进化的热力学与生命起源

我们通过将经典热力学的形式体系与学习的统计描述相结合，概述了一种进化与生命起源的现象学理论。采用受损失函数最小化要求约束的最大熵原理，推导出了生物（种群）的正则系综、相应的配分函数（适应度的宏观对应）以及自由能（加性适应度的宏观对应）。我们进一步定义了温度（生物温度）的生物学对应，作为进化过程随机性的度量，以及化学势（进化势）的生物学对应，作为向进化系统添加一个新的可训练变量（如一个额外基因）所需的进化功的量。然后我们发展了一种描述进化的现象学方法，该方法将巨势建模为生物温度和进化势的函数。我们展示了如何利用这一现象学方法研究进化的“理想突变”模型及其推广。最后，我们表明，在该热力学框架内，进化中的重大转变，例如从分子系综到生物系综的转变（即生命起源），可以被建模为与新型巨正则系综及相应新描述层次的涌现相关的名副其实的物理相变的特例。