生命体可以用数学来解释吗？ 第1页

可以。生物的行为及其物质基础可以被数学模型描述。生物力学实验得到的数据可以用来计算求出生物身体的各项性能。

采用道金斯的生命定义（生命是自然选择塑造的信息），元胞自动机也可以视为生命，那是数学创造的东西，更是理所当然用数学解释。

一个系统是复杂的，不代表其行为模式无法被简单得多的模型预测。“大数据”给人的喜好建模并推送商品之类就不用多说了，将小鼠的行为按物理临界系统进行建模业已取得进展，模型简单得出乎意料^[1]。

复杂一点的模型也是有的。2019 年，人已经很好地模拟了秀丽隐杆线虫的 302~381 个神经元和它们之间的约 7000 个连接^[2]。

秀丽隐杆线虫是人类手中第一种完成全基因组测序的多细胞真核生物、第一个将体内所有细胞归类完毕的多细胞真核生物、第一个完成神经元连接组测定的生物。它身长约 1.5 毫米，体内共有约 959~1090 个细胞。
2013 年，Ryan Merkley 等发起 Openworm 项目^[3]，希望模拟秀丽隐杆线虫的神经环来操纵机械。
实验证明，让这个模拟线虫神经系统操作的机器，运动起来的行为类似线虫，不需要传统机器学习的大量数据训练，通过传感器探测到障碍物后会立即自己指挥轮子转向。
对果蝇、蜜蜂、斑马鱼等生物的研究也已经在进行了。

蚂蚁、白蚁的筑巢都使用与元胞自动机类似的简单规则：

• 以基本固定的频率拿起材料并移动一段距离后放下，一般每分钟搬运2块材料。
• 在信息素标记下，优先从已经被拿过材料的地方拿起材料（这会引起舱室徐徐扩大），优先拿已经被拿过的材料（这会让堵塞通道的材料被很快移走），优先放在被拿过的材料附近（这会将材料堆起来形成支柱）。
• 移动方向和距离有一定的随机性。信息素的蒸发速度会影响支柱的布局，因此温度和湿度会影响巢穴的结构。

复杂的巢穴就是在这些简单规则下运行的大规模混沌整出来的，对每个个体来说，自己要执行的任务是简单而具体的。研究人员已经在计算机模拟中使用上述规则创造出非常像自然界的蚂蚁窝的结构，不需要给程序任何建筑学知识。该方法在现实中也可以用于机器人^[4]。

这不限于拿材料筑巢。行军蚁的肉身桥梁、火蚁的肉身筏子都是用简单的规则创造的。

桥梁的规则：发现路线上有缝隙就开始建造。一段时间内有其他个体通过产生的压力，就保持自己的位置。一段时间内没有其他个体通过，则拆除。由于一只蚂蚁可以承载一百只蚂蚁通过造成的压力，该构造非常有效。个体不需要知道桥的规模有多大、自己在桥的什么部位、其他个体在做什么。

筏子的规则：群体落入水中后，未定位的个体随机走动，抵达群体边缘后与其它个体多点连接、垂直定位。这让群体迅速摊开为“彼此间 75% 的空间被空气填充”的薄饼状，拥有稳定的浮力，并可以让位于构造底部的个体都有足够的氧气供应。个体不需要知道筏子有多大、自己在筏子的什么部位、其他个体在干什么^[5]。

参考

1. ^ Latent Dynamical Variables Produce Signatures of Spatiotemporal Criticality in Large Biological Systems Mia C. Morrell, Audrey J. Sederberg, and Ilya NemenmanPhys. Rev. Lett. 126, 118302 - Published 17 March 2021 http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.118302
2. ^ https://doi.org/10.1038/s41586-019-1352-7
3. ^ http://openworm.org/
4. ^ Gibney, E. Termite-inspired robots build castles. Nature (2014). https://doi.org/10.1038/nature.2014.14713
5. ^ https://www.nature.com/news/secrets-of-ant-rafts-revealed-1.15400