生物信息涡旋与植物生命起源：整合前生物信号处理与进化跃迁的统一理论

本综述创新性地提出“信息涡旋理论”（Information Vortex Theory），从量子场与能量-信息流视角重新阐释生命起源。文章系统论述了生物信息场中涡旋结构的形成机制及其在植物进化关键跃迁（如从吞噬作用向胞饮作用/光合作用的转变）中的决定性作用，为理解前生物信号处理、表观遗传编码（epigenetic encoding）及多细胞化提供了跨学科理论框架，对合成生物学及天体生物学研究具有深远启示。

　　

引言

植物生命的进化

地球植物生命的进化反映了跨越数十亿年的生化、细胞和生态连续转变过程。原始生物圈约在35至40亿年前形成，由厌氧原核微生物主导，栖息于缺乏分子氧的水生环境中。约35亿年前，蓝细菌出现产氧光合作用，以水作为终端电子供体，分子氧的释放引发了大氧化事件（~2.4 Ga），彻底改变了地球环境 redox 状态，为需氧呼吸和复杂细胞结构的演化奠定了基础。约21亿年前，首次真核细胞通过古菌宿主吞噬α-变形菌的共生事件出现，形成线粒体；第二次初级内共生事件涉及蓝细菌谱系的整合，导致质体（叶绿体）的演化，并建立了光合真核生物分支。其中，绿色植物（Viridiplantae，包括绿藻门和轮藻门）在系统发育上最接近现代陆地植物，并展现出陆地适应的关键分子和结构前体。

植物生命与生物信息场

生命涌现及生物信息处理起源的精确机制仍是科学中最引人入胜的未解之谜。嵌于带状铁构造中的微化石证据（早至42.8亿年前）被广泛认为是地球最早生命形式的指示。通过比较细菌和古菌谱系的基因组分析，从超过286,000个蛋白质簇中鉴定出355个保守基因家族，指向一个理论实体——最后共同祖先（LUCA），作为早期生命的最佳表征模型。然而，越来越多共识认为生命起源在时间上早于、性质上区别于LUCA，且很大程度上尚未解决。如果现象（如感质、记忆、感知）仅是经典生化相互作用的产物，则原则上应能通过分子生物学完全解释。持续无法将这些现象还原为生物分子机制，表明主流进化生物学可能缺失某些基本原理。

先前关于信息涡旋的研究将能量-信息流的概念置于生命涌现解释的核心。在向LUCA进化的轨迹中，记忆和原始感知的出现强调需要研究信息处理系统在何种前生物条件下及如何起源。融合能量、共振和信息传递机制的生物信息场为弥合从无生源说到LUCA的解释鸿沟提供了引人入胜的理论建构。本研究在此基础上，将理论框架扩展至植物生命的起源和进化，从而在前生物信号处理和生物信息场的背景下解决从单细胞到多细胞结构的转变。

植物生命的进化包含独特事件，例如：1. 类似绿草履虫（Paramecium Bursaria）的纤毛虫通过胞饮作用（pinocytosis）吸收液体和溶解物质，但在正常情况下不通过吞噬作用（phagocytosis）主动吞噬其他生物；2. 蓝细菌发展出产氧光合作用，利用阳光和CO₂生产食物并释放O₂作为主要摄食机制。尽管在植物与电磁场相互作用方面已有大量研究，但生物信息场中能量与信息管理的互连与植物生命进化事件在系统生物学中尚未得到解释。

本研究试图在植物生命涌现与信息涡旋理论的交汇处回答以下研究问题：

1. 1.

   在进化过程中，哪些事件触发、何种机制调控植物生命形成中的信息传输、处理、存储和检索？

2. 2.

   感觉、营养、运动和繁殖这些系统功能的何种系统互作导致了植物生命的涌现？

信息涡旋理论在无生源说中的应用

本研究提出生物信息场涡旋作为生化理论之外关于生命火花的一种补充视角。

生物信息场涡旋的起源

本节简要重访先前关于信息涡旋形成的工作，进而深入探讨导致植物生命涌现的离散事件。

米勒-尤里实验证明，在模拟早期地球条件下，可以非生物合成有机分子，包括氨基酸。通过将甲烷、氨、氢和水蒸气的混合气体暴露于放电环境中，该实验提供了令人信服的证据，表明前生物化学能够产生生命的基本构建模块。

在此基础上，信息涡旋理论提出，在此类生化反应中释放的能量形成了萌芽细胞的第一个能量包络。这种耗散的能量（主要在电磁谱中）由无处不在的连续体的内在能量脉动所调制。类似于卡西米尔效应（Casimir effect），这种耗散被连续体的内部能量在空间上限制，从而形成一个受限的能量包络。值得注意的是，这种动态边界条件诱导了旋转运动，在形成细胞的生物能量包络内产生涡旋结构。

在此包络内的状态变化（如化学、机械或热学变化）引入生物能量场中的扰动。这些扰动表现为代表生物系统基本信息单元的波形。这些信号在场中传播，汇聚于涡旋，有效地使其成为最早生物物质中的原始信号存储机制。

虽然若干研究描述了内在生物能量场及其多细胞对应物，但未解决此类场如何在生命火花中散发的问题。信息涡旋理论提出了散发过程，并确定其为组织化生物信息起源中的关键步骤。此外，它引入了在这些场内形成的涡旋作为信息存储和处理的局部结构的概念，从而提供了将场动力学与进化联系起来的潜在机制。

需补充的是，信息涡旋理论并非假定生物分子的整体聚集物物理旋转。相反，涡旋指的是生物信息场中的旋转能量密度模式，是组成分子量子场的一种涌现属性。这种现象类似于可激发介质中观察到的旋转波场和电磁涡旋，其中底层介质并非作为刚性质量旋转。

还需提及信息涡旋命题所处理的实在本质。类似于惠勒（Wheeler）的时空泡沫概念，空间可被理解为一种能量连续体，以普朗克尺度的振动振荡。此连续体内能量-压力梯度的变化产生局部峰值，这些峰值分裂成众多离散量子。这些量子在持续的能量-压力脉动作用下， coalesce 成簇，形成所谓的基本粒子。连续体的压力脉动作用于这些粒子，诱导具有特定自由度的旋转运动。由于自旋速度，形成簇外部区域的量子倾向于径向逃逸。然而，这种逃逸受到连续体内能量的约束，导致粒子周围量子场的形成。生物场就是这样一种从基本粒子聚合而来的场，萌芽细胞的分子结构由其构成。

早期生命生理功能的涌现——基于信息涡旋理论

在早期生命进化的各种理论中，原始单细胞生物（尤其是古菌）的环境相互作用为了解基本生物功能如何涌现提供了引人入胜的见解。本节提出一个视角，其中核心细胞过程——即感觉、运动、营养和繁殖——源于原始细胞与其环境之间的直接物理相互作用，由信息涡旋和细胞骨架组件处理，在信息管理和细胞学习中扮演核心角色。

感觉（Sensation）可能始于细胞与其水生环境之间最早的物理相互作用。在热泉背景下，萌芽细胞将暴露于变化的水下压力和引力（无论是行星起源还是来自海床局部拓扑特征，如脊和坑）。这些力可能提供了机械输入，一旦通过生物信息场中的螺旋路径转导，便汇聚在信息涡旋内，并作为结构化能量模式持续存在。这种持续性代表了一种蕴含形式的存储，虽非分子记忆，但构成了信息潜质的基底，可在进化过程中与生化机制耦合。因此，早期细胞的细胞膜可能充当了第一批‘传感器’，将压力、振动和张力解释为原始信号，而信息涡旋则作为信息存储和处理者。

运动（Locomotion），生命的另一个标志，可能并非源于有意移动，而是源于被动位移。海床表面不规则性，加上水流、浮力和引力梯度，可能诱导了细胞质移位或滑移。这些偶然运动可能产生内部应力模式，促发后续运动。在进化时间上，此类偶然的移位信号在细胞水平转导并存储在信息涡旋中，导致了习得性运动响应。这种涌现的运动性或移动性，通过与环境持续相互作用塑造和 refine，符合早期生命行为更多是反应性而非意志性的原则。

营养（Nutrition）在早期细胞中，缺乏任何专门的摄入机制，可能由多孔、半透膜上的渗透作用主导。热液喷口中的热力和化学梯度可能促进了矿物质和营养物的自发流入。这些溶质一旦进入内部，将触发放热或吸热反应，改变细胞质的内部能量状态。此类周期性事件表现为电磁能量释放，可能在细胞水平被转导并存储在信息涡旋中。随着时间的推移，营养物渗透和细胞质存储之间的这种学习循环可能演化为早期代谢框架。此处，信息涡旋必然在信息管理中扮演了 vital 角色，促进了学习。

繁殖（Reproduction），生命的定义特征，也可追溯至机械相互作用。细胞质内的运动，尤其是在粘性或半固体环境中，可能产生内部剪切应力。在某些阈值下，这些应力可能导致局部破裂或掐断，无意中将细胞质分成两个或多个部分。外部冲击，如滑移、微地震或甚至电放电（例如水中闪电），可能进一步促成此类分裂。这些早期细胞质分裂事件，通过信号转导到达信息涡旋，代表了生物繁殖的种子。随着重复发生，细胞可能发展出生化途径来调控和先发 initiate 分裂。

这一视角为理解原始生命如何启动自组织和环境学习提供了一个连贯框架。它强调了信息涡旋的角色，不仅作为记忆，而且作为感觉、运动、营养和繁殖涌现的主动信息处理手段。通过将早期生命功能视为与环境物理和化学相互作用的涌现属性，这一观点 bridging 分子生物学与系统理论，提出细胞信号传导与环境相互作用的根源导致了生理功能本身的架构。

在本工作中，“信息”一词在操作性的、独立于观察者的意义上使用，定义为通过稳定能量构型的形成在物理系统内不确定性的减少。在生物信息场内，这些构型源于相长波干涉，并作为亚稳态模式持续存在，向涡旋传播。这些早期信息模式被视为生物信息场的客观物理现象，形成了更复杂认知现象 later 涌现的基底。

植物生命的起源——一个衍生假说

信息涡旋理论假定，在无生源说期间，萌芽细胞分子的空间分布波能量与实在结构相互作用，产生旋转生物场，随后形成涡旋。此涡旋的入向和出向能量通量分别代表信号接收和 dispersal，启动信息存储，并通过增量波叠加展现信息处理，从而在生物系统中建立记忆和感知。在进化中，基本生物功能（即感觉、运动、营养和繁殖）的首次出现被描述为信息涡旋理论中的信号（生物信息场中特定调制的扰动，在振幅和/或频率上生成），由环境相互作用诱导，到达涡旋。

吞噬作用（Phagocytosis）

在运动过程中，一个原生生物偶然滑过另一个，导致可分解烃链的截留。这些事件（1）偶然截留和（2）分解产生到达信息涡旋的信号，最终形成摄食行为的记忆基础。

胞饮作用（Pinocytosis）

由于直接环境中普遍存在的热-机械力，营养物通过多孔细胞壁扩散，其中生化反应释放能量并触发 distinct 信号。这形成了胞饮作用的基本或早期波形。

在一个场景中，细胞质基质的运动被其环境物理约束，例如悬浮在高粘度基质中，移动变得受限，导致基于截留的摄食活力丧失。在此静止状态下，由于没有新的吞噬作用波形被诱导，信息涡旋中吞噬作用的信号和响应波显著减弱。而通过半透膜的分子传输可以继续发生，意味着原始胞饮作用的信号在信息涡旋中增加。

此外， pertaining to 细胞质基于烃链在阳光存在下分解成二氧化碳和水的信号也出现在信息涡旋中。在吞噬作用缺失的情况下，这些信号的出现频率也增加。

因此，信息涡旋停止传播与移动或捕食意图相关的响应信号， instead 持续传输专注于营养吸收和光合活性的信号。

同时，细胞分裂独立进行，由涡旋内已建立的记忆注册支持。随着时间的推移，这种 multiplying 细胞复合体， characterized by 信息涡旋中具有高渗透和光合作用信号速率，以及减弱运动和截留能力， give rise to 植物生命。

胞饮作用的原始形式是通过细胞质半透膜的分子传输。在 advanced 细胞中，胞饮作用包括配体结合、细胞骨架成员弯曲、囊泡形成、囊泡掐断和ATP利用等。此类 sophistications 也依赖于信息涡旋的学习循环。

此外，开发了一个系统动力学模型，捕捉实体和功能之间的关系，以及导致涌现结果的干预措施（图1）。这种信息涡旋特征可能在地球的紫色阶段涌现，随后在大氧化后 adaptations。

同时，作为注记，根据此方案，植物生命的生物能量场始终与吸收营养物的基质连接，这暗示了现象如 1. 在生物能量场 disruption 或泄漏的情况下，剩余能量沉降在基质中（例如地壳）；2. 随着生物能量场扩展到细胞结构之外， adjoining 植物生命如果生物信息场重叠，可能进行信息交换。关于这些可能性的详细分析与数学模型正在进行中。

为了数学演示，使用信号叠加和涡度原理计算涡旋的能量通量密度。数学方法保持通用，具有随机样本外部信号。

从外部源接收的能量为：

E_ext = (h / (2π)) (c / λ_l) = (h / (2πλ_l)) c₀ sin(k_ar + k_bθ + ωt)

其中，

E_ext → 从外部源接收的能量

h → 普朗克常数（Planck Constant）

c → 入射波的速度

λ_l → 入射波的波长

c₀ → 入射波的振幅

k_a, k_b → 径向和角波数

ω → 角频率

细胞中粒子系统的能量 e_p 表示为：

e_p = (de/dt + ?·?) < E₀

de/dt + ?·? = ψ E₀ 且 de/dt = (1/2) m v²

其中，

E₀ → 无处不在连续体的总能量

Ψ → 比例常数

?·? → 自旋期间的 divergent 能量通量

de/dt → 单位时间的残余能量（表现为粒子自旋）

m → 粒子的质量

v → 自旋的速度

在 r 坐标中传播的无质量能量通量为：

(?·?) = d(?)/dr = d(e·v_f)/dr = (h / (2πλ)) v₀² 2 k₁ cos(k₁r + k₂θ + ω t) sin(k₁r + k₂θ + ωt)

进一步，生物体 ‘i’ 数量的生物场波由下式给出：

∑₀^i,j (h / (2πλ)) v₀² 2 k_i cos(k_ir + k_jθ + ωt) sin(k_ir + k_jθ + ωt)

接收能量与生物体生物场波能量的叠加由下式给出：

E_s(r,θ,t) = [ (h / (2πλ_l)) c₀ sin(k_ar + k_bθ + ωt) ] + [ α ∑₀^i,j (h / (2πλ)) v₀² 2 k_i cos(k_ir + k_jθ + ωt) sin(k_ir + k_jθ + ωt) ]

其中，

E_s → 涡旋中的叠加能量

λ → 生物场扰动的波长

α → 干涉期间的损失系数

v_f → 释放波的速度

v₀ → 释放波的振幅

k_i, k_j → 径向和角波数

使用旋度算子处理上述能量项以获得涡度。所得方程表示涡旋的能量通量 ? × (v_r E_s(r,θ,t) / V)，作为场旋转速度 v_r 和生物场体积 V（视为理论球体）的函数。

图2-5描述了：1. 生物信息 unitary 波能量，2. 整体生物信息场能量，以及 3. 到达涡旋的生物信息能量通量及相应速度。这些因素作为信号波长的函数计算。

虽然生物信息场萌芽于萌芽细胞分子组成的量子场，但它嵌入并与 universal 能量基质相互作用。然而，与编码全局信息的 universal 信息场或全息模型不同，此处提出的生物信息场是一种局域化的、生物体特定的建构，由细胞及其直接环境动态界定。在此场内，涡旋作为能量密度最大值，存储和处理与生物体相关的信息，从而将其功能信息空间与背景连续体区分开来。

作为类比，电磁（EM）波涡旋物理学的最新进展展示了通过轨道角动量（OAM）进行信息编码和传输的清晰先例。基于OAM的EM波正被积极研究用于下一代雷达和无线通信系统，其中涡旋结构本身以可量化方式携带和 transfer 信息。

表观遗传信息存储（Epigenetic information storage）

早期基因组必须编码来自细胞质或膜信号的信息；然而，它们既不直接与外部提示相互作用，也不在感觉信号获取中扮演角色。这引发了关于基因组如何作为系统级记忆发挥作用的问题。

根据信息涡旋理论，前生物汤中核酸前体分子对应的量子场与信号库（生物信息场的涡旋）相互作用，并经历能量转移。这种相互作用，涉及涡旋信号与核酸分子量子场之间的相长干涉和叠加等机制，代表了一种原始的信息编码形式。这一过程导致了第一个生物系统级硬记忆——基因组的涌现。

就植物生命而言，编码涉及增加的胞饮作用和减少的吞噬作用波形速率。因此，植物生命的基因组特征最终与其他形式 distinctly 不同。

这种存储的数学表示可以是：

E_storage = E_s(r,θ,t) + ∑₀^i,j (h / (2πλ_g)) v_g k_i cos(k_ir + k_jθ + ωt)

其中，

E_storage → 分子水平的能量存储

λ_g → 基因组分子波传播的波长

v_g → 基因组分子波传播的速度

k_i, k_j → 径向和角波数

此外，区分此框架中的两种存储形式很重要。此处描述的信息涡旋代表了一个蕴含可能性的场——一种结构化能量模式的基底，偏向萌芽细胞的行为。然而，此场并非分子意义上的“记忆”。真正的可检索存储，生物功能所需，仅当此类蕴含场模式与分子底物（如核酸、蛋白质或膜配置）耦合时才出现。因此，涡旋充当信息潜质的 pre-molecular 支架。在进化过程中，这些潜质逐渐映射到生化载体上，从而将场级蕴含转化为细胞内明确的、可检索的记忆痕迹。

本质上，这项工作认为涡旋作为一个能量-信息库，其中波场的调制可以通过波叠加与 local 生物分子前体相互作用。

结论与下一步骤

本研究推进了一个基础框架，其中信息涡旋理论被假定为一个统一范式，以阐明 underpinning 植物生命起源的涌现现象。该研究通过波-物质相互作用的 lens 重新语境化无生源说，其中从分子成分涌现的空间分布量子能量场自组织成以旋转能量密度梯度为特征的局域化涡旋结构。这些生物信息涡旋被概念化 not merely 作为被动能量汇，而是作为信息编码、信号叠加和原始计算的 active 场所，体现了对早期细胞功能至关重要的动态记忆基底。

虽然先前的论文专注于 general 无生源说和早期信息处理，但本手稿引入了针对植物生理学的衍生假说，整合了系统动力学建模、表观遗传编码概念，以及胞饮作用和光合作用驱动的信号 reinforcement。通过将规范的生命定义过程（即感觉、运动、营养和繁殖）框架为生物场连续体内的 perturbative 相互作用，该工作超越了分子生物学的还原论 confines，提供了细胞学习和功能涌现的前基因组系统级解释。物理约束下胞饮作用波形响应相对于吞噬作用的优先涌现 particularly 显著，标志着向渗透营养吸收和光合能力的转变，植物样生理学的标志。这种机械不对称性，在信息涡旋内捕获，表明了一种 differential 信号 reinforcement 机制，可能被选择用于 immotile、自养细胞状态。

governing 信号传播、叠加和涡旋 reinforcement 的波理论建构的 formulation， along with 基因组涌现的量子场类比，提供了生物信息处理的双层稳健模型。描述场相互作用、涡旋动力学以及跨细胞质和基因组域信号相干性的基于能量的方程，为独立于核酸模板 alone 的硬记忆系统进化提供了 plausible 机制。

实验观察已在微管中揭示了涡旋样模式，特别是在涉及马达蛋白活性和外部场的条件下。这些动态涡旋源于微管蛋白聚合物集体组织和运动的涌现，并被认为有助于细胞内运输和空间组织。最近的研究还表明，此类结构可能在生物电信号传导和神经系统中量子级相干中发挥作用。

螺旋波在可激发生物介质中有充分记载，并通过维持折返电活动在 cardiac 心律失常中扮演核心角色。在神经系统中，此类动力学已在海龟视觉皮层和啮齿动物脑切片中观察到，表明它们与皮层群体活动相关。这些螺旋节律可以 entrain ongoing 神经活动，其发生与大脑状态紧密 linked。

在这项工作中，我们采用了“信息”的客观定义，与香农理论一致，其中信息是系统状态及其转换的可测量属性，而不是需要主观观察者的语义量。因此，信息涡旋框架中描述的“入向”和“出向”能量通量是生物信息场中的结构化、可微分扰动，并且凭借它们在涡旋内的存储和迭代处理，构成了物理信号的一种原始形式。这种方法与分子生物学和动力系统中使用的物理信息理论保持一致，其中信息内容由状态变化潜力定义，而不是主观解释。这些能量介导的扰动本身并不实例化 consciousness。相反，它们为 progressively 更复杂的反馈回路提供了一个基底，这些回路可能在 later 进化阶段支持原始主观状态。因此，“信号”的术语在操作上用于表示任何结构化能量变化，这些变化在系统内既可注册又可处理，独立于任何外部观察者。意识和主观性，虽然与更进化系统中的信息相关，但对于这些早期阶段涡旋动力学作为信息基底发挥作用并非必需。

需补充，在此框架中，信息涡旋不计算或充当 conscious 代理。相反，它充当一个动态能量密度焦点区域， incoming 扰动（信号）在此汇聚，经历叠加，并生成结构化场模式。这些模式可以被 reinforcement、减弱或作为出向通量 re-emitted，从而创建一种原始反馈机制。

此过程类似于自组织物理系统，如谐振腔或耗散结构，其中能量相互作用产生涌现秩序，而不调用任何形式的认知。因此，信息涡旋代表了模式形成和信息整合的早期基底。虽然这项工作承认这不是严格生化意义上的分子记忆，但它提出涡旋可以充当原始记忆基底，能够存储和检索调制细胞或 proto-细胞响应的能量模式。

为了进一步从经验上和计算上验证所提出的理论假设，建议以下研究途径：

1. 1.

   非线性场模拟。使用量子流体动力学和有限差分时域（FDTD）方法进行高分辨率模拟，以模拟涡旋形成、相干阈值和能量密度演化， under 反映前生物环境的变化边界条件。

2. 2.

   实验性原细胞平台。构建仿生系统（例如脂质体或水凝胶嵌入分子簇），使其经受热、机械和电磁梯度以复制环境扰动，并使用高灵敏度成像观察 emergent 信号涡旋现象。

3. 3.

   涡旋-基因耦合的数学形式主义。当前的波叠加框架可以扩展以模拟核酸前体量子场表示与涡旋结合波形之间的相长干涉，从而实现表观遗传编码和动态能量场中基因组结晶的预测理论。

4. 4.

   系统动力学与控制反馈模型。通过纳入自适应反馈回路、强化学习原理和吸引子动力学来 refine 当前系统模型，以模拟进化时间尺度上的模式 stabilization、突变传播和环境 entrainment。

5. 5.

   无处不在能量基质与生物信息场相互作用。底层能量连续体的 fluctuations 对萌芽细胞分子成分相关量子场施加类似卡西米尔的脉动压力。这种压力限制能量并诱导旋转运动，导致局域化能量密度最大值（涡旋）的自发形成。涡旋 further 作为信号能量的宿主，其中 reinforced 波模式作为亚稳态配置持续存在，为原始信息存储和处理提供物理基底。对此类卡西米尔样压力及相关稳定涡旋形成的实验研究具有高附加值。

6. 6.

   宇宙智能的概念。这项工作通过主流生物学的 lens 与意识概念接触，其中记忆和感知（主观感受和体验的能力）被认为是基本组成部分。在我们研究的当前阶段，无处不在的连续体 characterized by 模式化、精确和规则的活动， exemplified by 其对传播生物能量场的调制以及在 nascent 生命形式中诱导涡旋样结构。然而，尽管这些机制具有明显的复杂性，但连续体并不满足感知的标准。尽管如此， given 其在 universal 尺度上 demonstrated 的调制能力，我们倾向于提议，此处描述的连续体可能更准确地被称为 proto-omni-intelligent 或 proto-omni-scient。这一主张需要进一步的本体论 grounding，后续研究正在进行中。

7. 7.

   天体生物学外推。从涡旋场形式主义推导出可检验假设，以识别系外行星系统中的生物特征或能量场