如果我們在宇宙中尋找生命的探索實際上是在尋找宇宙如何計算，那會怎麼樣？ 這正是我們作為探索我們是否孤獨存在的一部分而正在探索的有趣且可能令人不安的可能性。
自從19世紀我們對遺傳的科學理解開始，以及20世紀我們發現DNA和RNA等分子以來，我們已經看到生命本質上是資訊性的。 在生物體的核心存在某種“程式碼”。 當然，這是一個非常複雜的程式碼，一個不斷即時重寫自身，並且結構不像我們的數字發明的程式碼，但我們看到它在遍佈地球的潮溼的、碳基生物化學中執行。 就像製造和使用您耗電的PC或遊戲機一樣，生物圈改造著地球，使其成為一個由水和氧氣、氮氣和碳組成的蓋亞機器。
這種行星改造是我們可能用像JWST這樣的望遠鏡尋找的東西，但將所有碎片拼湊在一起以瞭解行星及其生命可以共同變成什麼是一項科學難題。 關鍵問題圍繞著氣候和地球物理學如何提供可以支援生命的環境，以及生命如何獲得能量和必要的化學成分，以及生命如何利用這些成分。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。 透過購買訂閱，您正在幫助確保關於塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
將生物學視為資訊可能會提供一些答案。 自20世紀40年代以來，獨立地，自從像克勞德·夏農這樣的科學家的工作以來，我們瞭解到資訊理論和熱力學物理本質上是描述世界的同一種方式。 資訊總是以物質的形式存在——以1和0，或者以一個分子鍵或另一個分子鍵的形式存在——而資訊反過來可以改變物質的配置。 但是改變需要能量，因此資訊和能量不斷地來回交換，所有這些都由熱力學定律描述。
將這些線索彙集在一起，生命開始看起來像是資訊控制物質以進行傳播。 而這透過我們稱之為計算的過程發生——透過演算法對資訊進行洗牌、組合和重組，而演算法本身也用相同的資訊編寫。 思考這個問題是一次令人興奮、令人大開眼界的旅程。 它也為連線生命及其棲息地提供了一種非凡的方式。
資訊熱力學最重要的理論見解之一，借鑑了約翰·馮·諾伊曼在20世紀50年代的工作，並由羅爾夫·蘭道爾在1961年提出，是不可逆地改變任何資訊位元都有絕對的能量成本，這是你永遠無法克服的。 所謂的蘭道爾極限歸功於熵（以及有組織的改變會對抗普遍的無序趨勢這一事實），並且僅取決於資訊改變發生時的溫度。
值得注意的是，生物學似乎也遵守這個極限，並且可以非常非常接近它執行。 2017年，生物學家和複雜性科學家克里斯·肯佩斯和他的同事指出，當RNA翻譯過程獲取一個氨基酸並將其連線到其他氨基酸鏈上（在細胞內製造或“計算”蛋白質）時，所涉及的能量在蘭道爾極限的10倍以內——在室溫下，這絕對是一個微小的10-20焦耳。
這些發現暗示了一種重寫我們尋找生命方式的方法，即改為尋找宇宙的“計算區域”，無論是在RNA翻譯中，還是在數字1和0中，還是在完全不同的東西中。 這正是我和我的同事，人工生命專家奧拉夫·維特科夫斯基最近探索的。 如果計算普遍受到蘭道爾極限的約束（這取決於溫度），以及可以用於計算的能量和物質的數量，我們就可以開始繪製行星和其他地方計算的前景。
計算區域還可以顛覆關於生命可能性的傳統思維，或者“宜居帶”。 如果環境中有能量流動和物質可以建造，我們就可以說一些關於計算潛力的東西，無論是在泰坦寒冷海岸線上的富含碳氫化合物的泥漿中，還是在金星流動的雲層之間跳躍的分子中。 甚至可能在脈衝星的亞原子成分中，或者在整個星系星際氣體的分散有機分子中。
但我們還必須弄清楚生命系統的哪些部分是真正具有計算性的。 DNA轉錄或RNA翻譯看起來和聞起來都像計算，並且它們本質上是資訊性的。 但是代謝過程或基因調控呢？ 這就是我們在將地球生物學視為任何一種“簡單”的計算過程集合時必須謹慎的地方。 瞭解生命複雜的資訊層次和功能可能是瞭解生命如何在宇宙中實現的關鍵，在宇宙中，相同的原則可能產生非常不同的結果。
尋找計算區域也消除了我們認為的生物學和技術之間的界限。 在技術極端方面，存在像戴森結構這樣的假設概念，它可以捕獲恆星的所有能量。 如果這些結構用於計算，那麼我們可以根據熱力學和資訊原理來計算設計選項。 計算表明，豐富的亞恆星天體——所謂的棕矮星，質量是我們太陽的百分之幾，亮度是太陽的十萬分之一——可能是無怨言技術的更好的戴森能源來源，但對於生物學來說卻不是，因為生物學對其溫暖和營養有麻煩的要求。
也許宇宙中大部分的計算發生在“純粹”的生物學和純粹的技術之間的某個地方。 人類就是一個例子，其生物學外部機器結構現在承擔並創造了其大部分計算需求。 我們已經是一個混合系統，這可能是宇宙中最常見的生命型別，也是我們最有可能最終探測到的生命型別。
也可能是混合生命系統是唯一能夠發現其他生命系統的系統。 其他任何東西都將根本無法注意到，或者對與它共享宇宙的東西不感興趣。 如果這是真的，那麼對於地球上曾經出現過的任何物種來說，我們真的生活在最激動人心的時代。
這是一篇觀點和分析文章，作者或作者表達的觀點不一定代表《大眾科學》的觀點。