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本文围绕叶菲姆?利伯曼（Efim Liberman）的自然计算理论展开，探讨其在量子测量、计算、RNA 世界、形态发生、进化和意识等多方面的应用及意义。利伯曼提出自然计算的四大原则，其理论为理解生命现象提供了新视角，值得深入研读。
1. 引言
2025 年是叶菲姆?阿尔森季耶维奇?利伯曼（1925 年 2 月 1 日 - 2011 年 9 月 3 日）诞辰 100 周年。20 世纪 70 年代，他开创了研究活细胞、大脑和人类思维的新方法，提出基于自然计算大尺度理论统一自然科学的概念，并阐述了其四条原则：最小作用代价（Principle I），以普朗克常数界定物理世界计算的最低限度，假定存在能实现高效计算的量子设备；最优预测（Principle II），拓展相对论概念，解释了可长期维持稳定相干态的时空模式的建立；最小不可逆性（Principle III），测量及对结果赋值的过程不可逆，被视为时间流动，而当能量消耗无关紧要时，自然法则可逆；因果律（Principle IV），强调原因先于结果，物理世界规律事件源于控制系统的量子计算决策 。
利伯曼还提出细胞分子计算机的概念，认为自然计算通过与 DNA 和 RNA 核苷酸序列相关的程序实现，由相应酶作为处理单元操作这些序列。他还预测了 RNA 剪接，确定了小信息分子（后与 microRNAs 相关）在控制生物信息传递和重组中的作用，将大脑视为分子计算机网络，认为神经元通过细胞骨架传输信号来处理信息，并提出人类自我意识基于最高级别的量子计算 。
2. 量子测量的物理极限
许多学者探讨了数学在描述物理宇宙方面的效率，利伯曼从认识论角度分析了数学与物理之间的联系，认为新科学 “Chaimatics” 应将这种联系理解为物理系统对数学运算施加的计算限制。计算存在极限，这一概念将物理、数学和生物学统一于一个科学范式中，因为计算是真实的物理操作，需要消耗能量和时间，计算的最小作用代价对应普朗克常数。
在物理世界中，测量和计算的不可逆性导致了物理过程的不可逆性。自然法则在能量消耗无关紧要时可逆，但测量过程（包括对测量结果赋值的计算过程）是不可逆的，被感知为时间流动。利伯曼的观点与人类对物理现实的观察相关，同时也涉及到对物理世界本身不可逆性的解释，这与人类学原理相关且有所拓展。此外，引力与量子力学难以统一，狄奥西 - 彭罗斯模型（Diósi–Penrose model）将波函数坍缩与引力联系起来，为测量问题提供了一种可能的解决方案。同时，量子非破坏测量（quantum non-demolition measurements）的精度与测量时间、能量耗散相关，这对理解生物大分子系统的运作精度具有重要意义 。
3. 计算的物理极限
量子测量受海森堡不确定性关系 “能量 - 时间” 制约，计算的最终极限也受普朗克常数限制，利伯曼将其定义为 “最小作用代价”，并认为只有在高效进行量子计算的系统（如他提出的 “量子调节器”）中才能达到这一极限。细胞的分子计算系统虽未达到该极限，但面临严重的能量约束，使得经典计算模型难以解释生命系统的工作原理。
利伯曼对质子和电子通过线粒体膜的转移观察，为量子计算提供了实验基础，同时也引发了对分子水平数字存储元件的假设。计算极限还涉及多个物理限制，如兰道尔原理（Landauer's principle）确定了计算能耗的下限，即擦除 1 比特信息所需的最小能量与系统温度成正比（E≥kBTln2，kB为玻尔兹曼常数，T为开尔文温度）；贝肯斯坦界限（Bekenstein bound）决定了完美描述给定物理系统所需的最大信息量；布雷默曼极限（Bremermann's limit）则规定了在物质宇宙中自包含系统的最大计算速率 。
这些物理极限为计算过程提供了最优解的可能性，与最优预测原则相关。测量物理现实类似于计算，二者的统一是利伯曼概念的基础，也为将数学和自然科学统一为一门学科奠定了起点 。
4. RNA 世界与生物计算
从分子生物学诞生起，人们就知道 RNA 在基因型和表型之间起中介作用，如今发现其他类型的 RNA 参与了从蛋白质表型到 DNA 基因型的反向调节。自然计算过程包括从基因到蛋白质的信息传递，以及通过动态组合过程对信息进行调制，RNA 在其中发挥了重要作用。利伯曼在 1972 年就提出自然计算应包含主动组合过程，这为适应、细胞分化和进化奠定了基础，后来发现的多种调节性 RNA（如 microRNAs、small interfering RNAs 等）证实了他的预测 。
利伯曼还构建了神经元和信息传递模型，该模型基于对细胞内注射环磷酸腺苷（cyclic AMP）对神经元电活动影响的观察。他认为环核苷酸（如 cyclic AMP 和 cyclic GMP）是分子计算机系统的输入信息载体，神经元细胞骨架将相关信号转化为突触活动模式，与特定离子通道的开合相关，细胞骨架蛋白则是信息解码器，量子调节器利用细胞骨架的 “计算环境” 和量子特性进行数学运算 。虽然该模型部分机制尚待实验验证，但已有研究表明小 RNA 确实能以多种方式调控细胞骨架的运作 。
5. 形态发生过程中的自然计算
形态发生中的分化树可基于编码形态发生事件的通用机制来解释，该机制最初由亚历山大?古尔维奇（Alexander Gurwitsch）定义为形态发生场，后被康拉德?沃丁顿（Conrad Waddington）修改为表观遗传景观概念 。细胞骨架与基因组的相互作用在形态发生中至关重要，其动态变化与基因组通过表观遗传分子机制相关联，可精确控制基因表达 。
在植物形态发生研究中，人们对细胞骨架大分子系统 “催化” 形态发生事件有了更深入的理解。细胞骨架直接参与建立形态发生模式，例如微管在植物细胞分裂、伸长以及导管结构形成中发挥重要作用，细胞形状、机械力等因素影响微管的组装、稳定性和取向，进而将分子层面的变化转化为宏观的形态发生模式 。
在动物细胞中，中心体是主要的微管组织中心，其含有 RNA 且具有异质性，对细胞多样性的调节、决定和创造具有重要意义。在胚胎发育过程中，细胞骨架会进行广泛重塑，以适应时空坐标系的变化，达到最优配置，这与利伯曼关于神经元中细胞骨架在解决坐标系调整任务时发生重排的观点相符。在神经发育过程中，细胞骨架重排与小 RNA 的作用相互协调，共同影响神经元的发育和功能 。
6. 自然计算与进化
早期遗传学研究表明，减数分裂过程中的重组事件（如交叉互换，crossover）是重要的自然计算机制，受细胞骨架控制，有助于实现显性和隐性基因的最优分布，消除有害组合 。有观点认为，当生物接近适应极限时，会开启寻找新变异以突破极限的过程，这一观点有待基于现代遗传和表观遗传数据进一步发展 。
生命的量子本质使得其行为具有部分不可预测性，利伯曼提出的量子调节器控制着整个系统的运作，其作用代价接近普朗克常数。进化过程朝着使系统达到自我维持和自我协调的 “吸引点” 发展，这一观点在进化的目的论概念中得到了进一步阐述 。
自然计算过程基于哥德尔不完备性定理，即计算系统无法同时实现通用计算和系统的完备性与一致性 。随着进化的进行，生物系统通过基因复制、共生、细胞间相互作用等方式产生功能冗余，克服哥德尔限制，创造新的 “哥德尔数”，推动进化发展 。利伯曼的自然计算理论为理解分子进化提供了基础，进化过程中的自然计算不能简单归结为随机突变，而是具有复杂性和目的导向性，同时兼具一定的不可预测性和创造性 。
7. 自然计算与意识
反射性意识活动与高度组织化的神经回路形成反射反馈回路来控制自身的能力相关 。利伯曼认为意识的物理基础是一个三方结构，包括信号感知（涉及受体层面的识别机制）、意识感知（与神经元中的细胞骨架及其与 DNA 和 RNA 的相互作用相关）和反射（由量子调节器控制，量子调节器与生物大分子复合物的内部长寿命量子态相关） 。
弗拉基米尔?列夫?费弗尔（Vladimir Lefebvre）也提出了反射性意识的三方模型，该模型中三个热力学循环通过能量耗散相互作用 。利伯曼重新阐述的因果律认为控制系统的决策是事件的原因，这一观点与意识的产生相关。意识的存在与量子测量过程相关，利伯曼认为自我意识由量子调节器控制，其所需的信息流只能由量子计算过程处理，且在极短距离内存在 “局部自由” 区域，这为感知和决策等现象提供了物理可能性 。
8. 结论
叶菲姆?利伯曼是自然计算这一新兴基础科学领域的奠基人，他提出的计算物理极限概念是宇宙秩序的基础，强调信息传递与物理行动的紧密联系，推动了量子力学中测量改变状态这一基本原理的发展 。自然计算理论将生物学、物理学和数学统一起来，表明生命现象不能简单用传统物理和数学方法解释 。利伯曼的理论为新科学范式奠定了基础，有助于人们重新理解人类在宇宙中的地位以及人类在宇宙进化中的作用 。
