在他的里程碑式著作《物種起源》中，達爾文經歷了一場信仰危機。在一次坦誠的表白中，他寫道：“假設眼睛具有所有無與倫比的裝置，可以調節不同距離的焦點，允許不同量的光線進入，並校正球差和色差，這可能是自然選擇形成的，我承認，這在最高程度上是荒謬的。” 雖然科學家們仍在研究眼睛是如何進化的的細節，但我們也仍然困在智慧如何在生物學中出現的問題上。當沒有外部設計者時，生物系統如何才能自下而上地產生連貫且目標導向的行為？
事實上，智慧——對可用資訊的有目的的回應，通常是預測未來——並不侷限於某些特權物種的頭腦。它分佈在整個生物學中，在許多不同的空間和時間尺度上。不僅有聰明的人、哺乳動物、鳥類和頭足類動物。在所有生物體的各個部分都可以找到智慧的、有目的的解決問題的行為：單細胞和組織、單個神經元和神經元網路、病毒、核糖體和 RNA 片段，直至運動蛋白和分子網路。可以說，理解智慧的起源是生物學中最核心的問題——一個仍然完全開放的問題。在本文中，我們認為發育生物學和神經科學的進展現在正在提供一條有希望的途徑，以展示模組化系統的架構如何構成進化和生物體智慧的基礎。
生物學家受過訓練，專注於生命系統的機制，而不是其目的。作為生物學家，我們應該研究“如何”而不是“為什麼”，追求因果關係而不是目標。“為什麼”不僅始終存在，而且正是它驅動著特定的“如何”被選擇，使生物體能夠透過從天文數字般的可能性空間中選擇和利用特定的機制來生存。以人眼為例，晶狀體的光學特性只有在它們有助於將光線聚焦在視網膜上時才有意義。如果你不問為什麼晶狀體是透明的，你就永遠不會理解它的功能，無論你研究它如何變得透明多久。
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事實上，隨著“組學”革命的到來，理解智慧如何出現的問題變得更加尖銳，“組學”革命正在產生關於基因組、轉錄組、蛋白質組和連線組的系統性定量資料。生物系統正在被剖析成其最終的複雜性，但在隧道的盡頭並沒有出現神奇的答案。大資料競賽並沒有為生命系統提供更好的解釋。如果說有什麼的話，那就是讓事情變得更困難。
在試圖解釋有意義的、智慧的行為時，現代生物學面臨著一個基本的知識差距。一個由細胞和電訊號組成的系統如何產生一個適應良好的身體，並具有行為和精神狀態？如果細胞不智慧，那麼智慧行為如何從由它們組成的分散式系統中產生？這種基本的奧秘滲透到生物學中。所有生物現象在某種意義上都是“群體決策”，因為生物體是由各個部分——器官、組織、細胞、細胞器、分子——組成的。生命系統的哪些特性使元件能夠朝著更高層次的目標協同工作？
一個共同的解決方案正在兩個不同的領域湧現：發育生物學和神經科學。論證分三個步驟進行。第一步基於自然選擇的首要和最佳設計理念之一：模組化。模組是獨立的、功能單元，就像建築物中的公寓。模組實現區域性目標，這些目標在一定程度上是自我維護和自我控制的。模組具有基礎的解決問題的智慧，它們相對於系統其餘部分的相對獨立性使它們能夠在不斷變化的環境中實現其目標。在我們的建築示例中，住在一套公寓中的一個家庭可以繼續他們的正常生活並追求他們的目標，例如送孩子上學，而不管其他公寓中發生了什麼。例如，在身體中，肝臟等器官以特定的低階功能執行，例如控制血液中的營養物質，相對於例如大腦中發生的事情而言是相對獨立的。
論證的第二步是，模組可以以層級結構組裝：較低級別的模組組合形成越來越複雜的高級別模組，然後這些模組成為更高級別模組的新構建塊，依此類推。在我們的公寓大樓中，家庭可以加入一個當地協會，例如一個政黨的當地分部，其目標可能是確保該地區所有家庭的未來福祉。而這個政黨可以隸屬於議會，議會的目標可能是塑造整個國家的政策，等等。在生物學中，不同的器官可以屬於同一個生物體的身體，其目標是保護自身和繁殖，不同的生物體可以屬於一個群落，例如蜂巢，其目標是為其成員維持一個穩定的環境。同樣，細胞的區域性代謝和訊號傳導目標整合起來，朝著構建和修復複雜器官的形態發生結果發展。因此，越來越複雜的智慧從模組的層級結構中湧現出來。
這似乎解決了問題，但層級模組化仍然無法解釋進化，即一次只改變較低級別的一個元素，如何能夠操縱較高級別。鑑於較高級別是由較低級別構建的，您仍然需要同時修改大量事物才能更改較高級別的模組嗎？我們論證的第三步解決了這個問題：每個模組都有一些關鍵元素，這些元素充當控制旋鈕或觸發點，可以啟用模組。這被稱為模式完成，其中系統一部分的啟用會啟動整個系統。在我們的公寓大樓中，這個家庭會有一箇中心人物，比如說其中一位家長，他將在會議中代表家庭，並在需要時讓家庭參與進來。這些觸發點用於代表整個模組，從而使這些模組能夠在不必操縱或重新建立其所有部分的情況下被啟用、更改、停用或部署在新情況下。此外，模式完成自然地從元素之間相互作用的互連元素系統中湧現出來。
近年來，研究人員在神經迴路和發育生物學中都發現了模式完成的證據。例如，當哥倫比亞大學的路易斯·卡里略-裡德和他的同事研究小鼠如何對視覺刺激做出反應時，他們發現啟用小鼠大腦中間的兩個神經元——小鼠大腦包含超過 1 億個神經元——可以人為地觸發視覺感知，從而導致特定的行為。這些引人入勝的模式完成神經元激活了編碼視覺感知的小細胞模組，小鼠將這些視覺感知解釋為真實物體。同樣，在 2018 年發表的一項工作中，塔夫茨大學的邁克爾·萊文和佛羅里達大學的克里斯托弗·馬蒂紐克回顧了資料，這些資料表明在非神經組織中觸發簡單的生物電模式會誘導細胞在新的位置（例如蝌蚪的腸道上）構建眼睛或其他複雜器官。
經濟學家赫伯特·西蒙、神經科學家瓦倫蒂諾·佈雷滕伯格、計算機科學家馬文·明斯基、進化生物學家利奧·巴斯、理查德·道金斯和大衛·海格以及哲學家丹尼爾·C·丹尼特等人之前已經探索過用層級模組化來解釋生物智慧的想法。發育生物學和神經科學的這些最新實驗現在可以提供一種共同的機制，說明這如何透過產生模式完成的關鍵節點來工作。雖然關於模式完成單元如何工作仍有很多需要學習，但它們可以為如何重新利用模組系統而無需全部更改它提供解決方案。操縱區域性目標導向模組，使其在身體的多個組織尺度上合作，是一種強大的引擎。它使進化能夠利用細胞網路的集體智慧，利用和重新組合在較低級別發現的技巧，同時在噪聲和不確定性中保持穩健性。
就像棘輪一樣，進化因此可以有效地攀登智慧階梯，從簡單的分子一直延伸到認知。層級模組化和模式完成可以幫助理解細胞和神經元在形態發生和大腦過程中的決策，產生適應性良好的動物和行為。研究生物學中集體智慧的出現不僅可以幫助我們更好地理解進化和設計的過程和產物，而且可能對人工智慧系統的設計以及更廣泛的工程甚至社會科學具有啟發意義。
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皮層集合的印記和回憶。 路易斯·卡里略-裡德等人在科學雜誌，第 353 卷，第 691–694 頁；2016 年 8 月 12 日。
生物電密碼：動態控制生長和形態的古老計算介質。 邁克爾·萊文和克里斯托弗·J·馬蒂紐克在生物系統雜誌，第 164 卷，第 76–93 頁；2018 年 2 月。
透過皮層集合的全息回憶來控制視覺引導行為。 路易斯·卡里略-裡德等人在細胞雜誌，第 178 卷，第 2 期，第 447–457 頁；2019 年 7 月 11 日。
“自我”的計算邊界：發育生物電驅動多細胞性和無尺度認知。邁克爾·萊文在心理學前沿雜誌，第 10 卷，文章編號 2688，2019 年 12 月。