被我們冠稱為“生命“的這一大類現(xiàn)象，迄今仍無法進行具體的科學(xué)定性。雖然此前已經(jīng)提出了許多關(guān)于生命的定義，但幾乎都是描述性而非定量的。人工生命和系統(tǒng)化學(xué)方法正在推動我們越來越接近在實驗室中實現(xiàn)“類生命“（life-like）系統(tǒng)?；谝呀?jīng)發(fā)現(xiàn)的、幾十顆圍繞在其它恒星運轉(zhuǎn)的宜居星球，人類在地外世界尋找生命的努力也在加快步伐。一些新近投資的航天項目，例如龍飛船（Dragonfly），甚至即將訪問土衛(wèi)六去搜尋地外生命的痕跡。
在沒有量化指標確定我們發(fā)現(xiàn)的東西是否真是“生命“的情況下，我們尋找生命新樣例的努力很大程度上是盲目的。因此制定嚴格、量化的方法來描述生命是什么，變得越來越迫切。以往大多數(shù)努力都采用現(xiàn)象學(xué)方法來定義生命最重要的屬性，例如將復(fù)制、新陳代謝活動、進化能力、細胞邊界等作為關(guān)鍵屬性。鑒于尋找生命最終還是需要客觀標準來對存在證據(jù)進行評估，因此有必要采用新的、定量的方法來理解和測量一個系統(tǒng)是否是“活的”，以及若是活的則哪些因素是必需的。這項任務(wù)的根本挑戰(zhàn)在于，我們能用什么來度量？
在眾多可以為定量方法提供基礎(chǔ)的屬性中，生命系統(tǒng)存儲和處理信息的能力有潛力成為最基本和最獨特的屬性。生命通過操控信息來重塑物質(zhì)結(jié)構(gòu)并使其發(fā)揮功能的能力，與其它任何種類物理系統(tǒng)中看到的情況都非常不同。雖然這種觀點確實在各種流派中越來越受到青睞，但它仍然存在很多問題有待說明：我們可以給生命系統(tǒng)賦予什么可度量的指標？它會是信息論的嗎？會基于信息流下的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)嗎？抑或只是一種全新的形式主義？
為解決這些問題，重要的是現(xiàn)在就開始用我們目前手頭的工具來重構(gòu)“生命是什么”的問題，即使隨著理論和實驗的迭代進展，這些工具最終可能會被更細致的量化數(shù)學(xué)理論所取代。發(fā)展任何理論都應(yīng)該有可驗證的結(jié)果，相關(guān)可觀測物要有明確的定義。對比下其中最有希望的數(shù)學(xué)工具，就是信息論和網(wǎng)絡(luò)科學(xué)的工具，以及最近對信息理論的擴展。這些工具能允許評估因果交互作用；此外迄今為止，還沒有其它任何方法有機會完成量化一般生命過程的使命。
任何科學(xué)方法若想在諸如量化生命及其特性這樣困難的領(lǐng)域取得進展，必將遭致嚴重的批評和挑戰(zhàn)。例如，人們可能反對專注于生命信息的一面，認為信息論方法不僅適用細胞內(nèi)發(fā)生的過程，同時也能用于描述社會和城市過程，范圍過于寬泛將導(dǎo)致定義不清。此外，從信息方法中得出的結(jié)論也受測量樣本數(shù)的限制，并且并沒有一個有效方案來解決這個問題。
但我們認為，這兩方面都是優(yōu)點而非缺點。沒有理由認為“生命“只是一種在天體生物學(xué)假設(shè)下、僅發(fā)生在化學(xué)中的現(xiàn)象。尤其是在人工生命或復(fù)雜系統(tǒng)領(lǐng)域中，前面假設(shè)并不重要。我們反而認為化學(xué)僅僅是相關(guān)的、只是生命涌現(xiàn)的物理學(xué)尺度，而生命本身是一個更廣泛的現(xiàn)象，會在不同尺度上反復(fù)出現(xiàn)：從化學(xué)到細胞，再到社會——它會普遍地涉及信息（抽象屬性）與物質(zhì)間的交互作用。若確實如此的話，這就給我們提供了一個契機，使我們能在僅有一個生物圈的有限樣本內(nèi)，也能研究各種跨越不同尺度的生命實例（Walker 2017）。我們期望這種普遍性方法不僅能闡明地球上不同系統(tǒng)和尺度的生命結(jié)構(gòu)，也能揭示其它生命系統(tǒng)的可能性——即有哪些別的物理系統(tǒng)也支持與已知生命實例具有相同的信息結(jié)構(gòu)。
在本文中，我們提出了這樣的觀點：在有生命系統(tǒng)和無生命的系統(tǒng)之間可能沒有明確的、非黑即白的區(qū)別，二者之間不存在鴻溝和界限。執(zhí)著于生命/非生命的二元對立一直在阻礙著研究進步，相反，順著如圖1那樣可能存在狀態(tài)漸變的“生命光譜“，可以看到，即使復(fù)雜程度相似，有些系統(tǒng)也比其他系統(tǒng)更有生命力（alive）。而要衡量“生命力”（aliveness），信息就是一種很好的度量，畢竟它與尺度無關(guān)，且集群系統(tǒng)向更有生命力系統(tǒng)的過渡也可能需要信息。對此測量可以集中于給定物理系統(tǒng)中可能發(fā)生的轉(zhuǎn)變：更有“生命力”的系統(tǒng)允許更多可能的轉(zhuǎn)變，并經(jīng)常促成更多不可能的轉(zhuǎn)變。一個例子是，利用農(nóng)業(yè)信息的農(nóng)耕活動如何改造了我們?nèi)祟惖奈拿?，?dǎo)致產(chǎn)生了改造物質(zhì)的能力，而這些能力在這一革新之前是不存在的；或者人文學(xué)科對科學(xué)的發(fā)明如何導(dǎo)致人類物理上實現(xiàn)從地球發(fā)射到太空的能力，顯然這在萬有引力定律的知識之前也是不可能的（Walker 2016）。在這方面，生命可以說是在探索足以導(dǎo)致事物發(fā)生的相鄰可能性（adjacent possible，Kauffman 2019）。其中轉(zhuǎn)變可能性的數(shù)量與生命物質(zhì)的信息結(jié)構(gòu)有著深刻的聯(lián)系，因為只有當(dāng)生命系統(tǒng)獲得了物理世界的信息，它們才可能控制與這些信息相關(guān)的過程：更多的信息意味著對更多自由度的控制。
生命光譜中的信息。
它闡明了一個如何將生命系統(tǒng)視為同一物理現(xiàn)象不同層級例子的概念框架，關(guān)鍵在于信息結(jié)構(gòu)的區(qū)別。以這樣的尺度上對生命系統(tǒng)進行排序是否可能；以及若可能，哪種度量更能刻畫這個尺度的特點，目前仍是一個懸而未決的問題。圖中復(fù)雜系統(tǒng)分別代表：一組非生物的化學(xué)化合物、細胞內(nèi)的生化反應(yīng)、由多達5萬個細胞組成的團藻球形種群、螞蟻群體的集群行為，以及嵌入城市的社會結(jié)構(gòu)。這當(dāng)然并不全面，但說明了代表不同“生命力“程度的系統(tǒng)在不同尺度縮放下可能的樣子
生命可能存在一個光譜的想法是信息方法的自然結(jié)果：如果信息蘊含的某種概念確實是生命物質(zhì)最基本屬性的基礎(chǔ)，那么生命就應(yīng)該能用其信息結(jié)構(gòu)和因果結(jié)構(gòu)來量化（Walker ; Davies，2013）。然而，作為圍繞生命屬性的信息和因果結(jié)構(gòu)，一旦延伸到純物理系統(tǒng)，就開啟了統(tǒng)一描述生命和非生命系統(tǒng)并量化它們相似和差異的可能性。當(dāng)我們把目光投向行恒星和星系等大質(zhì)量天體來研究引力物理學(xué)時，就像承認引力是宇宙的一個普遍屬性一樣，我們應(yīng)該認識到信息也是，而生命過程就是研究信息物理學(xué)最典型的例子。
可見重要的是，任何量化生命的嘗試都必須能處理非生命模仿生命系統(tǒng)行為的情況。因此在這篇文章中我們關(guān)注集群行為——它被廣泛認為是生命的標志屬性，同時又能在許多非生命系統(tǒng)中觀察到。事實上簡單的物理模型經(jīng)常被用來模擬生命的集群行為，這就引出了它們是否存在根本差異的問題。我們認為，通過研究集群中的信息流，將獲得信息理論是否能夠區(qū)分生命和非生命系統(tǒng)的深刻見解：假設(shè)兩個系統(tǒng)，通過不同機制表現(xiàn)出相同的聚集行為（aggregate behavior），一個是活的而另一個不是，信息論就能發(fā)現(xiàn)這些差異。信息論關(guān)注的是捕捉空間和時間相關(guān)的結(jié)構(gòu)，因此可以使用信息論度量來確定兩個系統(tǒng)是否使用了相同的規(guī)則集合。我們的假設(shè)是，生命能通過各種相關(guān)操縱（例如，對自身狀態(tài)的干預(yù)）主動控制自身的狀態(tài)，而非生命則不能。因此信息理論將成為辨別非生命和生命集群相關(guān)性結(jié)構(gòu)差異的有用工具。就此而言，生命過程的光譜可能由控制（因果）和信息結(jié)構(gòu)的組合決定，組合沿著從生命力較少到生命力較多的頻譜對各種實體進行量化。雖然“生命光譜“的精確度量和尺度仍有待確定，但我們將在本文概述一些可能進一步有用的關(guān)鍵思想。