交叉学科复杂系统研究领域的出现以及计算和进化观念的结合开始深刻影响生物学、物理学、经济学、管理学和社会学等学科，这是一次正在进行的重大的科学认知范式的转换，它不仅会改变科学，也会改变人类对自身境况的认知。约翰·E.梅菲尔德著的这本《复杂的引擎》则是对这个新的科学认知范式的最好的阐释之一。

演化和复杂性的观念已成为知识的一部分，影响了生命科学、社会和行为科学、管理科学和经济学等诸多领域。在《复杂的引擎》这本书中，作者约翰·E.梅菲尔德将多个学科的核心思想优雅地结合到一起，以信息和计算为基础，阐释了复杂生命、结构、组织和社会秩序的产生和演化。

引言

第1章 问题

第2章 计算

第3章 免费的结构

第4章 目的性结构

第5章 无概率性和复杂引擎

第6章 算法进化

第7章 身体内的进化

第8章 控制循环

第9章 复杂系统

第10章 人类学习和创造性

第11章 文化的进化

第12章 复杂性的进化

第13章 过去和现在

第14章 未来

致谢

注释

名词解释

参考文献

译名表

假设你是一个研究地球的外星科学家。你通过仪器发现。大气层完全背离化学平衡，氧气偏高，二氧化碳偏低。与附近的行星比起来，金星的二氧化碳浓度要高20000倍，并且没有自由氧。地球还发射各种波长的电磁信号，有些地方晚上还发光，而地表岩石的温度又没有到能发光的程度。拉近一点观察，发现有细长的带状物，长达数千千米，还有摩天大楼，以及植物组成的生态系统。再近一点。发现数以亿计的功能生命体。许多植物能产生极为复杂的化学反应，利用太阳光的能量合成各种化合物，释放氧气。动物则吃植物或动物，呼吸氧气，并进行同样复杂的连锁化学反应，将植物化学结构转化为动物化学结构，并暂时储存活动所需的化学自由能。还不仅如此。其中一种十分成功的动物还创造了结构复杂的非生命体，能极大地拓展其身体和心智能力。这个物种为了自身的利益改变了自然环境。显眼的道路和摩天大楼就是改变环境的两个例子。这个物种还发展了复杂的通信方式，并且创建了复杂的社会组织。一个星际旅行的外来观察者会马上意识到这繁盛的复杂性表明这个星球已经出现了进化系统。为什么她会得出这样的结论呢？这就是这本书要回答的问题。

人类已经发射了航天器探测金星、火星、木星和土星的卫星土卫六，并且在地球上和太空中架设仪器研究行星和它们的卫星。除了水星。所有行星都有大气层；除了月球，所有大一点的卫星也都有大气层。只要不是表层太软无法支撑结构，我们观察到的行星都有山脉和火山。有一些卫星还覆盖有厚厚的冰层，木星的卫星木卫一上还有硫火山。科学家发现了各种陌生或熟悉的现象，但是都能通过已知的化学和物理定律在一定条件下的长期作用得到解释。可解释事件的链条可以一直回溯到时间的开端，但如果某个事件所需的条件产生的概率极低。就无法用这种方式解释。不可能的事件一直在发生。目前科学还不能解释一切，但没有理由认为，奇迹或概率极低的事件能在字宙历史中的某时某处发生。

地球不同于我们研究过的其他行星。虽然我们所知的世界里没有什么违反科学定律，但化学和物理课本却不能完全解iPod、花草和贝多芬交响曲。化学和物理定律允许它们的存在，但却不能预测它们的出现，这些事物通过随机组合出现的概率低得难以想象，然而它们却随处可见。

显然生命的存在改变了概率的计算，但这是怎么做到的呢？生命似乎能创造无穷无尽的特征，这些特征无法用化学和物理定律进行预测，是什么赋予了生命这个能力？生命的存在又是如何预示摩天大楼和计算机的出现？光合作用和芝加哥西尔斯大厦有什么共同的原理是火星上没有的？又是什么让我们将一些事物，尤其是人类的天才创造，与非生物自然的产物区分开来呢？

为了富有成效地探讨这些问题，我们需要特别的视角。首先我们需要将事物分成更小的部分。这并不新鲜。希腊原子学派哲学家在公元前5世纪就认为所有事物都是由微小粒子（虚空中的原子）组成，而各种物体则是由原子随机组合而成。虽然时间久远，这个思想的一部分却仍在科学和哲学中回响。

现代观点认为物体是由原子和分子组成。组分的随机组合肯定会创造出许多不同的东西。如果有合适的组分，通过随机组合。经过足够长的时间，应当能产生出任何能想到的事物。从这个意义上说。随机蕴含万物。但很久以前柏拉图和亚里士多德就认识到，困难在于不受约束的随机很少能产生有趣的东西。如果组分的数量很多。那么任何特定形态的形成都会极不可能。将事物毫无意义地组合到一起的方式是如此之多，以至于要想见到特定的结构自发出现，等待的时间可能比字宙存在的时间还要长亿万倍。

我们倾向关注的事物大部分都具有复杂的历史，并表现出具有高度针对性的复杂特征。现实世界中的许多结构让人明显感觉到具有目的性。它们似乎是为了某种目的设计出来的，或者为了适应某物，或者至少是在某种背景下“具有意义”。这引出了另一个问题：目的性有科学的解释吗？答案是：进化过程会自然产生出我们认为具有目的性的特性。

P11-13

像我们自身这样复杂的事物是怎么可能出现的？这个问题困扰了数个世纪来最杰出的一些思想家。复杂性的本质问题带来了理论和方法上的挑战。人们对复杂性提出了许多定义，其中很多都不能量化，无法对这种属性进行度量。我认为，信息、复杂和进化的概念在其中相互缠绕，只有综合考虑，对它们的认识才可能形成突破。而将它们结合到一起的是计算的概念。

极为复杂的事物随处可见。动植物就是明显的例子，还有许多人类发明的事物，例如航天飞机、美国国防部，以及现代汽车制造业背后的供应链。一些无生命、非人造的事物显得也很复杂，例如星系和山脉。有没有可行的方法比较人类和银河系的复杂性？或者珊瑚礁和超级计算机的复杂性？

解决与复杂性有关的问题不是件容易的事情。传统方法——常被称为复杂性科学——采取的是高度数学化的方法。许多专家的背景是物理学，虽然经常会涉及经济和社会系统，但研究的对象多来自非生物领域。我选取了不同的路径，一条偏向哲学和生物学，另一条避开数学，两条路径互为补充。非数学化的方法解释了数学方法曾试图解释的许多事物，反过来又说明了传统的数学为何有时候无效。这本书虽然没有什么公式，但并不是因为反感数学。书中的思想建立在计算理论的基础之上，这是高度专业化的数学分支。不包含公式，是因为在理解相关概念时，它们不是必需的，并且数学推导会给许多读者造成障碍。我希望能让非专业读者也能理解一些基本的计算概念，这些概念虽然本质上极为数学化，但其主要思想却可以用非数学的语言进行阐释。

理查德·道金斯于1986年出版的获奖图书《盲眼钟表匠》部分触及了复杂性问题。他意识到，我们真正想知道的不是如何度量复杂性，而是复杂事物是如何形成的。他指出，一些复杂事物有预先设计，而另一些则没有。计算机的出现是因为工程师的设计。一块嵌满水晶的岩石也很复杂，却没有科学意义上的预先设计；它只是一定条件下一系列自然力量长期作用的产物，而这些条件本身又是一系列长期的自然过程的结果。岩石和计算机都遵循物理定律，但创造计算机还需要一些东西：精确组织的特定信息。这一点将计算机与非生物、非人造的事物区分开来，从复杂性科学的视角来看，也正是这一点让它不一样。

生物也给人以设计感。然而，水母的构造并非由工程师设计。虽然过去60年，分子遗传学家对水母的结构已经研究得非常清楚，但水母仍然是没有预先设计的。当然现在我们知道了，是水母的DNA编码信息与化学和物理定律的协同运作使得水母的形成成为可能。对于生物，必须有描述其自身并且经常是存于其自身的附加信息，这一点将生命的复杂性与岩石、天气、太阳系这类事物的复杂性清晰地区分开来。因此我们必须追问，这些“附加”的信息从何而来？有意义的信息不会凭空产生，它肯定是来自某个地方。

再次归功于遗传学家，他们研究了达尔文的自然选择过程是如何作用于由不同个体组成的种群，发现生物种群中成员的DNA会随时间变化。个体的DNA不会变化，但种群的DNA会随时间改变。DNA的变化来自突变，然后经过自然选择累积，点滴增加的信息使得水母得以适应环境生存。种群中遗传物质的随机变化（生殖过程中产生的突变）受自然选择的长期作用，就是创造所有生物所需的附加描述信息的来源。但是当工程师设计新的计算机或悬索桥时，附加的描述信息又来自哪里呢？都是工程师凭空想出来的吗？显然不是，后面会解释，当被视为计算时，文化和技术领域遵循的是与生物界同样的运作模式。这意味着让众多复杂事物成为可能的所有附加信息是来自对随机变化的累积选择。我将这个逻辑范式称为“复杂引擎”。同样的引擎驱动了生命的进化以及社会和技术的进步，我猜想人类的学习和创造性也是受其驱动。

信息是个时髦的词：“我们生活在数字（信息）时代”，“生物学正在成为信息科学”，“最有希望统一广义相对论和量子力学的是信息理论”——在这本书中，将许多事物具有的特殊复杂性与岩石、火星或半人马座阿尔法星这类事物的普通复杂性区分开来的是“附加信息”。

根据我们使用手机、计算机的经验，以及我们回应他人话语的基本能力，很显然信息可以被处理、操作和用于达成某种目的。对其进行研究的科学被称为计算机科学。这个学科是众多从不同角度解释世界的学科中的新成员。对计算的数学分析区分了什么是可计算的和不可计算的。一些人认为，从广义的信息和信息处理的角度来看，当我们观察世界的变化时，我们实际是在观察宇宙的计算。在书中我将阐明，这种相对较新的观点是怎样将进化的思想推广到之前只是在很模糊的意义上被视为具有进化性的领域，以及在许多并不涉及DNA的领域，进化计算是如何运作的。

计算的观点能引申出更广义的进化论，同时也能回答，对于信息没有编码在DNA中的复杂事物，其所需的描述信息来自哪里。答案是随机性：随机事件和随机选择是所有目的性信息的最终来源。这看似疯狂，并且完全有违直觉——这也正是促使我写这本书的动机。

《复杂的引擎》内容广博，思想深刻，清晰易读，是对进化的信息本质的最佳解读。

——杰弗里·霍奇森，赫特福德大学

内容广博、高屋建瓴、思路清晰，梅菲尔德的《复杂的引擎》展示了信息是如何以基因、思想和词语的形式流动，在看不见的选择之手的引导之下，创造了昆虫、大脑、蒸汽机，太空飞船和iDad。它将为你打开一扇观察世界的新的窗口。

——马克·佩奇，瑞丁大学