最古老的表现出学习行为的生命是什么?
要确定“最古老的表现出学习行为的生命”是一个非常有趣且复杂的科学问题，它触及到了我们对生命、智能和进化的理解的根源。要回答这个问题，我们需要深入探讨地球早期生命史的奥秘，以及我们如何定义“学习”这个概念。
首先，我们需要明确我们所说的“学习行为”是什么意思。在生物学领域，学习通常被定义为一种通过经验改变行为的能力。这可能包括从简单的关联记忆，到更复杂的解决问题和适应环境。当我们追溯到生命最早期的时候，我们谈论的“生命”指的是什么呢？那时的生命形式与我们今天所知的复杂生物相去甚远，它们可能是极其简单的单细胞生物，甚至是构成它们的分子。
回溯到生命的黎明：原核生物的世界
地球的历史大约有45亿年，而最早的生命迹象则可以追溯到大约35亿到40亿年前。这些最早的生命很可能是 古菌（Archaea） 和 细菌（Bacteria） 这类 原核生物（Prokaryotes）。它们是极其简单的生命形式，没有细胞核，也没有其他复杂的细胞器。它们在当时的地球环境中生存，那个环境与今天大相径庭：地表可能充斥着火山活动，大气中氧气含量极低，但富含甲烷、二氧化碳和其他气体，并且可能存在大量的紫外线辐射。
那么，在如此原始的生命中，我们能找到学习的痕迹吗？
化学趋化性 (Chemotaxis): 这是早期生命可能表现出的最基本的一种“学习”行为。想象一下，一个单细胞生物漂浮在海洋中。它可以通过感知周围化学物质的浓度来决定是向某个方向移动还是停止。例如，如果它感知到一种它能利用的营养物质的浓度在增加，它就会倾向于朝那个方向游动；反之，如果它感知到有毒物质的浓度升高，它就会避开。这种行为并非简单的随机运动，而是对环境信号的一种反应，并且可以通过“经验”（即长期暴露在特定化学梯度中）进行优化。
更进一步说，这种趋化性可以被看作是一种非常基础的“关联学习”。如果某种化学物质A总是伴随着营养物质B的出现，那么生命体可能会学会将化学物质A与获得能量联系起来。虽然这与我们今天理解的复杂学习过程相去甚远，但在最基本的层面上，它确实体现了生命体通过与环境互动来调整其行为模式的能力。
基因调控和适应性进化: 虽然这更像是群体层面的适应，但也可以看作是生命对环境“学习”的宏观体现。当环境发生变化时，那些具有更有利于新环境的基因突变的个体更有可能生存和繁殖。随着时间的推移，整个种群的基因库会发生变化，以更好地适应环境。这种“学习”发生在基因层面，是自然选择的驱动，虽然不是个体的意识学习，但却是生命体作为整体对环境压力的反应。
更进一步的思考：什么是“学习”？
要找到“最古老的学习行为”，我们必须面对一个棘手的问题：我们如何区分简单的反射性反应和真正的“学习”？
反射性行为: 比如，一个单细胞生物遇到一个障碍物就改变方向。这可能只是一个物理上的直接反应，不需要任何记忆或经验的累积。
学习行为: 比如，这个单细胞生物多次遇到同样的障碍物后，逐渐学会了提前绕开它，而不是每次都先撞上再改变方向。这就涉及到一种对过去经验的“记忆”和“利用”。
在非常早期的生命形式中，这种区分变得非常模糊。它们没有神经系统，没有大脑，我们无法从行为模式上直接观察到类似高等动物的学习过程。我们只能通过推断和比较来理解。
证据的来源与挑战
我们对这些最早期生命的学习行为的理解，主要来自于：
1. 古生物学: 通过研究化石，我们可以了解早期生命的形态和生存环境，但很难直接揭示它们的行为细节，更不用说学习了。
2. 分子生物学和进化生物学: 通过比较现代原核生物（如细菌和古菌）的行为和基因，我们可以推断出它们共同祖先可能具备的能力。例如，今天许多细菌仍然表现出复杂的趋化性行为，并且这些行为背后的分子机制在进化上是保守的。
3. 生物物理学和数学模型: 科学家们可以通过构建模型来模拟早期生命可能如何与环境互动，以及它们如何通过简单的机制来优化生存机会。
结论：可能的候选者与不确定性
基于目前的科学认识，要给出一个确切的“最古老的学习行为的生命”是困难的。但我们可以推测，那些最早的能够进行 化学趋化性 并通过积累“经验”（即环境信号的重复出现）来优化其移动模式的 单细胞原核生物（可能是古菌或细菌的早期祖先），是最有可能展现出最原始形式的学习行为的生命。
它们可能通过在细胞膜上特殊的蛋白质受体，感知环境中营养物质的梯度，并据此调整其鞭毛的运动模式。当它们沿着营养物质梯度前进时，这种运动会得到加强；反之，如果它们朝错误的方向移动，这种运动模式可能会被抑制或改变。这种持续的反馈和调整，可以被看作是生命早期对环境最基本的一种“学习”机制，是它们能够在充满挑战的早期地球环境中生存和进化的关键。
然而，必须强调的是，我们今天对这些早期生命的学习行为的理解，很大程度上是基于我们对现代生物行为和分子机制的类比推断。直接的证据非常难以获得，因为这些最古老的生命体早已消失，留下的痕迹也极其稀少和难以解读。科学界对学习的定义本身也在不断深化，尤其是当我们将其应用于非神经系统的生命形式时。
总而言之，如果我们从“通过经验改变行为”这个宽泛的定义出发，那么最古老的表现出学习行为的生命，很可能是一些拥有复杂化学感知和运动调节能力的早期单细胞原核生物。它们通过对化学信号的响应和优化，展示了生命最基础的适应能力，这可以被视为学习的萌芽。
首先，我们需要明确我们所说的“学习行为”是什么意思。在生物学领域，学习通常被定义为一种通过经验改变行为的能力。这可能包括从简单的关联记忆，到更复杂的解决问题和适应环境。当我们追溯到生命最早期的时候，我们谈论的“生命”指的是什么呢？那时的生命形式与我们今天所知的复杂生物相去甚远，它们可能是极其简单的单细胞生物，甚至是构成它们的分子。
回溯到生命的黎明：原核生物的世界
地球的历史大约有45亿年，而最早的生命迹象则可以追溯到大约35亿到40亿年前。这些最早的生命很可能是 古菌（Archaea） 和 细菌（Bacteria） 这类 原核生物（Prokaryotes）。它们是极其简单的生命形式，没有细胞核，也没有其他复杂的细胞器。它们在当时的地球环境中生存，那个环境与今天大相径庭：地表可能充斥着火山活动，大气中氧气含量极低，但富含甲烷、二氧化碳和其他气体，并且可能存在大量的紫外线辐射。
那么，在如此原始的生命中，我们能找到学习的痕迹吗？
化学趋化性 (Chemotaxis): 这是早期生命可能表现出的最基本的一种“学习”行为。想象一下，一个单细胞生物漂浮在海洋中。它可以通过感知周围化学物质的浓度来决定是向某个方向移动还是停止。例如，如果它感知到一种它能利用的营养物质的浓度在增加，它就会倾向于朝那个方向游动；反之，如果它感知到有毒物质的浓度升高，它就会避开。这种行为并非简单的随机运动，而是对环境信号的一种反应，并且可以通过“经验”（即长期暴露在特定化学梯度中）进行优化。
更进一步说，这种趋化性可以被看作是一种非常基础的“关联学习”。如果某种化学物质A总是伴随着营养物质B的出现，那么生命体可能会学会将化学物质A与获得能量联系起来。虽然这与我们今天理解的复杂学习过程相去甚远，但在最基本的层面上，它确实体现了生命体通过与环境互动来调整其行为模式的能力。
基因调控和适应性进化: 虽然这更像是群体层面的适应，但也可以看作是生命对环境“学习”的宏观体现。当环境发生变化时，那些具有更有利于新环境的基因突变的个体更有可能生存和繁殖。随着时间的推移，整个种群的基因库会发生变化，以更好地适应环境。这种“学习”发生在基因层面，是自然选择的驱动，虽然不是个体的意识学习，但却是生命体作为整体对环境压力的反应。
更进一步的思考：什么是“学习”？
要找到“最古老的学习行为”，我们必须面对一个棘手的问题：我们如何区分简单的反射性反应和真正的“学习”？
反射性行为: 比如，一个单细胞生物遇到一个障碍物就改变方向。这可能只是一个物理上的直接反应，不需要任何记忆或经验的累积。
学习行为: 比如，这个单细胞生物多次遇到同样的障碍物后，逐渐学会了提前绕开它，而不是每次都先撞上再改变方向。这就涉及到一种对过去经验的“记忆”和“利用”。
在非常早期的生命形式中，这种区分变得非常模糊。它们没有神经系统，没有大脑，我们无法从行为模式上直接观察到类似高等动物的学习过程。我们只能通过推断和比较来理解。
证据的来源与挑战
我们对这些最早期生命的学习行为的理解，主要来自于：
1. 古生物学: 通过研究化石，我们可以了解早期生命的形态和生存环境，但很难直接揭示它们的行为细节，更不用说学习了。
2. 分子生物学和进化生物学: 通过比较现代原核生物（如细菌和古菌）的行为和基因，我们可以推断出它们共同祖先可能具备的能力。例如，今天许多细菌仍然表现出复杂的趋化性行为，并且这些行为背后的分子机制在进化上是保守的。
3. 生物物理学和数学模型: 科学家们可以通过构建模型来模拟早期生命可能如何与环境互动，以及它们如何通过简单的机制来优化生存机会。
结论：可能的候选者与不确定性
基于目前的科学认识，要给出一个确切的“最古老的学习行为的生命”是困难的。但我们可以推测，那些最早的能够进行 化学趋化性 并通过积累“经验”（即环境信号的重复出现）来优化其移动模式的 单细胞原核生物（可能是古菌或细菌的早期祖先），是最有可能展现出最原始形式的学习行为的生命。
它们可能通过在细胞膜上特殊的蛋白质受体，感知环境中营养物质的梯度，并据此调整其鞭毛的运动模式。当它们沿着营养物质梯度前进时，这种运动会得到加强；反之，如果它们朝错误的方向移动，这种运动模式可能会被抑制或改变。这种持续的反馈和调整，可以被看作是生命早期对环境最基本的一种“学习”机制，是它们能够在充满挑战的早期地球环境中生存和进化的关键。
然而，必须强调的是，我们今天对这些早期生命的学习行为的理解，很大程度上是基于我们对现代生物行为和分子机制的类比推断。直接的证据非常难以获得，因为这些最古老的生命体早已消失，留下的痕迹也极其稀少和难以解读。科学界对学习的定义本身也在不断深化，尤其是当我们将其应用于非神经系统的生命形式时。
总而言之，如果我们从“通过经验改变行为”这个宽泛的定义出发，那么最古老的表现出学习行为的生命，很可能是一些拥有复杂化学感知和运动调节能力的早期单细胞原核生物。它们通过对化学信号的响应和优化，展示了生命最基础的适应能力，这可以被视为学习的萌芽。
网友意见
起码是细菌。
大肠杆菌菌落可以在数星期内将较高温度（例如人类口腔中的体温）与缺氧（例如人类肠道中的）关联起来，暴露在较高温度下时改变新陈代谢来应对“预期会到来的”缺氧[1]。还有许多细菌（包括一些蓝菌）可以像这样将数个环境要素的变化规律写入表观遗传修饰（并有概率固定为序列变化），在今后遇到类似的环境要素时套用对策。你可以将这些视为“学习行为”。这就将“最古老的、表现出学习行为的生命”至少追溯到 21 亿年前、有可能追溯到 35 亿年前乃至更早了。
你可以讨论 LUCA 本身是否已经具有这种程度的学习能力，还有“这相关的分子机制是否来自 LUCA 前的生命”，配上分子钟指示的 45 亿岁的 LUCA。
你喜欢的话，我支持你讨论暴胀时期随机涌现的玻尔兹曼生命。可以是永恒暴胀。
在二十世纪末到二十一世纪初，人们通常会说人的学习涉及输入信息后神经细胞之间的连接及其变化（建立新连接、连接的持续存在、连接的强化·弱化·消失等）。我在这里谈论的微生物的学习涉及输入信息后核酸储存的信息、“核酸与蛋白质”之间的互动及其变化——显然，你可以发现，人的神经细胞之间的连接及其变化是涉及核酸储存的信息、“核酸与蛋白质”之间的互动及其变化的。
参考
- ^ Hopkin, M. Bacteria 'can learn'. Nature (2008). https://doi.org/10.1038/news.2007.360
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