大腦如何演化為如今的復雜系統，它的未來又將走向何處？大腦的存在對現存的理論提出了這樣壹個挑戰我們都知道，熵隨著時間的流逝不可避免的增長，它常常與無序性及簡單性*聯系起來。近來我們展示了演化是熵值演變的過程：結構的建立（即生命的產生）促進了熵增。在這裏，我們提出，演化的關鍵躍遷點與生命對於時間及空間的操縱相關，經由復雜的多維度狀態空間（multi-dimensional state space），生命打開了促進熵增的新通路。大腦的演化促成了時間和空間在大腦中的表征，而這種表征又進壹步加速了熵增的過程。然而，這些通路有時指向了狀態空間中的死胡同，因此根據熱力學定律，我們無法預測復雜的生命系統將在未來持續存在。
該簡單性在概念上與下文中的復雜性相對。
復雜系統演化之謎
過去的兩個世紀中出現了兩個意義深遠但看似相互矛盾的理論，這兩個理論重塑了我們對於宇宙的理解及我們在宇宙中所處位置的認知。第壹個理論是熱力學第二定律，該理論認為宇宙朝著熵增的方向發展；另壹個是達爾文的進化論。這兩個理論都有著數據支撐，但對宇宙的走向提出了截然不同的預測：熵增將導致整個體系朝著混亂與無序發展，而近四十億年的演化提升了人類社會的秩序與復雜性，並帶來了今日結構復雜的人類文明。為什麽同樣由數據驅動的理論在解釋宇宙發展時走向了無序與秩序兩種結果？
近來，我們探究了時間及空間結構在這兩種結論中架設橋梁的可能性。具體來談，我們想知道生命是如何掌握在保證自身存活幾率最大化的前提下進行致使熵增的化學反應的。生命找到了壹條將引導熵值穿越多維度狀態空間（multidimensional state-space）迷霧的新通路，由此在熵增的同時達到了更有序的復雜狀態。在這裏，我們將上述問題的對象外延至大腦，即大腦在提升可達到的狀態空間大小中所扮演的角色。在後文中，我們將著重討論上述過程中大腦在時空表征上的演化，並對這種演化在未來的發展作出推測。
從物理學的角度來看，熵是與自由能（free energy，即對外做功的能量）相對的概念。熵值總是增加，就如同進入壹系列相連容器的氣體總會找到斜率最高、直徑最寬的通道從而以最快的速率上升。與之同理，隨著時間流逝，系統總會從可能性低向可能性高的狀態變化基於玻爾茲曼（Boltzmann）的理論，可能性較高的狀態指的是能夠被數量更多的微觀結構（microscopic configurations）所實現的狀態。壹旦系統達到熱力學平衡態即最大熵值狀態，該系統將不會再做功，也不會再發生任何改變了。
熵與空間同質性及梯度損失相關。舉個例子，熵值隨著物質自發的均勻分布（如兩種起初分離的氣體相互混合）而增加。與之相似，熱量隨著溫度梯度（temperature gradient）降低也帶來了熵增，這是由粒子熱能在空間上的均勻分布產生的。空間中自由活動的粒子最終總是呈現出無結構的隨機排布，這種現象的本質原因很簡單無序狀態比有序狀態有更多種可能性。玻爾茲曼將熵量化為能夠保持宏觀態的微觀態數量：對於空間結構有序的系統，如容器中的氣體或寒冷/溫熱的物體，能夠保證系統狀態（宏觀態）不變的粒子排布（微觀態）方式較少，因此該系統的熵較低。
然而，熵增並不總是帶來無序的空間排布，有時系統中的熵增反而會降低空間壹致性。例如，當我們把油倒進水中時，油與水會自動分層。分層後該系統的空間排布變得更加有序，但其熵值變高。這是由於在重力的作用下，水分子的因重力作用所產生的運動與油滴向上的作用力相互抵消，從而釋放了能量並促進溫度上升：盡管粒子可活動的（總）空間變小了，但每個粒子的活動速度變大了，也即系統內可能的微觀態變多了。由此可見，熵並不只與宏觀上的有序/無序相關，熵與系統中的可能性聯系更為緊密：隨著時間推移，系統將不斷朝著充滿更多可能性的宏觀狀態推移。對於諸如行星、星系抑或是生命本身的系統而言，結構化的狀態可能帶來相比混亂狀態更多的可能性。
熵的增長並不是連續不斷的：系統可能短時間內穩定停留在熵值較低（自由能較高）的狀態。我們可以把這種短暫的中間態設想成抽象時空中的氣泡壹棵生長數年的樹在被雷電擊中之前保持著穩定的低熵值狀態，直到這場閃電帶來的大火將其毀滅。在毀滅的剎那，大樹所存在系統的熵值瞬間增高。在這個例子中，雷電通過毀滅樹木把壓制在抽象氣泡中的熵瞬間導入另壹個更大的氣泡中。因此，壹棵樹的存在不是持續不變的，我們將這種狀態稱為亞穩態（metastable）。
生命與熵
接下來我們將要探討生命，以及為什麽生命演化成為如今的復雜形態。薛定諤（Schr?dinger）認為生命的發展是對環境熵值的逆轉。為了維持生命的低熵值，生命需要對其生存環境進行熵增改造。這個觀點背後的預設是，能夠成為生命的結構必然需要低熵值。然而，根據上述討論，我們認為生命也可能是與油水混合物、聚變星或是黑洞相類似的系統壹個本身具有高熵值的系統。基於物理學定律及宇宙的現狀，生命之所以產生是因為它為整個體系帶來了更多的可能性。生命的結構與秩序並不意味著它將降低系統的熵值，就如我們之前所討論的，在某些進程中，在產生秩序的系統中也可能引起熵增。
演化躍遷，復雜性與時空
演化躍遷（功能上的步驟性改變）是演化的顯著特征之壹。Szathmary及Maynard Smith提出，在演化進程中出現過數次較為重要的躍遷。在這裏，我們將著重討論壹系列促成時空交互的躍遷點。
隨著能自組裝（self-assembly）的碳基分子及能夠復制自身序列的核酸的出現，生命出現了。從這個時間節點開始，演化成為了壹往無前的車輪，在前行過程中，有利於自我復制的新分子被得以保存。碳原子四面體排列的空間結構使得它能夠形成穩定的聚合體長鏈，從而保證了自我復制的機制得以留存。此外，這些分子的靈活性使得底物在空間上能夠緊密接觸，進而保證了新化學反應的進行：化學反應將自由能轉換為熱量，提升整個系統的熵。綜上，碳基在空間的維度上通過化學反應促進了演化，而核酸通過自我復制在時間維度促進了演化。
演化接下來的進程進壹步為生命提供了通過化學反應操縱時空的能力。隨著膜結構及細胞的出現，化學物質被?隔室化（compartmentalised）?，化學反應因而得以在不受外部環境幹擾的前提下進行。該演化極大地促進了化學反應的效率及穩定性。三磷酸腺苷（ATP）也隨著演化出現於生命早期。ATP使得生命在不受時空條件所限的前提下利用儲備的能量進行化學反應，該演化同樣保障了生命穩定性及自我復制性。通過捕捉、儲存當下的能量，令其在未來能為細胞所用，ATP在時間維度上促進了演化，而通過在細胞內搬運能量，第二信使（second-messenger）*系統在空間上促進了演化。35億年前，光合作用的出現又促進了上述反應：自此，細胞得以捕獲並儲存來自太陽的大量能量。
第二信使：胞內信號分子，負責在細胞內進行信號傳導從而觸發如增殖、細胞分化、遷移、存活及細胞雕亡等生理變化。
接下來，細胞內部演化發展出了新的時空操縱方式。26億年前，細胞中演化出了電壓（voltage）、配體門控（ligand-gated）離子通道、受體激酶-轉錄因子信號通路及調控基因表達的能力。此外，細胞基於微管*搭建出了胞內運輸系統，該系統保證了細胞內部的分子能夠在合適的空間與時間點上參與反應。這些胞內系統進壹步組成鞭毛（flagella），於是細胞具備了自由活動的能力。細胞的運動進壹步加強了生命的穩定性、促進了生命的自我復制。此外，運動讓細胞具有了與其他細胞接觸並交換基因的能力。通過基因交流或有性生殖為基因序列帶來了更多的可能性，從而開啟了新的熵通道。
微管是細胞骨架的組成部分。它遍布於細胞質中，負責維持細胞結構及胞內物質的運輸。
演化帶來的細胞間交流表現出了顯著的適應性優勢，於是，多細胞生物誕生了。起初出現的多細胞生物（如現代海綿）形態單壹，隨後出現了具有形態差異的生命。這些差異可能體現在空間上，如功能不同的器官；也可能體現在時間上，如隨著生命的生長發生的變化差異。這些功能性差異的結構性基礎是基因組之間的交互影響。
在此基礎上，諸如同源異形框基因（homeobox genes）不僅能夠編碼蛋白，還能通過基因間的相互調節創造出規模較大的空間結構，同時為生命的發展提供秩序。
在大約5億到6億年前，壹類新的細胞出現了。這些細胞具有電興奮性（electrically excitable），該特征不僅保證了信息能夠快速的在細胞間傳播，且確保了信息由細胞內至細胞外的傳輸這些細胞是第壹批神經元，神經元的出現保證了生命對時空的進壹步操控：它們給予了生命在環境中運動的能力和表征時空的能力。
運動
在六億年前，地球上僅僅充斥著水生生物。他們要麽無法運動，要麽憑著洋流移動。生命的靜止持續到了大約五億六千萬年前，直到能夠自主活動的多細胞生命以蠕蟲類生物的樣貌出現。起初這些生物只能在海底有機礦泥中徑直穿行，隨後，它們又進化出了轉彎和挖掘的能力海床化石中的蜿蜒甬道為它們的這些行為提供了證據。這種進化的重要性是無與倫比的：自此之後，生命不再被動等待它們掌握了主動獲取自由能的力量。
約五億四千萬年前，地球上的生命迎來了長達壹千三百到兩千五百萬年寒武紀大爆發（Cambrian explosion）。現今存在的絕大多數生物門類都在這壹時期出現，直到今天我們無法解釋是什麽導致了隨寒武紀大爆發出現的井噴式的生物多樣化。這壹現象可能是由神經元及肌細胞的出現催生的：神經元和肌細胞給予了生命自由活動及快速處理信息的能力，這可能助推了新生命（即抽象狀態空間中的氣泡）的產生。
運動的演化增加了系統的選擇壓力（selection pressure），還促進了捕食行為的增長生命不再被動地通過光合作用或是清理殘骸上的有機物來獲取能量，運動給予了生命追逐和捕食的能力。寒武紀期間的生命演化出了外骨骼，這讓我們有機會通過化石證據壹睹遠古時期捕食者與獵物之間的鬥爭。與此同時，復雜器官的出現又促進了動物的覓食，捕獵及逃脫等行為。以演化的時間觀來看，生命復雜器官系統的發展非常迅速：從近來科學家們發現的壹塊五億兩千萬年前的節肢動物（arthropodFuxianhuia protensa）化石中我們能夠看到，完整的視覺系統、大腦及視葉已經出現了。
空間、時間和記憶
因為世界同步靠的是時間，所以儲存關於過去的信息能力使生物能對未來做出預測這對生存來說有著極大的作用。因此，神經元的出現伴隨著突觸可塑性，神經網絡過去的活動因此得以被保留下來，這也許是絕大多數，甚至全部形式的記憶的神經機制。突觸可塑性的演化可能與核酸的演化具有同等的重要性，兩者都允許當前的狀態被跨越時間地儲存下來這就允許生物利用過去的信息來預測（並利用）未來。
記憶的壹項重要用途，就是儲存空間信息。壹旦動物開始遠距離移動，壹個新的選擇壓力就會逐漸明顯：環境中的壹些區域，會比另壹些區域有更高的生存潛力（survival potential）。如果壹個生物能通過儲存通往高潛力區域的導航信息，來利用這種生存潛力的不同，那將會對這個生物的生存形成極大的優勢於是，內在的空間表征就誕生了。目前，我們尚不清楚這種能力是如何在早期的運動動物中發展出來的，但我們能通過有限的化石記錄，和地球上現存的各種神經空間系統，來進行合理的推測。
最原始的導航系統，燈塔導航（beacon navigation），只需要動物探測到壹個合適的環境目標並向之移動。這種探測能力可以是與生俱來的，例如昆蟲朝著光亮移動；但這種能力也能從經驗中習得。更復雜的空間表征則不僅需要自我中心編碼（egocentric coding，編碼外界物體相對於自己身體的位置），還需要非自我中心編碼（allocentric coding，編碼外界物體在世界中的客觀位置）。壹個使用非自我中心導航系統的生物，需要表征移動的方向（direction）和距離（distance），從而建立壹個外界空間的二維模型
方向感是壹個古老的能力，早在脊椎動物出現之前就已出現：早至昆蟲，晚至哺乳動物，大家所使用的神經?羅盤?在重要方面上並無二致。但與此同時，動物也需要監測自己的移動距離，並將移動距離與移動方向用三角學方法結合起來，這樣才能準確地回到旅途的起點。包括昆蟲在內的各種動物都具有這種?路徑整合?（path integration）的能力。路徑整合的演化允許運動動物建立起可返回的營地，這對生物的生存至關重要，這促進了自我復制和延續，也因此打開了通往更多狀態空間泡泡的通道。
與此同時，路徑整合也允許生物以非自我中心的方式，表征外部世界中有顯著特征的地點。這些地點可以被進壹步整合，形成與地圖類似的內在表征，這允許動物對它們所處的環境建立細節豐富的模型。海馬體（hippocampus）通過接收（和處理）方向、距離、環境中的物體和事件信息，成為了哺乳動物實現路徑整合的關鍵。
越來越多的證據表明，海馬體也能表征時間。對於壹個運動的動物來說，時間和空間本身就在速度和距離的計算中被整合了，但時間或許也能被獨立地表征。對時間的表征能增強空間記憶的預測能力。比如，具有時間概念的動物能知道它們有壹段時間沒探索壹個特定的地點了，因此也許需要重新探索壹下那個地點；或者，它們能知道獵食動物什麽時候經過壹片海灘，從而預測海灘在什麽時候會變得相對安全。對人類來說，同時表征空間和時間的能力允許我們形成情景記憶（episodic memory），也就是對生活事件的記憶；另壹方面，我們也能對尚未發生的事情和不會發生的事情分別進行計劃（planning）和想象（imagination）。
人類
由此，人類和他們復雜的活動形式進入了我們的視野。在很多方面上，人類與其它億萬個物種別無二致。但是，人類似乎是現存物種中，唯壹能使用符號語言的。語言不留下任何化石痕跡，我們因而無法確定人類語言出現的具體時間但這肯定比人類與大猩猩分道揚鑣要晚上幾百萬年，而且很可能與人族（hominin）大腦的體積在過去三四百萬年間的飛速增長緊密相關。語言的產生和上面提到的其它認知能力（例如我們復雜的情景記憶）可能是並肩演化出來的。
在本文的討論中，語言對我們來說最重要的特征就是，它允許我們跨越時間和空間的限制（從壹個個體到另壹個/多個個體，從壹代個體到下壹代個體）來儲存和傳遞信息。如同其他的演化轉折壹樣，語言的出現讓人類能夠探索相空間*內更多的區域。個體的想法被時間和空間分隔，要想集中力量辦大事，人類需要可以匯集個體想法的能力，而語言恰好提供了這種能力語言之於認知，就如同生命初始的分子對接之於生命本身。
相空間：即phase space，用來表達壹個系統能處在的所有狀態的空間；在壹個系統的相空間內，這個系統所有可能的狀態都有其對應的點。
多虧語言，人類得以探索物理（例如對星球和外太空的探索）和抽象（例如對抽象領域，如數學、藝術、科學和哲學等，的探索）的空間。這致使原先不會相互作用的系統之間，發展出了相互作用，並對生態圈（ecosphere）造成了極大的影響。
舉個例子，人類將數量龐大的植物和動物物種，從壹個大陸上搬運到了另壹個大陸上，導致了許多物種滅絕和疾病的自發性傳播近期的人畜***患傳染病COVID-19就是壹個相關例子。在新型冠狀病毒突變之後就發生了航空傳播，讓病毒得以散布到了全世界，而如今，它已經極大地改變了各種環球系統，從貨物流，到人群流動，再到各個經濟體的運作。另壹個例子，就是在工業革命後，人類對地下化石燃料儲蓄的開采。這已經影響到了整個地球的氣候系統，留下了需要用地質學時長術語來描述的長遠改變；我們有了描述人類時代的地質學名稱人類世（Anthropocene）。
光是由語言衍生出的科技本身就在快速地更新換代。過去的壹百年間，我們見證了電子信息革命，其影響之深遠甚至超過了工業革命。工業革命與能量相關，電子革命與信息相關，兩者都與熵密不可分，兩者都致使大量的熵流入它們產生的?泡泡?中。我們目前正在接近壹個新的技術演化點，那就是人工智能（artificial intelligence）發展在不遠的將來，人工智能將允許獨立於人類的、新的智能存在。毫無疑問，這會在我們與相空間內的許多新泡泡之間搭建連接。人類要拭目以待的是，這些新的泡泡中，有沒有哪壹個泡泡象征著人類的滅絕。
結語與展望
最後，讓我們回顧文章開頭的問題：復雜性為何隨著演化而增加？以上的討論提出了壹個可能的答案：復雜化的過程就是生命可占據的新狀態空間逐漸增加的過程，其中的每壹步都在改進生命自我復制和延續的能力，但與此同時，也打開了熵增的新通道。
復雜化不是壹個單行道正如過往數目眾多的物種滅絕所示，復雜化是壹個純粹的統計學過程，可增可減。之所以復雜性看起來只增不減，只是因為生命起源於低復雜性的狀態中，因此在統計學意義上，早期演化中可能實現的更復雜的狀態比更簡單的狀態要多，因此復雜性更可能增，而非減。
但與熵不同，無盡的復雜化絕非必然。在任壹時刻，隨著生命的復雜性增加，通往新的狀態空間泡泡的通道也會打開其中的壹些泡泡小而沒有出口。壹個例子就是核武器的發明：在這裏，小而沒有出口的泡泡象征著地球上所有生命的末日。生命越復雜，通往泡泡的通道就越多，沒有出口的的泡泡也就越有可能被發現。
而熵就不壹樣了。熵它什麽也不在乎。熵它不會減少壹分壹毫。
人類可以防止自己的滅絕嗎？
作為（很可能是）第壹個能理解並預測其經歷的物種，我們很容易認為自己能預防滅絕。然而，本文中提到的熵增過程，是描述物質和能量的壹個基本熱力學熱力學性質因此，滅絕是不可避免的。壹個更合適的問題應該是，我們是否能在可預見的未來中延續下去？要達成這個目標，我們需要避免由我們當前的復雜性而帶來的滅絕途徑，包括戰爭、疾病和自動武器等致命技術。
人類是否會控制自己的演化？
我們已經看到了在過去，演化是如何驅動復雜化的。然而，自從工業革命以來，演化就在同人類的技術進步並肩前進。在不久的將來，隨著人類開始修改不同生物（可能包括人類自己）的基因組，這兩股力量將會融為壹體。基因編輯技術（如CRISPR）是否會取代演化，成為復雜化的驅動引擎呢？我們人類會不會利用技術來驅動自己大腦的演化呢？這樣做勢必會打開通往更多狀態空間內的泡泡的通道。我們是否能選擇進入哪個通道，從而避免滅絕呢？或者，也許我們的技術進步會將人類更快地推向滅絕？