被我們冠稱為“生命“的這一大類現象，迄今仍無法進行具體的科學定性。雖然此前已經提出了許多關于生命的定義，但幾乎都是描述性而非定量的。人工生命和系統化學方法正在推動我們越來越接近在實驗室中實現“類生命“（life-like）系統。基于已經發現的、幾十顆圍繞在其它恒星運轉的宜居星球，人類在地外世界尋找生命的努力也在加快步伐。一些新近投資的航天項目，例如龍飛船（Dragonfly），甚至即將訪問土衛六去搜尋地外生命的痕跡。

在沒有量化指標確定我們發現的東西是否真是“生命“的情況下，我們尋找生命新樣例的努力很大程度上是盲目的。因此制定嚴格、量化的方法來描述生命是什么，變得越來越迫切。以往大多數努力都采用現象學方法來定義生命最重要的屬性，例如將復制、新陳代謝活動、進化能力、細胞邊界等作為關鍵屬性。鑒于尋找生命最終還是需要客觀標準來對存在證據進行評估，因此有必要采用新的、定量的方法來理解和測量一個系統是否是“活的”，以及若是活的則哪些因素是必需的。這項任務的根本挑戰在于，我們能用什么來度量？

在眾多可以為定量方法提供基礎的屬性中，生命系統存儲和處理信息的能力有潛力成為最基本和最獨特的屬性。生命通過操控信息來重塑物質結構并使其發揮功能的能力，與其它任何種類物理系統中看到的情況都非常不同。雖然這種觀點確實在各種流派中越來越受到青睞，但它仍然存在很多問題有待說明：我們可以給生命系統賦予什么可度量的指標？它會是信息論的嗎？會基于信息流下的網絡結構嗎？抑或只是一種全新的形式主義？

為解決這些問題，重要的是現在就開始用我們目前手頭的工具來重構“生命是什么”的問題，即使隨著理論和實驗的迭代進展，這些工具最終可能會被更細致的量化數學理論所取代。發展任何理論都應該有可驗證的結果，相關可觀測物要有明確的定義。對比下其中最有希望的數學工具，就是信息論和網絡科學的工具，以及最近對信息理論的擴展。這些工具能允許評估因果交互作用；此外迄今為止，還沒有其它任何方法有機會完成量化一般生命過程的使命。

任何科學方法若想在諸如量化生命及其特性這樣困難的領域取得進展，必將遭致嚴重的批評和挑戰。例如，人們可能反對專注于生命信息的一面，認為信息論方法不僅適用細胞內發生的過程，同時也能用于描述社會和城市過程，范圍過于寬泛將導致定義不清。此外，從信息方法中得出的結論也受測量樣本數的限制，并且并沒有一個有效方案來解決這個問題。

但我們認為，這兩方面都是優點而非缺點。沒有理由認為“生命“只是一種在天體生物學假設下、僅發生在化學中的現象。尤其是在人工生命或復雜系統領域中，前面假設并不重要。我們反而認為化學僅僅是相關的、只是生命涌現的物理學尺度，而生命本身是一個更廣泛的現象，會在不同尺度上反復出現：從化學到細胞，再到社會——它會普遍地涉及信息（抽象屬性）與物質間的交互作用。若確實如此的話，這就給我們提供了一個契機，使我們能在僅有一個生物圈的有限樣本內，也能研究各種跨越不同尺度的生命實例（Walker 2017）。我們期望這種普遍性方法不僅能闡明地球上不同系統和尺度的生命結構，也能揭示其它生命系統的可能性——即有哪些別的物理系統也支持與已知生命實例具有相同的信息結構。

在本文中，我們提出了這樣的觀點：在有生命系統和無生命的系統之間可能沒有明確的、非黑即白的區別，二者之間不存在鴻溝和界限。執著于生命/非生命的二元對立一直在阻礙著研究進步，相反，順著如圖1那樣可能存在狀態漸變的“生命光譜“，可以看到，即使復雜程度相似，有些系統也比其他系統更有生命力（alive）。而要衡量“生命力”（aliveness），信息就是一種很好的度量，畢竟它與尺度無關，且集群系統向更有生命力系統的過渡也可能需要信息。對此測量可以集中于給定物理系統中可能發生的轉變：更有“生命力”的系統允許更多可能的轉變，并經常促成更多不可能的轉變。一個例子是，利用農業信息的農耕活動如何改造了我們人類的文明，導致產生了改造物質的能力，而這些能力在這一革新之前是不存在的；或者人文學科對科學的發明如何導致人類物理上實現從地球發射到太空的能力，顯然這在萬有引力定律的知識之前也是不可能的（Walker 2016）。在這方面，生命可以說是在探索足以導致事物發生的相鄰可能性（adjacent possible，Kauffman 2019）。其中轉變可能性的數量與生命物質的信息結構有著深刻的聯系，因為只有當生命系統獲得了物理世界的信息，它們才可能控制與這些信息相關的過程：更多的信息意味著對更多自由度的控制。

生命光譜中的信息。

它闡明了一個如何將生命系統視為同一物理現象不同層級例子的概念框架，關鍵在于信息結構的區別。以這樣的尺度上對生命系統進行排序是否可能；以及若可能，哪種度量更能刻畫這個尺度的特點，目前仍是一個懸而未決的問題。圖中復雜系統分別代表：一組非生物的化學化合物、細胞內的生化反應、由多達5萬個細胞組成的團藻球形種群、螞蟻群體的集群行為，以及嵌入城市的社會結構。這當然并不全面，但說明了代表不同“生命力“程度的系統在不同尺度縮放下可能的樣子

生命可能存在一個光譜的想法是信息方法的自然結果：如果信息蘊含的某種概念確實是生命物質最基本屬性的基礎，那么生命就應該能用其信息結構和因果結構來量化（Walker ; Davies，2013）。然而，作為圍繞生命屬性的信息和因果結構，一旦延伸到純物理系統，就開啟了統一描述生命和非生命系統并量化它們相似和差異的可能性。當我們把目光投向行恒星和星系等大質量天體來研究引力物理學時，就像承認引力是宇宙的一個普遍屬性一樣，我們應該認識到信息也是，而生命過程就是研究信息物理學最典型的例子。

可見重要的是，任何量化生命的嘗試都必須能處理非生命模仿生命系統行為的情況。因此在這篇文章中我們關注集群行為——它被廣泛認為是生命的標志屬性，同時又能在許多非生命系統中觀察到。事實上簡單的物理模型經常被用來模擬生命的集群行為，這就引出了它們是否存在根本差異的問題。我們認為，通過研究集群中的信息流，將獲得信息理論是否能夠區分生命和非生命系統的深刻見解：假設兩個系統，通過不同機制表現出相同的聚集行為（aggregate behavior），一個是活的而另一個不是，信息論就能發現這些差異。信息論關注的是捕捉空間和時間相關的結構，因此可以使用信息論度量來確定兩個系統是否使用了相同的規則集合。我們的假設是，生命能通過各種相關操縱（例如，對自身狀態的干預）主動控制自身的狀態，而非生命則不能。因此信息理論將成為辨別非生命和生命集群相關性結構差異的有用工具。就此而言，生命過程的光譜可能由控制（因果）和信息結構的組合決定，組合沿著從生命力較少到生命力較多的頻譜對各種實體進行量化。雖然“生命光譜“的精確度量和尺度仍有待確定，但我們將在本文概述一些可能進一步有用的關鍵思想。