生命的计算机:康威生命游戏

大约在 36 亿年前,第一个有生命的细胞产生。

大约在6亿年前,多细胞植物诞生。

稍微晚些,大约在5.5~5.7亿年前,开始出现多细胞动物。

历经30亿年,生命才从单细胞,进化到多细胞,之后生命的进化进程开始加速。

到底是什么让生命花费了30亿年,才从单细胞生命迈向多细胞生命?

生命为何能够从单细胞迈向多细胞,它们是怎么从单细胞迈向多细胞的呢?

人类能获得的线索,仅有那类似于只言片语的化石,而这其中的过程,我们永远无从知晓。

我们唯一能做的,只能猜测,然后设法用实验去证明之。

生命的烧瓶

1824年,德国化学家弗里德里希·维勒试图在实验室中合成一种新的化学物质,实验结果出乎他的意料,烧瓶底产生的白色晶体看起来有点陌生。

直到1828年,维勒才知道这种白色晶体是什么,原来这个东西是尿素。

既然我们可以无中生有的制造出尿素,那么生命是否也是以这种形式而无中生有的呢?

128年后,也就是在1952年,受这个想法的启发,斯坦利·米勒说服了他的导师哈罗德·尤里做了这个著名的生命烧瓶实验。

米勒模拟远古地球的环境,准备了一个大烧瓶,里面装上水,模拟远古地球时期的海洋,然后在烧瓶底部加热,因为远古地球时期温度非常高,他在烧瓶里充上气体,包括甲烷,氨气,氢气,模拟远古地球的大气,最后,他给烧瓶通电,产生出电火花,模拟远古地球的闪电。

实验开始之后仅仅一天,令人吃惊的是,海水不再清澈,很明显是产生了新的物质。

一个星期之后,米勒打开烧瓶,检测海水里面的成分,结果令人震惊,烧瓶里竟然出现了多种氨基酸。

生命所需的氨基酸,就这么无中生有的诞生了。

既然生命所需的物质的诞生,是无中生有,是在随机碰撞中产生,那么,生命的进化,是不是也就是这么随机的无头乱撞而撞出的呢?否则,为何单细胞生命到多细胞生命花费了30亿年呢?

如果它们不是随机的乱撞,是有方向的,还需要这么久吗?

细胞自动机——生命的游戏

1970年,英国数学家约翰·何顿·康威发明了细胞自动机。

准确的说,细胞自动机是一种数学游戏。

在这个生命游戏中,假设当前的生命为单细胞,对于任意细胞,规则如下:

每个细胞有两种状态 – 存活或死亡,每个细胞与以自身为中心的周围八格细胞产生互动(如图,黑色为存活,白色为死亡)

当前细胞为存活状态时,当周围的存活细胞低于2个时(不包含2个),该细胞变成死亡状态。(模拟生命数量稀少)

当前细胞为存活状态时,当周围有2个或3个存活细胞时,该细胞保持原样。

当前细胞为存活状态时,当周围有超过3个存活细胞时,该细胞变成死亡状态。(模拟生命数量过多)

当前细胞为死亡状态时,当周围有3个存活细胞时,该细胞变成存活状态。(模拟繁殖)

康威发明的这个生命游戏,规则很简单,以至于这个游戏极其适合用计算机程序来实现,因为计算机可以进行更为随机且不限次数的碰撞测试,快速得出结果,使得我们有机会一窥“单细胞生命是如何进化出多细胞生命”这个问题的可能答案。

当在计算机上完成多轮随机的且不限次数的碰撞测试之后,这些单细胞自动机,竟然演化出了令人惊奇的多细胞自动机,且形成了不同的种类,或静或动,或移动,让人感叹这跟6亿年前的多细胞生命是何其的相似。

第一种多细胞自动机是下面这种稳定状态,让人感觉这似乎就是安安静静的多细胞植物:

第二种多细胞自动机是下面这种震荡状态,让人感觉到生命开始从静往动的方向进化:

而第三种多细胞自动机,竟然能够移动,让人感受到似乎是有生命从计算机程序中迸发出来:

最终,出人意料的,生命的诞生演化,我们竟然用计算机的方式给模拟出来了。

或者更准确的说,因为生命本身就是一台计算机,我们才有可能在计算机中模拟出来,否则,我们可能永远也无法知道生命的诞生演化过程的答案。

再一次的,我被这台生命的计算机所震撼,虽然生命的诞生和演化过程是那么的随机,但规则永远在那里,哪怕这个规则是多么的简单,但只要有规则,生命就可以以其顽强且不屈不挠的意志,毫无方向的去乱撞,直至撞出自己的方向。

之后,生命的进化开始加速,一路高歌猛进!

(未完待续)

参考资料:

1)康威生命游戏(维基百科):

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%BA%B7%E5%A8%81%E7%94%9F%E5%91%BD%E6%B8%B8%E6%88%8F

2)生命史(百度百科):

https://baike.baidu.com/item/%E7%94%9F%E5%91%BD%E5%8F%B2/12605519

3)米勒-尤里实验(维基百科):

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%B1%B3%E5%8B%92-%E5%B0%A4%E9%87%8C%E5%AE%9E%E9%AA%8C

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