動物的免疫系統依賴於被稱爲巨噬細胞的白細胞吞噬併吞噬入侵者。這些細胞有着堅定的決心和熱情: 在顯微鏡下，你可以看到一個像球狀的巨噬細胞在玻璃片上追逐一個細菌，它的獵物試圖通過紅細胞的障礙物逃跑時，而在它最終抓住這個流氓微生物並將其吞噬之前，它還會改變路線。
但是等一下: 這難道不是用荒謬的擬人化的方式來描述生物學過程嗎？單細胞沒有自己的思想——所以它們肯定沒有目標、決心和熱情？當我們把目標和目的歸因於這些原始的生物體時，難道我們不是屈服於一種幻覺嗎？
事實上，你可能會懷疑這是1944年一個經典心理學實驗的現實版本，這個實驗揭示了人類將於我們所看到的東西歸因於目標的結果的衝動。當 Fritz Heider 和 Marianne Simmel 向人們展示一部由一個圓圈和兩個三角形組成的粗糙的動畫電影時，大多數觀衆構建了一個關於追逐和拯救的戲劇性故事——即使他們只是觀察在空曠背景中移動的抽象的幾何圖形列表。
巨噬細胞追逐細菌，以及Fritz Heider 和 Marianne Simmel(1944)的框架。
然而，我們認爲巨噬細胞有目標和使命的感覺真的只是一種敘事投射嗎？畢竟，我們無法有意義地描述巨噬細胞是什麼，即使沒有提到它的目的: 它的存在正是爲了進行這種“尋找和破壞”的行動。
生物學最持久的困境之一是，它如何繞過這個描述的核心問題: 能動性，即生命實體爲了適應議程而改變其環境(和自身)的能力。一般來說，關於生物學的目標和目的的討論都會因引用的上述的描述而被忽略: 細胞和細菌並不真的“試圖”做任何事情，就像生物體不會“爲了”實現任何目標而進化(比如跑得更快以提高生存機率)。歸根結底，這一切都可以歸結爲基因和分子、化學和物理。事件的發展沒有任何目的或設計，但這欺騙了我們沉迷於敘事的頭腦，讓它們感知這些事情。
然而，恰恰相反，我們現在有越來越多的理由懷疑能動性是一種真正的自然現象。只要我們有一個合適的理論來解釋它是如何產生的，生物學就不會對此如此含糊其辭。不幸的是，目前還沒有這樣的理論存在，但是越來越多的人樂觀地認爲可以找到一種理論，而且，這種理論並不一定只適用於活的有機體。
能動性使一個實體能夠作爲自主行爲者，改變其行爲和環境以達到某些目的的真正原因，有助於調和生物學與令人煩惱的目的和功能概念之間的矛盾。
自下而上的能動性理論可以幫助我們解釋我們在生活中看到的東西，從細胞到社會，還有我們的一些“智能”機器和技術。我們開始懷疑人工智能系統是否會自己發展出能動性。但是如果我們不能說明什麼是能動性？我們又該如何回答上述問題了？夏威夷大學的物理學家 Susanne Still 說，只有當我們能從簡單的第一性原理導出複雜的行爲時，我們才能聲稱理解成爲一個具有能動性的個體需要什麼。到目前爲止，她承認這個問題仍然沒有解決。下面是一個解決方案可能會是什麼樣子的草圖。
生物學家Ernst Mayr在他的著作《生物學的獨特之處？(2004).他承認，生物學不能避免談到功能。我們的眼睛進化了，所以我們可以更好地駕馭我們的環境; 乳糖酶的功能是分解乳糖，等等。目標導向的行爲幾乎是理論生物學: 分子和細胞生物學家、神經科學家和遺傳學家的必需品，如果不採用這種思維模式幾乎無法完成他們的工作。
然而，他們往往很快堅持認爲，這只是一種比喻——一種解釋性的立場，僅此而已。有機體之所以這樣做，只是因爲它們的基因被自然選擇設定了這樣做的程序。
即使在人文科學領域，也存在對真正能動性概念的抵制。根據激進的行爲主義學說，一個由美國心理學家B F Skinner 在20世紀30年代發起，直到20世紀80年代一直是心理學的一個重要分支。動物行爲只是習得的(“條件”)行爲，訓練成最初的白板思維。即使在今天，人們也普遍不願意接受其他動物的認知過程就是真正自主的選擇。
現在流行的一種說法是，所有的生命體都是由基因構建的機器，理查德 · 道金斯這樣稱呼它們。對Mayr而言，生物學之所以在科學界獨樹一幟，恰恰是因爲它的研究對象擁有一個將明顯的目的、設計和能動性編碼到它們所做的事情中的程序。根據這種觀點，能動性實際上並不在行動的瞬間顯現，而是由我們的基因和進化歷史所喚起的幻影。
但是這種框架並不能解釋能動性，它只是試圖把它解釋清楚。個體基因沒有作用機制，因此能動性不能以任何明顯的方式從收集足夠數量的基因中產生。確定基因組的作用機制並不能告訴我們什麼是能動性或者是什麼使它顯現出來。
此外，基因並不能完全確定任何特定情況下的行爲結果——不僅僅是人類，甚至是非常簡單的有機體。
基因可以影響性情或傾向，但是即使一個生物體的最後一個細胞和基因都被研究，通常也不可能精確地預測它會做什麼。如果所有的行爲都是天生的，那麼個體生物就永遠不可能找到新奇問題的創造性解決方案，比如烏鴉塑造和使用即興工具獲取食物的能力。
這揭示了能動性的一個關鍵方面: 對新的和不可預見的情況作出選擇的能力。當一隻野兔被一隻狼追趕時，沒有什麼有意義的方法可以預測它會如何飛奔，如何變換方向，也沒有什麼方法可以預測它的策略是否足以躲避捕食者，而捕食者會做出相應的反應。野兔和狼都在行使他們的能動性。
沒有人能合理的假設巨噬細胞和狼在同樣豐富的認知環境中發揮作用，但有時候很難確定它們之間的區別。人們普遍認爲，複雜的能動性需要伴隨而來的複雜頭腦。例如，在通常平靜的植物生物學中，一場風暴正在肆虐，爭論植物是否具有知覺和意識。植物所做的一些事情——比如根據過去的經驗選擇生長方向——看起來像是有目的的甚至是“有意識的”行動，特別是因爲它們涉及神經元產生的電信號。
但是，如果我們把能動性分解成它的組成部分，我們就可以看到，即使沒有“思考”的頭腦，至少在傳統意義上，它也可能出現。能動性源於兩個因素: 第一，對相同(或相當)的刺激產生不同反應的能力，第二，以目標導向的方式在它們之間進行選擇。這兩種能力都不是人類所獨有的，也不是大腦所獨有的。
第一個要素，對給定刺激做出不同反應的能力，是最容易獲得的。它需要的僅僅是行爲的隨機性，就像擲硬幣一樣。這種不可預測性具有進化意義，因爲如果一個生物體總是以同樣的方式對刺激作出反應，它可能成爲捕食者的活靶子。這在自然界有時確實會發生: 某些種類的水生蛇觸發了可預見的魚類逃跑策略，直接把魚帶進蛇的嘴裏。
在看似相同的情況下反應不同的生物體更有可能智勝捕食者。例如，當蟑螂察覺到空氣流動，或多或少地向與氣流相反的方向移動時，它們會逃跑——但角度看起來是隨機的。果蠅在飛行時，甚至在沒有任何刺激的情況下，它們的轉身動作也會有一些隨機的變化; 這大概是因爲它們(比如說，在覓食時)可以擴大你的選擇範圍，而不需要依賴某些信號來這樣做。這種不可預測性甚至體現在一句名爲《哈佛動物行爲法則》(Harvard Law of Animal Behaviour)的格言中: “在精心控制的實驗環境下，動物可以隨心所欲地行事。”
纖毛蟲是一種單細胞水生生物，它是一種附着在表面的小喇叭狀細胞，看起來像海葵，這爲一種簡單的無腦生物體提供了一個突出的隨機性例子。當研究人員向它發射一束微小的塑料珠子，模仿掠食者的侵犯時，它有時作出反應收縮，有時分離和漂走，以不可預知的50:50的機率。顯然，你甚至不需要一個神經系統就可以隨機選擇。
自由選擇通常是需要努力的，包括對想象中的未來情景的有意識的沉思。
產生可供選擇的行爲並不等同於能動性，但它是一個必要的條件。真正的能動性在於從這一系列選擇中做出的選擇。這種選擇是有目的的: 有機體這樣做而不是那樣做，因爲它認爲這樣做會使它更有可能達到預期的結果。
英國華威大學的認知科學家 Thomas Hills 指出，對於人類來說，這種選擇過程通常需要專門的神經迴路進行大量的思考。對我們來說，自由選擇通常是需要努力的，包括基於過去經驗對想象中的未來場景的有意識的沉思。它要求我們有能力在我們的環境中構建一個自我的形象: 一個豐富的心智表徵，讓這些場景的想象足夠詳細，可靠地預測結果。
它還需要一種能力，即使面對分心和干擾，也能保持專注於我們的目標。所有這些都不是人類獨有的，Hills說，我們知道其他動物‘選擇性地重複與過去經歷相關的神經激活模式’ ，例如，就好像在爲未來類似的遭遇做準備。但是它可能需要一個特定的神經激活模式。
然而，如果我們認爲細胞和纖毛蟲具有能動性，我們就不能論證能動性依賴於認知資源。但是這些簡單的生物實體並不是唯一表現出選擇不同行爲的能力的，這種能力似乎存在於那些完全沒有明確生物特徵的系統中。
爲了抓住能動性的要害，我們需要把生物學拋在腦後。相反，我們可以透過統計物理學的棱鏡來看待能動性，並反思信息處理在帶來變化方面所起的作用。
這並不是一種新的方法。在19世紀中期，物理學家認爲宇宙中的所有變化都是由熱力學第二定律控制的，它指出這種變化必然導致熵的增加——寬泛地說，就是粒子之間無序的總量。這是因爲第二定律，熱量自發地從高溫區移動到低溫區。
在1867年，物理學家James Clerk Maxwell 提出了熱力學第二定律的一個漏洞。他想象一個巧妙的生物，後來被稱爲麥克斯韋惡魔。一個裝滿氣體粒子的盒子，被分成兩個部分。這個魔鬼操作着一種機制，通過讓冷粒子有選擇地穿過隔離牆上的活板門，從冷粒子中篩選出熱粒子。結果，熱的(運動較快的)粒子聚集在一邊，冷的(運動較慢的)粒子聚集在另一邊。正常情況下，第二定律指出了相反的事實: 熱量傳播和消散，直到氣體有一個統一的溫度。
思想實驗中的魔鬼通過獲得關於粒子運動的微觀信息，打破了這一熱力學定律——這些信息是我們永遠無法感知到的。顯而易見的是，這個惡魔在利用這些信息的過程中表現出了自己的能動性。它有一個目標，爲了達到這個目標，它選擇打開一些粒子的活板門，而不是其他粒子的活板門——這不僅取決於它們的能量，還取決於它們在哪個隔間裏。
爲了試圖理解麥克斯韋假想的惡魔是否真的破壞了第二定律，後來科學家們用一種假想的機制取代了定義模糊、反覆無常的惡魔。你可以用一個相當簡單的電子控制的活板門，比如說，再加上能感知粒子速度或能量的裝置。這相當於有意識地根據目的: 從環境中收集的信息將如何用於決定行動方向(是否打開活板門)。然後，惡魔就變成了一個“信息引擎” : 一種利用信息來完成工作的機制(在這裏，建立一個熱氣庫)。
這個缺失的環節可以讓生物學不再假裝能動性只是一個方便的虛構。
正是通過這種方式使惡魔自動化，它最終被馴服了。上世紀60年代，物理學家羅爾夫 · 蘭道爾(Rolf Landauer)指出，惡魔機器最終將不得不補償由於熱分子和冷分子分離而積累起來的熵損失。爲了利用它收集到的關於粒子運動的信息，該設備必須首先將它們記錄在某種存儲器中。
但是任何真正的存儲器都有一個有限的容量——一盒氣體包含許多分子。因此，記憶必須時不時地被擦除，以便爲新信息騰出空間。蘭道爾指出，這種消除有着不可避免的熵開銷。所有因冷熱分離而損失的熵都通過重置記憶得到補償。
蘭道爾的分析揭示了熱力學和信息之間的深層聯繫。信息——更具體地說，儲存環境信息的能力——是一種必須不斷補充的燃料。
這個惡魔所達到的，正是物理學家埃爾溫·薛定諤在20世紀40年代所確定的生命有機體的特徵: 面對第二定律的侵蝕，它創造並維持秩序。儘管他不是第一個這樣做的人，但薛定諤指出，生物體最終也必須通過增加周圍環境的熵來爲其內部組織和秩序買單——這就是爲什麼我們的身體會產生熱量。他開創性的著作《生命是什麼》，基於一系列的演講，對幾個科學家產生了巨大的影響，他們從物理學轉向思考生命是如何運作的——包括弗朗西斯 · 克里克，他和詹姆斯 · 沃森在1953年發現了 DNA 的結構。
薛定諤認爲，表面上的生命能動性完全是通過編碼指令來維持的，這些指令指明瞭生命對環境的反應。當然，機械讀出的指令由進化塑造，並以某種分子形式儲存——薛定諤稱之爲“非週期晶體” ，克里克和沃森認爲這就是 DNA ——解釋了生物是如何工作的。但是，這種觀點沒有爲真正能動性具有的偶然性、情境性和多面性操作留下餘地，因爲能動性有一個目標，但沒有達到目標的規定路徑。
這是科學界錯失的重大機遇之一，薛定諤未能將他對生命的觀點與他的物理學家同事對麥克斯韋魔鬼所做的工作聯繫起來。這就是缺失的一環，它可以讓生物學不再假裝能動性只是一個方便的虛構，是進化的幻覺。複雜系統理論學家斯圖爾特 · 考夫曼(Stuart Kauffman)和哲學家菲利普 · 克萊頓(Philip Clayton)說，“完全理解生物能動性所需要的東西還沒有形成: 一個適當的組織理論。”
隨着科學家們在探索信息論、熱力學和生命的交叉學科中取得的進展，組織、信息和能動性之間的聯繫終於開始顯現。2012年，Susanne Still 與加利福尼亞州勞倫斯伯克利國家實驗室的 Gavin Crooks 和其他人一起工作，展示了爲什麼一個目標導向的實體如細胞、動物甚至一個小魔鬼擁有記憶是至關重要的。有了記憶，任何有能動性的個體都可以存儲對環境的表徵，然後可以利用這些表徵對未來進行預測，使其能夠預測、準備並儘可能最好地利用其能量——也就是說，有效運作。
能量效率顯然是生物進化的一個重要目標: 一個浪費能量較少的有機體可以花費較少的時間來獲取能量。能源效率在技術上也是至關重要的。19世紀早期，提高機器效率的願望推動了熱力學的發現。這些原理揭示了，如果沒有熵的代價，就不可能做任何有用的工作，你的效率越高，越少的能量就會作爲無用的熱量消耗掉。
麥克斯韋的惡魔沒能逃脫熵增，因爲它的記憶是有限的，最終必須被清除。即便如此，這個惡魔還是意識到了這是任何生物都無法企及的分子層面上的事件，這也使得它能夠控制在我們看來像是隨機混亂的粒子運動。但是，如何才能最好地實現你的目標呢? 如何才能最大限度地利用你的能動性呢？這就是預測和期待的價值所在。
“大多數真實的系統，尤其是生物系統，都有“感知過濾器” ，”斯蒂爾說，“這意味着他們無法進入真實世界的潛在真實狀態，只能測量其中的某些方面。”。他們被迫在局部知識的基礎上進行操作，需要進行推理。”
通過考慮現實世界的“信息引擎”。如何應對世界無法被完整觀察這一事實，克魯克斯和他們的同事發現，效率取決於一種能力，這種能力只關注那些對預測不久後環境會變成什麼樣子有用的信息，並過濾掉其餘的信息。換句話說，這是一個識別和存儲有意義信息的問題: 那些對實現你的目標有用的信息。研究人員發現，有能動性的個體在其記憶中存儲的“無用”信息越多，其行動的效率就越低。簡而言之，有效的能動性意味着一個有辨別力的人。
然而這樣的解釋任然不完美。一般來說，環境不是一個靜態的，而是能動者經由自身影響的。因此，僅僅瞭解環境的本來面目是不夠的，因爲，斯蒂爾說，“我們的認知行爲改變了我們要了解的過程。”。這就產生了一個更加棘手的情況。能動者可能面臨着適應環境或採取行動改變這些環境的選擇: 她們有時繞過一個障礙，有時試圖跨越它。
看起來，即使是“最小的代理人”也能找到創造性的策略，而根本不必有任何真正的認知。
更重要的是，只有當環境能夠適應這種策略時，採取行動纔是有效的。比如說，試圖以比周圍環境對這些努力的反應更快的速度做出改變是沒有意義的。正如斯蒂爾所說: “在特定的動作序列和環境的動態之間可能存在某種‘阻抗匹配。”在現實生活中，能動者可能不得不在幾個相互衝突的目標之間找到妥協。斯蒂爾說，她現在正在積極研究能動者如何處理這些問題。
然而，如果一個能動者沒有爲它將遇到的每一種可能性進行預先編程，它又如何能夠找到實現其目標的方法呢？對於人類來說，這往往來自深思熟慮、經驗和本能的混合。然而，似乎即使是“最小的代理人”也能找到創造性的策略，而根本沒有任何真正的認知。2013年，哈佛大學的計算機科學家Alex Wissner-Gross和麻省理工學院的Cameron Freer展示了一個簡單的優化規則，可以在沒有生物內容的簡單物體上產生非常逼真的行爲: 例如，引導它們合作完成一項任務，或顯然是將其他物體作爲工具。
Wissner-Gross 和 Freer 對在二維空間中移動的圓盤進行了計算機模擬，有點像細胞或細菌在玻璃片上游動。磁盤可以沿着空間中的任何路徑前進，但是要遵循一個簡單的總體規則: 磁盤的運動和相互作用必須在特定的時間窗口內最大化它所產生的熵。粗略地說，這往往需要保持開放的對象可能如何移動的最大數量的選擇-例如，它可能選擇留在開放的領域，避免陷入密閉的空間。這個要求就所謂的“熵力”引導物體的運動。
奇怪的是，產生的行爲看起來像是明智的選擇，是爲了確保一個目標。在一個例子中，一個大磁盤“使用”一個小磁盤從一個狹窄的管道中提取第二個小磁盤——這個過程看起來非常像工具使用。在另一個例子中，位於不同隔間中的兩個磁盤同步移動，以操縱一個較大的磁盤進入它們可以與其互動的位置——這種行爲看起來像是社會合作。
這些場景的計算機模擬讓人聯想到海德和西梅爾的動畫。但這種比較是有誤導性的，因爲1944年的那個實驗確實體現了隱藏的意圖——這些動作是由人類精確設計的，目的是在觀察者的眼中引出物體的能動性。相比之下，Wissner-Gross 和 Freer 的模型只是爲系統的總熵隨時間的變化規定了一個數學公式。實際上，這些能動者利用他們的能力來投射他們的行動到未來-計算出熵的後果-來做出他們的“選擇”。
在現實世界中，自主進行這種計算的對象需要以某種內部方式來表示其環境中可能的軌跡——也就是說，一種工作記憶。他們還需要固有的計算資源來計算可能的結果。但是 Wissner-Gross 和 Freer 的模型從來沒有被認爲能夠提供一個生物學中的現實場景。相反，關鍵點在於，解決表面上複雜問題所需的能動機，能夠從極其簡單的熵規則中顯現出來。這種說法並不是說生物機能真的是以這種方式產生的，而是說簡單的物理原理，而不是認知的複雜性，足以產生複雜的、目標導向的行爲。
這裏，我們可以講述一個可能的故事，關於真正的生物的能動性是如何產生的，而不依賴於神祕主義。進化創造並強化了目標——比如說，能源效率——但沒有具體說明實現這些目標的方法。相反，爲了效率而選擇的生物體將進化出一種記憶，以存儲和表示其環境中對這一目的顯著的方面。這就是爲能動性創造原材料的原因。
與此同時，一個被選擇來避免被捕食或有效搜尋的生物體將進化出一種能力，來產生其他的行動過程，以促成基本相同的刺激模式: 創造選擇和靈活性。起初，他們之間的選擇可能是隨機的。但是有記憶的生物體能夠根據自身對環境的內在表徵，對其他行爲進行思考，從而做出更有效的選擇。大腦對此並非必不可少(儘管它們可以提供幫助)。簡而言之，這就是能動性。
當然，事情可能不會這樣發生。但是這樣一幅圖景的優點是將複雜的能動性分解成簡單的過程，而不依賴於高度特定(甚至是“有機”的)硬件。它還反映了複雜認知經常似乎是從爲其他目的而產生的混合能力演化而來的方式。
至少，最新的研究表明，把能動性僅僅看作是盲目進化力量的一個好奇的副產品是錯誤的。我們也不應該相信這是我們把人類特性投射到世界上的傾向所產生的幻覺。相反，能動性似乎是一個偶然出現的性質，以及一個我們在解釋因果關係，常常自然引用的概念。
一個真正的能動性理論可能最終有助於澄清科學可以對自由意志說些什麼。
如果我們想要解釋爲什麼火山岩會出現在一個特定的地點，我們可以用純粹的力學來講述其中的因果關係，而不涉及能動性，例如在地球深處的分子運動，伴隨着重力，產生了岩石的對流流動，將岩漿帶到了地表。然而，如果我們想要解釋爲什麼一個鳥巢會在一個特定的地點如果不提及鳥築巢的目的，只描述什麼力量作用在樹枝上把它們送到那裏，這個解釋是不完整的。
一個關於巢穴爲何出現的因果解釋不可能總是自下而上的。都柏林三一學院的神經科學家 Kevin Mitchell 說: 能動性是宇宙萬物的起因。
你可能會說，機械式的描述仍然適用於鳥巢，但它只是需要一個更大的描述視角: 比如說，從生命的起源開始。但是，如果它想要有一個真正的解釋，來爲這個橡樹枝上的鳥巢的存在提供一個“爲什麼”的話，沒有任何這種巴洛克式的細緻入微的觀點可以避免談論鳥類的能動性的必要性。能動性是湧現屬性的一個典型例子，湧現屬性產生於但並不完全(也許根本不是)由更“基本”成分的屬性所解釋。
一個真正的能動性理論可能最終有助於澄清科學可以對自由意志說些什麼。因爲這可以說只不過是一種能動性: 一種以有目的的方式做出影響世界的決定的能力，並且意識到我們自己正在這樣做。按照這種觀點，自由意志問題並沒有給意識問題增加任何新的障礙。此外，引入能動性允許從進化論和神經科學的角度來考慮自由意志，這與決定論的哲學問題不同。
所有這一切的關鍵點在於，像能動性一樣的意識，甚至生命本身，不僅僅是你可以通過觀察細節而感知到的東西。當足夠多的粒子聚集在一起時，這些粒子的表現就好像它們是能動者，甚至是有意識的代理者，這也不是什麼二階效應。能動性本身就是真實存在的，不應該被忽略。那些反對者之所以能夠這樣做，只是因爲迄今爲止我們還沒有找到足夠的理論來解釋能動性是如何產生的。但也許那只是因爲我們直到現在還沒能在正確的地方找到它們。
本文翻譯自：https://aeon.co/essays/the-biological-research-putting-purpose-back-into-life
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