行星自由与地球地壳结构的形成驱动力

《BioSystems》：Planetary Freedom and Constructal Drivers of Earth’s Architectures

　　摘要
建构法则指出，有限大小的流动系统会演化出逐渐方便流体通过的配置。在自由-行星信号约束假说（FP-SCH）中，这一原则在由行星形成和动态历史所建立的方差景观中发挥作用。这些景观——即建构意义上的环境自由度，流动系统为实现更好的流动性而必须具备的外部变异性——通过一个无量纲的、以地球为标准的行星自由度指数Fh来概括。对于现代地球，Fh = 1.0反映了形成月球的巨大撞击、持续的潮汐作用、移动性地壳构造、间歇性的火山喷发以及轨道-轴心气候循环。当这种变异性以生态上显著的异常形式影响到生物圈时，长期进化成功将由几何平均适应性而非算术平均适应性决定。该框架推导出了一个临界点，在这一点上，反复出现的不利状态会倾向于选择能够维持可用流动性的方差缓冲流动访问架构。在地球上，这种架构的一个主要实现是“追求-逃避”架构，它结合了主动的流动跟踪、双边对称性、头部优先性以及压缩的感知-行动循环。FP-SCH假设这种实现促进了同时进行预测误差最小化、连贯的信息共享和持续的目标维持（三重并发性）作为可验证的下游假设。该框架提供了序数预测：低Fh或强烈缓冲的世界应倾向于缓慢、分散的、共生的或休眠的策略，而高Fh或较少缓冲的世界，其变异性达到生物圈时，则应倾向于主动的、移动的流动跟踪。这些预测为生物特征的解释提供了先验。

引言
建构法则认为，为了使有限大小的流动系统能够持续存在，其配置必须演化出逐渐方便流体通过的途径（Bejan 1997, 2016; Bejan & Lorente 2008）。该原则适用于任何流体通过的系统——河流流域、血管网络、工程导管等——并将这些系统的重复出现的架构视为在约束条件下选择减少流动阻力的结果。在这里，生物进化被视为可以应用建构法则的领域：生物体、谱系和生物圈是能量、物质和信息流动的有限大小系统，其架构可以根据在约束条件下的流动性改进来评估。在这种观点下，建构法则不是进化的类比，而是一个决定生命产生的流动访问架构的物理法则。流动系统只有在环境变化足以使不同配置变得重要的程度上才能演化出更好的流动性；Bejan将这种外部变异性称为环境自由度（Bejan 2020; Bejan 2026）。在行星尺度上，一个世界的形成和动态历史决定了其生物圈必须应对的条件的广泛性和重复性——即其环境方差制度——从而确定了建构选择作用的景观。在自由-行星信号约束假说（FP-SCH）中，这种排序是因果关系的：行星形成和动态历史建立了建构法则作用的方差景观；建构法则并不生成这一景观。方差制度是舞台；建构法则是在其上演的规则。完整的因果层次结构见于图1。

这一框架有着深厚的历史渊源。长期进化成功依赖于在波动环境中的表现——以及由此产生的几何平均适应性相对于算术平均适应性的优势——这一观点在20世纪中期的群体遗传学中已经确立（Dempster 1955; Cohen 1966; Lewontin & Cohen 1969），并在此基础上得到了巩固（Gillespie 1991; Yoshimura & Jansen 1996）。当前框架直接以几何平均传统作为其最相关的历史基础，并结合了更广泛的进化综合理论，因为该传统提供了此处使用的进化机制。尽管有这些基础，但涉及该问题的主要框架都留下了特定的空白。建构法则提供了支配原则，但尚未给出明确的行星方差参数。关于进化偶然性的解释说明了结果取决于历史，但没有具体说明哪些行星条件会偏向哪些结果。行星宜居性研究量化了一个世界是否能承载生命，但没有指出其方差制度会偏好哪种生物架构。关于认知和意识的领先理论——包括预测处理和自由能原理（Friston 2010; Clark 2013）、全局工作空间模型（Dehaene et al. 1998; Dehaene 2014）、综合世界建模框架（Safron 2020）、整合信息理论（Tononi 2008）、高阶理论（Brown et al. 2019）以及重复处理理论（Lamme 2006）——都是从地球生物案例发展而来的下游机制或功能理论，它们中没有包含关于这些架构为何受到青睐的行星方差制度的明确表述。这些框架缺失的是一个将地球物理方差与进化架构连接起来的行星尺度描述符。这里引入的描述符是行星自由度Fh：一个无量纲的、比较指数，用于衡量行星重复环境方差制度的广泛性和幅度，并以现代地球为基准进行标准化。Fh是一个现象学序数参数，旨在对世界进行排名，而不是一个精确的标量，它描述的是行星阶段，而不是任何单一谱系的经历。从小行星(101955) Bennu中恢复氨基酸和所有五种核碱基的证据支持了这样一个前提，即一旦生命存在，前生物物质可以在多个世界中广泛存在，从而使行星方差成为一个合理的区分条件（Glavin et al. 2025）。

在地球上，参考值Fh = 1.0代表了由其特定的形成和动态历史（尤其是形成月球的巨大撞击及其对潮汐耗散、地幔动力学和气候变异性的长期影响）以及持续的移动性地壳构造、间歇性的火山喷发和轨道-轴心循环所建立的相对高方差的地球实现。这些因素共同产生并维持了广泛的、重复的环境方差制度，使地球区别于低Fh的世界，如金星和火星。只有当行星的方差制度产生生态上显著的异常时，它才在进化上变得重要——这些异常使生物重要的变量超出它们之前的长期范围。这种暴露程度由异常回归时间τe来概括，即这类异常的复发间隔。Fh和τe描述了不同的量：Fh是行星方差制度的广泛性，而τe是实际传递给生物体的中断频率，两者只有在行星方差传播到生态尺度时才会重合。

这一框架引发了几个问题：为什么在地球上，双边和头部优先的“追求-逃避”架构是快速、高带宽整合控制的实证基础；为什么即使在后来局部方差减少的情况下，这种高成本的架构仍然存在；为什么占主导地位的认知理论隐含地以地球为基准；以及为什么在宜居世界中，完全整合的、个体化的控制架构可能是例外而不是规则。结论部分在表5中回到了这些问题及相关问题。

核心假设是，行星自由度通过生态传递的异常动态来偏向于几何平均选择，从而影响进化架构，地球的“追求-逃避”架构代表了方差缓冲流动访问类别中的一个实现成员。提出的因果序列是：行星形成和动态历史建立了一个特定于行星的方差景观（Fh）；建构法则在该景观中发挥作用；当方差传递到生物圈时，它产生了一个异常制度（τe）；反复出现的异常施加了几何平均选择；这种选择偏好于一类方差缓冲流动访问架构；地球实现了这一类别，即“追求-逃避”架构；并且在反复出现的生态传递异常下，这种“追求-逃避”实现被认为促进了预测误差最小化、连贯的信息共享和持续的目标维持——三重并发性。这最后的联系是可验证的，地球被视为一个观察到的实现，而不是一个普遍的模板。

由此产生的框架包括：
- Fh，一个无量纲的行星自由度指数，用于衡量一个世界的环境方差制度，具有操作性的四驱动构建；
- τe，一个异常回归时间描述符，将行星方差与生态传递的中断联系起来，同时与Fh区分开来；
- 一种将行星方差与架构选择联系起来的建构机制；
- 一种将反复出现的异常与方差缓冲架构联系起来的几何平均推导；
- 将地球实现的架构解释为方差缓冲类别之一的“追求-逃避”解释；
- 一个作为可验证下游假设提出的三重并发性解释；
- 一组用于生物特征解释和SETI的序数预测。

其余部分依次介绍这些组成部分。第2节发展了因果链，第3节给出了几何平均推导，第4节定义了关键术语，第5节详细说明了Fh和τe的构建，第6节讨论了地球的实现，第7节指出了局限性和可证伪性。

**行星方差下的建构选择**
FP-SCH围绕一个因果序列组织，该序列从行星形成和动态历史开始，经过这些历史建立的方差景观，然后跟随在该景观中的建构选择的后果。这个序列中的联系并不都具有相同的证据地位：有些是定义性的，一个是数学推导的，下游的生物学转变取决于地球的实际历史或仍然是待测试的假设。

**在环境方差下的几何平均选择逻辑图**
当生态上显著的异常在相对于谱系持续时间较短的时间尺度上重复出现时——也就是说，当异常回归时间τe较短时——谱系在其进化历史中会反复遇到有利和不利的环境条件。缩短τe并不会加深单个异常的影响，而是增加了暴露于异常条件的代际比例。在下面的模型中，这种暴露通过频率来表示。

**定义、操作化和术语**
本节定义了FP-SCH中使用的专门术语，以便可以在行星、进化和信息流尺度上一致地理解这一论点。定义指明了每个术语的含义、它操作的尺度以及在框架中如何操作。条目遵循框架的因果顺序：行星形成和Fh方差景观建立了边界条件；建构法则在该景观中发挥作用；τe，几何平均...

**Fh和τe的操作定义和制度分类**
本节给出了行星自由度指数Fh的操作构建，并将其与异常回归时间τe相关联。它指明了Fh的构建方式、标准化方法、界限以及解释方法，以便该指数可以复现并根据其假设进行评估。目的是使该指数可复制并开放给实证改进，而不是引入新的因果联系。本节使用了第2节和第4节已经定义的变量和因果序列：...

**地球的“追求-逃避”实现和三重并发性假设**
第2.6-2.7节认为，在反复出现的异常下，几何平均选择偏好于方差缓冲类别的架构，并且地球实现了该类别中的一个成员，即“追求-逃避”架构；第2.8节将三重并发性作为下游假设进行了介绍。本节发展了地球的实现，并使用比较证据评估了三重并发性假设，同时将地球视为一个观察到的实例而不是普遍结果。与第2.10节一致，FP-SCH...

**界限、局限性和可证伪性**
该框架受其预测失败条件的限制。本节确定了这些条件，区分了表面上的反例和真正的反证，并指出了哪些主张得到了现有证据的支持，哪些是根据框架的定义或推导得出的，以及哪些仍然是待测试的预测。一个允许每个世界都有任何结果的框架是没有区分能力的；以下的界限定义了FP-SCH的作用范围。

**结论**
该框架提出了一条单一的因果链。行星形成和动态历史建立了一个特定于行星的方差景观，由Fh状态变量表示。建构法则在该景观中发挥作用，而不是生成它。当方差制度传递到生物圈时，它产生了一个由异常回归时间τe索引的生态上显著的异常制度。反复出现的异常施加了几何平均选择，这偏好于一类方差缓冲的...

**数据可用性**
所有支持本研究的数据都来源于文中和补充材料中引用的先前发表的地球物理、古气候、系外行星、群体遗传学和神经科学资源；没有生成新的实证数据。表1中的每个驱动因素的值、来源和标准化路径在补充表S1中有详细列出，其中包含了重建每个Fh值所需的所有信息。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

**伦理声明**
这项工作是理论性的。任何未来的实证测试都必须符合国际动物福利标准。

**关于生成式AI和AI辅助技术在写作过程中的声明**
在准备这项工作时，作者使用了ChatGPT（OpenAI）、Claude（Anthropic）和Grok（xAI）来支持手稿结构、文献组织、概念澄清、一致性检查、审稿人响应规划、参考文献组织和语言修订。在使用了这些工具/服务之后，作者根据需要对内容进行了审查和修改，并对出版物的完整性、准确性、原创性及内容负全责。

**资金来源**
本研究未从公共部门、商业部门或非营利组织的任何资助机构获得特定资助。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的潜在利益冲突或可能影响本文所报道工作的个人关系。

**致谢**
我感谢Adrian Bejan教授在讨论中帮助澄清了从“建构主义”视角对“行星自由”的理解。同时，也感谢Anne Hultgren提供的咨询建议。所有分析、解读及结论均为作者个人负责。

**作者信息**
Brit M. Goldstein
美国宾夕法尼亚州费城