遺傳學傢，他們研究瞭達爾文的自然選擇過程是如何作用於由不同個體組成的種群，發現生物種群中成員的DNA會隨時間變化。個體的DNA不會變化，但種群的DNA會隨時間改變。DNA的變化來自突變，然後經過自然選擇纍積，點滴增加的信息使得水母得以適應環境生存。種群中遺傳物質的隨機變化（生殖過程中産生的突變）受自然選擇的長期作用，就是創造所有生物所需的附加描述信息的來源。但是當工程師設計新的計算機或懸索橋時，附加的描述信息又來自哪裏呢？都是工程師憑空想齣來的嗎？顯然不是，後麵會解釋，當被視為計算時，文化和技術領域遵循的是與生物界同樣的運作模式。這意味著讓眾多復雜事物成為可能的所有附加信息是來自對隨機變化的纍積選擇。我將這個邏輯範式稱為“復雜引擎”。同樣的引擎驅動瞭生命的進化以及社會和技術的進步，我猜想人類的學習和創造性也是受其驅動。

信息是個時髦的詞：“我們生活在數字（信息）時代”，“生物學正在成為信息科學”，“最有希望統一廣義相對論和量子力學的是信息理論”——在這本書中，將許多事物具有的特殊復雜性與岩石、火星或半人馬座阿爾法星這類事物的普通復雜性區分開來的是“附加信息”。

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