智慧塑膠機器
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科學一詞來自拉丁語“scientia”，意思是“知識”。 科學實踐是對現實真相的探索。 科學發現徹底改變了我們對周圍世界現實的理解。
“... 在現今人們的經歷中，至少存在三次嚴重的危機... 物理學中存在兩次這樣的危機 - 即與相對論發現相關的概念性靈魂探索，以及與量子理論發現相關的概念性困難... 第三次危機發生在數學領域。 這是一個非常嚴重的觀念危機，涉及嚴謹性和進行正確數學證明的適當方法。 鑑於早期對數學絕對嚴謹性的觀念，令人驚訝的是，這種事情會發生，更令人驚訝的是，這種事情會發生在這些後來的日子裡，因為人們認為奇蹟不應該發生。 但是它確實發生了。"- 約翰·馮·諾依曼 (1963)，談論哥德爾 (1931) 不完備定理。
如今，我們站在一場對我們內心世界現實理解的革命的門檻上；這場革命一直在我們理解力的地平線上慢慢地蔓延，因為生物化學、植物學、微生物學、醫學、精神病學、心理學、神經科學和動物學領域的發現，為所有生命（包括我們自身）的複雜機制帶來了新的光明。 我們通常完全意識不到我們體內真正發生的事情，因為我們的眼睛向外看，而不是向內看。 我們體驗自己的思想和感覺，但我們無法解剖和檢查它們（儘管我們可以透過內省和沉思來沉思我們的想象）。 但藉助刀子和顯微鏡，科學家可以切開其他人的頭部和身體，並觀察其內部。 他們的發現表明，與勒內·笛卡爾 (1641) 的想法相反，所有證據都表明，心靈並不位於身體之外的超然形而上學領域，而是在其中，在物質的真實物理領域。 沒有心腦二元論——我們稱之為心靈的是我們對大腦中發生過程的意識感知。
但這項啟示並沒有就此止步。 作為進化中最新出現的成員之一，人類設計並製造了一些非常驚人的資訊處理機器。 僅僅在最近——大約在過去 100 年中——我們才能夠使用其中的一些機器來深入觀察活生物體的組織，並開始真正解開它們由什麼構成以及它們如何工作的複雜性。 僅僅在最近——大約在過去 10 年中——這些調查才揭示，所有生物之間的親緣關係比以往任何時候都更加密切。
所有生物的共同點在於它們由什麼構成，它們做什麼以及它們如何做到。
它們所做的是從外界輸入物質，在體內對其進行處理以執行各種功能，包括從原材料中製造新物質，以及輸出物質。 這些物質——光波、聲波、分子和力——是宇宙能量場中的擾動。 它們是資訊。 人類認知過程（如感覺、感知、思維和情感）是物理過程。 它們是資訊過程。 它們是生物計算。
任何以任何方式處理資訊的事物都是計算機。 植物和動物都有感官並執行計算功能來處理它們感官的輸入。 盆栽園藝師注意到，植物傾向於朝窗戶生長，因為光從那裡照射進來。 這並非偶然——植物生長尖端的細胞含有稱為光敏色素的光感測器，它會啟動一系列生物計算，導致其莖內襯的細胞差異膨脹，從而使其呈現彎曲形狀。 植物還可以感知重力的方向——莖向上生長，而根從種子向下生長，無論種子朝哪個方向向上。
向光性植物、克隆羊、試管嬰兒和所有生命形式，包括你和我都屬於資訊處理器。 369 年後，笛卡爾著名論斷“我思故我在”的當代版本可能類似於以下內容
“我活著，所以我計算”
人工計算機器的計算機制主要由矽和金屬構成。 它以數字電訊號的形式表示其軟體（程式和資料）；其計算由對這些訊號進行操作的電子機制執行。 自然計算機器的計算機制主要由稱為氨基酸的有機分子構成，它們是能夠連線形成稱為蛋白質的長聚合物鏈的碳氫化合物。 活的機器以化學和電訊號的形式表示其軟體；其計算由對這些訊號進行操作的細胞器、細胞和器官執行，並且可以被這些訊號改變 - 而電子計算機可以改變其軟體，但不能（至少目前還不能）改變其硬體，活的機器可以修改執行其計算的結構，甚至透過我們稱為生長和繁殖的計算過程製造新的結構。
蛋白質鍵的物理特性使它們能夠彎曲和扭曲成不同的形狀，而不會破壞它們的化學完整性。 蛋白質的可塑性使肌肉能夠搏動，皮膚能夠伸展，以及卷鬚、根和神經元能夠朝向光線、水和它們的鄰居生長。 正如矽本身不能做太多事情一樣，蛋白質也不能做太多事情。 但是，蛋白質的複雜組合，加上其他幾種型別的分子，可以做到一件非凡的事情：它可以改變其物理結構。 蛋白質的物理可塑性是構成它們的生物體行為可塑性的關鍵之一：活的機器能夠從原材料中製造自己的部件以生長、繁殖，並且能夠響應不斷變化的環境條件，智慧地適應實現其計算功能的物質存在結構的奇蹟能力。
死亡後，活的機器的天然聚合物和其他化學成分在土壤中積累，經過長時間的分解過程，轉變為煤和原油的成分（如辛烷），這些成分可以被開採出來並重新加工以生產合成聚合物。
當您進行網路搜尋時，您會要求搜尋引擎伺服器場在其索引資料庫中搜索匹配項。 向其輸入一個關鍵詞串，它會輸出一堆 URL。 這就是計算。
在日本和印度，尋找配偶的傳統方式是聘請媒人——一個據稱精通尋找相容伴侶的人。 媒人是一項計算，因此媒人是計算機。
當有人吸引了你的注意（或者，更有可能的是，你的嗅覺器官被它所感知的東西刺激了），你對他們有好感，那麼你就是你自己的媒人。你是計算機。你的資訊輸入是他們的美麗（或資訊素），而你的資訊處理——你的反應——把你帶到了一個新的思維狀態。以及身體！計算作為狀態轉換的概念最早是由圖靈（1936 年）提出的，儘管建造機器來執行計算的想法可以追溯到（至少）新石器時代；例如，巨石陣是一臺由石頭製成的計算機，其唯一活動的部件是太陽和月亮——巨石陣準確地計算了太陽和月亮至點的重合（霍金斯，1963 年）。當重合發生時，巨石陣的裝置會發生變化，因為這兩個天體出現在由巨石的角度和高度形成的取景器中，從特定位置觀看時——巨石陣不僅僅是一堆拱門被動地站在一個圓圈中。
計算機是資訊處理器。巨石陣處理太陽和月亮在天空、在季節中執行軌跡的資訊。但究竟什麼是資訊呢？
“當我使用一個詞時，”蛋頭先生帶著輕蔑的語氣說，“我使用它來指代我想讓它指代的東西。不多也不少！” - 劉易斯·卡羅爾，《愛麗絲漫遊奇境》。
半答案：資訊是說或寫的東西，它有意義。
這可能是大多數人會說的，從某種意義上說，這是一個完全合理的運作定義。但它是一個純粹的主觀定義，因為某物對某人是否有意義完全取決於接收者。例如，加密資訊試圖向除了知道如何解密它的人之外的所有人隱藏它的意義。然而，加密資訊中的資訊仍然存在，只是它對於那些不知道應該對資訊執行什麼計算來弄清楚其意義的人來說是無法破譯的。
同樣的原則也適用於你無法理解的語言中的未加密資訊，因為你的大腦還沒有學會處理它。例如，下面是這段用斯瓦希里語寫成的段落（根據谷歌）...
“Na huyo wa kanuni ni kweli unencrypted ujumbe katika lugha huelewi sababu ubongo wako haina programu zinazohitajika mchakato yake. Kwa mfano, chini ya aya hii imeandikwa katika Kiswahili (kulingana na Google)”
...對於任何不會說斯瓦希里語的人來說都是無法理解的。但不僅僅是外語對我們來說無法理解。假設你說了一些你認為對某人來說很深刻和有意義的話，而他們回答說：“胡說八道！”。對他們來說，你說的話毫無資訊，因為他們頭腦中沒有和你一樣的軟體。然而對你來說，它是智慧的珍珠。資訊——你說的話（區別於你想要表達的意思）——一旦說出來，就獨立於你和他們而存在。
因此，說資訊是有意義的東西只是一種半答案——它確實是有意義的東西，如果你有足夠的頭腦去理解它。
完整答案：資訊是物理場中獨特的變化——一個可以輸出、傳輸、輸入和處理的訊號。
我們可能會傾向於認為資訊是抽象的東西——是無形的東西，因為相同的資訊可以用許多不同的形式表示。但資訊沒有物理形式就無法存在。無論這種形式是聲波、紙上的墨水、電視訊號、氣味還是在某人血液中迴圈的腎上腺素分子，它都是一種物理形式。
一些資訊場的例子包括聲音、光線、化學環境、壓力和電壓。將資訊從一種形式轉換為另一種形式的過程稱為換能。麥克風、揚聲器和調變解調器是工程換能器的例子。在描述生物細胞的行為時，訊號轉導是用來描述細胞對來自其環境的刺激的反應的一般術語。這種刺激可能是化學信使，或其他形式的資訊，如熱量、鹽度等。
訊號的資訊內容只有在接收者具有某種機制來注意到它（是否理解它又是另一回事）的情況下，才能從背景場中的一般白噪聲中辨別出來。辨別訊號需要它以獨特的方式與背景不同。想想迴圈的聲音（比如你自己的呼吸聲）——只有當它改變節奏、音調或振幅時，你才會注意到它。塞繆爾·莫爾斯（Samuel Morse）的同事阿爾弗雷德·維爾（Alfred Vail）意識到，如果用最短的獨特簽名來編碼（發出訊號）最可能的訊息成分，則訊息編碼可以最有效地完成。我們都直觀地知道這一點，就像我們說“哎喲！”為了緊急地吸引某人的幫助/同情，而不是開始冗長的討論，解釋我們尋求幫助的性質。當我們在淺色紙上用深色墨水書寫或反之亦然時也是如此。
一個有目的的資訊傳送者希望它具有特定的意義，但資訊本身獨立於該意圖而存在。而且資訊可以以除了文字以外的形式出現。例如，氣味。或者圖片。或者拍一下肩膀。或者眨眼、臉紅、眼睛閃光、膝蓋發抖、上唇上的汗珠、或者微笑、皺眉、揮手、轉頭、樹叢中的沙沙聲、地平線上的烏雲。
一隻老虎潛行靠近獵物，努力不傳遞關於它存在的資訊，但如果它踩到一根樹枝，樹枝發出清脆的斷裂聲，所有在耳朵能聽到範圍內的動物和鳥類都會驚慌失措。在其他時候，同一只老虎會故意宣佈它的存在——不是為了獵物，而是為了其他老虎，為了宣示領地——在周圍留下化學資訊（在它們的尿液中）。它們甚至會在另一隻老虎的尿液上小便，以消除它的資訊，並留下自己的資訊。家貓透過用脖子上的氣味腺摩擦主人的腿來宣示對主人的所有權。人們認為這是一種愛的表現，但實際上這是它們將你標記為其財產的方式。
對於能夠解釋光的生物來說，光在傳遞關於它最後反彈的物體的資訊方面起著非常重要的作用，這使它們能夠看到它們身處何處以及周圍有什麼。視覺場非常複雜，其資訊的處理佔據了人腦的很大一部分。
我們最熟悉的資訊媒介之一是報紙。它上面的故事告訴我們（或誤導我們）世界正在發生的事情。報紙是用紙做的，紙提供了一個方便的單色背景場，資訊可以在其上以不同顏色的墨水形式表示，墨水以創造獨特形狀的方式放置在紙上：符號的圖片，如字母和數字。
如果一張圖片勝過千言萬語，那麼一千個字可以給你一張圖片。文字可以寫成符號序列。而符號可以用小圖片來表示。聽起來很迴圈，但事實並非如此：使符號具有資訊意義的是它們彼此的獨特性。獨特性是將資訊與噪聲區分開來的關鍵因素。如果有人告訴你一些你已經知道的事情，他們並沒有提供很多資訊。如果天空佈滿了雲彩，另一朵與其他雲彩一樣的雲彩並沒有什麼意義。但如果天空佈滿了蓬鬆的白雲，而在地平線上出現了一朵不尋常的黑雲，它就會吸引你的注意。因為它就是資訊。它就是資訊，因為它具有獨特性。
古埃及人、美索不達米亞人和希臘人，在一個晴朗的夜晚仰望天空，研究著點綴著太空黑暗的閃爍的燈光。他們注意到，燈光不是隨機散佈的，而是保持著它們在巨大的車輪中的相對位置，這個車輪似乎在緩慢地繞著地球旋轉，除了希臘人稱為行星的流浪者和美索不達米亞人稱為“辛”的特別大的一個——我們稱為月亮的那個。由於它們在黑暗背景下的獨特性，地球上的古代人可以分別辨別出行星和恆星，並跟蹤它們在天空中的執行軌跡。因此，行星、恆星及其星座成為了天體符號，很快就在占星家的想象中獲得了以人為中心的地球意義。
計算 = 符號處理
符號是表示資訊值的訊號。計算機所做的事情——計算——就是處理符號。
在 17 世紀，計算機是指一個用鉛筆和紙張算出商業財務狀況所需算術計算的人。這個頭銜後來被授予那些進行其他數值計算的人，例如在數學表格中列出各種函式的值所需的數值，包括航海員用於根據對已知恆星高度的目測以及目測日期和時間來計算其地理位置的“視差校正表”。隨著可以更快、更便宜、更可靠地進行數值計算的電子機器的發明，計算機這個詞的最初含義逐漸被人們遺忘，這對軍隊來說非常重要——能夠可靠地計算出炮彈的著陸位置（Weik, 1961），使戰爭機器更加有效。
儘管早期機械和電子計算機的發明者的設計目的是進行可靠的數字運算，但我們後來發現它們的機器也可以表示、轉換和處理其他形式的資訊。所有型別——文字、圖片、聲音、音樂、影片、語音等等。電子數字資料處理計算機僅使用兩個符號（數字）。英語單詞digit來自拉丁語單詞digitus，意思是“用來指出的東西”——來自拉丁語動詞dicere，意思是“說，指出”，英語單詞diction也源於此。手指方便用來指向，所以digitus也成為羅馬語中的“手指”——直到今天，人們在做強烈的宣告時仍然會搖手指。而且由於手指也方便用來計數，英語單詞digit後來成為了numeral（代表數字的符號）的同義詞。
羅馬數字基於 5 和 10 的倍數的混合（我們一隻手有 5 根手指）。我們現代的十進位制記數法，基於 10 的單個基數，大約在 14 世紀從波斯傳到歐洲。在這個記數法中，數字被寫成表示 10 的連續冪的倍數的總和，從右到左讀。但我們不需要 10 的基數（以及 10 個不同的符號）才能寫出一串數字來表示一個數字。我們可以（數字計算機也這樣做）使用 2 的基數（以及只有 2 個符號）來代替。二進位制數字（或簡稱為位）代表 2 個值之一（0 和 1）。因此，例如，十進位制記數法中表示為符號串“23”的值在二進位制記數法中表示為“1011”，它表示 1x16 + 0x8 + 1x4 + 1x2 +1x1。
當我們在紙上寫十進位制數字時，我們並不寫符號本身，而是它的圖片——例如，第三個十進位制數字通常被畫成兩個曲線，一個在另一個上面。數字計算機用被稱為 Unicode 的編碼約定，使用 16 位的不同序列“繪製”我們符號的圖片。第 52 個 Unicode 字元是 000000000011000000，它表示第三個十進位制數字。用 16 位，Unicode 可以編碼 216（超過十萬個）不同的圖片，足以區分所有人類語言的所有字母的所有符號。
一個符號本身的唯一含義是它的唯一性，這在資訊上等同於它在字母表中的位置，這是一個與所有其他符號不同的位置。然而，僅僅憑藉這種微不足道的獨特性質，以及最簡單的結構形式——一維序列——符號可以表示詩歌或物理定律描述中所包含的所有豐富含義。
活著的計算機有自己的物理符號字母表，它與生命本身一樣古老——大約 40 億年。它是生物細胞管理其內部過程並相互交流的化學訊號字母表。
生命 = 計算
人工電子計算機由處理器（硬體）和過程（軟體）組成。軟體告訴硬體如何記憶和處理它的資料。但在自然的活的計算機中，沒有硬體和軟體的分離，也沒有過程和記憶體之間簡單的區別。
所有活的計算機，從最小的細菌到最大的藍鯨，都是由細胞組成的。每一次體驗都會導致細胞根據其生命配方以某種方式修改自身，這種配方是從其祖先那裡繼承的，並以 DNA 的形式編碼，包含在每一個細胞中。細胞的輸入是其他細胞傳送給它的化學訊號（對於感覺細胞來說，是環境）以及它透過胞吞作用吃掉的東西，它的計算過程是它的代謝途徑，它的輸出是它的運動以及它透過胞吐作用輸出的產品。
CellProcess(訊號, 食物) = <產品, 運動>
代謝途徑的特點是合成代謝（合成），它從小的分子（如氨基酸）合成大的分子（肽、蛋白質、多糖、脂類和核酸），在這個過程中消耗能量；以及分解代謝（分解），它將大分子分解成小分子，將它們的化學鍵的能量轉移到生命通用的能量載體三磷酸腺苷（ATP）中，合成代謝途徑在它們的反應中使用這種能量。
發電站將煤炭中的能量轉化為電力，為電子計算機的計算提供動力。活細胞有自己的內建發電站，為它們的計算提供能量。細胞呼吸是一系列代謝反應（糖酵解、三羧酸迴圈和電子傳遞鏈）的級聯反應，它們將葡萄糖中錯綜複雜的鍵的能量轉移到更易於利用的 ATP 鍵中。
當細胞需要能量時，它會斷開 ATP 中第二和第三磷酸基團之間的鍵，釋放它的能量，形成二磷酸腺苷 (ADP) 和一個遊離的磷酸分子。當細胞有剩餘能量時，它會透過從 ADP 和遊離磷酸中形成 ATP 來儲存能量。這樣，ATP 就像一種行動式電池，能夠在空間上分離的代謝反應之間傳遞能量。因此，它通常被稱為生命的能量貨幣。最初，能量來自太陽。植物在光合作用過程中捕獲能量，並利用從土壤中吸收的磷，將能量轉化為 ATP 形式的化學能。利用這種能量，植物產生碳水化合物、脂肪和蛋白質，這些物質被動物吃掉，動物消化植物的纖維，並利用其組成成分製造自己的 ATP。當動物死亡時，它的磷最終會回到土壤中，生命的迴圈繼續下去。
熵是系統混亂程度（不可預測性）的度量。一堆磚塊比那些相同的磚塊組織成一個物理結構（如房屋）的熵更高。一堆隨機的位比組織成計算機程式的位熵更高。熱力學第二定律指出，“熵增加”。將冷牛奶倒入溫暖房間的熱咖啡中，咖啡的熱能將流入牛奶，直到它們都或多或少地達到相同的溫度。牛奶和咖啡不同溫度的熱資訊消失了——杯子內系統的熵增加了。
但是如果你喝掉它，就會發生一件非凡的事情：它的熵降低了（薛定諤，1944 年）——它的原子停止以布朗運動的方式四處彈跳，變得更有序（直到你死亡）。當它們進入你的消化系統時，牛奶咖啡的原子變成了胃、腸道、血液的資訊處理器的“資料”，從那裡進入你身體和思想的所有細胞，在那裡它們成為建立細胞結構、運動和化學訊號的代謝過程的構成部分。
例如，組成牛奶中膽固醇的原子最終可能會成為你腎上腺製造的一種類固醇激素的一部分；類固醇不再在一個杯子大小的海中進行布朗運動，而是有目的地流經血液，尋找透過它們的腎上腺素受體與之交談的細胞。這是應該的；你被大自然設計出來處理和重新包裝牛奶中的好處，即使它是在考慮你母親的牛奶而不是黛西奶牛的牛奶，後者比人奶的膽固醇含量低一半左右。
但是，你沒有被程式設計來處理咖啡因的資料，咖啡因會偷偷地穿過你的血腦屏障，欺騙你神經元中的腺苷受體，讓它們以為收到了“冷靜下來”的訊號，因為它們無法區分腺苷和咖啡因。這完全搞糊塗了神經元，因為咖啡因對腺苷受體的作用方式與預期並不完全相同，最終會拮抗（阻斷）它的正常功能，即告訴神經元減速。因此，神經元並沒有減速。由於這種情況在所有地方都發生，總體的效果是你的神經元和你變得比平時更活躍。即使這可能使你的行為比平時更混亂，咖啡因分子的熵本身卻降低了，因為它們已經成為你組織系統的組成部分。
生命過程透過將它們的原材料的原子組織成細胞和細胞系統，降低了它們的原子熵。每個細胞都像一個小工廠，吸收原材料並輸出製造的產品。但這並不是一個由惰性材料製成的工廠，它紮根在工業園區的一個地方——它可以移動。植物可能沒有翅膀或腿，而且紮根在地面上，但它們絕不是靜止的。它們的根不斷移動，尋找水源。它們的莖向上攀爬，尋找光線；它們的枝葉在陽光下伸展，吸入二氧化碳並撥出氧氣。
魚沒有翅膀或腿，但它們可以圍繞鷹或獵豹遊動，只需彎曲肌肉即可。肌肉細胞擴張和收縮，但它們並不是唯一會移動的細胞型別——所有細胞，甚至骨細胞和牙齒細胞，都充滿了生命的活力。在每個細胞內部都有微管，它們是微型的單軌鐵路，沿其移動稱為驅動蛋白的馬達轉運蛋白，運輸著由細胞中的核糖體制造的大分子貨物。驅動蛋白有兩個頭部，透過一個短而靈活的脖子連線到一個長尾巴。它的貨物繫結到它的尾巴，而它的雙頭以一種步行的動作交替地繫結到微管上的分子。驅動蛋白工作的動力來自無所不在的能量攜帶分子生命 ATP。
常識
[edit | edit source]地球的富饒花園充滿了各種氣味，讓人們為之著迷或反感。嗅覺是我們最基本、最直接的感覺之一，能夠引發最強烈的感覺，如親密、滿足和快樂，或最強烈的反應，如厭惡和反感。決定我們對不同氣味的反應的過程是大腦和身體細胞進行的複雜計算的結果。
氣味分子是氣味字母表的符號。嗅覺上皮有數百萬個微小的毛髮狀受體細胞，它們被壓縮在一個大約相當於郵票大小的區域內。受體細胞尖端的膜上點綴著幾種不同的分子受體分子。每個受體分子都具有特定的物理和化學結構，使它能夠只與一種氣味分子結合（識別）（Peterlin 等人，2008 年）。結合事件導致受體分子在受體細胞內改變形狀，從而引發細胞內的一系列化學變化（稱為訊號通路），產生電訊號，該訊號被髮送到嗅球，嗅球整合來自許多受體的訊號，並將它計算的資訊傳遞給大腦。Axel 和 Buck (1991) 發現，老鼠大約有 1000 種不同的嗅覺受體細胞；人類只有大約 400 種，但我們可以區分大約 10,000 種氣味組合，我們識別為不同的氣味，例如咖啡的香味，它是其 800 種不同的芳香化合物中的大約 19 種的組合（參考文獻）。
但嗅覺遠不止鼻子所能感知的：以化學訊號形式存在的資訊是所有細胞（包括神經元）相互溝通的基本機制。從最小的細菌到最大的藍鯨，每個生物體中的每個細胞都是一個自主的個體，它讀取並處理傳遞給它的化學資訊。人體由 100 萬億個 210 種不同型別的細胞組成，但所有細胞——皮膚、骨骼、肌肉、心臟、胃、腎臟、腸道以及所有其他細胞，包括大腦和神經系統的 神經元——都透過相同的基本機制進行相互溝通，即傳送和接收化學訊號。
生命起源及其早期演化仍然不確定，但所有已知的生命形式都是由具有相同基本結構和功能化學構建塊的細胞構成的：碳水化合物（如葡萄糖）、脂類（如膽固醇）、蛋白質和核酸。細胞主要分為兩種型別：原核生物（古細菌和細菌）和真核生物（植物和動物）。原核細胞比真核細胞小得多（也簡單得多）。原核生物是古老的物種，其中一些（被稱為極端微生物）仍然可以在黃石公園的溫泉以及海底數英里的熱液噴口等地方生存，還有許多其他物種生活在不太惡劣的環境中。
計算機硬體小型化的進步速度令人驚歎——幾十年前需要一個房間才能容納的電子裝置現在可以被壓縮到一個小晶片上，比你小指上的指甲還小。最新微處理器的特徵尺寸（導電或絕緣路徑的寬度）約為 0.045μm——數百個使用這種技術製造的電晶體可以安裝在一個直徑約 8μm 的人紅細胞上（英特爾，2009 年）。微電子行業無疑是現代的阿喀琉斯，在科技之翼的推動下飛越進步之海，而自然界只是緩慢前行的進化烏龜，但她比我們領先了 40 億年……
……細菌細胞的核區包含其基因組，一條近 200 萬個核苷酸的多重螺旋鏈，其中只有 4 種：腺嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶和鳥嘌呤。因此，基因組就像一本用只有 4 個符號 {A、C、T、G} 的語言寫成的書。因為有 4 個符號，所以每個符號攜帶 2 位資訊（因為兩個位元有四種組合）。最新技術的電子快閃記憶體能夠在每個浮柵電晶體上儲存 3 位資訊，因此需要 750,000 個這樣的電晶體來儲存 400 萬位資訊——這將需要一個相當於 3,000 個紅細胞的空間（假設我們可以在一個紅細胞上安裝 250 個電晶體）。但自然界將相同的資訊裝入一個細菌中，而細菌的體積只有紅細胞的 1/100——所以她在資訊儲存元件上的小型化設計比人類精確 300,000 倍。
動物細胞使用大量的化學訊號，每個訊號在影響方面都有其特定的含義。化學訊號的術語相當不一致，有時源於其功能作用，有時源於其化學結構：神經元突觸中的訊號被稱為神經遞質，內分泌系統中的訊號被稱為肽類激素和類固醇，旁分泌訊號被稱為生長因子和凝血因子，而免疫系統中的訊號被稱為類二十烷酸（前列腺素和白三烯）和細胞因子（白介素、干擾素和生長因子）。
內分泌激素透過人體高速公路——血液——在動物體內廣播，血液的功能是作為化學訊號以及氧氣和營養物質等原材料以及細胞過程的輸出（製造產品和廢棄物）的運輸和分配介質。存在著許多不同的激素，但每種激素只靶向可以讀取其資訊的細胞。肽類激素資訊透過嵌入細胞膜的受體讀取；較小的類固醇穿過細胞壁（如何？），並透過細胞質或細胞核膜中的受體讀取。
心臟、肺、腎臟、肝臟、胸腺、皮膚、胎盤和性腺釋放激素，以及專門負責激素產生的幾個腺體：-
松果體位於大腦中央，分泌褪黑素，這是一種調節睡眠-覺醒週期的激素。
下丘腦位於大腦下部中央，是內分泌系統和神經系統的首要聯絡。情緒和溫度、光線等環境條件等因素會影響下丘腦產生化學資訊，這些資訊調節垂體的活動。
垂體的大小約為豌豆大小，通常被稱為“主腺”，因為它產生控制其他腺體的激素：生長激素刺激骨骼和其他身體組織的生長，並在身體處理營養物質和礦物質方面發揮作用；血管加壓素，也稱為抗利尿激素，透過其對腎臟和尿液輸出的影響來調節身體的水分平衡；促甲狀腺激素，或促甲狀腺激素 (TSH)，刺激甲狀腺產生甲狀腺激素；促腎上腺皮質激素 (ACTH)，刺激腎上腺；內啡肽，作用於神經系統以降低對疼痛的敏感性；催乳素啟用哺乳期婦女的乳汁分泌，以及許多其他與生殖相關的功能（班克羅夫特，2005 年）；催產素對交配、分娩（它觸發分娩期間子宮的收縮）、育兒和配對結合有許多影響。
甲狀腺中的濾泡產生甲狀腺球蛋白，這是一種甲狀腺激素的儲存形式。來自垂體的 TSH 訊號導致甲狀腺球蛋白轉化為甲狀腺素和三碘甲狀腺原氨酸，這些激素控制細胞燃燒食物中的燃料以產生能量的速度。降鈣素也由甲狀腺中的大型細胞分泌；它在調節鈣方面發揮作用，鈣用於骨骼和牙齒形成、神經功能、肌肉收縮和血液凝固。附著在甲狀腺上的甲狀旁腺——四個微小的腺體，共同發揮作用，釋放甲狀旁腺激素，該激素與降鈣素一起調節血液中的鈣水平。
腎上腺，位於每個腎臟的頂部，有兩個部分。外層稱為腎上腺皮質，接受來自垂體激素 ACTH 的指令，併產生三種皮質類固醇：鹽皮質激素、糖皮質激素和雄激素。鹽皮質激素醛固酮調節體內鈉離子和鉀離子的電解質平衡。它透過影響腎臟來實現這一點；當血液中的醛固酮濃度很高時，腎臟比正常情況下保留更多的鈉並排出更多的鉀。糖皮質激素如皮質醇透過分解脂肪和蛋白質來提高血糖水平，從而產生對壓力的長期、緩慢的反應；它們也抑制免疫反應並抑制炎症反應。雄激素脫氫表雄酮和雄烯二酮被毛囊、皮脂腺、前列腺和外生殖器轉化為睪酮，並參與脂肪組織中的雌激素合成。
腎上腺的內層，腎上腺髓質，產生兒茶酚胺，如腎上腺素（在美國稱為腎上腺素）和去甲腎上腺素，這些物質是“戰鬥或逃跑”反應的基礎，直接增加心率，觸發能量儲存中葡萄糖的釋放，並增加流向骨骼肌的血液流量，瞳孔擴張，肺部氣道擴張以及非必需器官的血管收縮。當腎上腺素訊號發出命令時，肝臟會製造葡萄糖，葡萄糖為細胞代謝提供能量。腎上腺素受體存在於四肢血管壁內的肌肉中；去甲腎上腺素會導致肌肉收縮，從而導致四肢血管收縮，將血液重新導向心臟和大腦等重要器官。它還會產生更大的阻力讓心臟搏動，從而提高血壓。血管和氣道擴張，使身體能夠將更多血液輸送到肌肉並使更多氧氣進入肺部，從而在短時間內提高身體機能以應對危險和意外情況。
飯後，血糖水平升高，促使胰腺釋放胰島素，胰島素會導致細胞攝取葡萄糖，肝臟和骨骼肌細胞形成碳水化合物糖原。當血液中的葡萄糖水平下降時，胰島素的產生受到抑制，胰高血糖素被釋放，它會導致糖原分解成葡萄糖，然後釋放到血液中以維持血糖水平在一個穩態範圍內。
男性性腺，睪丸，分泌雄激素，包括睪酮，它調節精子的產生，並具有各種副作用，例如聲音變粗、面部和陰毛生長以及肌肉生長。女性性腺，卵巢，分泌雌激素和孕激素，這些激素參與妊娠和月經週期的調節，並具有各種副作用，例如乳房發育、臀部和大腿周圍的脂肪積累以及青春期期間的快速生長。
激素水平透過負反饋系統進行管理。例如，垂體感知血液中甲狀腺激素的水平，並調整其促甲狀腺素的釋放，促甲狀腺素是刺激甲狀腺產生甲狀腺激素的垂體激素。當血液中的鈣水平升高時，甲狀旁腺感知到這種變化並減少其甲狀旁腺激素的分泌。
下丘腦-垂體-腎上腺軸 (HPA) 具有一個特徵明確的晝夜節律模式，該模式受下丘腦視交叉上核 (SCN) 的控制，而視交叉上核的啟用又受光的調節。下丘腦室周網路在協調晝夜節律、免疫和精神刺激的神經內分泌、自主神經和行為流出方面發揮作用。HPA 反饋迴路發生在不同的時間域，稱為慢反饋（響應長期暴露於糖皮質激素）、中度反饋和快速反饋（兩者都響應壓力和晝夜節律事件）。HPA 晝夜節律的控制取決於由促腎上腺皮質激素釋放激素 (CRH) 和精氨酸加壓素、ACTH 以及腎上腺對 ACTH 的反應性驅動的下丘腦-垂體活動。該活動最終受光（在 SCN 處）和食物（在下丘腦腹內側，它調節 CRH 基因的表達）的驅動。無論是身體上的還是心理上的壓力刺激，都會擾亂 HPA 軸的穩態。這些刺激可能起源於下丘腦外部位，例如整個腦幹的兒茶酚胺細胞群、脊髓-下丘腦-脊髓-丘腦-脊髓-網狀丘腦疼痛通路、免疫系統產生的促炎細胞因子，以及來自內側前額葉皮層和海馬體的精神刺激。（Paz-Filho 等人，2003 年）。
促性腺激素釋放激素 (GnRH) 觸發了一系列激素，為性行為和生育做準備。人類，以及鳥類、老鼠和羊，都會釋放促性腺激素抑制激素 (GnIH)，它會抑制這一系列反應。GnIH 受體存在於下丘腦和垂體中的 GnRH 神經元以及性腺中。它的總體作用是抑制繁殖，但作用於生殖軸的不同水平。壓力會影響 GnIH 的水平，解釋了壓力導致生育率下降的原因。由於生殖激素通常會促進癌細胞的生長，GnIH 作為抗癌劑可能具有治療價值。激素依賴性癌症的治療方法包括使用 GnRH 拮抗劑或非常高劑量的 GnRH，這會導致副作用；GnIH 療法可能更有效。人類 GnIH 基因產生一種前體蛋白，包含 12 個和 8 個氨基酸成熟肽。羊的一種肽與人類肽具有相同的氨基酸序列；人類激素已被證明可以抑制羊的促性腺激素釋放 (Ubuka 等人，2009 年)。
解讀資訊 - 訊號轉導 當信使分子到達細胞時，它會觸發細胞內部一系列生物計算。細胞的細胞質被包裹在一個類似於液態水晶防水塑膠（一種磷脂）的東西中，它包含並保護著細胞的生命機器。膜不透水，但佈滿了可以結合特定信使分子的受體蛋白。我們可以將信使分子想象成一把鑰匙，將受體想象成一把鎖。如果鑰匙適合鎖，則資訊被接收。這被稱為結合事件，因為相關的分子會暫時結合在一起——因此，信使分子被稱為配體。稍後，細胞內的反饋系統會解除結合並使信使失活，釋放受體以接收未來的新資訊。失活的信使會透過其他過程被回收。
信使分子與受體蛋白之間的結合事件會導致受體發生構象變化，這種變化會傳遞到暴露在細胞內部的部分。這個過程被稱為訊號轉導，因為信使在外部表示的資訊被轉導為細胞內部轉導器不同形狀表示的資訊。它新的形狀允許它與細胞質內的另一種蛋白質（稱為轉導器）結合。
例如，腎上腺素是一種激素，當大腦決定需要緊急行動時，由腎上腺分泌到血液中。當它到達能夠讀取其資訊的細胞時，會發生以下訊號轉導（Nobel.org，2004 年）
資訊，腎上腺素分子 (1)，與其特異性受體 (2) 結合。從而，轉導器，一個G 蛋白 (3) 被啟用。這反過來刺激放大器腺苷酸環化酶 (4) 在 ATP (6) 的幫助下產生第二信使環狀 AMP (5)。這引發了一系列酶促反應 (7)，包括糖原 (8) 的磷酸化，它被轉化為葡萄糖 (9)，細胞利用它產生 ATP (10)。糖原磷酸化還可以改變門控離子通道 (11) 的蛋白質。細胞內離子濃度（主要是鉀和鈣離子）影響細胞的行為。例如，肌肉細胞需要細胞質中一定濃度的鈣離子才能收縮。離子濃度也調節外排作用（物質從細胞中排出）的廢物和訊號分子的排出。每個離子通道傳導特定種類的離子，例如鈉或鉀。在自由空間中，電動力將電荷從高能區驅動到低能區，就像大氣壓的變化會產生從高壓區流向低壓區的空氣流一樣。細胞膜和離子通道的門控管理這種自然趨勢，就像蒸汽機的鋼外套和調速器控制其鍋爐內的壓力一樣。
像腎上腺素這樣的大的信使分子與細胞膜上的受體結合，但像類固醇激素這樣的小的信使分子會穿過細胞壁，與細胞質內或其核膜上的受體結合。人類有五種類固醇：孕酮調節妊娠期間的事件；皮質激素抑制炎症反應並調節礦物質和糖代謝；雄激素促進男性性發育並維持男性性特徵；雌激素促進女性性發育
在植物中，生長素是調節縱向細胞結構的類固醇激素的一個例子，以便在向光性反應中使莖或葉柄彎曲。大多數類固醇激素既不是鹼性的也不是酸性的，但雌二醇除外，由於存在酚組分，它略微呈酸性。 .....
所有細胞功能都直接或間接地涉及細胞基因組中核苷酸（由核酸構成）的遺傳資訊，這些資訊包含在細胞核中。
當信使分子與細胞或其膜上的受體結合時，它們會導致一系列合成代謝和分解代謝的生物計算，從而執行細胞功能，例如根據細胞 DNA 的配方，從氨基酸原料製造蛋白質產品。
植物細胞具有堅固的細胞壁，但它們並沒有與外界隔絕。細胞壁由嵌入果膠和半纖維素基質中的纖維素微纖維層組成。基質是多孔的，允許小分子的營養物質和化學訊號滲透。
植物的生長尖端具有光敏受體，當被啟用時，會誘導 (Yamamura 和 Hasegawa，2001 年) 在朝向光線的植物一側釋放拮抗 (抑制) 生長素（一種植物激素）的物質。它的正常功能會引發細胞內的質子泵，將 H+ 離子排出到細胞壁中，這反過來會啟用稱為膨脹素的酶，這些酶會破壞細胞壁結構中的鍵，使細胞壁變軟，從而導致細胞由於其內部的膨壓而膨脹。抑制植物莖部朝光的一側細胞中生長素的功能意味著它們不會膨脹，因此莖部兩側不同的膨脹量會導致莖部向光彎曲。
有些葉子的基部有一個專門的器官叫做葉枕，由厚壁的導水血管組織組成，周圍是薄壁的運動細胞，可以發生明顯的膨脹和收縮。與移動動物關節的肌肉類比，葉枕下部的運動細胞被稱為屈肌細胞，上部的運動細胞被稱為伸肌細胞。接收到來自光感測器（響應其刺激）的稱為光敏色素的化學訊號後，伸肌細胞會開啟鉀離子通道，這會增加細胞的膨壓，導致它膨脹。在黑暗中，伸肌細胞中的 K+ 通道關閉，但在屈肌細胞中開啟，屈肌細胞失去膨壓並收縮，葉枕關節失去剛度，使葉片下垂。
植物地上部分表皮中的氣孔促進植物與大氣之間的氣體交換。氣孔周圍有一對保衛細胞，這些保衛細胞介導氣孔的開啟和關閉。保衛細胞對各種刺激做出反應，包括藍光、CO2 濃度、乾旱、病原體攻擊和植物激素，包括脫落酸 (ABA)，這是由離子跨質膜和液泡膜的轉運以及有機溶質含量變化介導的 (Mori 等人，2006 年)。
那麼，所有這些奇妙的計算機制是從哪裡來的呢？
用來描述運動細菌在分子場中導航的合理行為的術語是趨化性：它表明細菌會向它們可以利用的分子濃度移動，而遠離對它們有毒的分子。細菌透過鞭毛運動，鞭毛透過這裡所示的馬達裝置旋轉，這種裝置是極少數的生物車輪馬達的例子之一。
大腸桿菌的多個鞭毛順時針螺旋纏繞在一起；當它們全部逆時針旋轉時，它們就像小小的旋轉螺釘，移動它們生存的液體，就像阿基米德在 20 億年前尋找從井中提取水的方法時重新發現的那樣。當液體穿過它的身體時，細菌就像直升機或螺旋槳一樣向前移動。就像萊昂納多在阿基米德之後兩千年，以及約翰·埃裡克森 (John Ericsson)（他為船舶螺旋槳申請了專利）在他之後三百年所認識到的那樣。誰說細菌不聰明！
雖然鞭毛的逆時針旋轉推動細菌前進，但它們的順時針旋轉會產生湍流，導致細菌翻滾並指向一個新的方向。透過這兩種運動——直線推進或翻滾——鞭毛細菌在世界上導航。
我們可以將大腸桿菌想象成一個微小的機器人，由其內部元件的功能特性和內部蛋白質形式的指令程式設計，如其過程的流程圖所示，該流程圖顯示了四個不同的跨膜受體協同工作。
每個受體都可以透過與環境中的特定範圍的化學物質分子結合來對這些分子做出反應。當它這樣做時，受體蛋白會發生改變，使其內部的蛋白質能夠與周圍等待機會做某事的 CheB 蛋白結合。
訊號轉導鏈產生了兩種最終產物：(1) 一個訊號（以磷酸化 CheY 蛋白形式）被髮送到鞭毛馬達複合體，它可以與稱為 FliM 的蛋白質結合，影響鞭毛的旋轉，以及 (2) 一個反饋訊號蛋白 (CheR) 被建立，它拮抗任何跨膜受體與其他配體的結合。反饋只持續幾秒鐘——從長遠來看，這與鞭毛旋轉的兩種模式相結合，產生了讓細菌沿著它喜歡的物質的濃度梯度爬升並遠離它不喜歡的物質的總體效應。
細菌通常生活在菌落中，並透過傳送和感知稱為自誘導劑的小型訊號分子相互交流，這些分子可以識別它們與鄰居的關係——每個物種都有自己的特徵。此外，有一種特殊的所有細菌都能產生和感知的自誘導劑。在一個稱為群體感應 (Waters 和 Bassler，2005 年) 的過程中，細菌會根據它們感知到的自身和附近其他物種的數量來調整其行為。由於一個物種群中的每個個體都擁有相同的決策機制，整個群體往往會以相同的方式表現。這使他們在競爭情況下擁有數量優勢的生存優勢，例如當他們受到動物免疫系統的攻擊時。
雖然細菌訊號轉導與真核細胞的訊號轉導是不同的反應，但有證據 (Marlovitz 等人，2002 年) 表明一種稱為 FeoB 的細菌蛋白可能是 G 蛋白的原始原型。從疊層石到露西（已知最早的人類祖先）進化花了很長時間——超過 30 億年 (Johansen 和 Edy，1981 年)，而從露西到我們只花了那一時間的一千分之一，但似乎細菌和我們可以感謝我們的共同祖先，使我們的細胞獲得了嗅覺，這樣它們就可以協同工作，這樣我們就可以存在。
眼見為實
[edit | edit source]許多生物都參與共生關係，在這種關係中，每一方都從這種互動中獲益。共生關係涉及交流，以便雙方都知道對方是誰以及在哪裡。例如，鮮花對我們來說很漂亮，但這不是它們生命中的目的 - 它們存在是為了吸引像蜜蜂這樣的昆蟲。
植物主要由莖和葉組成。莖通常是暗淡的顏色，葉通常是綠色的。但花朵則以彩虹的所有鮮豔顏色鮮明地著色。在海洋生物中，鮮豔的顏色通常表示有毒。這會阻止捕食者。對食用鮮豔顏色事物的厭惡似乎是從海洋世界（生命可能起源的地方）延續到陸地動物的世界。很少有食草動物吃鮮豔顏色的花朵 - 很好，因為如果食草動物把花朵看作食物，植物繁殖將被摧毀，整個生態系統的食物網將崩潰。
花朵利用蜜蜂可以清楚地從周圍植被中區分開的特殊紫外線顏色來宣傳自己。因為我們不是蜜蜂，所以我們不知道花朵對蜜蜂究竟是什麼樣子 - 但我們可以透過改變花朵在只有紫外線照射時反射的影像的頻率來想象它可能是什麼樣子。蜜蜂的本能讓它們將發光的紫外線顏色與花蜜的存在聯絡起來；這些顏色宣傳了蜜蜂能量生活所需的蜜蜜的承諾。
植物花蜜通常在深井底部。為了到達那裡，蜜蜂必須爬過花朵的柱頭（通往子房的入口）和花葯。蜜蜂直到它毛茸茸的身體接觸到花朵的花葯才能夠逃脫，這樣它粘糊糊的花粉囊就會粘在它身上，準備在蜜蜂下次感到飢餓時被運送到另一朵花上。
一旦花葯被清空，柱頭就會開啟，這樣任何攜帶來自另一朵花的花粉的訪客都會將其刮到柱頭上，沿著花柱進入子房。透過在花葯被清空之前保持柱頭關閉，花朵避免了自花授粉，因此它的後代將在雜交（在許多代中，近親繁殖往往會產生不利特徵）中獲得進化優勢。
花朵是計算機 - 花朵識別其花葯已被清空並決定僅在此時開啟其柱頭的過程是一種計算。蜜蜂也是如此 - 蜜蜂必須處理植物宣傳的資訊，以知道到哪裡去尋找美味的花蜜。小熊維尼透過氣味找到蜜蜂從花蜜中產生的蜂蜜；由於蜜蜂的觸角上有嗅覺受體，因此它們很可能能夠識別花朵的濃烈香味以及識別它們的紫外線顯示。
一些花朵有更具誘惑力 - 而且具有欺騙性 - 的方法來向昆蟲宣傳自己。澳大利亞的錘頭蘭透過模仿雌性黃蜂的形狀和氣味，欺騙雄性錘頭黃蜂來拜訪它。當一隻雄性黃蜂試圖與它認為是雌性的黃蜂交配時，蘭花上的塑膠鉸鏈會導致黃蜂來回搖擺，摩擦著蘭花粘性花粉囊，花粉囊粘在它的背上。當它稍後對另一朵錘頭蘭執行相同的行為時，花粉囊將被分離，花朵就會受精。
為了利用而進行欺騙在生物界很常見，並且通常虛假的誘惑是性吸引力 - 光芒中比眼睛看到的更多。
但是，您不需要像我們這樣的眼睛就能看到正在發生的事情。蛇尾綱動物 Ophiocoma wendtii 的上半身覆蓋著數百個半球形的方解石隆起。每個隆起都充當一個透鏡，將光線聚焦到下面的神經纖維束上。在每個透鏡旁邊是深色色素細胞（色素細胞），當光線明亮時，這些色素細胞會遷移到透鏡表面 - 蛇尾綱動物戴上了太陽鏡！該動物對光強度的突然變化作出反應，透過逃跑來應對 - 即使它沒有我們認為的大腦，它肯定有一個神經網路，能夠處理光資訊，做出決策，指揮它的肌肉有節奏地移動它的手臂，以便它能夠逃脫，並引導自己到安全的地方。
光強度的變化 - 無論是隨著時間推移還是在空間中變化 - 都能傳遞資訊。我們還不知道 O. wendtii 的微型眼睛是否在其腦海中創造了一個影像，但 Strange 和 Howard（1979 年）的實驗表明，蜻蜓的複眼提供了足夠的解析度，使其能夠感知其環境的位置和方向，並且，當進行快速轉彎時，監測其位置，以便能夠調整其飛行姿態，這對於穩定性至關重要。
我們可能不如蜻蜓聰明 - 我們還沒有找到像它們一樣飛行的辦法 - 但我們可以閱讀報紙。當我們閱讀時，從紙張上符號影像的形狀反射的明暗圖案落在我們眼睛後部光感受器神經元的膜上的感光分子（如視紫紅質）上。
通常，受體神經元會不斷地向其末端突觸發出訊號蛋白（神經遞質）。但是當光線照射到其視紫紅質上時，會發生一系列化學事件，導致光感受器膜發生超極化，從而導致神經元停止釋放神經遞質。
光感受器神經元的行為類似於一種稱為反相器或非門的電子電晶體電路，其中輸入（A）上的電位關閉了 Vdd-Vss 電流的正常流動，因此電路的輸出（Q）與其輸入相反。
多個電晶體可以連線在一個電路中，以計算兩個單位元訊號的邏輯函式。對於構建電子處理器非常有用的一個邏輯函式是 NAND（與的相反），因為兩個位元的每個邏輯函式 - 例如二進位制加法的求和位或進位位的計算 - 可以透過非和 NAND 函式的組合來計算。反相器和 NAND 門是數字計算機處理器積體電路的標準構建塊。僅使用這些基本構建塊，就可以構建能夠被程式設計執行高度複雜計算的處理器，例如預測天氣或找出如何擊敗世界象棋冠軍。
透過簡單計算的組合來執行復雜計算的原理在生物計算機中透過神經元細胞網路透過突觸連線來實現。這些是腦的計算構建塊。
突觸是傳遞神經元（突觸前）軸突末端和接收神經元（突觸後）樹突之間的連線。資訊跨突觸的傳遞透過化學訊號轉導機制進行：傳遞神經元軸突中的神經衝動（動作電位）導致訊號分子（神經遞質）從其末端釋放到突觸間隙。
神經遞質與接收神經元中的受體結合，引發訊號轉導序列，導致接收樹突中離子通道開啟，導致電荷流入（興奮性）或流出（抑制性）。
如果在任何時候，接收樹突參與的所有突觸的結果是接收神經元的軸突丘被充分啟用，則會沿著其軸突傳播一脈衝動作電位。多達 10,000 個突觸的綜合效應決定了接收神經元的軸突丘中產生的電位是否足以達到觸發沿著其軸突傳播的神經衝動（動作電位）的閾值，以傳遞給其他神經元或效應細胞。通常，單個輸入 (a) 不足以引起反應，而多個輸入必須同時發生 (b) 或在時間上重疊 (c)。
沿著神經元軸傳遞的唯一訊號型別是動作電位脈衝。軸突傳遞二進位制訊號；在接收軸突中產生的訊號要麼是脈衝，要麼是沒有脈衝。接收器是否脈衝取決於突觸前脈衝的強度和頻率，其綜合效應決定了接收器的閾值電位是否達到。一旦接收器的電位閾值被達到，接收器中產生的脈衝幅度純粹是接收神經元特定化學性質的函式。因此，我們可以將其視為二進位制（邏輯）訊號，或者可能是振動 - 更高的頻率是更強的訊號，更有可能誘發與其具有突觸連線的神經元中的動作電位。
無論哪種方式，突觸都執行一個位於任何邏輯推理系統（推理）核心的計算。突觸表達推理規則：“如果這樣，那麼那樣” - 如果它認為這樣是正確的，它就會推斷那樣是正確的。推理規則是一種關聯，一種信念，即它的輸出可以從它的輸入中推斷出來。自主反射是由脊髓中感覺神經元（傳遞來自感測器的訊息）和運動神經元（傳遞給肌肉的訊息）之間的突觸產生的
如果太熱，則收回
如果膝蓋拍，則膝蓋跳
但是，即使在自主反射的情況下，單個突觸也不是全部 - 效應神經元也接收來自大腦的訊息，並且反射並不總是發生（Kennard，1947 年）。更復雜的情緒反應、深思熟慮的評估或感知印象是在大腦中產生的，這是數千甚至數百萬個突觸進行推理的結果。
我們出生時，許多突觸已經到位，由懷孕創造的創造奇蹟所放置，這也創造了我們製造新突觸的生物機制，用於透過反饋學習。
有很多東西要學。嬰兒會把觸手可及的東西放進嘴裡；但很快，由於經驗反饋，正在成長中的孩子開始獲得一種辨別力，即有些東西是令人作嘔的，而另一些東西是美味的。它形成了信念。
我們的信念是推理和推理規則；它們表達了我們對事物之間關係的理解。例如，那些看起來或聞起來像特定方式的事物可以被推斷為擁有某些屬性（例如，好或壞）。
一旦形成，信念就會成為新資訊的強大過濾器，以至於許多可獲得的資訊可以被忽略或誤解：“從物體傳來的感官資訊只佔感知內容的一部分。其餘部分總是來自內部”（Luckiesh，1922 年）。我們沒有看到我們眼前的東西 - 我們看到了我們認為存在的東西。我們看到我們可以相信的東西。
推理規則的直觀語義很好地捕捉了啟發式概念（一種“經驗法則”，在大多數情況下都能奏效），導致 Newell 和 Simon（1972 年）將其用作其關於人類解決問題的計算基礎理論的基礎。他們的工作對試圖產生能夠展示人工智慧的計算機程式的工作影響很大，特別是那些後來被標記為“專家系統”（McCorduck，1979 年）的程式。雖然這些程式可以展示一些令人印象深刻的能力，但它們也存在一種近視 - 它們只能在一個有限的範圍內進行推理，並且缺乏處理超出此範圍情況的能力。Minsky（2006 年）觀察到，人類推理不會受到這種脆弱性的影響，並且似乎更多地涉及類比而不是演繹。然而，即使人類擁有非常廣泛的常識能力，他們也能夠患上嚴重的近視，對與他們現有信念不符的事物視而不見，並保持相互矛盾的信念。
這種現象的部分原因可能是腦功能的物理定位。例如，梭狀回位於顳葉內側表面，是進行面部識別的部位。
損傷這個區域會導致卡普格拉綜合徵，患者無法認出他人的面孔，即使他們還能認出聲音——甚至無法在鏡子中認出自己。一種較罕見的綜合徵，稱為卡普格拉妄想，是患者認為親人被冒名頂替者替換了。拉馬錢德蘭和布萊克斯利 (1997) 推斷這種奇怪的疾病可能是由於梭狀回和杏仁核之間的連線部位區域性受損，因此患者在看到親人時不會體驗到正常的感情反應。由於缺乏這種正常的反饋，大腦皮層推斷他們看到的人不是他們愛的人。
大腦皮層在解釋來自周圍神經系統的資料時也難以重組其電路，當這些資料停止到達時。在截肢後，患者可能會繼續生動地感受到其想象中的存在，稱為幻肢。她知道肢體不存在，但仍然會接收到其想象存在的有力感覺體驗，因為儘管肢體不再存在，但它曾經連線到的神經纖維仍然完好無損，並透過其他連線受到刺激。任何曾經截肢過癱瘓但疼痛的肢體的人，後來可能會體驗到患有癱瘓的幻肢，並伴有相同的疼痛，因為大腦已經學會了患有疼痛性癱瘓肢體的感受，這種習得的信念即使在肢體本身不再存在後仍然存在。為了幫助患有這種疾病的患者忘記錯誤的信念，拉馬錢德蘭想出了一個主意，用一個帶有鏡子的盒子，給他一個虛擬的胳膊。病人把正常的手放在鏡子旁邊，這樣當他看到盒子時，他看起來就像有兩隻手。當被要求移動正常的手時，他會產生一個虛幻的另一隻手也在移動的錯覺。他知道這不是真的；他知道這只是一個鏡面反射，但它是一種生動的感官體驗。經過幾個星期的反覆練習，這種視覺反饋在他的大腦中建立了新的連線，繞過了產生疼痛感的舊電路。
因此，看到是一個將感知到的影像與現有信念結構相匹配的過程。但你不需要眼睛就能看到。當聲音訊號被髮送到空氣或水中等介質中時，如果它撞擊物體，部分訊號會反射回來。可以透過測量傳送訊號和接收反射聲音或回聲之間的時間來計算到物體的距離。反射物體的尺寸可以透過回聲的傳播來觀察。任何有經驗使用廉價“魚探儀”的人都能在聲吶影像視覺顯示屏上區分海底產生的回聲和魚群產生的回聲。鯨魚和海豚使用主動聲吶來識別水下物體並幫助尋找食物。這些海洋哺乳動物發出非常複雜的聲音，例如頻率掃描和一系列點選聲，當這些聲音反射回來時，它們會告訴它們有關目標的很多資訊。
蝙蝠發出連續頻率的閃光聲波脈衝。一些蝙蝠從嘴巴發出聲音，它們在飛行時張開嘴巴；另一些蝙蝠則透過鼻子發出聲音。這些聲音被環境中的物體反射，為每種型別的物體產生獨特的“聽覺功率譜特徵”。透過識別特定獵物物種的特殊回聲特徵，蝙蝠可以將它們與背景聽覺特徵區分開來，包括樹木等靜止物體的反射。
蝙蝠的獵物是小型、快速移動的昆蟲。蝙蝠仔細聆聽返回的回聲。蝙蝠的大腦會確定噪音返回所需的時間，並計算出物體有多遠。蝙蝠還可以確定物體的位置、大小以及移動方向。蝙蝠可以透過比較聲音到達右耳的時間和到達左耳的時間來判斷昆蟲是在右邊還是左邊：如果回聲的聲音在到達左耳之前到達右耳，那麼昆蟲顯然是在右邊。蝙蝠的耳朵有一個複雜的褶皺集合，可以幫助它確定昆蟲的垂直位置。來自下方的回聲會以不同於來自上方的回聲的點撞擊外耳的褶皺，因此在到達蝙蝠的內耳時聽起來不同。
蝙蝠可以透過回聲的強度來判斷昆蟲的大小。較小的物體將反射較少的聲波，因此會產生較弱的回聲。蝙蝠可以透過回聲的音調來判斷昆蟲移動的方向。如果昆蟲正在遠離蝙蝠移動，返回的回聲將比原始聲音的音調低，而朝向蝙蝠移動的昆蟲的回聲將具有更高的音調。這種差異是由於多普勒效應造成的。（當聲音是由運動物體產生或反射時，就會發生多普勒頻移。）
一種蝙蝠使用調頻回聲定位 (FM)，而另一種使用恆頻回聲定位 (CF)。在這兩種情況下，蝙蝠都會發出聲音脈衝，並在兩次脈衝之間傾聽昆蟲或合適獵物的回聲。檢測到目標後，脈衝速率會增加。當蝙蝠越來越靠近獵物時，這會提高資訊更新的速度。蝙蝠執行的簽名識別處理的一部分需要考慮運動的影響；當蝙蝠朝物體移動時，反射波會發生多普勒頻移。如果物體包含移動的部分，例如飛蛾的拍打翅膀，這些部分也會影響多普勒頻移的回聲訊號。當蝙蝠靠近一隻飛蛾時，它會增加脈衝頻率以獲得更高解析度的聽覺影像，並避免發射訊號和反射訊號之間的干擾。蝙蝠執行非常複雜計算所涉及的神經過程究竟是什麼，目前尚不清楚，但已經證明蝙蝠大腦的不同區域在（接近 - 捕獲 - 離開）序列的不同階段是活躍的。
數學家感興趣的一個問題是弄清楚一個數學形式是否能夠提出並回答任何問題——判定問題。也許對所有問題中最著名的貢獻是庫爾特·哥德爾 (1931) 的數學證明，它基本上得出結論說這個問題本質上是不可解的。他的形式主義導致了自相矛盾悖論的一個版本，這個版本是這樣的：如果一個人說“我是在說謊”，那麼如果他的陳述是正確的，它就必須是謊言，反之亦然。
艾倫·圖靈 (1936) 意識到數學形式主義所能定義的內容與機器所能計算的內容之間存在著平行關係。為了做到這一點，他將計算的概念簡化為最簡單的要素：輸入、過程、輸出。他構思了一種抽象的計算模型，現在稱為圖靈機 (TM)，它由兩個基本要素組成：一條長長的紙帶，機器可以在上面一次讀寫一個符號，以及一個記錄了處理紙帶上符號的“思維狀態”編號的暫存器。
每個狀態包含一個單一的轉換規則，它讀取紙帶上的符號，擦除它或在它的地方寫一個符號（可以是同一個符號），將紙帶向左或向右移動一個位置（或保持在原位），並指定要進入的下一個狀態。由於暫存器中的每個狀態都由其狀態編號唯一標識，因此我們可以想象將它們串聯在一起，形成自己的紙帶。因此，TM 是一個符號串，它對另一個符號串進行操作。
圖靈能夠證明，僅僅使用這種簡單的裝置，他的想象中的自動機在理論上是完整的，從哥德爾考慮的型別的所有數學（遞迴）函式中，都有一個 TM 可以計算其函式，透過將說謊者悖論重新表達為一臺機器的形式，當提供另一個機器的定義時，這臺機器將進入無限迴圈，該機器將完成其計算並停止。然後，在將機器的副本饋送到自身時，它將停止，當且僅當它沒有停止時。他的論文為隨後大量將計算概念簡化為最簡單要素的努力奠定了基礎，並且“圖靈完備”一詞進入了教科書。
幾年後，圖靈提出了一個問題：“機器能思考嗎？”（圖靈，1950）。在那時，人們還沒有對思考究竟是什麼有一個明確的定義，但當時，就像現在一樣，人們普遍認為思考是大腦可以做的事情。我們可以反過來問圖靈的問題，而是問：大腦能計算嗎？從某種意義上說，這是一個微不足道的問題——因為第一臺計算機是人，他們一定能夠做到！但由於數學家在判定問題上付出瞭如此多的努力，我們也許應該詢問生物大腦是否圖靈完備，即使只是為了完整起見。
老鼠的大腦是由神經元組成的，神經元透過突觸相互通訊。神經元和突觸的生物化學很複雜，但它們的基本功能很簡單——本質上，神經元的樹突透過突觸接收化學資訊，這些資訊會開啟離子通道，這些通道會共同在接收器中產生電勢，如果電勢足夠大，就會在接收器神經元的軸突中誘發脈衝（動作電位尖峰）。連續的激發會導致連續的脈衝。我們可以將軸突上的脈衝頻率視為它所攜帶的訊號（Wilson & Cowan 1973）。但就目前而言，考慮只有兩個極值 0 和 1 比較方便。
在下圖中，神經元被抽象地描繪成一個橢圓形，橢圓形上有一條線（它的軸突）伸出來。軸突有多個末梢，每個末梢都可以與不同的接收器神經元（或與同一個接收器的不同樹突）突觸連線。興奮性突觸被描繪成箭頭，抑制性突觸被描繪成一個小圓圈。
假設接收神經元的啟用閾值為 1，我們可以用兩個突觸構建一個反相器，如圖所示。上面的輸入神經元向一個興奮性突觸發送一個恆定的脈衝（1），下面的神經元向一個抑制性突觸發送一個可變訊號 A（可以是 1 或 0）。如果 A=1，抑制性突觸會抵消興奮性突觸的效果，接收神經元不會產生脈衝。如果 A=0，則沒有抑制性效果，接收神經元會產生脈衝。無論哪種情況，接收神經元中產生的訊號都是 ~A，即 A 的反轉。
突觸可以透過多種方式配置來執行邏輯運算；例如，構建一個 AND（&）函式的一種方法是將兩個輸入都設為興奮性，並將接收神經元的啟用閾值設為 2。
構建 AND 函式的另一種方法是，向抑制性突觸新增一個第三個恆定輸入，並將接收神經元的啟用閾值設為 1；抑制性突觸和啟用閾值共同作用，阻止接收神經元在除兩個輸入均為 1 以外的所有輸入組合中產生脈衝。
任何兩個位的函式都可以透過 NOT 和 AND 函式的組合來計算，這裡展示了一種構建 NAND 函式的方法。正如前面提到的，任何位數的函式都可以透過這些基本構件構建。
因此，我們可以得出結論，任何可計算的函式都可以由神經網路計算。當然，這只是理論上的！在實踐中，物理網路的功能受其規模的限制。人腦大約有 1000 億個神經元，蜜蜂有 95 萬個，而海兔（一種海蛞蝓）只有 2 萬個就足夠了（Chudler，2008）。
老鼠和海兔有大腦，但細菌沒有。它們沒有神經元和突觸，它們的大小隻有單個神經元的百分之一。人們很容易想象它們完全愚蠢，無法進行任何類似計算的操作。但這種想法是錯誤的。
細菌也能進行計算——它們像有感知力的機器人一樣在化學場中航行，對到達其膜上的受體的化學資訊的“氣味”做出合理的反應。它們也能適應環境。暴露在高溫環境下的細菌會製造額外的伴侶蛋白（McCallum 和 Inniss，1990），以保護它們免受未來熱力學遭遇的壓力。
蛋白質是由最多 20 種不同的氨基酸鏈組成的長鏈，透過其組成原子的吸引力和排斥電磁力摺疊成特定的形狀。蛋白質摺疊可能會受到熱量的負面影響；伴侶蛋白的作用是防止新形成的蛋白質發生錯誤摺疊。正如這句話是由字母和其他符號組成的字串一樣，蛋白質是由氨基酸字串表達的化學資訊——20 種不同的氨基酸就是組成蛋白質資訊的 20 種不同的符號。
蛋白質由核糖體按照核糖核酸（RNA）提供的處方製造——這是我們所知的生命的所有公式。RNA 是由 4 種不同的核苷酸組成的鏈（聚合物）：腺嘌呤、胞嘧啶、鳥嘌呤和尿嘧啶，通常用它們的縮寫 A、C、G 和 U 表示。三個核苷酸的組合被稱為密碼子，因為它編碼了特定氨基酸的處方。
這種編碼是明確的——每個三聯體編碼一個且僅編碼一個氨基酸，但它是冗餘的，因為同一個氨基酸可能有多個編碼。例如，序列 CAU 和 CAC 都編碼一個名為組氨酸的氨基酸。從四種不同的東西中取出三個，共有 64 種可能的排列組合，它們編碼了蛋白質中存在的 20 種氨基酸。這個密碼的起源尚不清楚，但它可能是從更簡單的形式進化而來的。
真核細胞的基因組儲存在染色體中，每條染色體都是一條脫氧核糖核酸（DNA）分子，它是一條雙鏈的配對核苷酸鏈，可能是從 RNA 進化而來的（Leon，1998）。DNA 使用尿嘧啶的甲基化形式，稱為胸腺嘧啶（T）；而尿嘧啶可以與任何其他核苷酸結合，T 只與 A 結合（配對）。C 也只與 G 配對。配對、其糖磷酸骨架的脫氧以及甲基化使得 DNA 疏水且對大多數酶的關注無動於衷，使其能夠作為其核苷酸序列編碼的資訊的長期記憶。
溫度變化或其他原因（例如分子到達細胞膜）會促使基因組表達基因，將自身適當部分的資訊內容轉錄成 RNA（稱為信使 RNA 或簡稱 mRNA），其中包含它要製造的蛋白質的配方。人類基因組中有兩種主要的基因型別：非編碼 RNA 基因和蛋白質編碼基因。
非編碼 RNA 基因佔總基因的 2-5%，編碼功能性 RNA 分子。這些 RNA 中的許多參與基因表達的控制，尤其是蛋白質合成。它們沒有整體保守的結構。
將 mRNA 翻譯成蛋白質的工作是由核糖體完成的，核糖體沿著 mRNA 資訊移動，將其上的每個密碼子（核苷酸三聯體）與由 DNA 的另一條鏈製成的氨醯-tRNA 分子庫匹配。匹配過程會導致氨基酸與其 tRNA 伴侶分離，並與正在組裝的多肽鏈（蛋白質）的末端結合。同時，tRNA 和 mRNA 的匹配不會導致持久結合，因為核糖體將它們分解成組成部分以進行回收。
核糖體本身由 RNA 和蛋白質構成。因此，核糖體也是一個符號字串——一個相當長的字串，由 264 萬個原子組成（lanl，2005）。因此，核糖體是一種由符號字串（RNA 和蛋白質）製成的機器，它讀取核苷酸符號字串（mRNA）並寫入氨基酸符號字串（蛋白質）——就像圖靈機一樣。
Shapiro（1999）意識到，“活細胞內某些生物分子機器的基本操作——識別分子構件、生物聚合物分子的切割和連線以及沿聚合物的移動——原則上都可以用來構建基於圖靈概念機器的通用計算機”。他將這個想法沿用到了實際應用中：“我們已經成功地建立了一個由 DNA 和蛋白質組成的生物自動機，能夠在試管中診斷某些癌症的分子症狀，並透過釋放治療性分子來“治療”疾病。”（Shapiro 和 Benenson，2006）。
理論上，可以製造一臺類似核糖體的機器來計算圖靈機所能計算的任何函式；也就是說，任何可以透過任何機器定義的函式——任何計算機，即使是最強大的超級計算機。原則上，可以製造出一臺能夠打敗世界象棋冠軍、寫出像《哈利波特》一樣迷人的故事、作曲以及策劃在股市上賺錢的巧妙方法的核糖體計算機——所有這些都在同一時間完成！
但這僅僅是理論上的。在實踐中，核糖體能夠計算什麼和不能計算什麼受到其物理尺寸的限制。但這對大腦來說也是如此。人腦有 1000 億個神經元，每個神經元至少比細菌大 100 倍，而細菌又比核糖體大 100 倍。考慮到一個核糖體所能完成的所有非凡的計算，想象一下，如果 100 x 100 x 1000 億個核糖體一起工作，它們能計算出什麼……
乍一看，疊層石和人似乎是截然不同的東西。疊層石——原核生物群落——是地球上已知的最古老的生命形式，可以追溯到 30 億年前（Allwood 等人，2006），而人類是進化中最新出現的真核生物，直到大約 29.95 億年後才作為獨立的物種出現（Kumar，2005）——從這個角度來看，我們最古老的人類祖先僅僅在昨天從樹上掉了下來！
儘管從疊層石誕生到我們來到這個星球上經歷了漫長的時間，但我們和它們有一個共同的關鍵點：我們的生命配方是由脫氧核糖核酸（DNA）的資訊內容編碼的，DNA 包含在一個原核細菌的單條染色體中，以及我們體內每個真核細胞核內的多條染色體中。
如果任其自生自滅，DNA 就會靜靜地待在那裡，什麼也不做。其雙螺旋的核苷酸相互配對，使分子處於惰性狀態，對經過的任何其他分子都基本上沒有反應。透過這種方式，它能夠充當永不降解的永久記憶，即使在數百萬年中也是如此，儘管它可能受到諸如氧化劑、烷化劑以及紫外線和 X 射線等高能電磁輻射等誘變劑的破壞。在人類細胞中，不同的染色體佔據著稱為“染色體區域”的核中不同的區域。
類固醇激素透過首先穿過靶細胞的細胞膜，在細胞內引起變化。類固醇激素與非類固醇激素不同，它們可以做到這一點，因為它們是脂溶性的。細胞膜由磷脂雙層組成，阻止脂不溶性分子擴散到細胞內。
一旦進入細胞，類固醇激素就會與靶細胞的細胞質中僅有的特定受體結合。然後，受體結合的類固醇激素進入細胞核，並與染色質上的另一個特定受體結合。一旦與染色質結合，這種類固醇激素-受體複合體就會透過稱為轉錄的過程，呼叫信使 RNA (mRNA) 分子的產生。然後，mRNA 分子被修飾並運送到細胞質中。mRNA 分子透過稱為翻譯的過程編碼蛋白質的產生。（電影）。
類固醇激素是膽固醇的衍生物，包括腎上腺皮質、卵巢和睪丸的產物，以及相關分子維生素 D。與蛋白質/多肽激素不同，類固醇激素不會大量儲存。在需要時，它們透過一系列酶促反應從膽固醇中迅速合成。快速合成類固醇激素所需的大部分膽固醇儲存在起源組織的細胞內。在響應適當訊號時，前體被轉移到細胞器（線粒體和平滑內質網），在那裡一系列酶（例如，異構酶、脫氫酶）迅速將分子轉化為相應的類固醇激素。因此，最終的類固醇產物的身份由該組織中表達的酶組決定。
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老鼠在基因上與人類的親緣關係比你想象的要近——“事實上，幾乎每個人的基因似乎在小鼠基因組中都有一個對應物”（人類基因組計劃，1996）。如果我們想象人類 23 對染色體的基因被重新組織成更小的區塊，這些區塊就可以被重新組合，以產生一個老鼠基因組的模型，如圖 5-12 所示。
由於小鼠和人類基因組同源性，人類染色體上的一個基因通常可以準確預測相關基因在小鼠中的位置，反之亦然。例如，小鼠的一種致命性遺傳性肌肉疾病對映到小鼠 X 染色體上的一個位置，該位置與 X 連鎖的人類杜氏肌營養不良基因的對映位置非常類似 - 這兩種類似的疾病是由小鼠和人類版本的相同基因引起的；小鼠和人類基因產生的蛋白質以非常相似的方式發揮作用，並且顯然是相應物種正常肌肉發育和功能所必需的。同樣，發現一種與色素沉著、繁殖和血細胞缺陷相關的小鼠基因，是揭示人類疾病（稱為花斑性狀）基礎的關鍵。由於這些密切的人鼠關係，以及轉基因技術的優勢，小鼠在識別新的基因、破譯其複雜功能，甚至治療遺傳疾病方面具有巨大潛力。（人類基因組計劃，1996 年）。
真核生物基因組以染色體形式存在，染色體成對出現。每對中的每個成員都包含有關如何構建相同蛋白質產品的的資訊。每對中的一個成員來自母親，另一個來自父親。人類有 22 對常染色體和 1 對性染色體：女性為 XX 染色體，男性為 XY 染色體。個體的基因型由個體在染色體基因座上的等位基因決定 - 表型是基因型的可觀察表達。例如，具有一個 A 等位基因和一個 O 等位基因的基因型在 ABO（血型）基因座上的表型將是血型 A。在 23 對染色體上大約有 30,000 個遺傳基因座；許多基因座參與指定蛋白質的形態。例如，血紅蛋白分子 β 基因的基因座位於 11 號染色體短臂的末端，α 基因的基因座位於 16 號染色體短臂的末端。同樣，一個性狀的表達取決於不同染色體上的多個基因座。例如，血型基因座位於 9 號染色體上，而 Rh 血型基因座位於 1 號染色體上 - 血型是這兩個因素的函式。
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原核生物透過裂變、轉化和轉導進行繁殖。在二元裂變過程中，單個 DNA 分子複製，兩個副本都附著在細胞膜上。細胞膜開始在兩個 DNA 分子之間生長。一旦細菌的大小加倍，它的細胞膜就開始向內收縮。然後，細胞壁在兩個 DNA 分子之間形成，將原始細胞分裂成兩個相同的子細胞。
細菌透過裂變繁殖：其單個染色體複製，兩個副本都附著在細胞膜上。然後，細胞膜開始在兩個基因組之間生長。一旦細菌的大小加倍，它的細胞膜就開始向內收縮。然後，細胞壁在兩個染色體之間形成，將原始細胞分裂成兩個相同的子細胞。
在結合過程中，一個細菌透過稱為菌毛的蛋白質管結構連線到另一個細菌。基因透過該管從一個細菌轉移到另一個細菌。細菌能夠透過結合橫向轉移質粒基因，在結合中，一個細菌透過稱為菌毛的蛋白質管結構連線到另一個細菌，質粒透過該管轉移。
一些細菌能夠從環境中吸收 DNA。這些 DNA 殘骸最常見來自死亡的細菌細胞。在轉化過程中，細菌結合 DNA 並將其轉運穿過細菌細胞膜。然後，新的 DNA 被整合到細菌細胞的 DNA 中。
轉導是一種重組型別，它涉及透過噬菌體交換細菌 DNA - 感染細菌的病毒。一旦噬菌體附著在細菌上，它就會將其基因組插入細菌。然後，病毒基因組、酶和其他成分在宿主細菌中複製和組裝。新形成的噬菌體然後裂解（裂開）細菌，釋放出新的病毒。在組裝過程中，宿主細菌的一些 DNA 可能被包裹在病毒衣殼中而不是病毒基因組中。當這種噬菌體感染另一個細菌時，它會注入來自先前細菌的 DNA 片段。然後，該 DNA 片段被插入新細菌的 DNA 中。這種型別的轉導稱為廣義轉導。在專門的轉導中，宿主細菌的 DNA 片段被整合到新噬菌體的病毒基因組中。然後，DNA 片段可以轉移到這些噬菌體感染的任何新的細菌中。
同源基因
同源基因控制生物體的發育。Nüsslein-Volhard 和 Wieschaus（1980）確定並分類了 15 個基因，這些基因在確定果蠅黑腹果蠅的體型和體節形成方面至關重要。胚胎髮育受三個功能性同源基因群體的控制：（1）間隙基因為頭尾軸上的粗略體型奠定了基礎，（2）配對規則基因控制每隔一個體節的形成，（3）體節極性基因細化了每個體節的頭尾極性，這意味著體節的頭端和尾端看起來不同。
果蠅的同源基因與其他脊椎動物（包括人類）的同源基因同源。實際上，可以將人類的同源基因轉移到果蠅的胚胎中，在那裡它可以執行相應果蠅基因通常執行的一些功能。
在人類中，血清素轉運蛋白啟動子區域的常見遺傳變異（SERT 長和短等位基因：5-HTTLPR）已被證明會影響成年人丘腦幾個區域的發育。遺傳了兩個短等位基因（SERT-ss）的人在丘腦枕部和可能丘腦的邊緣區域有更多神經元和更大的體積。丘腦的擴大為為什麼遺傳了兩個 SERT-ss 等位基因的人更容易患上重度抑鬱症、創傷後應激障礙和自殺提供瞭解剖學基礎。
大腦對周圍世界發生的事情以及它所居住的生物體世界發生的事情進行數學建模。該模型在物理上被組織成三個子系統：前腦、中腦和後腦，每個子系統執行一類特定的功能。這些主要部門層層疊疊，很可能是進化發展的結果（麥克萊恩，。
後腦（與爬行動物共享）由腦幹結構組成 - 延髓、腦橋、小腦、中腦、蒼白球和嗅球。它是三者中最古老的，它控制著維持生命的身體重要功能，例如心率、呼吸、體溫平衡。中腦或邊緣系統，包括海馬體、杏仁核和下丘腦，存在於哺乳動物中。它負責人類所謂的“情緒”，並且是我們在無意識中做出的價值判斷的中心，這些價值判斷對我們的行為具有強烈的影響。前腦或皮質是語言、理性、想象力和自我意識的所在地。皮質分為左右半球，由胼胝體 200,000 條神經纖維連線模板：修復/類別[檢查拼寫]。大腦左半球控制身體右側，大腦右側控制身體左側。右腦更注重空間、抽象、音樂和藝術，而左腦更注重線性、理性、言語，儘管在進行過半球切除術的人身上，任一側都可以承擔另一側的功能。
心痛、胃部絞痛、腰部發麻、眼睛發光、興奮的顫抖 - 這些軀體感覺是大腦對身體正在發生的事情的感知，基於透過脊髓的傳人神經高速公路傳送給它的訊號。
在腦幹核心，網狀結構核接收來自身體感覺系統和大腦其他部位（如小腦和大腦半球）的輸入，並將它們傳遞到丘腦。上行網狀啟用系統 (RAS) 途徑起源於腦橋腹側（靠近中腦）第四腦室周圍的一組神經元。這些神經元中的大多數是乙醯膽鹼能的，並投射到丘腦，控制著門戶是否開啟或關閉。關鍵在於乙醯膽鹼的作用。乙醯膽鹼本身不能啟用或關閉丘腦神經元。相反，它使它們變得敏感。透過輕微去極化丘腦神經元（它透過關閉一個超極化鉀通道來做到這一點），上行系統可以使丘腦對感覺輸入更敏感。這種情況對應於清醒的警覺狀態。
RAS 對學習、自我控制、抑制、注意力和動機至關重要。當 RAS 正常運作時，它會提供神經連線，這些連線對於資訊的處理和學習以及集中注意力於正確任務的能力是必不可少的。額葉幫助我們集中注意力於任務，集中注意力，做出明智的決策，提前計劃，學習並記住我們所學到的東西。來自前額葉皮層到大腦其他區域的穀氨酸通路由多巴胺和去甲腎上腺素介導。據說大腦的 70% 是用來抑制另外 30% 的；皮層的抑制機制使我們免於過度活躍，避免說錯話，以及避免在不適當的時候發怒。RAS 去甲腎上腺素缺乏與注意力缺陷多動障礙 (ADHD) 的症狀相關，ADHD 患者表現出更多的 θ 波和 α 波腦電波活動，表明大腦皮層缺乏控制；患者表現出衝動行為、脾氣暴躁、決策能力差和多動等症狀。大量神經元同步放電異常升高會造成一種稱為癲癇的疾病，表現為抽搐運動和/或意識喪失（小發作），或者更嚴重，導致抽搐和意識喪失（大發作）。海馬體是所有皮層區域中發作閾值最低的區域，海馬體神經元丟失在癲癇患者中很常見。
關於外部環境的資訊，由所有感官感知，除了嗅覺系統，從 RAS 透過丘腦路由到皮層，丘腦位於腦幹的頂部。丘腦也接收來自它傳遞資訊的皮層部位的訊號，這表明它根據正在感知的資訊對新資料進行一些過濾或預處理。
來自孤束核到邊緣系統（下丘腦、島葉和杏仁核）的投射被認為解釋了味覺和情緒之間的行為關係。
- 請問有人可以格式化這個表格嗎？
| 輸入 | 來自 | 透過丘腦核 | 到 |
|---|---|---|---|
| 視覺 | 眼睛 | 外側膝狀體 | 枕葉 VI |
| 聽覺 | 耳朵 | 內側膝狀體 | 下丘 |
| 本體感覺 | 骶骨、腰椎和下胸椎 | 薄束核 | 中央後回 |
| 本體感覺 | 上胸椎和頸椎 | 楔束核 | 中央後回 |
| 味覺 | 舌頭 | 孤束 | 邊緣系統 |
| 觸覺 | 臉 | 後內側 | |
| 溫度，疼痛 | 臉 | 腹後內側 | |
| 溫度，疼痛 | 脊柱 | 後部、腹後外側、板核心、網狀結構 | 導水管周圍灰質 |
丘腦在不同的意識狀態下表現不同。清醒時，背外側膝狀體核 (LGN) 的穀氨酸受體接收來自視神經的訊號並將其傳遞到視覺皮層 V1，由皮層反饋介導。但在睡眠期間，傳遞功能被抑制，LGN 表現出節律性活動。丘腦神經元上的清醒/睡眠“開關”是乙醯膽鹼和一氧化氮 (NO) 受體，它們接收來自臂旁複合體 (PBR) 的訊號。PBR 投射的膽鹼能成分的啟用將傳遞細胞從爆發模式轉變為強直模式發射。神經元一氧化氮合酶 (nNOS) 是一種鈣依賴性酶，產生 NO，它包含在 PBR 的突觸前末端場內。與慢波睡眠相比，清醒和快速眼動 (REM) 睡眠期間釋放的 NO 水平更高 (Alexander 等人，2006)。
血清素是由氨基酸 L-色氨酸透過由兩種酶組成的短代謝途徑合成的：色氨酸羥化酶 (TPH) 和氨基酸脫羧酶 (DDC)。卵巢激素會影響各種物種中 TPH 的表達，這表明了產後抑鬱症和經前期緊張綜合徵的可能機制。
大約 10% 的結合的神經遞質在受體結合釋放時被破壞；另外 90% 被自由釋放並透過單胺轉運蛋白被突觸前神經元重新攝取。
與非抑鬱症對照組相比，抑鬱症患者的尾側中縫核和吻側中縫核的血清素傳遞均減少。減少血清素的再攝取是治療抑鬱症的治療方法之一。選擇性血清素再攝取抑制劑 (SSRI) 使其停留在突觸間隙，因此它被接收細胞的受體反覆識別。SSRI 通常被用於治療焦慮症，例如社交焦慮症、驚恐症、強迫症、進食障礙、慢性疼痛，偶爾也用於治療創傷後應激障礙、腸易激綜合徵、慢性單純性苔蘚和早洩。
但防止再攝取也會使突觸前神經元的自身受體氾濫，自身受體為其提供反饋。神經元透過降低自身受體的敏感性逐漸適應增強後的反饋，這反過來又會降低突觸前血清素的產生，因此會對 SSRI 產生依賴。SSRI 也已被證明會降低胎兒生長。
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在小鼠和大鼠的研究中，Gillum 等人 (2008) 發現一種名為 N-醯基磷脂醯乙醇胺 (NAPE) 的化學信使在動物食用油膩食物後在小腸中產生。NAPE 穿過血腦屏障，並在下丘腦中濃縮，下丘腦是大腦中控制飢餓的特定區域。用額外 NAPE 治療五天的大鼠吃得更少，體重減輕，暗示研究 NAPE 可以幫助研究人員設計更好的食慾抑制劑或肥胖藥物。
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Beauregard (2007) 研究了人們體驗情緒時的大腦活動的磁共振成像，並得出結論：“意識和無意識的心理過程/事件，它們在神經上是基礎的，根據特定的程式碼被選擇性地轉化為大腦組織不同層次的神經過程/事件（生物物理、分子、化學、神經迴路）。反過來，產生的神經過程/事件被轉化為其他生理系統中的過程和事件，例如免疫系統或內分泌系統”。其他神經元監測體內發生的事情，形成一個反饋系統。
感覺的“感覺”是認知對初始感知的反應以及對軀體反饋訊號的意義的感知的結合。在幻肢的情況下，連線到肢體的傳入神經在殘肢中形成了新的終點，這些終點感知刺激並將其傳遞到大腦，大腦認為訊號仍然來自現在不存在的肢體。一位實驗者發現，刺激面部的各個區域會導致一個無肢患者想象她的幻肢手指正在移動——她曾經處理肢體資訊的皮質神經元已經與附近的傳入神經元連線在一起。在矽晶片上培育神經元的實驗發現，生長的神經元會尋找電磁活動以連線在一起。因此，在截肢者的腦中，當曾經被肢體效應器啟用的神經元不再受到刺激時（因為肢體消失了），它們就會轉向其他鄰居以獲得一些活動……這是一種無指導的學習。
在人類中，生殖本能在意識層面表現為我們稱為慾望和愛情的情緒。但慾望和愛情是什麼，它們是如何產生的？這個看似簡單的問題並沒有簡單的答案。
基於他對一種名為三刺魚的淡水魚的研究，Tinbergen (1951) 發現了動物行為的基本原因，如下圖所示。
所有行為，包括身體運動、瞳孔放大和聲帶振動產生聲音，都是身體細胞之間複雜級聯計算的外部輸出。動物的細胞配置和訊號機制源於其個體發育（生長），其核心是受動物基因組表達的指令控制的細胞分裂過程，在近端影響的背景下。
我們稱之為感覺的是大腦對身體對外部或內部刺激的一系列反應的感知。例如，當一個人感到愛時，催產素水平會升高，但愛本身的感覺是軀體感覺。愛情和單戀是身心狀態。詩人對心碎的痛苦大加讚揚。這種隱喻可能反映了哺乳動物大腦中的真實事件；社會排斥帶來的痛苦所啟用的區域也是身體疼痛所啟用的區域（Panksepp，2003）。
對體驗情緒的人的研究發現，所感受到的情緒型別與血液中某些激素的濃度之間存在相關性，這些激素是內分泌系統的化學通訊網路，也是將營養物質和廢物輸送到細胞並從細胞中帶走的途徑。例如，興奮與腎上腺素水平相關，愛情的感覺與催產素水平相關。腎上腺素由腎上腺分泌，它向肝細胞發出訊號，合成葡萄糖並將其釋放到血液中，以便輸送到全身的細胞中，細胞利用它作為其代謝反應的能量來源。催產素在下丘腦產生，它具有與結合和信任行為相關的各種身體效應。
在周圍神經系統中，乙醯膽鹼啟用肌肉，並且是自主神經系統中主要的遞質。當乙醯膽鹼與骨骼肌纖維上的乙醯膽鹼受體結合時，它會開啟細胞膜中的配體門控鈉通道。然後鈉離子進入肌肉細胞，刺激肌肉收縮。乙醯膽鹼雖然誘導骨骼肌收縮，但會抑制心肌纖維的收縮。這種區別歸因於骨骼肌纖維和心肌纖維之間受體結構的差異。
在大腦中，乙醯膽鹼通路形成膽鹼能系統，該系統從腦幹和基底前腦延伸到中腦和皮層。它參與記憶和學習的調節——正是這個系統在阿爾茨海默病中退化。乙醯膽鹼已被證明可以增強許多區域（包括齒狀回、CA1、梨狀皮層和新皮層）長期增強後的突觸電位的振幅。它也參與喚醒和獎勵。ACh 在我們醒來時增強感覺知覺和維持注意力方面發揮著重要作用。
乙醯膽鹼受體 (AChR) 主要分為兩類：菸鹼型乙醯膽鹼受體 (nAChR) 和毒蕈鹼型乙醯膽鹼受體 (mAChR)，其名稱源於用於啟用受體的配體。菸鹼型 AChR 屬於離子型受體，對鈉、鉀和氯離子具有通透性。它們受尼古丁和乙醯膽鹼刺激。主要分為兩種型別：肌肉型和神經元型。前者可被箭毒選擇性阻斷，後者可被六甲雙胺阻斷。菸鹼型 AChR 主要分佈在肌肉終板、自主神經節（交感和副交感神經）和中樞神經系統。
儘管尼古丁可以與多種組織中的多種受體相互作用，但它與大腦中特定受體的相互作用產生了與吸菸相關的依賴性。在中腦中，尼古丁與α4β2 菸鹼型乙醯膽鹼受體相互作用。乙醯膽鹼是這種受體的天然配體。然而，尼古丁也是乙醯膽鹼受體的激動劑，對α4β2 受體具有更高的親和力。這些受體位於突觸後神經元，由兩個α4 亞基和三個β2 亞基組成，形成一個通道，用於透過膜轉運離子。
當兩個尼古丁分子或其他配體與離子型受體內的結合位點結合時，離子通道被啟用。觀察受體內部，我們發現它是關閉的，但配體啟用觸發通道開啟，以允許鈣、鈉和鉀離子透過。這會產生動作電位，傳遞到大腦的獎勵區域。在這裡，脈衝刺激包括多巴胺在內的神經遞質的釋放。多巴胺觸發額外的訊號事件，刺激獎勵迴路，產生短暫的幸福感、注意力集中和情緒改善。每次使用菸草時，多巴胺水平都會飆升。然而，尼古丁的消除速度很快，導致多巴胺水平下降。結果：渴望更多尼古丁。
隨著持續使用，α4β2 菸鹼型受體經歷複雜的適應性變化，包括上調和脫敏。隨著時間的推移，這些變化和其他下游變化導致對尼古丁刺激的需求更強，以獲得吸菸帶來的獎勵。
- http://pharmamotion.com.ar/video-molecular-mechanism-nicotine-addiction/
行為科學家已經探索了愛情的生物學根源，以及決定愛情感受和行為的心理因素。神經遞質的作用與主要的思維和情緒障礙有關。許多用於治療抑鬱症或精神分裂症等疾病的藥物作用於這些化學物質的突觸。跡象表明，特定神經遞質的廣泛作用參與了愛情的感受和思想。
多巴胺被認為可以提高注意力、動機和目標導向的行為。過量會導致欣快感、精力充沛、活動過度、失眠、食慾下降、成癮症狀、焦慮和恐懼。在一定程度上，浪漫愛情中的狂喜感可能與這些症狀有關，可能是多巴胺的作用。去甲腎上腺素也可能導致欣快感、過度精力充沛和食慾下降。血清素與突觸中水平過低時的抑鬱症有關。一些抗抑鬱藥物，例如百憂解，可以增加突觸中血清素的水平。血清素水平下降也與強迫症有關。戀人們經常會痴迷地想著他們的愛人。他們無法停止他們飛速的思緒。雖然愛情中的化學作用提出了一種有吸引力的假設，但它尚未得到證實。
愛情的解剖結構位於大腦的神經中樞。這些中心與控制動機和情緒的邊緣系統相連。大腦的疼痛和快樂中心也是這種複雜的神經機制的一部分。這些中心負責性慾和感情。內啡肽在愛情過程中可能扮演著重要的角色，內啡肽是由大腦產生的化學物質，類似於嗎啡，可以增加快樂感和減少疼痛。其他類似於安非他明的腦部化學物質被認為可以控制我們戀愛時的“興奮”體驗以及愛情失敗時的“崩潰”。
斯托尼布魯克大學的海倫·費舍爾研究了剛剛陷入熱戀的人。被試者看到了他們愛人的照片，以及情書、音樂磁帶和香水，這些東西使他們想起他們愛的人。被試者完成了問卷，並轉動一個旋鈕以指示他們浪漫感情的強度。這些結果與他們對其他人照片的反應進行了比較。他們的反應證實，照片和其他物體可以引發激情。與他們的愛人無關的物體不會引起這種感覺。在愛人刺激和非刺激情況下，對被試者進行了核磁共振掃描。當愛戀中的被試者看到他們愛人的照片時，許多大腦區域變得活躍。有兩個大腦區域最為突出。第一個是尾狀核，一個位於大腦中心附近的 C 形區域，是大腦最原始區域的一部分。該區域被發現是大腦獎勵機制的一部分。它對於檢測和區分獎勵並提供愉悅感至關重要。它會產生動機和行動，以獲得首選的獎勵。被試者感覺越強烈，尾狀核的活動就越強。第二個活躍的區域稱為腹側被蓋區 (VTA)。它也是大腦獎勵迴路的重要組成部分。更重要的是，它是多巴胺生成細胞的中心。從這個區域，神經纖維將多巴胺分佈到許多其他大腦區域。多巴胺負責欣快感。雖然許多其他區域也可能活躍，但費舍爾的發現強調了大腦網路和大腦化學物質在產生浪漫愛情感中的重要性。
血清素是由氨基酸 L-色氨酸透過由兩種酶組成的短代謝途徑合成的：色氨酸羥化酶 (TPH) 和氨基酸脫羧酶 (DDC)。卵巢激素會影響各種物種中 TPH 的表達，這表明了產後抑鬱症和經前期緊張綜合徵的可能機制。
大約 10% 的結合的神經遞質在受體結合釋放時被破壞；另外 90% 被自由釋放並透過單胺轉運蛋白被突觸前神經元重新攝取。
與非抑鬱症對照組相比，抑鬱症患者的尾側縫核和吻側縫核的血清素傳遞減少。
減少血清素再攝取是治療抑鬱症的治療方法之一。選擇性血清素再攝取抑制劑導致它停留在突觸間隙中，因此它被受體細胞的受體反覆識別。SSRI 經常用於治療焦慮症，例如社交焦慮症、驚恐障礙、強迫症、進食障礙、慢性疼痛，偶爾用於治療創傷後應激障礙、腸易激綜合徵、慢性單純性苔蘚和早洩。
但防止再攝取也會使突觸前神經元的自身受體氾濫，自身受體為其提供反饋。神經元透過降低自身受體的敏感性逐漸適應增強後的反饋，這反過來又會降低突觸前血清素的產生，因此會對 SSRI 產生依賴。SSRI 也已被證明會降低胎兒生長。
思維方式
[edit | edit source]我們的記憶是聯想的。一件事導致另一件事，一個想法導致另一個想法。如果沒有聯想，我們不會享受流暢的思想或對話；我們不會想起任何事情。
經驗是最好的老師 - 在特定情況下對行動結果的反饋會修改現有的信念結構，並在再次面對相同情況時創造新的行為。能夠從經驗中學習是智力的標誌之一。我們對世界和我們自己的理解是個人經驗的結果。這種經驗包括主觀觀察和透過各種媒介（如對話、書面文字、電視等）傳遞給我們的信念的吸收。
信念形成是一個學習過程，一旦形成的信念就會成為記憶。在大腦中，記憶透過神經網路的配置來表達。當我們記住一種體驗時，我們的大腦會對網路進行物理上的改變：“短期記憶的形式……表現為現有連線有效性的改變……長期記憶的形式通常與新的突觸連線的生長有關”（Hawkins et, 2006）。物理變化會在神經元及其突觸實施的操作規則中產生功能性變化。這些規則表達了資訊是如何解釋的，進而決定了採取哪些行動（例如肌肉運動），從而創造行為：“規則源於偶然性，偶然性指定了辨別刺激、反應和結果”（Skinner, 1984）。
邊緣系統負責諸如情緒、本能/基本驅動力、動機、情緒、快樂/痛苦、嗅覺和記憶等。海馬體（之所以得此名稱是因為它的形狀讓早期的解剖學家聯想到海馬）被認為可以介導情景記憶和空間記憶的構建，這使你能夠透過重新啟用皮層中形成的記憶來“回放場景”。眾所周知，涉及情緒反應的體驗更容易記住；海馬體可能是由情緒啟用的，並充當守門員，決定是否應該強化短期皮層記憶以將其轉變為長期記憶。海馬體接收來自血清素、去甲腎上腺素和多巴胺系統、丘腦核團 reuniens 以及來自隔區內側的膽鹼能和 GABA 能訊號的調節輸入。
內嗅皮層充當海馬體與大腦其他部分之間的主要“介面”。在海馬體內部，資訊流很大程度上是單向的，如示意圖所示。
海馬體表現出兩種活動模式。以規則波為特徵的θ 節律出現在活躍行為和 REM（做夢）睡眠期間。在非 REM 睡眠期間以及動物休息或不與周圍環境互動時，海馬體表現出不規則慢波模式，偶爾會被稱為尖波的大幅度波動打斷。Wilson 和 McNaughton（1994）發現，當海馬體位置細胞具有重疊的空間放電場（因此經常同時放電）時，它們往往會在行為訓練後睡眠期間表現出相關的活動。“兩階段記憶”理論（Buzsáki, 1989）提出，記憶在行為過程中儲存在海馬體內，然後在睡眠期間轉移到新皮層。然而，也有可能記憶是在皮層中形成的，而海馬體透過其尖波充當記憶增強器。
程式記憶（例如騎腳踏車）似乎不涉及海馬體，但似乎與小腦、基底神經節和運動皮層的改變有關，這些區域都參與運動控制（Dubuc, 2002）。
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小 E-coli 在她由化學場構成的世界中蠕動，沒有神經網路的大腦，但她確實有記憶，這是從她母親那裡遺傳的，她母親在產下雙胞胎女兒時死亡，這些女兒由她自己的身體和她在 20 分鐘的壽命中從食物中製造的物質構成。她女兒對哪些化學物質適合食用以及哪些不適合食用的知識儲存在她的基因組中，這是生命的魔法配方，告訴她如何製作她所有的身體部位，包括那些參與處理來自外部環境的訊號的部位。
基因也告訴她如何以及何時生育自己的女兒，以及女兒自身的細胞膜、受體和轉導器。她會將這些知識傳授給女兒，就像她的母親教導她一樣，透過向每個女兒提供自己的基因組。基因組是細菌的“主記憶”，負責構建其所有的裝置。細菌的女兒就像同卵雙胞胎一樣完全相同，但並不完全相同：“密切相關的原核生物菌株之間基因組內容的可變性是基因組學最顯著的發現之一”（Cuadros-Orellana 等人，2007 年）。
過去人們認為，變異是由於繁殖過程中隨機突變造成的，但自然並非隨機。凡事皆有因果。細菌的一些疾病和畸形是繁殖過程中克隆不完善造成的，但這是由環境條件（以及可能存在的基因組“缺陷”）造成的；其他情況發生是因為不同的母親有不同的學習經歷，其中一些會改變它們的基因組：“受調節控制的特殊酶可以去除 DNA 片段，將片段從一個位置移動到另一個位置，顛倒片段的方向，或者插入外源片段”（McAdams 和 Arkin，1998 年）。這可以解釋細菌如何一代一代地學會抵抗抗生素；這並非純粹的隨機突變帶來的幸運，而是某些母親能夠發展出保護機制並將這種能力透過改變後的基因組遺傳給女兒的結果。
細菌和病毒的種群會發生遺傳漂變，那些學會抵抗真核免疫系統和醫學實驗室製造的抗原的後代能夠在這些攻擊中倖存下來，並最終在種群中佔據主導地位。
故事是這樣說的，一天晚上，一位壓力山大的企業高管回家了。
“你看起來很累，親愛的，”他的妻子說，“你要不要喝杯茶？”
“天哪！”這位高管怒吼道，“難道我必須在這裡做所有決定嗎？！”
喝茶還是不喝茶，這是一個問題。早在 18 世紀，傑里米·邊沁就思考過這類問題，並提出了一種原則，後來被稱為“效用理論”。他的想法是，決策者對每個備選方案結果的預期淨值（效用）可以進行測量或計算，並進行算術比較，效用最大的那個方案將成為首選。這種一般性方法成為了“運籌學”的基礎。
設 ut 為喝茶的計算效用，設 un 為不喝茶的計算效用。那麼，如果 ut > un，則選擇喝茶。
軸突丘的計算函式很容易用於這種算術判斷。在本例中，假設效用可以以某種方式計算並沿著兩條神經元 t 和 n 傳遞。神經元 t 與神經元 d 形成興奮性突觸，神經元 n 與 d 形成抑制性突觸。如果來自 t 的興奮程度足夠超過來自 n 的抑制程度，達到 d 的增強閾值，則 d 中就會產生衝動。
只有我們學習和改變想法的能力才能讓我們免受偏見帶來的黑暗。然而，人類本性的一個奧秘是，那些天生具有學習能力的生物體為何能頑固地拒絕學習，並固執地堅持與所有可用證據相悖的信念，或者繼續進行像吸菸這樣的行為，這種行為會帶來短期滿足，但會以可預見的長期的死亡為代價。在人們對時間錯位選擇所做出的理性不一致的決定中，也能觀察到同樣的現象（Gilbert，2005 年）。一個可能的原因是，有意識的推理思維並非掌控者，而僅僅是受情緒驅動的潛意識的顧問——弗洛伊德（1923 年）稱之為“自我”。
什麼是意識？作為最不容易被科學理解的生物現象，它卻是一個非科學家們對它毫無疑問的主題。他們只知道自己擁有它——而且大多數人同樣相信，它是人類獨有的東西。就像 19 世紀的宗教信徒堅信，人類與其他所有生物截然不同一樣——即使達爾文出現並提出了相反的觀點。正是這種導致人們相信自己比田野裡的野獸更接近神的自我中心主義，驅使人們在今天斷言，計算機或許能在國際象棋比賽中戰勝他們，並且比他們更好地翻譯語言，以及比他們更快地進行計算，但計算器件永遠無法達到自我意識的神秘境界，僅僅因為他們無法想象這種事情是如何發生的。
但這種心態是人類中心主義的純粹體現。我們可以採取不同的觀點。然而，在面對個人自我和社會力量的反對時，不同的觀點可能需要很長時間才能被接受。例如，大約公元前 400 年，畢達哥拉斯學派從晝夜規律推斷出地球繞火旋轉。我們不知道他們是否意識到這火就是他們在黎明時分看到升起，在黃昏時分看到落下的太陽。他們的理論遭到了柏拉圖及其追隨者的強烈反對，他們都是虔誠的地心說信徒。他們對社會的統治地位是如此之強，即使在 100 年後，阿里斯塔克斯（也許是看到了日食）制定了第一個太陽中心說的數學理論，他也被斥為怪人，淪落到默默無聞。再過 100 年，羅馬帝國崛起，將地心說制度化，將其作為一種宗教教條，排斥科學，一直持續到 1500 年後的伽利略時代。但在過去大約 200 年裡，科學的社會聲望穩步上升，可能不需要再過 2000 年，目前普遍存在的“人不僅僅是一臺智慧塑膠機器”的信念，也將像神話一樣被載入史冊。
像許多謎團一樣，意識可能最好透過從側向思維的方向來理解——透過考慮它的對應物：無意識和潛意識思維（不幸的是，美式英語並沒有區分兩者）。一個重拳擊中頭部，可以讓拳擊手倒在地上，無法進行自願肌肉控制。他既聽不見也看不見，對觸碰沒有反應，雖然他的心臟還在跳動，腦電圖（EEG）也沒有變平。他沒有死，他被擊暈了。他處於無意識狀態。
電流透過導線會產生周圍的電磁場。軸突上的電位也是如此。腦電圖是神經元產生的不斷變化的電磁輻射的影像，透過頭皮電極拾取。隨著麻醉劑量的增加，腦電圖顯示出更多的規律性，頻率也會降低（Jordan 等人，2008 年）。
腦節律
δ 波：0.01 - 4 Hz δ 波活動在 N3 期慢波睡眠中最為常見，佔該階段腦電圖記錄的 20% 或更多。這些波被認為起源於丘腦，並與網狀結構協調一致。
θ 波：4 - 8 Hz 在大鼠中，海馬 θ 波在動物活動或恐懼時以及 REM 睡眠期間出現。在人類中，皮層 θ 波在昏昏欲睡、冥想或睡眠狀態下出現，但在深度睡眠階段不出現。人們普遍認為，膽鹼能受體反應速度不夠快，無法參與 θ 波的產生，因此 GABA 能訊號必須發揮核心作用。
α 波：8 - 12 Hz α 波起源於枕葉，在閉眼清醒放鬆狀態下出現。α 波在睜眼、睏倦和睡眠狀態下會減弱。它們被認為代表視覺皮層在空閒狀態下的活動。
β 波：12 - 30 Hz 低振幅 β 波，頻率多種多樣，與活躍、忙碌或焦慮的思維以及積極的集中注意力相關聯。在運動皮層上，β 波的爆發與運動控制相關聯，在運動改變時會減弱。[2] 當需要抵抗或自願抑制運動時，β 波活動會增強。
γ 波：30 - 100+ Hz γ 波在有意識和潛意識刺激中，被觀察到作為視覺線索的神經同步。這項研究還揭示了神經同步如何解釋神經系統中的隨機共振。它們也與快速眼動睡眠有關，這與視覺化有關，以及在麻醉期間出現。
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大腦構建了周圍世界的模型。這就是我們如何導航、如何避開障礙以及為什麼我們避免試圖穿過牆壁。大腦還構建了它所居住的身體的模型。它可以感知心臟的跳動、胃的疼痛、肌肉的痙攣、臉紅的熱度。構建大腦身體模型的機制可以應用於使其能夠構建自身模型——以及遞迴地構建自身模型的模型，等等。
... 一立方毫米的皮層——目前 fMRI 技術的空間解析度——包含令人驚歎的能量調節裝置：13,000 個錐體神經元、24,000 個神經膠質細胞、1000 億個突觸和 100 米的軸突（Pakkenberg 等人，2003 年）。
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簡單操作的組合效應可以產生複雜的行為。
圖中展示了構成虛擬蜘蛛邏輯的 13 條規則中的三條（Krink 和 Vollrath，1998），該虛擬蜘蛛創造了類似於花園蜘蛛的虛擬網。這些規則控制著捕獲螺旋（CS）的構建。每個規則包含一個前提條件（上框）和一個動作（下框）。箭頭的方向代表活動流。每個規則的啟用和執行都從對感覺系統的查詢開始（灰色箭頭），並導致執行執行條件活動迴圈的行為模式（黑色箭頭）。
第一個規則 (1) 指導蜘蛛沿著輔助螺旋 (AS) 用它的內腿 (IL) 走到下一個與半徑相交的地方。之後，第二個規則 (2) 讓蜘蛛用它的外腿 (OL) 尋找外框架線和先前構建的 CS 線。當蜘蛛最終抓住一根線或完全伸展它的外腿 (3) 時，它會在先前檢測到的半徑上連線一個新的 CS 線。新的連線點的定位是透過先前 AS 和最後一個 CS 轉彎之間的距離以及蜘蛛預期的 CS 網格尺寸之間的折衷方案決定的。
一隻圓蛛大約需要 30 到 45 分鐘才能完成它的網。結網的過程從絲腺（紡器）擠出初始粘性絲線開始。氣流被用來將絲線吹過樹葉之間的縫隙，纏繞在另一側的樹葉或樹枝上。當它粘在表面時，蜘蛛會小心地走過絲線，並用第二根絲線增強它，以增加強度。蜘蛛在橋線上來回移動，透過放下更多絲線來增強它。然後它從橋線中心落下，將一條垂直線連線到地面。這提供了基本的 Y 形框架，然後在上面新增支撐外框架線和徑向線（“輻條”，螺旋線就放在上面）。
首先放下一條非粘性、臨時的螺旋線，從中心開始向外執行。這條臨時螺旋線為蜘蛛提供了一個“腳手架”，它從這個腳手架上放下更緊密間距的、永久的、粘性的螺旋線，從外圍開始向中心或中心點移動。每個螺旋線之間的間距與它後腿的尖端到紡器的距離成正比。蜘蛛在放下粘性螺旋線時會移除並捲起臨時螺旋線。多餘的絲線被吃掉並回收。
許多物種表現出湧現行為：螞蟻群體、白蟻建造的土堆、蜜蜂群、魚群、鳥群和哺乳動物群。單個螞蟻並不特別聰明。但是，作為一個群體，螞蟻群體可以解決複雜的問題，例如找到通往最佳食物來源的最短路徑或將工蟻分配到不同的任務。
群體智慧來自集體決策和交流。在一個螞蟻群落中，沒有人負責。沒有將軍指揮螞蟻戰士。沒有經理管理螞蟻工蟻。蟻后除了產卵外沒有發揮任何行政作用。然而，即使有 50 萬個成員，螞蟻群落也能在沒有等級管理的情況下正常運作。它依賴於無數個體螞蟻之間的相互作用，每個螞蟻都遵循簡單的經驗法則，根據其固有的程式對來自幼蟲、其他螞蟻、入侵者、食物和廢物的化學氣味的區域性刺激做出反應。它在移動時會留下化學痕跡，為其他螞蟻提供資訊。透過分散式決策和化學交流，螞蟻群體表現出複雜的行為。
考慮任務分配問題。應該有多少工蟻外出覓食？數量可以根據情況而變化。螞蟻透過觸覺和嗅覺進行交流。當一隻螞蟻撞到另一隻螞蟻時，它會用觸角嗅聞，以確定對方是否屬於同一個巢穴以及它在哪裡工作——在外面工作的螞蟻聞起來與待在裡面的螞蟻不同。在每天離開巢穴之前，覓食者通常會等待清晨的巡邏者回來。當巡邏者進入巢穴時，它們會短暫地用觸角接觸覓食者。當覓食者在短時間內接觸到多個巡邏者後，它會出去並沿著巡邏者留下的氣味痕跡前進。一旦螞蟻開始覓食並帶回食物，其他螞蟻會加入進來，這取決於它們遇到的歸巢覓食者的頻率。
覓食者只有找到東西才會回來。食物越少，覓食者找到食物並返回所需的時間就越長。食物越多，返回的速度就越快。因此，實際上，群體決定今天是否適合覓食，但沒有一個單獨的個體來管理這個過程。這就是群體智慧的工作原理：簡單的生物遵循簡單的規則，每個生物都根據區域性資訊行事。沒有一隻螞蟻能看到全域性。沒有一隻螞蟻告訴其他螞蟻該怎麼做。
異級組織的令人印象深刻的能力激發了人工群體智慧系統的開發，該系統由一群簡單的智慧體組成，這些智慧體在區域性與彼此及其環境進行互動。該技術已應用於電信網路中的資料包路由（Dorigo 和 Stützl，2004）。軟體“螞蟻”——模擬智慧體——在模擬引數空間中移動時，共同收斂於最優解。“螞蟻”記錄它們的位置和解的質量，以便在後續迭代中，更多智慧體找到更好的解。
在自然界中，許多物種成群結隊地旅行。這是因為，作為一個大群體，無論是鳥群、魚群還是獸群，個體都能增加發現捕食者、尋找食物、找到配偶或跟隨遷徙路線的機會。對於這些動物來說，彼此協調動作可能是生死攸關的事情。一隻捕食者躲避一千條魚的發現比躲避一條魚的發現要困難得多；捕食者正在靠近的訊息在魚群中迅速傳播，因為魚能從鄰居那裡感覺到有什麼事情發生。當捕食者襲擊魚群時，群體能夠以一種幾乎不可能追蹤任何個體的模式散開。它可能會突然爆炸，在捕食者周圍形成一種移動的氣泡，或者分裂成多個斑點，然後重新聚在一起遊走。
谷歌在它的搜尋引擎中使用群體智慧。當你輸入一個搜尋查詢時，谷歌會調查它索引伺服器上的數十億個網頁，以確定最相關的網頁。然後，它根據連結到它們的網頁數量對它們進行排名，將連結計為投票（最受歡迎的網站獲得加權投票，因為它們更有可能是可靠的）。獲得最多投票的網頁在搜尋結果中排名第一。透過這種方式，谷歌利用網路的集體智慧來確定網頁的重要性。
維基百科也被證明是一個巨大的成功，擁有超過 200 種語言的數百萬篇文章，涵蓋了世間萬物，任何人都可以貢獻或編輯這些文章。現在，大量的人可以以我們幾十年前從未想象過的方式進行共同思考。沒有人知道解決我們作為社會所面臨的問題（如醫療保健或氣候變化）所需的全部知識，但我們的集體知識非常廣泛。
對於一個群體來說，無論是螞蟻群體還是律師群體，想要變得聰明，都需要其所有成員都做好各自的工作。想象一下一隻蜜蜂在蜂巢內走動。如果一股冷風吹到蜂巢，它會顫抖以產生熱量，並在過程中幫助溫暖附近的幼蟲。它不知道蜂巢其他地方的數百名工蜂同時在做同樣的事情，這對下一代有利。我們沒有人知道整個社會需要什麼，但我們可以環顧四周，說，哦，他們需要有人在學校做志願者，或修剪公共草坪，或幫助進行政治運動。如果你在一個複雜的世界上尋找榜樣，模仿蜜蜂不會比這更糟糕 (Miller, 2007)。
社會和政治群體是群體。在西雅圖的大規模抗議活動中，反全球化活動人士利用行動通訊裝置迅速傳播有關警察行動的訊息，將原本混亂的人群變成了一群“智慧暴徒”，他們能夠像魚群一樣分散和重組。
群體的集體力量不是新聞；宗教和政治精英已經認識到這一點已有數千年，他們將大部分時間和精力投入到宣傳中，以對群體進行程式設計。一旦完成程式設計，群體成員就會團結起來支援這一事業，甚至不惜為之獻身，因為他們被灌輸了一種信念，認為這是一種高於個人生存的道德義務。
神經元網路的集體智慧來自個體之間的相互作用。圖中顯示了大鼠大腦在單個觸鬚被觸碰後的 14 毫秒到 60 毫秒的時間序列腦影像，顯示了思想在大鼠大腦中傳播的火焰。
但什麼是思想？有一點可以肯定，它們不是像……那樣的簡單反射。
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全域性
[edit | edit source]如果這本書最終能夠演變成一份連貫的文件，那麼本章將被移到開頭，而不是結尾。因為它仍然在這裡，所以它還沒有達到那種完美狀態！
沒有一個值得他工資的科學家會聲稱自己無所不知——也沒有一個稱職的科學家會聲稱自己對任何事情都瞭如指掌；即使是最微小的細節，也有太多東西需要了解（1 加 1 永遠等於 2 嗎？一個夸克加一個夸克呢？……一個引力子加一個引力子呢？），要容納所有這些知識，一個腦袋肯定不夠。前面的章節試圖可靠地報道迄今為止科學的發現；所有陳述都得到引用的實驗證據的支援。本章有所不同——它探討的是懸而未決的問題；尚未解決的問題（在某些情況下，甚至還沒有提出）。它的假設旨在為下一代科學家提供思考的素材，以探索並進一步揭示生命和存在的奇蹟。
儘管由於書面交流的性質以及只有兩個空間維度（加上超連結）可供利用的限制，本章被組織成不同的部分——但它們在概念上並非獨立的主題；它們之間錯綜複雜地相互關聯。一些現象及其相互關係將被提及，其餘的——大多數，必須承認——留待你自行發現。
誰說了算？
在封建社會中，國王或領主是人口的執行長。在螞蟻群落中，蟻后是幼蟲的卑微僕人。
大多數人類設計的系統都是等級制的；“分而治之”的原則被凱撒成功地用於建立他的帝國，被波利亞（參考文獻）用於解決數學問題，被馮·諾伊曼（參考文獻）用於設計人工計算機的架構，而這種架構仍然是當今技術的藍圖。
但誰說了算？是思想還是身體？
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美的數學
從古至今，數學家一直被簡潔的美所迷戀：直線、圓形、點、方程式的完美。我們為愛因斯坦著名的質量和能量關係式而著迷——它如此優雅簡潔，一定是正確的（據我們所知……！）。
但你可能想知道，為什麼他們會如此痴迷？是否有某種潛在的原因？許多人會爭辯說，這是“不言而喻的”——但自明性是理性論證的替代品；它實際上意味著“我不知道，去問問你媽媽！”
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為什麼孩子們會問“為什麼”？
企業家、工程師和為生計而奔波的人們大多不關心“為什麼”，因為他們太忙於試圖弄清楚“如何”。但對於孩子們（以及那些遭受悲劇的成年人和偶爾出現的哲學家（大多數哲學家都有些古怪）），問題“為什麼”總是縈繞在他們的腦海中。為什麼天空是藍色的？為什麼女孩喜歡粉色？為什麼我必須上床睡覺？為什麼我不能做（無論是什麼被拒絕了）？為什麼拍手會發出聲音？如果沒有人聽到，樹倒在森林裡會發出聲音嗎？為什麼要提這個？……
“為什麼”是終極的學術問題。但這並不意味著它沒有實際價值——相反，它對生存至關重要。知識並非力量（只有對說服技巧和技術的瞭解才是力量），但它對於能夠構建一個關於世界運作方式的因果模型是必要的，這個模型必須足夠準確，才能在其中生存。
細菌在沒有因果模型的情況下也能很好地生存……作為一個群體，但不是作為個體。它們的生命的機制具有高度適應性，病毒的機制也是如此，病毒的進化速度比抗生素的追趕速度更快；就像阿喀琉斯，抗生素只能減少它與上次看到烏龜速度病毒的位置之間的距離——但當他到達那裡時，病毒已經移動了。然而，一個特定的細菌就像一個新生兒一樣無助——而一個新生兒幾乎與細菌一樣無助。它擁有細胞呼吸所需的裝置，但除了被程式設計為尋找它“認為”是母親的乳頭之外，它不知道如何獲得細胞呼吸所需的營養。
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參考文獻
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