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生命起源

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生命起源
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{{short description|The natural process by which life arises from non-living matter}}

{{Redirect|Origin of life|non-scientific views on the origins of life|Creation myth}}

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[[File:Champagne vent white smokers.jpg|thumb|upright=1.5|The [[earliest known life forms|earliest known life-forms]] on [[Earth]] are putative fossilized [[microorganism]]s, found in [[Hydrothermal vent|hydrothermal vent precipitates]], that may have lived as early as 4.28 Gya (billion years ago), relatively soon after the [[ocean]]s [[Origin of water on Earth#Water in the development of Earth|formed 4.41 Gya]], and not long after the [[Age of the Earth|formation of the Earth]] 4.54 Gya.<ref name="NAT-20170301" /><ref name="NYT-20170301" />]]

The earliest known life-forms on Earth are putative fossilized microorganisms, found in hydrothermal vent precipitates, that may have lived as early as 4.28 Gya (billion years ago), relatively soon after the oceans formed 4.41 Gya, and not long after the formation of the Earth 4.54 Gya.

地球上已知最早的生命形式是在热液喷口沉淀物中发现的假定化石微生物，它们可能早在42.8亿年前就已活着，相对而言，是在44.1亿年前海洋形成的不久之后，以及是45.4亿年前地球形成的不长时间后。

In [[evolutionary biology]], '''abiogenesis''', or informally the '''origin of life''' (OoL),<ref>{{cite book| last1 = Oparin| first1 = Aleksandr Ivanovich| author-link1 = Alexander Oparin| translator1-last = Morgulis| translator1-first = Sergius| year = 1938| title = The Origin of Life| url = https://books.google.com/books?id=Jv8psJCtI0gC| series = Phoenix Edition Series| edition = 2| location = Mineola, New York| publisher = Courier Corporation| publication-date = 2003| isbn = 978-0486495224| access-date = 2018-06-16}}</ref><ref name=Pereto /><ref name="AST-20151218">Compare: {{cite journal |author= Scharf, Caleb |title= A Strategy for Origins of Life Research |date= 18 December 2015 |journal= [[Astrobiology (journal)|Astrobiology]] |volume= 15 |issue= 12 |pages= 1031–1042 |doi= 10.1089/ast.2015.1113 |display-authors= etal |pmid= 26684503 |pmc= 4683543|bibcode= 2015AsBio..15.1031S | quote = What do we mean by the origins of life (OoL)? [...] Since the early 20th century the phrase OoL has been used to refer to the events that occurred during the transition from non-living to living systems on Earth, i.e., the origin of terrestrial biology (Oparin, 1924; Haldane, 1929). The term has largely replaced earlier concepts such as abiogenesis (Kamminga, 1980; Fry, 2000).}}</ref>{{efn|Also occasionally called biopoiesis (Bernal, 1960, p. 30)}} is the [[natural]] process by which [[life]] has arisen from non-living matter, such as simple [[organic compound]]s.<ref name=Oparin>{{harvnb|Oparin|1953|p=vi}}</ref><ref name=Pereto>{{cite journal|last= Peretó |first= Juli |year= 2005 |title= Controversies on the origin of life |url= http://www.im.microbios.org/0801/0801023.pdf |journal= [[International Microbiology]] |volume= 8 |issue= 1 |pages= 23–31 |pmid= 15906258 |accessdate= 2015-06-01 |url-status= dead |archiveurl= https://web.archive.org/web/20150824074726/http://www.im.microbios.org/0801/0801023.pdf |archivedate= 24 August 2015 |quote = Ever since the historical contributions by Aleksandr I. Oparin, in the 1920s, the intellectual challenge of the origin of life enigma has unfolded based on the assumption that life originated on Earth through physicochemical processes that can be supposed, comprehended, and simulated; that is, there were neither miracles nor spontaneous generations.}}</ref><ref>{{cite journal |last1= Warmflash |first1= David |last2= Warmflash |first2= Benjamin |date= November 2005 |title= Did Life Come from Another World? |journal= [[Scientific American]] |volume= 293 |issue= 5 |pages= 64–71 |doi= 10.1038/scientificamerican1105-64|pmid= 16318028 |bibcode= 2005SciAm.293e..64W | quote = According to the conventional hypothesis, the earliest living cells emerged as a result of chemical evolution on our planet billions of years ago in a process called abiogenesis.}}</ref><ref>{{harvnb|Yarus|2010|p=47}}</ref> While the details of this process are still unknown, the prevailing scientific hypothesis is that the transition from non-living to living entities was not a single event, but an evolutionary process of increasing complexity that involved molecular [[self-replication]], [[self-assembly]], [[autocatalysis]], and the emergence of [[cell membrane]]s.<ref>{{cite journal|url=http://www.biocommunication.at/pdf/publications/biosystems_2016.pdf |title=Crucial steps to life: From chemical reactions to code using agents|journal=Biosystems|volume=140|pages=49–57|doi=10.1016/j.biosystems.2015.12.007|pmid=26723230|year=2016|last1=Witzany|first1=Guenther}}</ref><ref name="AB-20141208">{{cite web |last= Howell |first= Elizabeth |title= How Did Life Become Complex, And Could It Happen Beyond Earth? |url= https://www.astrobio.net/origin-and-evolution-of-life/life-become-complex-happen-beyond-earth/ |date= 8 December 2014 |work= [[Astrobiology Magazine]] |accessdate= 14 February 2018 }}</ref><ref name="EA-20150420">{{Cite book |last= Tirard |first= Stephane |title= Abiogenesis – Definition|date= 20 April 2015 |doi= 10.1007/978-3-642-27833-4_2-4 |journal= Encyclopedia of Astrobiology|pages= 1 | quote = Thomas Huxley (1825–1895) used the term abiogenesis in an important text published in 1870. He strictly made the difference between spontaneous generation, which he did not accept, and the possibility of the evolution of matter from inert to living, without any influence of life. [...] Since the end of the nineteenth century, evolutive abiogenesis means increasing complexity and evolution of matter from inert to living state in the abiotic context of evolution of primitive Earth. |isbn= 978-3-642-27833-4 }}</ref> Although the occurrence of abiogenesis is uncontroversial among scientists, its possible mechanisms are poorly understood. There are several principles and hypotheses for {{em|how}} abiogenesis could have occurred.<ref>{{Cite book |title=Rethinking evolution: the revolution that's hiding in plain sight |last=Levinson |first=Gene |publisher=World Scientific |year=2020 |isbn=978-1786347268 |url=https://rethinkingevolution.com/}}</ref>

In evolutionary biology, abiogenesis, or informally the origin of life (OoL), is the natural process by which life has arisen from non-living matter, such as simple organic compounds. While the details of this process are still unknown, the prevailing scientific hypothesis is that the transition from non-living to living entities was not a single event, but an evolutionary process of increasing complexity that involved molecular self-replication, self-assembly, autocatalysis, and the emergence of cell membranes. Although the occurrence of abiogenesis is uncontroversial among scientists, its possible mechanisms are poorly understood. There are several principles and hypotheses for abiogenesis could have occurred.

在进化生物学中，自然发生，或通俗地称为生命起源（OoL），是生命从非生命物质（如简单的有机化合物）中产生的自然过程。虽然这一过程的细节仍未可知，但主流的科学假说认为，从非生命实体到生命实体的转变不是一个单一的事件，而是一个复杂度逐渐增加的进化过程，其中包括分子的自复制、自组装、自催化和细胞膜的出现。虽然自然发生的发生在科学家中是没有争议的，但其可能的机制我们却不甚了解。关于自然发生如何发生，有几种原理和假说。



The study of abiogenesis aims to determine how pre-life [[chemical reaction]]s gave rise to life under conditions strikingly different from those on Earth today.<ref>{{harvnb|Voet|Voet|2004|p=29}}</ref> It primarily uses tools from [[biology]], [[chemistry]], and [[geophysics]],<ref name="Dyson 1999">{{harvnb|Dyson|1999}}</ref> with more recent approaches attempting a synthesis of all three:<ref>{{cite book |author= Davies, Paul |date= 1998 |title= The Fifth Miracle, Search for the origin and meaning of life |publisher= Penguin}}{{page needed|date=February 2017}}</ref> more specifically, [[astrobiology]], [[biochemistry]], [[biophysics]], [[geochemistry]], [[molecular biology]], [[oceanography]] and [[paleontology]]. Life functions through the specialized chemistry of [[carbon]] and [[water]] and builds largely upon four key families of chemicals: [[lipids]] (cell membranes), [[carbohydrates]] (sugars, cellulose), [[amino acid]]s (protein metabolism), and [[nucleic acids]] (DNA and RNA). Any successful theory of abiogenesis must explain the origins and interactions of these classes of molecules.<ref>{{cite book |author1= Ward, Peter|author2= Kirschvink, Joe |date= 2015 |title= A New History of Life: the radical discoveries about the origins and evolution of life on earth |publisher= Bloomsbury Press |pages= 39–40 |isbn= 978-1608199105}}</ref> Many approaches to abiogenesis investigate how [[Self-replication|self-replicating]] [[molecule]]s, or their components, came into existence. Researchers generally think that current life descends from an [[RNA world]],<ref name="RNA" /> although other self-replicating molecules may have preceded RNA.<ref name="Robertson2012" /><ref name="Cech2012" />

The study of abiogenesis aims to determine how pre-life chemical reactions gave rise to life under conditions strikingly different from those on Earth today. It primarily uses tools from biology, chemistry, and geophysics, with more recent approaches attempting a synthesis of all three: more specifically, astrobiology, biochemistry, biophysics, geochemistry, molecular biology, oceanography and paleontology. Life functions through the specialized chemistry of carbon and water and builds largely upon four key families of chemicals: lipids (cell membranes), carbohydrates (sugars, cellulose), amino acids (protein metabolism), and nucleic acids (DNA and RNA). Any successful theory of abiogenesis must explain the origins and interactions of these classes of molecules. Many approaches to abiogenesis investigate how self-replicating molecules, or their components, came into existence. Researchers generally think that current life descends from an RNA world, although other self-replicating molecules may have preceded RNA.

对自然发生的研究旨在确定生命前的化学反应是如何在与今天地球上截然不同的条件下产生生命的。它主要使用生物学、化学和地球物理学的工具，最近的研究方法试图将这三者综合起来：更具体地说，就是天体生物学、生物化学、生物物理学、地球化学、分子生物学、海洋学和古生物学。生命的功能是通过碳和水的特定化学作用来实现的，并主要建立在四个关键的化学物质家族之上：脂类（细胞膜）、碳水化合物（糖类、纤维素）、氨基酸（蛋白质代谢）和核酸（DNA和RNA）。任何成功的自然发生理论都必须解释这些类别分子的起源和相互作用。许多自然发生的方法都在研究自我复制的分子或它们的组成部分是如何产生的。研究者普遍认为，目前的生命是从RNA世界中诞生的，尽管在RNA之前可能还有其他自我复制分子。

[[File:Miller-Urey experiment JP.png|thumb|'''Miller–Urey experiment''' Synthesis of small organic molecules in a mixture of simple gases that is placed in a thermal gradient by heating (left) and cooling (right) the mixture at the same time, a mixture that is also subject to electrical discharges]]

Miller–Urey experiment Synthesis of small organic molecules in a mixture of simple gases that is placed in a thermal gradient by heating (left) and cooling (right) the mixture at the same time, a mixture that is also subject to electrical discharges

米勒-乌雷Miller–Urey实验在简单气体混合物中合成有机小分子，通过同时加热（左）和冷却（右）将混合物置于热梯度中，这种混合物也会受到放电的作用

The classic 1952 [[Miller–Urey experiment]] and similar research demonstrated that most amino acids, the chemical constituents of the [[protein]]s used in all living organisms, can be synthesized from [[inorganic compound]]s under conditions intended to replicate those of the [[History of Earth|early Earth]]. Scientists have proposed various external sources of energy that may have triggered these reactions, including [[lightning]] and [[radiation]]. Other approaches ("metabolism-first" hypotheses) focus on understanding how [[catalysis]] in chemical systems on the early Earth might have provided the [[Precursor (chemistry)|precursor molecules]] necessary for self-replication.<ref name="Ralser 2014">{{cite journal |last1= Keller |first1= Markus A. |last2= Turchyn |first2= Alexandra V. |last3= Ralser |first3= Markus |date= 25 March 2014 |title= Non‐enzymatic glycolysis and pentose phosphate pathway‐like reactions in a plausible Archean ocean |journal= [[Molecular Systems Biology]] |volume= 10 |issue= 725 |page= 725 |doi= 10.1002/msb.20145228 |pmc= 4023395 |pmid= 24771084}}</ref>

The classic 1952 Miller–Urey experiment and similar research demonstrated that most amino acids, the chemical constituents of the proteins used in all living organisms, can be synthesized from inorganic compounds under conditions intended to replicate those of the early Earth. Scientists have proposed various external sources of energy that may have triggered these reactions, including lightning and radiation. Other approaches ("metabolism-first" hypotheses) focus on understanding how catalysis in chemical systems on the early Earth might have provided the precursor molecules necessary for self-replication.

1952年经典的Miller-Urey实验和类似的研究表明，大多数氨基酸，即所有生物体中使用的蛋白质的化学成分，可以在旨在复制早期地球的条件下从无机化合物中合成。科学家们提出了各种可能引发这些反应的外部能量来源，包括闪电和辐射。其他方法（“新陈代谢优先”假说）则侧重于了解早期地球化学系统中的催化作用如何提供自复制所需的前体分子。

The alternative [[panspermia hypothesis]]<ref name="USRA-2010">{{cite conference|last=Rampelotto|first=Pabulo Henrique|date=26 April 2010|title=Panspermia: A Promising Field of Research|url=http://www.lpi.usra.edu/meetings/abscicon2010/pdf/5224.pdf|url-status=live|conference=Astrobiology Science Conference 2010|location=Houston, TX|publisher=[[Lunar and Planetary Institute]]|page=5224|bibcode=2010LPICo1538.5224R|archiveurl=https://web.archive.org/web/20160327005016/http://www.lpi.usra.edu//meetings/abscicon2010/pdf/5224.pdf|archivedate=27 March 2016|accessdate=2014-12-03|conference-url=http://www.lpi.usra.edu/meetings/abscicon2010/}} Conference held at League City, TX</ref> speculates that [[Microorganism|microscopic life]] arose outside Earth by unknown mechanisms, and spread to the early Earth on [[space dust]]<ref name="ARX-20171106">{{cite journal |last= Berera |first= Arjun |title= Space dust collisions as a planetary escape mechanism |journal= Astrobiology |date= 6 November 2017 |arxiv= 1711.01895 |bibcode= 2017AsBio..17.1274B |doi= 10.1089/ast.2017.1662 |pmid= 29148823 |volume= 17 |issue= 12 |pages= 1274–1282|s2cid= 126012488 }}</ref> and [[meteoroid]]s.<ref name="SA-20180110">{{cite journal|last1=Chan|first1=Queenie H.S.|date=10 January 2018|title=Organic matter in extraterrestrial water-bearing salt crystals|journal=[[Science Advances]]|volume=4|page=eaao3521|bibcode=2018SciA....4O3521C|doi=10.1126/sciadv.aao3521|pmc=5770164|pmid=29349297|number=1, eaao3521}}</ref> It is known that complex [[List of interstellar and circumstellar molecules|organic molecules]] occur in the [[Solar System]] and in [[interstellar space]], and these molecules may have provided [[Precursor (chemistry)|starting material]] for the development of life on Earth.<ref name="Ehrenfreund2010" /><ref name="Science 2015">{{cite news|url=http://news.sciencemag.org/chemistry/2015/04/organic-molecules-found-circling-nearby-star?rss=1|title=Organic molecules found circling nearby star|last=Perkins|first=Sid|date=8 April 2015|work=[[Science (journal)|Science]]|accessdate=2015-06-02|publisher=[[American Association for the Advancement of Science]]|location=Washington, DC|type=News}}</ref><ref>{{cite news|url=http://www.rsc.org/chemistryworld/2015/04/meteorites-may-have-delivered-chemicals-started-life-earth|title=Chemicals formed on meteorites may have started life on Earth|last=King|first=Anthony|date=14 April 2015|work=[[Chemistry World]]|accessdate=2015-04-17|archiveurl=https://web.archive.org/web/20150417142723/http://www.rsc.org/chemistryworld/2015/04/meteorites-may-have-delivered-chemicals-started-life-earth|archivedate=17 April 2015|url-status=live|publisher=[[Royal Society of Chemistry]]|location=London|type=News}}</ref><ref>{{cite journal|last1=Saladino|first1=Raffaele|last2=Carota|first2=Eleonora|last3=Botta|first3=Giorgia|last4=Kapralov|first4=Mikhail|last5=Timoshenko|first5=Gennady N.|last6=Rozanov|first6=Alexei Y.|last7=Krasavin|first7=Eugene|last8=Di Mauro|first8=Ernesto|display-authors=3|date=13 April 2015|title=Meteorite-catalyzed syntheses of nucleosides and of other prebiotic compounds from formamide under proton irradiation|journal=[[Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America|Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.]]|volume=112|issue=21|pages=E2746–E2755|bibcode=2015PNAS..112E2746S|doi=10.1073/pnas.1422225112|pmc=4450408|pmid=25870268}}</ref>

The alternative panspermia hypothesis speculates that microscopic life arose outside Earth by unknown mechanisms, and spread to the early Earth on space dust and meteoroids. It is known that complex organic molecules occur in the Solar System and in interstellar space, and these molecules may have provided starting material for the development of life on Earth.

另一种有生源论假说推测，微生物通过未知的机制在地球以外产生，并通过太空尘埃和流星体传播到早期地球。众所周知，太阳系和星际空间中存在复杂的有机分子，这些分子可能为地球上生命的发展提供了起始物质。

Earth remains the only place in the [[universe]] known to harbour life,<ref name="NASA-1990">{{cite web |url= https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19900013148.pdf |title= Extraterrestrial Life in the Universe |last= Graham |first= Robert W. |date= February 1990 |place= [[Glenn Research Center|Lewis Research Center]], Cleveland, Ohio |publisher= [[NASA]] |type= NASA Technical Memorandum 102363 |accessdate= 2015-06-02 |url-status= live |archiveurl= https://web.archive.org/web/20140903100534/http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19900013148.pdf |archivedate= 3 September 2014}}</ref><ref>{{harvnb|Altermann|2009|p=xvii}}</ref> and [[Earliest known life forms|fossil evidence from the Earth]] informs most studies of abiogenesis. The [[age of the Earth]] is 4.54 Gy (Giga or billion year);<ref name="USGS1997">{{cite web |url= http://pubs.usgs.gov/gip/geotime/age.html |title= Age of the Earth |date= 9 July 2007 |publisher= [[United States Geological Survey]] |accessdate= 2006-01-10 |url-status= live |archiveurl= https://web.archive.org/web/20051223072700/http://pubs.usgs.gov/gip/geotime/age.html |archivedate= 23 December 2005}}</ref><ref>{{harvnb|Dalrymple|2001|pp= 205–221}}</ref><ref>{{cite journal |last1= Manhesa |first1= Gérard |last2= Allègre |first2= Claude J. |authorlink2= Claude Allègre |last3= Dupréa |first3= Bernard |last4= Hamelin |first4= Bruno |date= May 1980 |title= Lead isotope study of basic-ultrabasic layered complexes: Speculations about the age of the earth and primitive mantle characteristics |journal= [[Earth and Planetary Science Letters]] |volume= 47 |issue= 3 |pages= 370–382 |bibcode= 1980E&PSL..47..370M |doi= 10.1016/0012-821X(80)90024-2 }}</ref> the earliest undisputed evidence of life on Earth dates from at least 3.5 Gya (Gy ago),<ref name="Origin1">{{cite journal |last1= Schopf |first1= J. William |authorlink1= J. William Schopf |last2= Kudryavtsev |first2= Anatoliy B. |last3= Czaja |first3= Andrew D. |last4= Tripathi |first4= Abhishek B. |date= 5 October 2007 |title= Evidence of Archean life: Stromatolites and microfossils |journal= [[Precambrian Research]] |volume= 158 |pages= 141–155 |issue= 3–4 |doi= 10.1016/j.precamres.2007.04.009 |bibcode= 2007PreR..158..141S }}</ref><ref name="Origin2">{{cite journal |last= Schopf |first= J. William |date= 29 June 2006 |title= Fossil evidence of Archaean life |journal= [[Philosophical Transactions of the Royal Society B]] |volume= 361 |issue= 1470 |pages= 869–885 |doi= 10.1098/rstb.2006.1834 |pmid= 16754604 |pmc=1578735}}</ref><ref name="RavenJohnson2002">{{harvnb|Raven|Johnson|2002|p=68}}</ref> and possibly as early as the [[Eoarchean]] Era (3.6-4.0 Gya). In 2017 scientists found possible evidence of early life [[Evolutionary history of life#Colonization of land|on land]] in 3.48 Gyo (Gy old) [[geyserite]] and other related mineral deposits (often found around [[hot spring]]s and [[geyser]]s) uncovered in the [[Pilbara Craton]] of [[Western Australia]].<ref name="PO-20170509">{{cite news |author= Staff |title= Oldest evidence of life on land found in 3.48-billion-year-old Australian rocks |url= https://phys.org/news/2017-05-oldest-evidence-life-billion-year-old-australian.html |date= 9 May 2017 |work= [[Phys.org]] |accessdate= 13 May 2017 |url-status= live |archiveurl= https://web.archive.org/web/20170510013721/https://phys.org/news/2017-05-oldest-evidence-life-billion-year-old-australian.html |archivedate= 10 May 2017}}</ref><ref name="NC-20170509">{{cite journal |last1= Djokic |first1= Tara |last2= Van Kranendonk |first2= Martin J. |last3= Campbell |first3= Kathleen A. |last4= Walter |first4= Malcolm R. |last5= Ward |first5= Colin R. |title= Earliest signs of life on land preserved in ca. 3.5 Gao hot spring deposits |date= 9 May 2017 |journal= [[Nature Communications]] |doi= 10.1038/ncomms15263 |pmid= 28486437 |pmc= 5436104 |volume= 8 |page= 15263 |bibcode= 2017NatCo...815263D}}</ref><ref name="PNAS-2017">{{cite journal |last1= Schopf |first1= J. William |last2= Kitajima |first2= Kouki |last3= Spicuzza |first3= Michael J. |last4= Kudryavtsev |first4= Anatolly B. |last5= Valley |first5= John W. |title= SIMS analyses of the oldest known assemblage of microfossils document their taxon-correlated carbon isotope compositions |date= 2017 |journal= [[Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America|PNAS]] |doi= 10.1073/pnas.1718063115 |pmid= 29255053 |pmc= 5776830 |volume= 115 |issue= 1 |pages= 53–58|bibcode= 2018PNAS..115...53S }}</ref><ref name="WU-20171218">{{cite web |last= Tyrell |first= Kelly April |title= Oldest fossils ever found show life on Earth began before 3.5 billion years ago |url= https://news.wisc.edu/oldest-fossils-ever-found-show-life-on-earth-began-before-3-5-billion-years-ago/ |date= 18 December 2017 |work= [[University of Wisconsin-Madison]] |accessdate= 18 December 2017 }}</ref> However, a number of discoveries suggest that life may have appeared on Earth even earlier. {{As of | 2017}}, [[Micropaleontology#Microfossils|microfossils]] (fossilised [[microorganism]]s) within [[Hydrothermal vent|hydrothermal-vent precipitates]] dated 3.77 to 4.28 Gya in rocks in [[Quebec]] may harbour the oldest record of life on Earth, suggesting life started soon after [[Origin of water on Earth#Water in the development of Earth|ocean formation 4.4 Gya]] during the [[Hadean]] [[Geologic time scale|Eon]].<ref name="NAT-20170301">{{cite journal |last1= Dodd |first1= Matthew S. |last2= Papineau |first2= Dominic |last3= Grenne |first3= Tor |last4= Slack |first4= John F. |last5= Rittner |first5= Martin |last6= Pirajno |first6= Franco |last7= O'Neil |first7= Jonathan |last8= Little |first8= Crispin T.S. |title= Evidence for early life in Earth's oldest hydrothermal vent precipitates |url= http://eprints.whiterose.ac.uk/112179/ |journal= [[Nature (journal)|Nature]] |date= 1 March 2017 |volume= 543 |issue= 7643 |pages= 60–64 |doi= 10.1038/nature21377 |pmid= 28252057 |accessdate= 2 March 2017 |bibcode= 2017Natur.543...60D |url-status= live |archiveurl= https://web.archive.org/web/20170908201821/http://eprints.whiterose.ac.uk/112179/ |archivedate= 8 September 2017|doi-access= free }}</ref><ref name="NYT-20170301">{{cite news |last= Zimmer |first= Carl |authorlink= Carl Zimmer |title= Scientists Say Canadian Bacteria Fossils May Be Earth's Oldest |url= https://www.nytimes.com/2017/03/01/science/earths-oldest-bacteria-fossils.html |date= 1 March 2017 |work= [[The New York Times]] |accessdate= 2 March 2017 |url-status= live |archiveurl= https://web.archive.org/web/20170302042424/https://www.nytimes.com/2017/03/01/science/earths-oldest-bacteria-fossils.html |archivedate= 2 March 2017}}</ref><ref name="BBC-20170301">{{Cite news |last= Ghosh |first= Pallab |title= Earliest evidence of life on Earth found |url= https://www.bbc.co.uk/news/science-environment-39117523 |publisher= [[BBC News]] |date= 1 March 2017 |accessdate= 2 March 2017 |url-status= live |archiveurl= https://web.archive.org/web/20170302002134/http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-39117523 |archivedate= 2 March 2017|work= BBC News }}</ref><ref name="4.3b oldest">{{cite news |last1= Dunham |first1= Will |title= Canadian bacteria-like fossils called oldest evidence of life |url= http://ca.reuters.com/article/topNews/idCAKBN16858B?sp=true |date= 1 March 2017 |agency= [[Reuters]] |accessdate= 1 March 2017 |url-status= live |archiveurl= https://web.archive.org/web/20170302114728/http://ca.reuters.com/article/topNews/idCAKBN16858B?sp=true |archivedate= 2 March 2017}}</ref><ref>{{cite news|title=Researchers uncover 'direct evidence' of life on Earth 4 billion years ago|url= http://dw.com/p/2YUnT|accessdate= 5 March 2017|publisher= Deutsche Welle}}</ref>

Earth remains the only place in the universe known to harbour life, and fossil evidence from the Earth informs most studies of abiogenesis. The age of the Earth is 4.54 Gy (Giga or billion year); the earliest undisputed evidence of life on Earth dates from at least 3.5 Gya (Gy ago), and possibly as early as the Eoarchean Era (3.6-4.0 Gya). In 2017 scientists found possible evidence of early life on land in 3.48 Gyo (Gy old) geyserite and other related mineral deposits (often found around hot springs and geysers) uncovered in the Pilbara Craton of Western Australia. However, a number of discoveries suggest that life may have appeared on Earth even earlier. As of 2017, microfossils (fossilised microorganisms) within hydrothermal-vent precipitates dated 3.77 to 4.28 Gya in rocks in Quebec may harbour the oldest record of life on Earth, suggesting life started soon after ocean formation 4.4 Gya during the Hadean Eon.

地球仍然是宇宙中已知的唯一一个孕育生命的地方，来自地球的化石证据为大多数关于自然发生论的研究提供了信息。地球的年龄是45.5亿年；地球上最早的无可争议的生命证据至少可以追溯到35亿年前，也可能还要追溯到早至始太古代（36-40亿年前之间）。2017年，科学家在西澳大利亚的皮尔巴拉古地台发现的34.8亿岁的硅华和其他相关矿藏(通常在温泉和间歇泉附近发现) 中发现了陆地上早期生命的可能证据。然而，许多发现表明，地球上的生命可能出现得更早。截至2017年，加拿大魁北克省的岩石中37.7亿至42.8亿年前的深海热液喷口沉淀物内的微化石（化石微生物）可能蕴藏着地球上最古老的生命记录，这表明生命在冥古宙44亿年前海洋形成后不久就开始了。

The NASA strategy on abiogenesis states that it is necessary to identify interactions, intermediary structures and functions, energy sources, and environmental factors that contributed to the diversity, selection, and replication of evolvable macromolecular systems.<ref name="NASA strategy 2015">{{cite web|url=https://nai.nasa.gov/media/medialibrary/2015/10/NASA_Astrobiology_Strategy_2015_151008.pdf|title=NASA Astrobiology Strategy|year=2015|work=NASA|url-status=dead|archiveurl=https://web.archive.org/web/20161222190306/https://nai.nasa.gov/media/medialibrary/2015/10/NASA_Astrobiology_Strategy_2015_151008.pdf|archivedate=22 December 2016|access-date=24 September 2017}}</ref> Emphasis must continue to map the chemical landscape of potential primordial informational [[polymers]]. The advent of polymers that could replicate, store genetic information, and exhibit properties subject to selection likely was a critical step in the [[emergence]] of prebiotic chemical evolution.<ref name="NASA strategy 2015"/>

The NASA strategy on abiogenesis states that it is necessary to identify interactions, intermediary structures and functions, energy sources, and environmental factors that contributed to the diversity, selection, and replication of evolvable macromolecular systems. Emphasis must continue to map the chemical landscape of potential primordial informational polymers. The advent of polymers that could replicate, store genetic information, and exhibit properties subject to selection likely was a critical step in the emergence of prebiotic chemical evolution.

美国宇航局关于自然发生的战略指出，有必要确定相互作用、中间结构和功能、能量来源和环境因素，这些因素有助于可进化大分子系统的多样性、选择和复制的因素。强调必须继续绘制潜在的原始信息聚合物的化学景观。能够复制、储存遗传信息并表现出受选择的特性的聚合物的出现，很可能是生命起源前化学进化涌现的关键一步。

== Thermodynamics, self-organization, and information: Physics ==

热力学、自组织和信息：物理

===Thermodynamics principles: Energy and entropy===
热力学原理：能量与熵

In antiquity it was commonly thought, for instance by Empedocles and Aristotle, that the life of the individuals of some species, and more generally, life itself, could start with high temperature, i.e. implicitly by thermal cycling.<ref>{{cite book|title=In the beginning: Some Greek views on the origins of life and the early state of man |year= 1957|last1= Guthrie|first1= W. K. C.|publisher=Methuen, London}}</ref>

In antiquity it was commonly thought, for instance by Empedocles and Aristotle, that the life of the individuals of some species, and more generally, life itself, could start with high temperature, i.e. implicitly by thermal cycling.

在古代，人们普遍认为，例如恩培多克勒Empedocles和亚里士多德 Aristotle就认为，某些物种个体的生命，更一般地说是生命本身，可以从高温开始，即隐含着热循环。

Similarly, it was realized early on that life requires a loss of [[entropy]], or disorder, when molecules organize themselves into living matter. This [[Second law of thermodynamics|Second Law of thermodynamics]] needs to be considered when self-organization of matter to higher complexity happens. Because living organisms are machines,<ref>{{cite book| last1 = Simon| first1 = Michael A. | year = 1971| title = The Matter of Life | edition = 1| location = New Haven and London| publisher = Yale University Press}}</ref> the Second Law applies to life as well.

Similarly, it was realized early on that life requires a loss of entropy, or disorder, when molecules organize themselves into living matter. This Second Law of thermodynamics needs to be considered when self-organization of matter to higher complexity happens. Because living organisms are machines, the Second Law applies to life as well.

同样，人们很早就意识到，当分子将自身组织成生命物质时，生命需要失去熵，或无序。当物质自组织到更高的复杂性时，需要考虑热力学第二定律。因为生物体是机器，第二定律也适用于生命。

====Obtaining free energy ====
获得自由能
Bernal said on the Miller–Urey experiment that < blockquote >it is not enough to explain the formation of such molecules, what is necessary, is a physical-chemical explanation of the origins of these molecules that suggests the presence of suitable sources and sinks for free energy.<ref>{{harvnb|Bernal|1967|p=143}}</ref>
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Bernal said on the Miller–Urey experiment that < blockquote >it is not enough to explain the formation of such molecules, what is necessary, is a physical-chemical explanation of the origins of these molecules that suggests the presence of suitable sources and sinks for free energy.< /blockquote >
伯纳尔Bernal在 Miller-Urey 的实验中说，

< blockquote >仅仅解释这些分子的形成是不够的，需要的是对这些分子的起源作出物理-化学解释，表明存在合适的自由能源和自由能汇。
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Multiple sources of energy were available for chemical reactions on the early Earth. For example, heat (such as from [[geothermal energy|geothermal]] processes) is a standard energy source for chemistry. Other examples include sunlight and electrical discharges (lightning), among others.<ref name="Follmann2009" /> In fact, lightning is a plausible energy source for the origin of life, given that just in the tropics lightning strikes about 100 million times a year.<ref>{{Cite journal|last1=Gora|first1=Evan M.|last2=Burchfield|first2=Jeffrey C.|last3=Muller‐Landau|first3=Helene C.|last4=Bitzer|first4=Phillip M.|last5=Yanoviak|first5=Stephen P.|title=Pantropical geography of lightning-caused disturbance and its implications for tropical forests|journal=Global Change Biology|year=2020|language=en|volume=n/a|issue=n/a|pages=5017–5026|doi=10.1111/gcb.15227|pmid=32564481|bibcode=2020GCBio..26.5017G|issn=1365-2486}}</ref>

Multiple sources of energy were available for chemical reactions on the early Earth. For example, heat (such as from geothermal processes) is a standard energy source for chemistry. Other examples include sunlight and electrical discharges (lightning), among others. In fact, lightning is a plausible energy source for the origin of life, given that just in the tropics lightning strikes about 100 million times a year.

早期地球上的化学反应有多种能量来源。例如，热（如来自地热过程）是化学的标准能源。其他的例子还包括阳光和放电（闪电）等。事实上，闪电是生命起源的似乎合理的能量来源，因为仅在热带地区，每年就有大约1亿次的闪电袭击。

Computer simulations also suggest that [[cavitation]] in primordial water reservoirs such as breaking sea waves, streams and oceans can potentially lead to the synthesis of biogenic compounds.<ref>{{cite journal|doi=10.1021/acscentsci.7b00325|pmid= 28979946|pmc= 5620973|title= Cavitation-Induced Synthesis of Biogenic Molecules on Primordial Earth|journal= ACS Central Science|volume= 3|issue= 9|pages= 1041–1049|year= 2017|last1= Kalson|first1= Natan-Haim|last2= Furman|first2= David|last3= Zeiri|first3= Yehuda}}</ref>

Computer simulations also suggest that cavitation in primordial water reservoirs such as breaking sea waves, streams and oceans can potentially lead to the synthesis of biogenic compounds.

计算机模拟还表明，原始水库中的气蚀作用，如破碎的海浪、溪流和海洋，有可能导致生源化合物的合成。

Unfavourable reactions can also be driven by highly favourable ones, as in the case of iron-sulfur chemistry. For example, this was probably important for [[carbon fixation]] (the conversion of carbon from its inorganic form to an organic one). Carbon fixation via iron-sulfur chemistry is highly favourable, and occurs at neutral pH and 100C. Iron-sulfur surfaces, which are abundant near hydrothermal vents, are also capable of producing small amounts of amino acids and other biological metabolites.

Unfavourable reactions can also be driven by highly favourable ones, as in the case of iron-sulfur chemistry. For example, this was probably important for carbon fixation (the conversion of carbon from its inorganic form to an organic one). Carbon fixation via iron-sulfur chemistry is highly favourable, and occurs at neutral pH and 100C. Iron-sulfur surfaces, which are abundant near hydrothermal vents, are also capable of producing small amounts of amino acids and other biological metabolites.

不利的反应也可以由非常有利的反应驱动，如铁硫化学反应。例如，这对碳固定（碳从其无机形式转化为有机形式）可能很重要。通过铁硫化学反应进行的碳固定是非常有利的，在中性pH值和100C时发生。深海热液喷口附近丰富的铁硫表面也能产生少量的氨基酸和其他生物代谢物。

===Self-organization===
自组织
[[File:Hermann Haken, Pour le Merite 2014.jpg|thumb|upright|Hermann Haken]]
赫尔曼•哈肯Hermann Haken
The discipline of synergetics studies self-organization in physical systems. In his book ''[[Synergetics (Haken)|Synergetics]]''<ref>{{cite book |last1 = Haken| first1= Hermann | title=Synergetics. An Introduction. |year=1978 | publisher=Springer | location= Berlin }}</ref> [[Hermann Haken]] has pointed out that different physical systems can be treated in a similar way. He gives as examples of self-organization several types of lasers, instabilities in fluid dynamics, including convection, and chemical and biochemical oscillations. In his preface he mentions the origin of life, but only in general terms:

The discipline of synergetics studies self-organization in physical systems. In his book Synergetics Hermann Haken has pointed out that different physical systems can be treated in a similar way. He gives as examples of self-organization several types of lasers, instabilities in fluid dynamics, including convection, and chemical and biochemical oscillations. In his preface he mentions the origin of life, but only in general terms:

协同学这门学科研究的是物理系统的自组织。Hermann Haken在其《协同论》一书中指出，不同的物理系统可以用类似的方式处理。他举了几种类型的激光、流体动力学（包括对流）中的不稳定性以及化学和生化振荡作为自组织的例子。在他的序言中他提到了生命的起源，但只是泛泛而谈。

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The spontaneous formation of well organized structures out of germs or even out of chaos is one of the most fascinating phenomena and most challenging problems scientists are confronted with. Such phenomena are an experience of our daily life when we observe the growth of plants and animals. Thinking of much larger time scales, scientists are led into the problems of evolution, and, ultimately, of the origin of living matter. When we try to explain or understand in some sense these extremely complex biological phenomena it is a natural question, whether processes of self-organization may be found in much simpler systems of the unanimated world.

从细菌甚至从混沌中自发形成的组织良好的结构是科学家们面临的最迷人的现象和最具挑战性的问题之一。这种现象是我们在日常生活中观察动植物生长时的一种体验。从更大的时间尺度来思考，科学家们就会被引向进化问题，并最终引向生命物质的起源问题。当我们试图在某种意义上解释或理解这些极其复杂的生物现象时，这是一个很自然的问题，自组织的过程是否可以在无生命世界里简单得多的系统中找到。

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In recent years it has become more and more evident that there exists numerous examples in physical and chemical systems where well organized spatial, temporal, or spatio-temporal structures arise out of chaotic states. Furthermore, as in living organisms, the functioning of these systems can be maintained only by a flux of energy (and matter) through them. In contrast to man-made machines, which are devised to exhibit special structures and functionings, these structures develop spontaneously—they are ''selforganizing''. ...<ref>{{cite book |last1 = Haken| first1= Hermann | title=Synergetics. An Introduction. |year=1978 | publisher=Springer }}</ref>
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In recent years it has become more and more evident that there exists numerous examples in physical and chemical systems where well organized spatial, temporal, or spatio-temporal structures arise out of chaotic states. Furthermore, as in living organisms, the functioning of these systems can be maintained only by a flux of energy (and matter) through them. In contrast to man-made machines, which are devised to exhibit special structures and functionings, these structures develop spontaneously—they are selforganizing. ...

近年来，越来越明显的是，在物理和化学系统中存在着许多例子，在这些例子中，从混沌状态中产生了组织良好的空间、时间或时空结构。此外，就像在生物体中一样，这些系统的功能只能通过流通它们的能量（和物质）流来维持。与人造机器不同的是，人造机器被设计成表现出特殊的结构和功能，这些结构是自发发展的——它们是自组织的...
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====Multiple dissipative structures====
多重耗散结构

This theory postulates that the hallmark of the origin and evolution of life is the microscopic dissipative structuring of [[Biological pigment|organic pigments]] and their proliferation over the entire Earth surface.<ref name="Michaelian, K. 2017" /> Present day life augments the entropy production of Earth in its solar environment by dissipating [[ultraviolet]] and [[Visible spectrum|visible]] [[photon]]s into heat through organic pigments in water. This heat then catalyzes a host of secondary dissipative processes such as the [[water cycle]], [[Ocean current|ocean]] and [[wind]] currents, [[Tropical cyclone|hurricanes]], etc.<ref name="Michaelian, K. 2011"/><ref name="HESS Opinions 'Biological catalysis">{{cite journal |doi=10.5194/hess-16-2629-2012 |title=HESS Opinions 'Biological catalysis of the hydrological cycle: Life's thermodynamic function' |journal=Hydrology and Earth System Sciences |volume=16 |issue=8 |pages=2629–2645 |year=2012 |last1=Michaelian |first1=K |bibcode=2012HESS...16.2629M |arxiv= 0907.0040 }}</ref>

This theory postulates that the hallmark of the origin and evolution of life is the microscopic dissipative structuring of organic pigments and their proliferation over the entire Earth surface. Present day life augments the entropy production of Earth in its solar environment by dissipating ultraviolet and visible photons into heat through organic pigments in water. This heat then catalyzes a host of secondary dissipative processes such as the water cycle, ocean and wind currents, hurricanes, etc.

该理论假设生命起源和进化的标志是有机色素的微观耗散结构及其在整个地球表面的扩散。现今的生命通过将紫外线和可见光子通过水中的有机色素耗散成热能，从而增加了地球在太阳环境中的熵产生。然后这些热量又催化了一系列的二次耗散过程，如水循环、洋流和风流、飓风等。

==== Selforganization by dissipative structures====
耗散结构的自组织

[[File:Ilya Prigogine 1977c.jpg|thumb|upright|Ilya Prigogine 1977c]]

伊利亚·普里戈金Ilya Prigogine 1977c

The 19th-century physicist [[Ludwig Boltzmann]] first recognized that the struggle for existence of living organisms was neither over raw material nor [[energy]], but instead had to do with [[entropy production]] derived from the conversion of the solar [[spectrum]] into [[heat]] by these systems.<ref>Boltzmann, L. (1886) The Second Law of Thermodynamics, in: Ludwig Boltzmann: Theoretical physics and Selected writings, edited by: McGinness, B., D. Reidel, Dordrecht, The Netherlands, 1974.</ref> Boltzmann thus realized that living systems, like all [[Reversible process (thermodynamics)|irreversible processes]], were dependent on the [[dissipation]] of a generalized chemical potential for their existence. In his book "What is Life", the 20th-century physicist [[Erwin Schrödinger]]<ref>Schrödinger, Erwin (1944) What is Life? The Physical Aspect of the Living Cell. Cambridge University Press</ref> emphasized the importance of Boltzmann's deep insight into the irreversible thermodynamic nature of living systems, suggesting that this was the physics and chemistry behind the origin and evolution of life.

The 19th-century physicist Ludwig Boltzmann first recognized that the struggle for existence of living organisms was neither over raw material nor energy, but instead had to do with entropy production derived from the conversion of the solar spectrum into heat by these systems. Boltzmann thus realized that living systems, like all irreversible processes, were dependent on the dissipation of a generalized chemical potential for their existence. In his book "What is Life", the 20th-century physicist Erwin Schrödinger emphasized the importance of Boltzmann's deep insight into the irreversible thermodynamic nature of living systems, suggesting that this was the physics and chemistry behind the origin and evolution of life.

19世纪的物理学家路德维希-玻尔兹曼Ludwig Boltzmann首先认识到，生物体的生存斗争既不是为了原料，也不是为了能源，而是与这些系统将太阳光谱转化为热能所产生的熵有关。Boltzmann由此认识到，生命系统和所有不可逆的过程一样，其存在依赖于广义化学势的耗散。20世纪物理学家埃尔温·薛定谔 Erwin Schrödinger在其《生命是什么》一书中强调了Boltzmann对生命系统不可逆的热力学本质的深刻洞察，认为这就是生命起源和进化背后的物理学和化学。

However, irreversible processes, and much less living systems, could not be conveniently analyzed under this perspective until [[Lars Onsager]],<ref>Onsager, L. (1931) Reciprocal Relations in Irreversible Processes I and II, ''Phys. Rev.'' 37, 405; 38, 2265 (1931)</ref> and later Ilya [[Ilya Prigogine|Prigogine]],<ref>Prigogine, I. (1967) An Introduction to the Thermodynamics of Irreversible Processes, Wiley, New York</ref> developed an elegant mathematical formalism for treating the "self-organization" of material under a generalized chemical potential. This formalism became known as Classical Irreversible Thermodynamics and Prigogine was awarded the [[Nobel Prize in Chemistry]] in 1977 "for his contributions to [[non-equilibrium thermodynamics]], particularly the theory of [[Dissipative system|dissipative structures]]". The analysis by Prigogine showed that if a [[system]] were left to evolve under an imposed external potential, material could spontaneously organize (lower its [[entropy]]) forming what he called "dissipative structures" which would increase the dissipation of the externally imposed potential (augment the global entropy production). Non-equilibrium thermodynamics has since been successfully applied to the analysis of living systems, from the biochemical production of [[Adenosine triphosphate|ATP]]<ref>{{cite journal | last1 = Dewar | first1 = R | last2 = Juretić | first2 = D. | last3 = Županović | first3 = P. | year = 2006 | title = The functional design of the rotary enzyme ATP synthase is consistent with maximum entropy production | journal = Chem. Phys. Lett. | volume = 430 | issue = 1| pages = 177–182 | doi=10.1016/j.cplett.2006.08.095| bibcode = 2006CPL...430..177D }}</ref> to optimizing bacterial metabolic pathways<ref>Unrean, P., Srienc, F. (2011) Metabolic networks evolve towards states of maximum entropy production, Metabolic Engineering 13, 666–673.</ref> to complete ecosystems.<ref>Zotin, A.I. (1984) "Bioenergetic trends of evolutionary progress of organisms", in: ''Thermodynamics and regulation of biological processes'' Lamprecht, I. and Zotin, A.I. (eds.), De Gruyter, Berlin, pp. 451–458.</ref><ref>{{cite journal | last1 = Schneider | first1 = E.D. | last2 = Kay | first2 = J.J. | year = 1994 | title = Life as a Manifestation of the Second Law of Thermodynamics | journal = Mathematical and Computer Modelling | volume = 19 | issue = 6–8| pages = 25–48 | doi=10.1016/0895-7177(94)90188-0| citeseerx = 10.1.1.36.8381 }}</ref><ref>{{cite journal | last1 = Michaelian | first1 = K. | year = 2005 | title = Thermodynamic stability of ecosystems | journal = Journal of Theoretical Biology | volume = 237 | issue = 3| pages = 323–335 | bibcode = 2004APS..MAR.P9015M | doi=10.1016/j.jtbi.2005.04.019| pmid = 15978624 }}</ref>

However, irreversible processes, and much less living systems, could not be conveniently analyzed under this perspective until Lars Onsager, and later Ilya Prigogine, developed an elegant mathematical formalism for treating the "self-organization" of material under a generalized chemical potential. This formalism became known as Classical Irreversible Thermodynamics and Prigogine was awarded the Nobel Prize in Chemistry in 1977 "for his contributions to non-equilibrium thermodynamics, particularly the theory of dissipative structures". The analysis by Prigogine showed that if a system were left to evolve under an imposed external potential, material could spontaneously organize (lower its entropy) forming what he called "dissipative structures" which would increase the dissipation of the externally imposed potential (augment the global entropy production). Non-equilibrium thermodynamics has since been successfully applied to the analysis of living systems, from the biochemical production of ATP to optimizing bacterial metabolic pathways to complete ecosystems.

然而，不可逆的过程，更不用说生命系统了，在这个角度下无法方便地进行分析，直到拉斯·昂萨格 Lars Onsager和后来的Ilya Prigogine，发展了一种优雅的数学形式体系，用于处理广义化学势下物质的 "自组织"。这个形式体系后来被称为经典不可逆热动力学，1977年Prigogine被授予诺贝尔化学奖，"以表彰他对非平衡热动力学，特别是耗散结构理论的贡献"。Prigogine的分析表明，如果让一个系统在一个强加的外部势下演化，物质可以自发地组织起来（降低其熵），形成他所说的 "耗散结构"，从而增加外部强加势的耗散（增强全局熵的产生）。此后，非平衡热动力学被成功地应用于生命系统的分析，从ATP的生化生产到优化细菌代谢通路以形成完整的生态系统。

==当前的生命，生物发生的结果：生物学 Current life, the result of abiogenesis: biology==

===生命的定义 Definition of life===

When discussing the origin of life, a definition of life itself is fundamental. The definition is somewhat disagreed upon (although follows the same basic principles) because different biology textbooks define life differently. James Gould:

When discussing the origin of life, a definition of life itself is fundamental. The definition is somewhat disagreed upon (although follows the same basic principles) because different biology textbooks define life differently. James Gould:

当讨论生命的起源时，最基本的问题是对生命本身的定义。由于不同的生物学教科书对生命的定义不同，所以这个定义存在一定的分歧（虽然遵循相同的基本原则）。詹姆斯·古尔德 James Gould :

<blockquote>

Most dictionaries define ''life'' as the property that distinguishes the living from the dead, and define ''dead'' as being deprived of life. These singularly circular and unsatisfactory definitions give us no clue to what we have in common with protozoans and plants. <ref name="Gould">{{cite book| last1 = Gould | first1 = James L. | last2 = Keeton | first2 = William T. | year = 1996| edition = 6 | title = Biological Science | location= New York | publisher = W.W. Norton }}</ref>

Most dictionaries define life as the property that distinguishes the living from the dead, and define dead as being deprived of life. These singularly circular and unsatisfactory definitions give us no clue to what we have in common with protozoans and plants.

大多数字典将生命定义为区别于存活和死亡的属性，并将死亡定义为被剥夺了生命。这些奇怪循环的、难以令人满意的定义，没有给我们提供任何线索，使我们了解我们与原生动物和植物的共同之处。<ref name="Gould">{{cite book| last1 = Gould | first1 = James L. | last2 = Keeton | first2 = William T. | year = 1996| edition = 6 | title = Biological Science | location= New York | publisher = W.W. Norton }}</ref>

</blockquote>

whereas according to Neil Campbell and Jane Reece < blockquote >The phenomenon we call life defies a simple, one-sentence definition.<ref “Campbell”>{{cite book| last1 = Campbell | first1 = Neil A. | last2 = Reece | first2 = Jane B.| year = 2005| edition = 7 | title = Biology | location= Sn Feancisco | publisher = Benjamin }}</ref>< /blockquote >

whereas according to Neil Campbell and Jane Reece < blockquote >The phenomenon we call life defies a simple, one-sentence definition.

然而，根据尼尔·坎贝尔Neil Campbell和简·里斯Jane Reece 的说法，

<blockquote>
The phenomenon we call life defies a simple, one-sentence definition.

我们称之为生命的现象，不能用简单的一句话去定义。

</blockquote>

This difference can also be found in books on the origin of life. John Casti gives a single sentence:

在关于生命起源的书籍中也可以找到这种差异。约翰·卡斯蒂John Casti给出了一句话：

<blockquote>
By more or general consensus nowadays, an entity is considered to be "alive" if it has the capacity to carry out three basic functional activities: metabolism, self-repair, and replication.

现在越来越多的人或普遍认为，如果一个实体有能力进行三种基本的功能活动：新陈代谢、自我修复，和复制，那么它就被认为是“有生命的”。
</blockquote>

Dirk Schulze-Makuch and Louis Irwin spend in contrast the whole first chapter of their book on this subject.

相比之下，德克·舒尔茨-马库奇Dirk Schulze-Makuch 和路易斯·欧文 Louis Irwin 在他们的书中花了整整第一章来讨论这个问题。

====发酵 Fermentation====
发酵
[[File:Citric acid cycle.svg|thumb|upright=1.5|left|Citric acid cycle]]
柠檬酸循环
[[File:Metabolism diagram.svg|thumb|Overall diagram of the chemical reactions of metabolism, in which the citric acid cycle can be recognized as the circle just below the middle of the figure 代谢化学反应的整体图，其中柠檬酸循环可以认为是位于图中间下方的圆圈]] [[Albert L. Lehninger|Albert Lehninger]] has stated around 1970 that fermentation, including glycolysis, is a suitable primitive energy source for the origin of life.<ref name="Lehninger">{{cite book| last1 = Lehninger | first1 = Albert L. | year = 1970| title = Biochemistry. The Molecular Basis of Cell Structure and Function | location= New York | publisher = Worth | page = 313}}</ref>

Albert Lehninger has stated around 1970 that fermentation, including glycolysis, is a suitable primitive energy source for the origin of life.

阿尔伯特·莱宁格Albert Lehninger曾在1970年左右指出，包括糖酵解在内的发酵过程是生命起源一种合适的原始能量来源。

<blockquote>
Since living organisms probably first arose in an atmosphere lacking oxygen, anaerobic fermentation is the simplest and most primitive type of biological mechanism for obtaining energy from nutrient molecules.

由于生物体可能首先是在缺氧的环境中产生的，因此无氧发酵是从营养分子中获取能量的一种最简单、最原始的生物机制。
</blockquote>

Fermentation involves glycolysis, which, rather inefficiently, transduces the chemical energy of sugar into the chemical energy of ATP.

发酵过程包括糖酵解，它非常低效地将糖的化学能转化为ATP的化学能。

====化学渗透 Chemiosmosis====
化学渗透

[[File:Oxiphos.png|thumb|left|upright=1.25|Oxidative phosphorylation]]

氧化磷酸化

[[File:Chemiosmotic coupling mitochondrion.gif|thumb|left|upright=1.25|Chemiosmotic coupling mitochondrion]]

化学渗透耦合线粒体

As Fermentation had around 1970 been elucidated, whereas the mechanism of oxidative phosphorylation had not and some controversies still existed, fermentation may have looked too complex for investigators of the origin of life at that time. Peter Mitchell's Chemiosmosis is now however generally accepted as correct.

由于在1970年左右发酵已经被阐明，而氧化磷酸化的机制还没有，而且存在一些争议，所以发酵作用在当时对生命起源的研究者来说可能显得过于复杂。不过，彼得·米切尔Peter Mitchell 的化学渗透现在被普遍接受是正确的。

Even Peter Mitchell himself assumed that fermentation preceded chemiosmosis. Chemiosmosis is however ubiquitous in life. A model for the origin of life has been presented in terms of chemiosmosis.

连Peter Mitchell自己也认为发酵先于化学渗透。然而，化学渗透在生命中无处不在。一个依据化学渗透的生命起源模型已经被提出来了。

Both respiration by mitochondria and photosynthesis in chloroplasts make use of chemiosmosis to generate most of their ATP.

线粒体的呼吸作用和叶绿体的光合作用都是利用化学渗透来产生大部分ATP。

Today the energy source of all life can be linked to photosynthesis, and one speaks of primary production by sunlight. The oxygen used for oxidizing reducing compounds by organisms at hydrothermal vents at the bottom of the ocean is the result of photosynthesis at the Oceans' surface.

今天，一切生命的能量来源都可以与光合作用联系起来，人们称之为太阳光的初级生产。海洋底部热液喷口中的生物用于氧化还原性化合物的氧气，就来源于海洋表面光合作用。

=====ATP合成酶 ATP synthase=====

[[File:ATP-Synthase.svg|thumb|upright|left|Depiction of ATP synthase using the chemiosmotic proton gradient to power ATP synthesis through [[oxidative phosphorylation]].]]

Depiction of ATP synthase using the chemiosmotic proton gradient to power ATP synthesis through [[oxidative phosphorylation.]]

用化学渗透质子梯度描述ATP合成酶，通过氧化磷酸化为ATP合成供能。

[[File:Paul D. Boyer.jpg|thumb|upright|Paul Boyer]]

保罗·博耶Paul D. Boyer

The mechanism of ATP synthesis is complex and involves a closed membrane in which the ATP synthase is embedded. The ATP is synthesized by the F1 subunit of ATP synthase by the binding change mechanism discovered by Paul Boyer. The energy required to release formed strongly-bound ATP has its origin in protons that move across the membrane. These protons have been set across the membrane during respiration or photosynthesis.

ATP的合成机制很复杂，涉及到ATP合成酶所嵌入的闭合膜。ATP是由ATP合成酶的F1亚基通过 Paul Boyer 发现的结合变化机制合成的。释放形成的牢固结合的ATP所需的能量源自跨膜移动的质子。这些质子在呼吸作用或光合作用过程中穿过膜。

====RNA世界 RNA world====

[[File:010 small subunit-1FKA.gif|thumb|upright=1.25|Molecular structure of the [[30S|ribosome 30S subunit]] from ''[[Thermus thermophilus]]''. 嗜热细菌核糖体30S亚基的分子结构。蛋白质显示为蓝色，单个RNA链显示为橙色。 <ref name="Venki">{{cite journal |last1=Wimberly |first1=Brian T. |last2=Brodersen |first2=Ditlev E. |last3=Clemons |first3=William M. Jr. |last4=Morgan-Warren |first4=Robert J. |last5=Carter |first5=Andrew P. |last6=Vonrhein |first6=Clemens |last7=Hartsch |first7=Thomas |last8=Ramakrishnan |first8=V. |authorlink8=Venkatraman Ramakrishnan |display-authors=3 |date=21 September 2000 |title=Structure of the 30S ribosomal subunit |journal=Nature |volume=407 |issue=6802 |pages=327–339 |doi=10.1038/35030006 |pmid=11014182|bibcode=2000Natur.407..327W |s2cid=4419944 }}</ref> [[Protein]]s are shown in blue and the single [[RNA]] chain in orange.]]

The [[RNA world]] hypothesis describes an early Earth with self-replicating and catalytic RNA but no DNA or proteins.<ref name="NYT-20140925-CZ">{{cite news |last=Zimmer |first=Carl |date=25 September 2014 |title=A Tiny Emissary From the Ancient Past |url=https://www.nytimes.com/2014/09/25/science/a-tiny-emissary-from-the-ancient-past.html |newspaper=The New York Times |location=New York |accessdate=2014-09-26 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20140927022738/http://www.nytimes.com/2014/09/25/science/a-tiny-emissary-from-the-ancient-past.html |archivedate=27 September 2014}}</ref> It is widely accepted that current life on Earth descends from an RNA world,<ref name="RNA">*{{cite journal |last1=Copley |first1=Shelley D. |last2=Smith |first2=Eric |last3=Morowitz |first3=Harold J. |authorlink3=Harold J. Morowitz |date=December 2007 |title=The origin of the RNA world: Co-evolution of genes and metabolism |url=http://tuvalu.santafe.edu/~desmith/PDF_pubs/Copley_BOG.pdf |journal=Bioorganic Chemistry |volume=35 |issue=6 |pages=430–443 |doi=10.1016/j.bioorg.2007.08.001 |pmid=17897696 |accessdate=2015-06-08 |quote=The proposal that life on Earth arose from an RNA world is widely accepted. |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20130905070129/http://tuvalu.santafe.edu/~desmith/PDF_pubs/Copley_BOG.pdf |archivedate=5 September 2013}}

The RNA world hypothesis describes an early Earth with self-replicating and catalytic RNA but no DNA or proteins. It is widely accepted that current life on Earth descends from an RNA world, although RNA-based life may not have been the first life to exist. The structure of the ribosome has been called the "smoking gun," as it showed that the ribosome is a ribozyme, with a central core of RNA and no amino acid side chains within 18 angstroms of the active site where peptide bond formation is catalyzed.

RNA世界假说描述了一个具有自我复制和催化能力的RNA，但没有DNA或蛋白质的早期地球。<ref name="NYT-20140925-CZ">{{cite news |last=Zimmer |first=Carl |date=25 September 2014 |title=A Tiny Emissary From the Ancient Past |url=https://www.nytimes.com/2014/09/25/science/a-tiny-emissary-from-the-ancient-past.html |newspaper=The New York Times |location=New York |accessdate=2014-09-26 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20140927022738/http://www.nytimes.com/2014/09/25/science/a-tiny-emissary-from-the-ancient-past.html |archivedate=27 September 2014}}</ref> 现在普遍认为现在地球上的生命起源于一个RNA世界，尽管基于RNA的生命可能并不是最早存在的生命。<ref name="RNA">*{{cite journal |last1=Copley |first1=Shelley D. |last2=Smith |first2=Eric |last3=Morowitz |first3=Harold J. |authorlink3=Harold J. Morowitz |date=December 2007 |title=The origin of the RNA world: Co-evolution of genes and metabolism |url=http://tuvalu.santafe.edu/~desmith/PDF_pubs/Copley_BOG.pdf |journal=Bioorganic Chemistry |volume=35 |issue=6 |pages=430–443 |doi=10.1016/j.bioorg.2007.08.001 |pmid=17897696 |accessdate=2015-06-08 |quote=The proposal that life on Earth arose from an RNA world is widely accepted. |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20130905070129/http://tuvalu.santafe.edu/~desmith/PDF_pubs/Copley_BOG.pdf |archivedate=5 September 2013}}***缺乏对应英文***这个结论是由许多独立的证据得出的，例如观察到RNA是翻译过程的核心，并且小RNA可以催化生命所需的所有化学基团和信息转移。***缺乏对应英文***核糖体的结构被称为 "确凿的证据"，因为它表明核糖体是一个核酶，其核心是RNA，并且在催化肽键形成的活性位点18埃以内没有氨基酸侧链。

The concept of the RNA world was first proposed in 1962 by [[Alexander Rich]],<ref>{{cite journal |last1=Neveu |first1=Marc |last2=Kim |first2=Hyo-Joong |last3=Benner |first3=Steven A. |date=22 April 2013 |title=The 'Strong' RNA World Hypothesis: Fifty Years Old |journal=Astrobiology |volume=13 |issue=4 |pages=391–403 |bibcode=2013AsBio..13..391N |doi=10.1089/ast.2012.0868 |pmid=23551238 |ref=harv}}</ref> and the term was coined by [[Walter Gilbert]] in 1986.<ref name="Cech2012">{{cite journal |last=Cech |first=Thomas R. |authorlink=Thomas Cech |date=July 2012 |title=The RNA Worlds in Context |journal=Cold Spring Harbor Perspectives in Biology |volume=4 |issue=7 |page=a006742 |doi=10.1101/cshperspect.a006742 |pmc=3385955 |pmid=21441585}}</ref><ref>{{cite journal |last=Gilbert |first=Walter |authorlink=Walter Gilbert |date=20 February 1986 |title=Origin of life: The RNA world |journal=Nature |volume=319 |issue=6055 |page=618 |bibcode=1986Natur.319..618G |doi=10.1038/319618a0 |s2cid=8026658 }}</ref>

The concept of the RNA world was first proposed in 1962 by Alexander Rich, and the term was coined by Walter Gilbert in 1986.

RNA世界的概念是由亚历山大·里奇Alexander Rich在1962年首次提出的<ref>{{cite journal |last1=Neveu |first1=Marc |last2=Kim |first2=Hyo-Joong |last3=Benner |first3=Steven A. |date=22 April 2013 |title=The 'Strong' RNA World Hypothesis: Fifty Years Old |journal=Astrobiology |volume=13 |issue=4 |pages=391–403 |bibcode=2013AsBio..13..391N |doi=10.1089/ast.2012.0868 |pmid=23551238 |ref=harv}}</ref> ，而这个术语则是由沃尔特·吉尔伯特Walter Gilbert在1986年创造的。<ref name="Cech2012">{{cite journal |last=Cech |first=Thomas R. |authorlink=Thomas Cech |date=July 2012 |title=The RNA Worlds in Context |journal=Cold Spring Harbor Perspectives in Biology |volume=4 |issue=7 |page=a006742 |doi=10.1101/cshperspect.a006742 |pmc=3385955 |pmid=21441585}}</ref><ref>{{cite journal |last=Gilbert |first=Walter |authorlink=Walter Gilbert |date=20 February 1986 |title=Origin of life: The RNA world |journal=Nature |volume=319 |issue=6055 |page=618 |bibcode=1986Natur.319..618G |doi=10.1038/319618a0 |s2cid=8026658 }}</ref>

In March 2020, astronomer Tomonori Totani presented a statistical approach for explaining how an initial active RNA molecule might have been produced randomly in the [[universe]] sometime since the [[Big Bang]].<ref name="UT-20200310">{{cite news |last=Gough |first=Evan |title=Life Could be Common Across the Universe, Just Not in Our Region |url=https://www.universetoday.com/145304/life-could-be-common-across-the-universe-just-not-in-our-region/ |date=10 March 2020 |work=[[Universe Today]] |accessdate=15 March 2020 }}</ref><ref name="SR-20200203">{{cite journal |last=Totani |first=Tomonori |title=Emergence of life in an inflationary universe |date=3 February 2020 |journal=[[Scientific Reports]] |volume=10 |number=1671 |pages=1671 |doi=10.1038/s41598-020-58060-0 |pmid=32015390 |pmc=6997386 |arxiv=1911.08092 |bibcode=2020NatSR..10.1671T |doi-access=free }}</ref>

In March 2020, astronomer Tomonori Totani presented a statistical approach for explaining how an initial active RNA molecule might have been produced randomly in the universe sometime since the Big Bang.

在2020年3月，天文学家户谷友则 Tomonori Totani提出了一种统计方法，用于解释初始的活性RNA分子是如何在宇宙大爆炸后某个时间随机产生的。<ref name="UT-20200310">{{cite news |last=Gough |first=Evan |title=Life Could be Common Across the Universe, Just Not in Our Region |url=https://www.universetoday.com/145304/life-could-be-common-across-the-universe-just-not-in-our-region/ |date=10 March 2020 |work=[[Universe Today]] |accessdate=15 March 2020 }}</ref><ref name="SR-20200203">{{cite journal |last=Totani |first=Tomonori |title=Emergence of life in an inflationary universe |date=3 February 2020 |journal=[[Scientific Reports]] |volume=10 |number=1671 |pages=1671 |doi=10.1038/s41598-020-58060-0 |pmid=32015390 |pmc=6997386 |arxiv=1911.08092 |bibcode=2020NatSR..10.1671T |doi-access=free }}</ref>

===系统发育和最后的普遍共同祖先 Phylogeny and LUCA===

[[File:Phylogenic Tree-en.svg|upright=1.65|thumb|A [[cladistics|cladogram]] demonstrating extreme [[hyperthermophile]]s as occur in volcanic hot springs at the base of the [[Phylogenetic tree|phylogenetic tree of life 一个描述出现在生命系统发育树基部的火山热泉中的极端超嗜热菌的进化分枝图。]]]]

The most commonly accepted location of the root of the tree of life is between a monophyletic domain [[Bacteria]] and a clade formed by [[Archaea]] and [[Eukaryota]] of what is referred to as the "traditional tree of life" based on several molecular studies starting with [[Carl Woese]].<ref>{{cite book |editor1-first=David R. |editor1-last=Boone |editor2-first=Richard W. |editor2-last=Castenholz |editor3-first=George M. |editor3-last=Garrity |title=The ''Archaea'' and the Deeply Branching and Phototrophic ''Bacteria'' |series=Bergey's Manual of Systematic Bacteriology |isbn=978-0-387-21609-6 |url=https://www.springer.com/life+sciences/microbiology/book/978-0-387-98771-2 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20141225112809/http://www.springer.com/life+sciences/microbiology/book/978-0-387-98771-2 |archivedate=25 December 2014|publisher=Springer |year=2001 }}{{page needed|date=June 2014}}</ref><ref>{{cite journal |vauthors=Woese CR, Fox GE |title= Phylogenetic structure of the prokaryotic domain: the primary kingdoms. |journal= Proc Natl Acad Sci U S A |volume=74|pages= 5088–5090 |year=1977 |issue= 11 |pmid=270744 |pmc=432104|doi=10.1073/pnas.74.11.5088|bibcode= 1977PNAS...74.5088W }}</ref>

The most commonly accepted location of the root of the tree of life is between a monophyletic domain Bacteria and a clade formed by Archaea and Eukaryota of what is referred to as the "traditional tree of life" based on several molecular studies starting with Carl Woese.

根据从卡尔·沃斯 Carl Woese 开始的一些分子研究，对于生命树的根部的位置，最普遍接受的观点是位于单系域细菌和一个由古细菌和真核生物组成的演化枝之间，这被称为“传统生命树”。<ref>{{cite book |editor1-first=David R. |editor1-last=Boone |editor2-first=Richard W. |editor2-last=Castenholz |editor3-first=George M. |editor3-last=Garrity |title=The ''Archaea'' and the Deeply Branching and Phototrophic ''Bacteria'' |series=Bergey's Manual of Systematic Bacteriology |isbn=978-0-387-21609-6 |url=https://www.springer.com/life+sciences/microbiology/book/978-0-387-98771-2 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20141225112809/http://www.springer.com/life+sciences/microbiology/book/978-0-387-98771-2 |archivedate=25 December 2014|publisher=Springer |year=2001 }}{{page needed|date=June 2014}}</ref><ref>{{cite journal |vauthors=Woese CR, Fox GE |title= Phylogenetic structure of the prokaryotic domain: the primary kingdoms. |journal= Proc Natl Acad Sci U S A |volume=74|pages= 5088–5090 |year=1977 |issue= 11 |pmid=270744 |pmc=432104|doi=10.1073/pnas.74.11.5088|bibcode= 1977PNAS...74.5088W }}</ref>

A very small minority of studies have concluded differently, namely that the root is in the domain Bacteria, either in the phylum Firmicutes or’’’ that the phylum Chloroflexi is basal to a clade with Archaea+Eukaryotes and the rest of Bacteria as proposed by Thomas Cavalier-Smith. ’’’More recently, Peter Ward has proposed an alternative view which is rooted in abiotic RNA synthesis which becomes enclosed within a capsule and then creates RNA ribozyme replicates. It is proposed that this then bifurcates between Dominion Ribosa (RNA life), and after the loss of ribozymes RNA viruses as Domain Viorea, and Dominion Terroa, which after creating a large cell within a lipid wall, creating DNA the 20 based amino acids and the triplet code, is established as the last universal common ancestor or LUCA, of earlier phylogenic trees.

极少数的研究得出了不同的结论，即生命树的根部在细菌域中，要么在厚壁菌门中，要么是在绿弯菌门中，是古细菌+真核生物组成的一个演化枝和其余的细菌的基础，按照托马斯·卡弗利尔-史密斯Thomas Cavalier-Smith 所提出的那样。最近，彼得·沃德 Peter Ward 提出了另一种基于非生物的 RNA 合成的观点，该合成被包裹在一个胶囊中，然后产生RNA核酶复制品。有人提出，这然后在核糖核酸主导（RNA生命）之间分岔，在失去核酶RNA后病毒成为病毒主导，在脂质壁内形成一个大隔室，在20种氨基酸和三联子密码基础上形成DNA后成为细胞主导，它被确立为早期系统发育树的最后一个普遍共同祖先或LUCA。

In 2016, a set of 355 genes likely present in the Last Universal Common Ancestor (LUCA) of all organisms living on Earth was identified. A total of 6.1 million prokaryotic protein coding genes from various phylogenic trees were sequenced, identifying 355 protein clusters from amongst 286,514 protein clusters that were probably common to LUCA. The results

2016年，一组355个基因被识别为可能存在于生活在地球上的所有生物的最后一个普遍共同祖先（LUCA）中。对来自各种系统发育树的610万个原核生物蛋白编码基因进行了测序，从286,514个蛋白簇中识别了355个蛋白簇，它们很可能是LUCA共有的。结果

| doi = 10.1016/0079-6107(95)00004-7

< blockquote >. . . depict LUCA as anaerobic, CO2-fixing, H2-dependent with a Wood–Ljungdahl pathway, N2-fixing and thermophilic. LUCA's biochemistry was replete with FeS clusters and radical reaction mechanisms. Its cofactors reveal dependence upon transition metals, flavins, S-adenosyl methionine, coenzyme A, ferredoxin, molybdopterin, corrins and selenium. Its genetic code required nucleoside modifications and S-adenosylmethionine-dependent methylations."

..说明LUCA是厌氧的、固定二氧化碳的、氢气依赖的且具有Wood-Ljungdahl通路的、固定氮气的和嗜热的。LUCA的生物化学中充斥着FeS簇和自由基反应机制。它的辅因子揭示了对过渡金属、黄素、S-腺苷甲硫氨酸、辅酶A、铁氧化还原蛋白、钼蝶呤、柯啉环和硒的依赖性。其遗传密码需要核苷修饰和S-腺苷甲硫氨酸依赖的甲基化"。
| pmid = 7542789

< /blockquote >The results depict methanogenic clostridia as a basal clade in the 355 phylogenies examined, and suggest that LUCA inhabited an anaerobic hydrothermal vent setting in a geochemically active environment rich in H2, CO2 and iron.

结果显示在所研究的355个系统发育中，产甲烷的梭菌是一个基础演化枝，并表明LUCA栖息在厌氧热液喷口处且地理化学活性环境中富含氢气，二氧化碳和铁。

| issue = 2

}}</ref><ref>

A study at the University of Düsseldorf created phylogenic trees based upon 6 million genes from bacteria and archaea, and identified 355 protein families that were probably present in the LUCA. They were based upon an anaerobic metabolism fixing carbon dioxide and nitrogen. It suggests that the LUCA evolved in an environment rich in hydrogen, carbon dioxide and iron.

杜塞尔多夫大学的一项研究基于细菌和古细菌的600万个基因创建了系统发育树，并识别出了很可能存在于 LUCA 中的355个蛋白质家族。它们是基于一种固定二氧化碳和氮的厌氧代谢。这表明LUCA是在一个富含氢、二氧化碳和铁的环境中进化的。

===Key issues in abiogenesis===
生物发生中的关键问题

====What came first: protein or nucleic acids?====

孰先孰后：蛋白质还是核酸？

Possible precursors for the evolution of protein synthesis include a mechanism to synthesize short peptide cofactors or form a mechanism for the duplication of RNA. It is likely that the ancestral ribosome was composed entirely of RNA, although some roles have since been taken over by proteins. Major remaining questions on this topic include identifying the selective force for the evolution of the ribosome and determining how the [[genetic code]] arose.<ref name="Noller2012">{{cite journal |last=Noller |first=Harry F. |authorlink=Harry F. Noller |date=April 2012 |title=Evolution of protein synthesis from an RNA world. |journal=Cold Spring Harbor Perspectives in Biology |volume=4 |issue=4 |page=a003681 |doi=10.1101/cshperspect.a003681 |pmc=3312679 |pmid=20610545}}</ref>

[[Eugene Koonin]] said, < blockquote >Despite considerable experimental and theoretical effort, no compelling scenarios currently exist for the origin of replication and translation, the key processes that together comprise the core of biological systems and the apparent pre-requisite of biological evolution. The RNA World concept might offer the best chance for the resolution of this conundrum but so far cannot adequately account for the emergence of an efficient RNA replicase or the translation system. The MWO ["many worlds in one"] version of the cosmological model of [[eternal inflation]] could suggest a way out of this conundrum because, in an infinite [[multiverse]] with a finite number of distinct macroscopic histories (each repeated an infinite number of times), emergence of even highly complex systems by chance is not just possible but inevitable.<ref name="pmc1892545">{{cite journal |last=Koonin |first=Eugene V. |date=31 May 2007 |title=The cosmological model of eternal inflation and the transition from chance to biological evolution in the history of life |journal=Biology Direct |volume=2 |page=15 |doi=10.1186/1745-6150-2-15 |pmc=1892545 |pmid=17540027}}</ref>< /blockquote >

Possible precursors for the evolution of protein synthesis include a mechanism to synthesize short peptide cofactors or form a mechanism for the duplication of RNA. It is likely that the ancestral ribosome was composed entirely of RNA, although some roles have since been taken over by proteins. Major remaining questions on this topic include identifying the selective force for the evolution of the ribosome and determining how the genetic code arose.

蛋白质合成的进化的可能前体包括合成短肽辅因子的机制或形成RNA复制的机制。祖先的核糖体很可能完全由RNA组成，尽管有些作用已经被蛋白质取代了。关于这个主题的主要剩余问题包括确定核糖体进化的选择性力量和确定遗传密码是如何产生的。

| volume = 36

| issue = 2

Eugene Koonin said, < blockquote >Despite considerable experimental and theoretical effort, no compelling scenarios currently exist for the origin of replication and translation, the key processes that together comprise the core of biological systems and the apparent pre-requisite of biological evolution. The RNA World concept might offer the best chance for the resolution of this conundrum but so far cannot adequately account for the emergence of an efficient RNA replicase or the translation system. The MWO ["many worlds in one"] version of the cosmological model of eternal inflation could suggest a way out of this conundrum because, in an infinite multiverse with a finite number of distinct macroscopic histories (each repeated an infinite number of times), emergence of even highly complex systems by chance is not just possible but inevitable.< /blockquote >

尤金·库宁Eugene Koonin 说，
< blockquote >
尽管在实验和理论上做了大量的努力，但对于复制和翻译的起源，目前还没有令人信服的设想，而复制和翻译是共同构成了生物系统核心的关键过程，也是生物进化的明显先决条件。RNA世界概念可能为这一难题的解决提供了最好的机会，但迄今为止还不能充分说明高效RNA复制酶或翻译系统的出现。MWO["多世界合一"]版本的永恒膨胀的宇宙模型可能提出了解决这一难题的方法，因为在一个无限的多元宇宙中，有有限数量的不同的宏观历史（每个历史重复无限次），即使是高度复杂的系统的偶然出现，不仅是可能的，而且是不可避免的。
</blockquote >

====Emergence of the genetic code====
遗传密码的出现

See: [[Genetic code#Origin|Genetic code]].

See: Genetic code.

请参阅：遗传密码。

====Error in translation catastrophe====
灾难性翻译错误

Hoffmann has shown that an early error-prone translation machinery can be stable against an error catastrophe of the type that had been envisaged as problematical for the origin of life, and was known as "Orgel's paradox".<ref>{{cite journal |last=Hoffmann |first=Geoffrey W. |authorlink=Geoffrey W. Hoffmann |date=25 June 1974 |title=On the origin of the genetic code and the stability of the translation apparatus |journal=[[Journal of Molecular Biology]] |volume=86 |issue=2 |pages=349–362 |doi=10.1016/0022-2836(74)90024-2 |pmid=4414916}}</ref><ref>{{cite journal |last=Orgel |first=Leslie E. |date=April 1963 |title=The Maintenance of the Accuracy of Protein Synthesis and its Relevance to Ageing |journal=Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. |volume=49 |issue=4 |pages=517–521 |bibcode=1963PNAS...49..517O |doi=10.1073/pnas.49.4.517 |pmc=299893 |pmid=13940312}}</ref><ref>{{cite journal |last=Hoffmann |first=Geoffrey W. |title=The Stochastic Theory of the Origin of the Genetic Code |date=October 1975 |journal=[[Annual Review of Physical Chemistry]] |volume=26 |pages=123–144 |bibcode=1975ARPC...26..123H |doi=10.1146/annurev.pc.26.100175.001011 }}</ref>

Hoffmann has shown that an early error-prone translation machinery can be stable against an error catastrophe of the type that had been envisaged as problematical for the origin of life, and was known as "Orgel's paradox".

霍夫曼Hoffmann已经证明，早期容易出错的翻译机制可以稳定地抵御曾被设想为对生命起源有问题的那种错误灾难，被称为 "奥格尔悖论"。

====Homochirality====
同手性

{{Main|Homochirality}}

Homochirality refers to a geometric uniformity of some materials composed of [[chirality|chiral]] units. Chiral refers to nonsuperimposable 3D forms that are mirror images of one another, as are left and right hands. Living organisms use molecules that have the same chirality ("handedness"): with almost no exceptions,<ref>{{harvnb|Chaichian|Rojas|Tureanu|2014|pp=353–364}}</ref> amino acids are left-handed while nucleotides and [[Carbohydrate|sugars]] are right-handed. Chiral molecules can be synthesized, but in the absence of a chiral source or a chiral [[Catalysis|catalyst]], they are formed in a 50/50 mixture of both [[enantiomer]]s (called a racemic mixture). Known mechanisms for the production of non-racemic mixtures from racemic starting materials include: asymmetric physical laws, such as the [[electroweak interaction]]; asymmetric environments, such as those caused by [[Circular polarization|circularly polarized]] light, [[Quartz|quartz crystals]], or the Earth's rotation, [[statistical fluctuations]] during racemic synthesis,<ref name="Plasson2007">{{cite journal |last1=Plasson |first1=Raphaël |last2=Kondepudi |first2=Dilip K. |last3=Bersini |first3=Hugues |last4=Commeyras |first4=Auguste |last5=Asakura |first5=Kouichi |display-authors=3 |date=August 2007 |title=Emergence of homochirality in far-from-equilibrium systems: Mechanisms and role in prebiotic chemistry |journal=[[Chirality (journal)|Chirality]] |volume=19 |issue=8 |pages=589–600 |doi=10.1002/chir.20440 |pmid=17559107}} "Special Issue: Proceedings from the Eighteenth International Symposium on Chirality (ISCD-18), Busan, Korea, 2006"</ref> and [[spontaneous symmetry breaking]].<ref name="jafarpour2017">{{cite journal |last1=Jafarpour |first1=Farshid |last2=Biancalani |first2=Tommaso |last3=Goldenfeld |first3=Nigel |year=2017 |title=Noise-induced symmetry breaking far from equilibrium and the emergence of biological homochirality |journal=Physical Review E |volume=95 |issue=3 |pages=032407 |doi=10.1103/PhysRevE.95.032407|pmid=28415353 |bibcode=2017PhRvE..95c2407J |url=http://dspace.mit.edu/bitstream/1721.1/109170/1/PhysRevE.95.032407.pdf }}</ref><ref name="jafarpour2015">{{cite journal |last1=Jafarpour |first1=Farshid |last2=Biancalani |first2=Tommaso |last3=Goldenfeld |first3=Nigel |year=2015 |title=Noise-induced mechanism for biological homochirality of early life self-replicators |journal=Physical Review Letters |volume=115 |issue=15 |pages=158101 |doi=10.1103/PhysRevLett.115.158101|pmid=26550754 |arxiv=1507.00044 |bibcode=2015PhRvL.115o8101J |s2cid=9775791 }}</ref><ref name="frank1953">{{cite journal |last1=Frank |first1=F.C. |year=1953 |title=On spontaneous asymmetric synthesis |journal=Biochimica et Biophysica Acta |volume=11 |issue=4 |pages=459–463 |doi=10.1016/0006-3002(53)90082-1|pmid=13105666 }}</ref>

Homochirality refers to a geometric uniformity of some materials composed of chiral units. Chiral refers to nonsuperimposable 3D forms that are mirror images of one another, as are left and right hands. Living organisms use molecules that have the same chirality ("handedness"): with almost no exceptions, amino acids are left-handed while nucleotides and sugars are right-handed. Chiral molecules can be synthesized, but in the absence of a chiral source or a chiral catalyst, they are formed in a 50/50 mixture of both enantiomers (called a racemic mixture). Known mechanisms for the production of non-racemic mixtures from racemic starting materials include: asymmetric physical laws, such as the electroweak interaction; asymmetric environments, such as those caused by circularly polarized light, quartz crystals, or the Earth's rotation, statistical fluctuations during racemic synthesis, and spontaneous symmetry breaking.

同手性是指由手性单元组成的某些材料的几何均匀性。手性是指不可重叠的三维形态，它们是彼此的镜像，就像左手和右手一样。生物体使用的分子具有相同的手性（"利手性"）：几乎没有例外，氨基酸是左旋的，而核苷酸和糖类是右旋的。手性分子可以合成，但在没有手性源或手性催化剂的情况下，它们是以两种对映体以50/50的混合物（称为外消旋混合物）形成的。已知从外消旋起始原料产生非外消旋混合物的机制包括：非对称物理定律，如弱电相互作用；非对称环境，如圆偏振光、石英晶体或地球自转引起的环境，外消旋合成过程中的统计波动，以及自发的对称性破缺。

Once established, chirality would be selected for.<ref>{{cite journal |last=Clark |first=Stuart |authorlink=Stuart Clark (author) |date=July–August 1999 |title=Polarized Starlight and the Handedness of Life |journal=[[American Scientist]] |volume=87 |issue=4 |page=336 |bibcode=1999AmSci..87..336C |doi=10.1511/1999.4.336}}</ref> A small bias ([[enantiomeric excess]]) in the population can be amplified into a large one by [[Autocatalysis#Asymmetric autocatalysis|asymmetric autocatalysis]], such as in the [[Soai reaction]].<ref>{{cite journal |last1=Shibata |first1=Takanori |last2=Morioka |first2=Hiroshi |last3=Hayase |first3=Tadakatsu |last4=Choji |first4=Kaori |last5=Soai |first5=Kenso |display-authors=3 |date=17 January 1996 |title=Highly Enantioselective Catalytic Asymmetric Automultiplication of Chiral Pyrimidyl Alcohol |journal=Journal of the American Chemical Society |volume=118 |issue=2 |pages=471–472 |doi=10.1021/ja953066g }}</ref> In asymmetric autocatalysis, the catalyst is a chiral molecule, which means that a chiral molecule is catalyzing its own production. An initial enantiomeric excess, such as can be produced by polarized light, then allows the more abundant enantiomer to outcompete the other.<ref name="Soai2001">{{cite journal |last1=Soai |first1=Kenso |last2=Sato |first2=Itaru |last3=Shibata |first3=Takanori |year=2001 |title=Asymmetric autocatalysis and the origin of chiral homogeneity in organic compounds |journal=The Chemical Record |volume=1 |issue=4 |pages=321–332 |doi=10.1002/tcr.1017 |pmid=11893072}}</ref>

Once established, chirality would be selected for. A small bias (enantiomeric excess) in the population can be amplified into a large one by asymmetric autocatalysis, such as in the Soai reaction. In asymmetric autocatalysis, the catalyst is a chiral molecule, which means that a chiral molecule is catalyzing its own production. An initial enantiomeric excess, such as can be produced by polarized light, then allows the more abundant enantiomer to outcompete the other.

一旦建立，手性将被选择。群体中的一个小偏差（对映体过量）可以通过不对称自催化放大成一个大的偏差，如在Soai反应中。在不对称自催化中，催化剂是一个手性分子，这意味着手性分子正在催化自己的生产。最初的对映体过量，例如可以通过偏振光产生，然后允许更丰富的对映体超过其他对映体。

Clark has suggested that homochirality may have started in outer space, as the studies of the amino acids on the [[Murchison meteorite]] showed that [[Alanine|L-alanine]] is more than twice as frequent as its D form, and [[Glutamic acid|L-glutamic acid]] was more than three times prevalent than its D counterpart. Various chiral crystal surfaces can also act as sites for possible concentration and assembly of chiral monomer units into macromolecules.<ref>{{harvnb|Hazen|2005|p=184}}</ref><ref name=Meierhenrich>{{cite book|last1=Meierhenrich|first1=Uwe|title=Amino acids and the asymmetry of life caught in the act of formation|date=2008|publisher=Springer|location=Berlin|isbn=978-3540768869|pages=76–79}}</ref> Compounds found on meteorites suggest that the chirality of life derives from abiogenic synthesis, since amino acids from meteorites show a left-handed bias, whereas sugars show a predominantly right-handed bias, the same as found in living organisms.<ref name=StarStuff>{{cite journal |last=Mullen |first=Leslie |date=5 September 2005 |title=Building Life from Star-Stuff |url=http://www.astrobio.net/news-exclusive/building-life-from-star-stuff/ |journal=[[Astrobiology Magazine]] |accessdate=2015-06-15 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150714084344/http://www.astrobio.net/news-exclusive/building-life-from-star-stuff/ |archivedate=14 July 2015}}</ref>

Clark has suggested that homochirality may have started in outer space, as the studies of the amino acids on the Murchison meteorite showed that L-alanine is more than twice as frequent as its D form, and L-glutamic acid was more than three times prevalent than its D counterpart. Various chiral crystal surfaces can also act as sites for possible concentration and assembly of chiral monomer units into macromolecules. Compounds found on meteorites suggest that the chirality of life derives from abiogenic synthesis, since amino acids from meteorites show a left-handed bias, whereas sugars show a predominantly right-handed bias, the same as found in living organisms.

克拉克 Clark认为，同手性可能始于外太空，因为对默奇森 Murchison陨石上氨基酸的研究表明，L-丙氨酸的出现频率是其D形式的两倍多，L-谷氨酸是其D形式的三倍多。各种手性晶体表面也可以作为手性单体单元可能集中和组装成大分子的场所。在陨石上发现的化合物表明，生命的手性来源于非生物合成，因为陨石上的氨基酸表现出左手旋偏向，而糖类则主要表现出右手旋偏向，这与在生物体中发现的相同。

===Early universe with first stars===

有第一颗恒星的早期宇宙

{{Nature timeline}} {{Life timeline}}

Soon after the [[Big Bang]], which occurred roughly 14 Gya, the only chemical elements present in the universe were hydrogen, helium, and lithium, the three lightest atoms in the periodic table. These elements gradually came together to form stars. These early stars were massive and short-lived, producing heavier elements through [[stellar nucleosynthesis]]. [[Carbon]], currently the [[Abundance of the chemical elements|fourth most abundant chemical element]] in the universe (after [[hydrogen]], [[helium]] and [[oxygen]]), was formed mainly in [[white dwarf stars]], particularly those bigger than two solar masses.<ref name="INV-20200706">{{cite news|last=Rabie|first=Passant|date=6 July 2020|title=Astronomers Have Found The Source Of Life In The Universe|work=[[Inverse (website)|Inverse]]|url=https://www.inverse.com/science/carbon-from-white-dwarfs|accessdate=7 July 2020}}</ref><ref name="NA-20200706">{{cite journal|author=Marigo, Paola|display-authors=et al.|date=6 July 2020|title=Carbon star formation as seen through the non-monotonic initial–final mass relation|url=https://www.nature.com/articles/s41550-020-1132-1|journal=[[Nature Astronomy]]|volume=152|arxiv=2007.04163|doi=10.1038/s41550-020-1132-1|bibcode=2020NatAs.tmp..143M|accessdate=7 July 2020|s2cid=220403402}}</ref>

Soon after the Big Bang, which occurred roughly 14 Gya, the only chemical elements present in the universe were hydrogen, helium, and lithium, the three lightest atoms in the periodic table. These elements gradually came together to form stars. These early stars were massive and short-lived, producing heavier elements through stellar nucleosynthesis. Carbon, currently the fourth most abundant chemical element in the universe (after hydrogen, helium and oxygen), was formed mainly in white dwarf stars, particularly those bigger than two solar masses.

在宇宙大爆炸发生后不久，大约140亿年前，宇宙中存在的化学元素只有氢、氦和锂，这是周期表中最轻的三种元素。这些元素逐渐聚集在一起，形成了恒星。这些早期的恒星质量大、寿命短，通过恒星核合成产生更重的元素。碳是目前宇宙中含量第四丰富的化学元素（仅次于氢、氦、氧），主要形成于白矮星，尤其是那些大于两个太阳质量的白矮星。

As these stars reached the end of their [[Stellar life cycle|lifecycles]], they ejected these heavier elements, among them carbon and oxygen, throughout the universe. These heavier elements allowed for the formation of new objects, including rocky planets and other bodies.<ref>{{Cite web | url=https://wmap.gsfc.nasa.gov/universe/uni_life.html |title = WMAP- Life in the Universe}}</ref>

As these stars reached the end of their lifecycles, they ejected these heavier elements, among them carbon and oxygen, throughout the universe. These heavier elements allowed for the formation of new objects, including rocky planets and other bodies.

当这些恒星达到其生命周期的终点时，它们在整个宇宙中喷射出这些较重的元素，其中包括碳和氧。这些较重的元素使得新的物体得以形成，包括岩质行星和其他天体。

===Emergence of the Solar System===
太阳系的出现

According to the [[nebular hypothesis]], the formation and evolution of the [[Solar System]] began 4.6 Gya with the [[gravitational collapse]] of a small part of a giant [[molecular cloud]].<ref>[http://www.astro.umass.edu/~myun/teaching/a100_old/solarnebulartheory.htm Formation of Solar Systems: Solar Nebular Theory.] University of Massachusetts Amherst, Department of Astronomy. Accessed on 27 September 2019.</ref> Most of the collapsing mass collected in the center, forming the [[Sun]], while the rest flattened into a [[protoplanetary disk]] out of which the [[planet]]s, [[Natural satellite|moons]], [[asteroid]]s, and other [[Small Solar System body|small Solar System bodies]] formed.

According to the nebular hypothesis, the formation and evolution of the Solar System began 4.6 Gya with the gravitational collapse of a small part of a giant molecular cloud. Most of the collapsing mass collected in the center, forming the Sun, while the rest flattened into a protoplanetary disk out of which the planets, moons, asteroids, and other small Solar System bodies formed.

根据星云假说，太阳系的形成和演化始于46亿年前，因为一个巨大的分子云的一小部分的引力塌缩。大部分塌缩的质量聚集在中心，形成了太阳，而其余的则压平成一个原行星盘，行星、卫星、小行星和其他小太阳系天体就是从这个原行星盘中形成的。

===Emergence of Earth===
地球的出现

The Earth, formed 4.5 Gya, was at first inhospitable to any living organisms. Based on numerous observations and studies of the [[geological time scale|geological time-scale]], the [[Hadean]] Earth is thought to have had a [[secondary atmosphere]], formed through [[Degasification|degassing]] of the rocks that accumulated from [[planetesimal]] [[impact event|impactors]]. At first, it was thought that the Earth's [[atmosphere]] consisted of hydrogen compounds—[[methane]], [[ammonia]] and [[Water vapor]]—and that life began under such [[redox|reducing]] conditions, which are conducive to the formation of organic molecules. According to later models, suggested by studying ancient minerals, the atmosphere in the late Hadean period consisted largely of water vapor, [[nitrogen]] and [[carbon dioxide]], with smaller amounts of [[carbon monoxide]], [[hydrogen]], and [[sulfur]] compounds.<ref>{{cite journal |last=Kasting |first=James F. |authorlink=James Kasting |date=12 February 1993 |title=Earth's Early Atmosphere |url=http://wwwdca.iag.usp.br/www/material/fornaro/ACA410/Kasting%201993_EarthEarlyAtmos.pdf |journal=Science |volume=259 |issue=5097 |pages=920–926 |doi=10.1126/science.11536547 |pmid=11536547 |bibcode=1993Sci...259..920K |s2cid=21134564 |accessdate=2015-07-28 |ref=harv |url-status=dead |archiveurl=https://web.archive.org/web/20151010074651/http://wwwdca.iag.usp.br/www/material/fornaro/ACA410/Kasting%201993_EarthEarlyAtmos.pdf |archivedate=10 October 2015}}</ref> During its formation, the Earth lost a significant part of its initial mass, with a nucleus of the heavier rocky elements of the protoplanetary disk remaining.<ref>{{harvnb|Fesenkov|1959|p=9}}</ref> As a consequence, Earth lacked the [[gravity]] to hold any molecular hydrogen in its atmosphere, and rapidly lost it during the Hadean period, along with the bulk of the original inert gases. The solution of carbon dioxide in water is thought to have made the seas slightly [[acid]]ic, giving them a [[pH]] of about 5.5.<ref>{{Cite journal|last=Morse|first=John|date=September 1998|title=Hadean Ocean Carbonate Geochemistry|journal=Aquatic Geochemistry|volume=4|issue=3/4|pages=301–319|doi=10.1023/A:1009632230875|bibcode=1998MinM...62.1027M|s2cid=129616933}}</ref> The atmosphere at the time has been characterized as a "gigantic, productive outdoor chemical laboratory."<ref name="Follmann2009" /> It may have been similar to the mixture of gases released today by volcanoes, which still support some abiotic chemistry.<ref name="Follmann2009" />

The Earth, formed 4.5 Gya, was at first inhospitable to any living organisms. Based on numerous observations and studies of the geological time-scale, the Hadean Earth is thought to have had a secondary atmosphere, formed through degassing of the rocks that accumulated from planetesimal impactors. At first, it was thought that the Earth's atmosphere consisted of hydrogen compounds—methane, ammonia and Water vapor—and that life began under such reducing conditions, which are conducive to the formation of organic molecules. According to later models, suggested by studying ancient minerals, the atmosphere in the late Hadean period consisted largely of water vapor, nitrogen and carbon dioxide, with smaller amounts of carbon monoxide, hydrogen, and sulfur compounds. During its formation, the Earth lost a significant part of its initial mass, with a nucleus of the heavier rocky elements of the protoplanetary disk remaining. As a consequence, Earth lacked the gravity to hold any molecular hydrogen in its atmosphere, and rapidly lost it during the Hadean period, along with the bulk of the original inert gases. The solution of carbon dioxide in water is thought to have made the seas slightly acidic, giving them a pH of about 5.5. The atmosphere at the time has been characterized as a "gigantic, productive outdoor chemical laboratory."

地球，形成于45亿年前，起初是不适合任何生物体生存的。根据对地质学时间尺度的大量观察和研究，人们认为冥古代地球曾有过一个次级大气层，是通过小行星撞击物所积累的岩石脱气而形成的。起初，人们认为地球的大气层由氢化合物——甲烷、氨和水蒸气组成，生命就是在这种有利于有机分子形成的还原性条件下开始的。根据后来的模型，通过对古代矿物的研究提出，冥古代晚期的大气层主要由水蒸气、氮气和二氧化碳组成，还有少量的一氧化碳、氢气和硫化合物。在地球形成过程中，地球失去了其初始质量的很大一部分，原行星盘中较重的岩石元素组成的核仍然存在。因此，地球缺乏在大气层中容纳任何氢分子的引力，并且在冥古代迅速失去了它，以及大部分的原始惰性气体.。二氧化碳在水中形成的溶液被认为使海洋呈微酸性，使海洋的pH值约为5.5。当时的大气层被描述为 "巨大的、高产的露天化学实验室。"***缺乏对应英文：它可能与今天火山释放的混合气体相似，它仍然支持一些非生物化学。***

===Emergence of the ocean===
海洋的出现

Oceans may have appeared first in the Hadean Eon, as soon as 200 My after the Earth formed, in a hot, 100 C, reducing environment, and the pH of about 5.8 rose rapidly towards neutral.This scenario has found support from the dating of 4.404 Gyo zircon crystals from metamorphosed quartzite of Mount Narryer in the Western Australia Jack Hills of the Pilbara, which provide evidence that oceans and continental crust existed within 150 Ma of Earth's formation.Despite the likely increased volcanism and existence of many smaller tectonic "platelets," it has been suggested that between 4.4-4.3 Gyo, the Earth was a water world, with little if any continental crust, an extremely turbulent atmosphere and a hydrosphere subject to intense ultraviolet (UV) light, from a T Tauri stage Sun, cosmic radiation and continued bolide impacts.

海洋可能最早出现在冥古宙，即地球形成后的2亿年，在一个100 C的高温的还原性环境中，pH值约为5.8，迅速上升到中性。这一假设已经得到了来自澳大利亚西部纳里尔山变质石英岩的4.404 Gyo锆石晶体的年代测定的支持。这一设想已经得到了来自澳大利亚西部的皮尔巴拉的杰克高地的纳瑞耶山的变质石英岩的44.04亿年前的锆石晶体的年代测定的支持，它提供了地球形成后1.5亿年前内存在海洋和大陆地壳的证据。尽管可能增加了火山活动，并存在许多较小的构造 "板块"，但有人认为，在44-43亿年之间，地球是一个水世界，几乎没有大陆地壳，大气层极度动荡，水圈受到来自T金牛座阶段的太阳的强烈的紫外线(UV)照射、宇宙辐射和持续的天体撞击。

===Late heavy bombardment===
晚期重型轰炸

The Hadean environment would have been highly hazardous to modern life. Frequent collisions with large objects, up to 500 km in diameter, would have been sufficient to sterilize the planet and vaporize the oceans within a few months of impact, with hot steam mixed with rock vapor becoming high altitude clouds that would completely cover the planet. After a few months, the height of these clouds would have begun to decrease but the cloud base would still have been elevated for about the next thousand years. After that, it would have begun to rain at low altitude. For another two thousand years, rains would slowly have drawn down the height of the clouds, returning the oceans to their original depth only 3,000 y after the impact event.<ref>{{cite journal |last1=Sleep |first1=Norman H. |last2=Zahnle |first2=Kevin J. |authorlink2=Kevin J. Zahnle |last3=Kasting |first3=James F. |last4=Morowitz |first4=Harold J. |authorlink4=Harold J. Morowitz |display-authors=3 |date=9 November 1989 |title=Annihilation of ecosystems by large asteroid impacts on early Earth |journal=Nature |volume=342 |issue=6246|pages=139–142 |url=https://www.researchgate.net/publication/11809063|bibcode=1989Natur.342..139S |doi=10.1038/342139a0 |pmid=11536616|s2cid=1137852 }}</ref>

冥古代的环境对现代生命将是非常危险的。与直径达500公里的大型物体频繁碰撞，足以在撞击后的几个月内使地球成为不毛之地，并使海洋汽化，热蒸汽与岩石蒸汽混合，成为足以完全覆盖地球的高空云层。几个月后，这些云层的高度会开始降低，但在接下来的大约一千年里，云层的底部仍会升高。在那之后，低海拔地区就会开始下雨。在接下来的两千年里，雨水会慢慢地拉低云层的高度，使海洋只有在撞击事件发生3000年后才恢复到原来的深度。

Traditionally it was thought that during the period between 4.28<ref name="NAT-20170301" /><ref name="NYT-20170301" /> and 3.8 Gya, changes in the orbits of the [[giant planet]]s may have caused a [[Late Heavy Bombardment|heavy bombardment]] by asteroids and [[comet]]s<ref>{{cite journal |last1=Gomes |first1=Rodney |last2=Levison |first2=Hal F. |authorlink2=Harold F. Levison |last3=Tsiganis |first3=Kleomenis |last4=Morbidelli |first4=Alessandro |authorlink4=Alessandro Morbidelli (astronomer) |date=26 May 2005 |title=Origin of the cataclysmic Late Heavy Bombardment period of the terrestrial planets |journal=Nature |volume=435 |issue=7041 |pages=466–469 |bibcode=2005Natur.435..466G |doi=10.1038/nature03676 |pmid=15917802|doi-access=free }}</ref> that pockmarked the [[Moon]] and the other inner planets ([[Mercury (planet)|Mercury]], [[Mars]], and presumably Earth and [[Venus]]). This would likely have repeatedly sterilized the planet, had life appeared before that time.<ref name="Follmann2009" /> Geologically, the Hadean Earth would have been far more active than at any other time in its history. Studies of [[meteorite]]s suggests that [[Radionuclide|radioactive isotopes]] such as [[aluminium-26]] with a [[half-life]] of 7.17 ky, and [[potassium-40]] with a half-life of 1.25 Gy, isotopes mainly produced in [[supernova]]e, were much more common.<ref>{{harvnb|Davies|2007|pp=61–73}}</ref> Internal heating as a result of [[Convection#Gravitational or buoyant convection|gravitational sorting]] between the [[Earth core|core]] and the [[Mantle (geology)|mantle]] would have caused a great deal of [[mantle convection]], with the probable result of many more smaller and more active tectonic plates than now exist.

传统上认为，在42.8亿年前到38亿年前之间的时期，巨行星轨道的变化可能造成了小行星和彗星对月球和其他内行星（水星、火星，大概还有地球和金星）的猛烈轰击。如果生命在那之前出现的话，这很可能会使这个星球反复成为不毛之地。从地质学上来说，冥古代地球会比历史上任何其他时间都要活跃得多。对陨石的研究表明，放射性同位素，如半衰期为7.17 千年的铝-26和半衰期为12.5亿年的钾-40，这些主要产生于超新星的同位素更为常见。由于地核和地幔之间的重力分选而产生的内部加热会引起大量的地幔对流，其结果可能是产生了比现在更小、更活跃的构造板块。

The time periods between such devastating environmental events give time windows for the possible origin of life in the early environments. If the deep marine hydrothermal setting was the site for the origin of life, then abiogenesis could have happened as early as 4.0-4.2 Gya. If the site was at the surface of the Earth, abiogenesis could only have occurred between 3.7-4.0 Gya.<ref>{{cite journal |last1=Maher |first1=Kevin A. |last2=Stevenson |first2=David J. |date=18 February 1988 |title=Impact frustration of the origin of life |journal=Nature |volume=331 |issue=6157 |pages=612–614 |bibcode=1988Natur.331..612M |doi=10.1038/331612a0 |pmid=11536595|s2cid=4284492 }}</ref>

这种毁灭性的环境事件之间的时间段，为早期环境中可能的生命起源提供了时间窗口。如果深海热液环境是生命起源的场所，那么自然发生可能早在40-42亿年前就发生了。如果地点在地球表面，那么自然发生只能发生在37-40亿年前之间。

Estimates of the production of organics from these sources suggest that the [[Late Heavy Bombardment]] before 3.5 Ga within the early atmosphere made available quantities of organics comparable to those produced by terrestrial sources.<ref>{{cite journal |last1=Chyba |first1=Christopher |authorlink=Christopher Chyba |last2=Sagan |first2=Carl |authorlink2=Carl Sagan |date=9 January 1992 |title=Endogenous production, exogenous delivery and impact-shock synthesis of organic molecules: an inventory for the origins of life |journal=Nature |volume=355 |issue=6356 |pages=125–132 |bibcode=1992Natur.355..125C |doi=10.1038/355125a0 |pmid=11538392|s2cid=4346044 }}</ref><ref>{{cite journal |last1=Furukawa |first1=Yoshihiro |last2=Sekine |first2=Toshimori |last3=Oba |first3=Masahiro |last4=Kakegawa |first4=Takeshi |last5=Nakazawa |first5=Hiromoto |display-authors=3 |date=January 2009 |title=Biomolecule formation by oceanic impacts on early Earth |journal=Nature Geoscience |volume=2 |issue=1 |pages=62–66 |bibcode=2009NatGe...2...62F |doi=10.1038/NGEO383}}</ref>

对这些来源的有机物的产生的估计表明，在35亿年前之前，早期大气层内的晚期重型轰炸使可获得的有机物的数量与陆地来源产生的有机物数量相当。

It has been estimated that the Late Heavy Bombardment may also have effectively sterilized the Earth's surface to a depth of tens of meters. If life evolved deeper than this, it would have also been shielded from the early high levels of ultraviolet radiation from the T Tauri stage of the Sun's evolution. Simulations of geothermically heated oceanic crust yield far more organics than those found in the Miller–Urey experiments. In the deep [[hydrothermal vent]]s, Everett Shock has found "there is an enormous thermodynamic drive to form organic compounds, as [[seawater]] and hydrothermal fluids, which are far from equilibrium, mix and move towards a more stable state."<ref>{{harvnb|Davies|1999|p=155}}</ref> Shock has found that the available energy is maximized at around 100–150 C, precisely the temperatures at which the [[Hyperthermophile|hyperthermophilic]] bacteria and [[Thermoacidophile|thermoacidophilic]] [[archaea]] have been found, at the base of the [[Phylogenetic tree|phylogenetic tree of life]] closest to the [[Last universal ancestor|Last Universal Common Ancestor]] (LUCA).<ref>{{harvnb|Bock|Goode|1996}}</ref>

据估计，晚期重型轰炸还可能对数十米深的地球表面进行了有效的灭菌。如果生命进化到比这更深的地方，它也会被屏蔽在太阳进化的T金牛座阶段的早期高水平紫外线辐射之外。对地热加热的海洋地壳进行模拟，得到的有机物远比Miller–Urey实验中发现的多。在深层热液喷口中，埃弗雷特·休克 Everett Shock发现 "存在着形成有机化合物的巨大热力学驱动力，因为海水和热液远未达到平衡，混合并向更稳定的状态发展。"Shock发现，可用的能量在100-150 C左右达到最大，而这正是发现嗜热细菌和嗜热古细菌的温度，处于最接近最后普遍共同祖先（LUCA）的生命系统发育树的底部。

== 生命的最早证据：古生物学==

{{Main|Earliest known life forms}}
[[File:Stromatolites.jpg|left|thumb|[[Precambrian]] [[stromatolite]]s in the Siyeh Formation, [[Glacier National Park (U.S.)|Glacier National Park]].
A 2002 study suggested that these 3.5 Gyo (billion year old) [[Geologic formation|formations]] contain fossilized [[cyanobacteria]] [[microorganism|microbes]]. This suggests they are evidence of one of the [[Earliest known life forms|earliest life forms]] on [[Earth]]. 冰川国家公园锡耶组 Siyeh Formation的前寒武纪叠层石。2002年的一项研究表明，这些35亿岁的岩层中含有蓝藻微生物化石。这表明它们是地球上最早的生命形式之一的证据。]]

[[File:Stromatolites in Sharkbay.jpg|thumb|Stromatolites in [[Shark Bay]] 鲨鱼湾中的石笋]]

The earliest life on Earth existed more than 3.5 Gya (billion years ago),<ref name="Origin1" /><ref name="Origin2" /><ref name="RavenJohnson2002" /> during the [[Eoarchean]] Era when sufficient crust had solidified following the molten Hadean Eon. The earliest physical evidence so far found consists of [[Micropaleontology#Microfossils|microfossils]] in the [[Nuvvuagittuq Greenstone Belt]] of Northern Quebec, in [[banded iron formation]] rocks at least 3.77 and possibly 4.28 Gyo.<ref name="NAT-20170301" /><ref>{{cite web |url=http://www.cbc.ca/news/technology/oldest-record-life-earth-found-quebec-1.4004545 |title=Oldest traces of life on Earth found in Quebec, dating back roughly 3.8 Gya |author=Mortillaro, Nicole |publisher=CBC News |date=1 March 2017 |accessdate=2 March 2017 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20170301221842/http://www.cbc.ca/news/technology/oldest-record-life-earth-found-quebec-1.4004545 |archivedate=1 March 2017}}</ref> This finding suggested life developed very soon after oceans formed. The structure of the microbes was noted to be similar to bacteria found near [[hydrothermal vents]] in the modern era, and provided support for the hypothesis that abiogenesis began near hydrothermal vents.<ref name="4.3b oldest" /><ref name="NAT-20170301" />

地球上最早的生命存在于35亿年前，<ref name="Origin1" /><ref name="Origin2" /><ref name="RavenJohnson2002" />在始太古代时期，在熔化的冥古宙之后，充足的地壳已经凝固。迄今为止发现的最早的物理证据包括魁北克北部努夫雅集图克绿岩带中的微生物化石，位于至少37.7亿岁，也可能42.8亿岁的带状铁层岩石中。<ref name="NAT-20170301" /><ref>{{cite web |url=http://www.cbc.ca/news/technology/oldest-record-life-earth-found-quebec-1.4004545 |title=Oldest traces of life on Earth found in Quebec, dating back roughly 3.8 Gya |author=Mortillaro, Nicole |publisher=CBC News |date=1 March 2017 |accessdate=2 March 2017 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20170301221842/http://www.cbc.ca/news/technology/oldest-record-life-earth-found-quebec-1.4004545 |archivedate=1 March 2017}}</ref>这个发现表明生命在海洋形成后不久便出现了。据悉，这种微生物的结构与现代热液喷口附近发现的细菌相似，为无生源论始于热液喷口附近的假说提供了支持。

Biogenic [[graphite]] has been found in 3.7 Gyo metasedimentary rocks from southwestern [[Greenland]]<ref name="NG-20131208">{{cite journal |last1=Ohtomo |first1=Yoko |last2=Kakegawa |first2=Takeshi |last3=Ishida |first3=Akizumi |last4=Nagase |first4=Toshiro |last5=Rosing |first5=Minik T. |display-authors=3 |date=January 2014 |title=Evidence for biogenic graphite in early Archaean Isua metasedimentary rocks |journal=[[Nature Geoscience]] |volume=7 |issue=1 |pages=25–28 |bibcode=2014NatGe...7...25O |doi=10.1038/ngeo2025 }}</ref> and [[microbial mat]] fossils found in 3.48 Gyo sandstone from [[Western Australia]].<ref name="AP-20131113">{{cite news |last=Borenstein |first=Seth |date=13 November 2013 |title=Oldest fossil found: Meet your microbial mom |url=http://apnews.excite.com/article/20131113/DAA1VSC01.html |work=[[Excite]] |location=Yonkers, NY |publisher=[[Mindspark Interactive Network]] |agency=[[Associated Press]] |accessdate=2015-06-02 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150629230719/http://apnews.excite.com/article/20131113/DAA1VSC01.html |archivedate=29 June 2015}}</ref><ref name="AST-20131108">{{cite journal |last1=Noffke |first1=Nora |last2=Christian |first2=Daniel |last3=Wacey |first3=David |last4=Hazen |first4=Robert M. |authorlink4=Robert Hazen |date=16 November 2013 |title=Microbially Induced Sedimentary Structures Recording an Ancient Ecosystem in the ''ca.'' 3.48 Gyo Dresser Formation, Pilbara, Western Australia |journal=[[Astrobiology (journal)|Astrobiology]] |volume=13 |issue=12 |pages=1103–1124 |bibcode=2013AsBio..13.1103N |doi=10.1089/ast.2013.1030 |pmc=3870916 |pmid=24205812}}</ref> Evidence of early life in rocks from [[Akilia]] Island, near the [[Isua Greenstone Belt|Isua supracrustal belt]] in southwestern Greenland, dating to 3.7 Gya have shown biogenic [[carbon isotope]]s.<ref name="NYT-20160831">{{cite news |last=Wade |first=Nicholas |title=World's Oldest Fossils Found in Greenland |url=https://www.nytimes.com/2016/09/01/science/oldest-fossils-on-earth.html |date=31 August 2016 |work=[[The New York Times]] |accessdate=31 August 2016 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20160831185959/http://www.nytimes.com/2016/09/01/science/oldest-fossils-on-earth.html |archivedate=31 August 2016}}</ref><ref>{{harvnb|Davies|1999}}</ref> In other parts of the Isua supracrustal belt, graphite inclusions trapped within [[garnet]] crystals are connected to the other elements of life: oxygen, nitrogen, and possibly phosphorus in the form of [[phosphate]], providing further evidence for life 3.7 Gya.<ref>{{Cite journal |last1=Hassenkam|first1=T. |last2=Andersson |first2=M.P. |last3=Dalby|first3=K.N. |last4=Mackenzie |first4=D.M.A.|last5=Rosing |first5=M.T. |title=Elements of Eoarchean life trapped in mineral inclusions |journal=Nature |doi=10.1038/nature23261 |pmid=28738409 |volume=548|issue=7665|pages=78–81 |year=2017 |bibcode=2017Natur.548...78H|s2cid=205257931 }}</ref> At Strelley Pool, in the [[Pilbara]] region of Western Australia, compelling evidence of early life was found in [[pyrite]]-bearing sandstone in a fossilized beach, that showed rounded tubular cells that [[Redox|oxidized]] sulfur by [[photosynthesis]] in the absence of oxygen.<ref name="TG-20131113-JP">{{cite news |last=Pearlman |first=Jonathan |date=13 November 2013 |title=Oldest signs of life on Earth found |url=https://www.telegraph.co.uk/news/science/science-news/10445788/Oldest-signs-of-life-on-Earth-found.html |newspaper=[[The Daily Telegraph]] |location=London |accessdate=2014-12-15 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20141216062531/http://www.telegraph.co.uk/news/science/science-news/10445788/Oldest-signs-of-life-on-Earth-found.html |archivedate=16 December 2014}}</ref><ref>{{cite journal |last=O'Donoghue |first=James |date=21 August 2011 |url=https://www.newscientist.com/article/dn20813-oldest-reliable-fossils-show-early-life-was-a-beach.html |title=Oldest reliable fossils show early life was a beach |journal=[[New Scientist]] |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150630201918/http://www.newscientist.com/article/dn20813-oldest-reliable-fossils-show-early-life-was-a-beach.html |archivedate=30 June 2015|doi=10.1016/S0262-4079(11)62064-2 |volume=211 |page=13 }}</ref><ref>{{cite journal |last1=Wacey |first1=David |last2=Kilburn |first2=Matt R. |last3=Saunders |first3=Martin |last4=Cliff |first4=John |last5=Brasier |first5=Martin D. |authorlink5=Martin Brasier |display-authors=3 |date=October 2011 |title=Microfossils of sulphur-metabolizing cells in 3.4-billion-year-old rocks of Western Australia |journal=Nature Geoscience |volume=4 |issue=10 |pages=698–702 |bibcode=2011NatGe...4..698W |doi=10.1038/ngeo1238}}</ref> Further research on [[zircon]]s from Western Australia in 2015 suggested that life likely existed on Earth at least 4.1 Gya.<ref name="AP-20151019">{{cite news |last=Borenstein |first=Seth |title=Hints of life on what was thought to be desolate early Earth |url=https://apnews.com/e6be2537b4cd46ffb9c0585bae2b2e51 |date=19 October 2015 |work=AP News |publisher=[[Associated Press]] |accessdate=9 October 2018}}</ref><ref name="PNAS-20151014-pdf">{{cite journal |last1=Bell |first1=Elizabeth A. |last2=Boehnike |first2=Patrick |last3=Harrison |first3=T. Mark |last4=Mao |first4=Wendy L. |display-authors=3 |date=19 October 2015 |title=Potentially biogenic carbon preserved in a 4.1 billion-year-old zircon|journal=Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. |doi=10.1073/pnas.1517557112|pages=14518–14521 |pmid=26483481 |pmc=4664351 |volume=112 |issue=47 |bibcode=2015PNAS..11214518B}} Early edition, published online before print.</ref><ref name="UCLA-20151019">{{cite web |last1=Wolpert |first1=Stuart |title=Life on Earth likely started at least 4.1 billion years ago – much earlier than scientists had thought |url=http://newsroom.ucla.edu/releases/life-on-earth-likely-started-at-least-4-1-billion-years-ago-much-earlier-than-scientists-had-thought |date=19 October 2015 |publisher=[[ULCA]] |accessdate=20 October 2015 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20151020164038/http://newsroom.ucla.edu/releases/life-on-earth-likely-started-at-least-4-1-billion-years-ago-much-earlier-than-scientists-had-thought |archivedate=20 October 2015}}</ref>

人们在格陵兰岛西南部37亿岁的变质沉积岩中发现了生物来源的石墨<ref name="NG-20131208">{{cite journal |last1=Ohtomo |first1=Yoko |last2=Kakegawa |first2=Takeshi |last3=Ishida |first3=Akizumi |last4=Nagase |first4=Toshiro |last5=Rosing |first5=Minik T. |display-authors=3 |date=January 2014 |title=Evidence for biogenic graphite in early Archaean Isua metasedimentary rocks |journal=[[Nature Geoscience]] |volume=7 |issue=1 |pages=25–28 |bibcode=2014NatGe...7...25O |doi=10.1038/ngeo2025 }}</ref> ，在西澳大利亚距今34.8亿年前的砂岩中发现了微生物垫层化石<ref name="AP-20131113">{{cite news |last=Borenstein |first=Seth |date=13 November 2013 |title=Oldest fossil found: Meet your microbial mom |url=http://apnews.excite.com/article/20131113/DAA1VSC01.html |work=[[Excite]] |location=Yonkers, NY |publisher=[[Mindspark Interactive Network]] |agency=[[Associated Press]] |accessdate=2015-06-02 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150629230719/http://apnews.excite.com/article/20131113/DAA1VSC01.html |archivedate=29 June 2015}}</ref><ref name="AST-20131108">{{cite journal |last1=Noffke |first1=Nora |last2=Christian |first2=Daniel |last3=Wacey |first3=David |last4=Hazen |first4=Robert M. |authorlink4=Robert Hazen |date=16 November 2013 |title=Microbially Induced Sedimentary Structures Recording an Ancient Ecosystem in the ''ca.'' 3.48 Gyo Dresser Formation, Pilbara, Western Australia |journal=[[Astrobiology (journal)|Astrobiology]] |volume=13 |issue=12 |pages=1103–1124 |bibcode=2013AsBio..13.1103N |doi=10.1089/ast.2013.1030 |pmc=3870916 |pmid=24205812}}</ref>。在格陵兰岛西南部伊苏亚上地壳带附近的阿基利亚岛的岩石中发现了早期生命的证据，这些可追溯到37亿年前的证据中发现了生源碳同位素<ref name="NYT-20160831">{{cite news |last=Wade |first=Nicholas |title=World's Oldest Fossils Found in Greenland |url=https://www.nytimes.com/2016/09/01/science/oldest-fossils-on-earth.html |date=31 August 2016 |work=[[The New York Times]] |accessdate=31 August 2016 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20160831185959/http://www.nytimes.com/2016/09/01/science/oldest-fossils-on-earth.html |archivedate=31 August 2016}}</ref><ref>{{harvnb|Davies|1999}}</ref> 。在伊苏亚上地壳带的其他地方，被困在石榴石晶体内的石墨包裹体与生命的其他元素相连：氧、氮和可能以磷酸盐形式存在的磷，为37亿年前的生命提供了进一步的证据<ref>{{Cite journal |last1=Hassenkam|first1=T. |last2=Andersson |first2=M.P. |last3=Dalby|first3=K.N. |last4=Mackenzie |first4=D.M.A.|last5=Rosing |first5=M.T. |title=Elements of Eoarchean life trapped in mineral inclusions |journal=Nature |doi=10.1038/nature23261 |pmid=28738409 |volume=548|issue=7665|pages=78–81 |year=2017 |bibcode=2017Natur.548...78H|s2cid=205257931 }}</ref> 。在西澳大利亚皮尔巴拉地区的斯特雷利池，在一个化石滩的含黄铁矿砂岩中发现了早期生命的令人信服的证据，它显示了圆形的管状细胞，在没有氧气的情况下通过光合作用氧化硫。2015年对西澳大利亚的锆石的进一步研究表明，生命很可能在至少41亿年前就存在于地球上。<ref name="AP-20151019">{{cite news |last=Borenstein |first=Seth |title=Hints of life on what was thought to be desolate early Earth |url=https://apnews.com/e6be2537b4cd46ffb9c0585bae2b2e51 |date=19 October 2015 |work=AP News |publisher=[[Associated Press]] |accessdate=9 October 2018}}</ref><ref name="PNAS-20151014-pdf">{{cite journal |last1=Bell |first1=Elizabeth A. |last2=Boehnike |first2=Patrick |last3=Harrison |first3=T. Mark |last4=Mao |first4=Wendy L. |display-authors=3 |date=19 October 2015 |title=Potentially biogenic carbon preserved in a 4.1 billion-year-old zircon|journal=Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. |doi=10.1073/pnas.1517557112|pages=14518–14521 |pmid=26483481 |pmc=4664351 |volume=112 |issue=47 |bibcode=2015PNAS..11214518B}} Early edition, published online before print.</ref><ref name="UCLA-20151019">{{cite web |last1=Wolpert |first1=Stuart |title=Life on Earth likely started at least 4.1 billion years ago – much earlier than scientists had thought |url=http://newsroom.ucla.edu/releases/life-on-earth-likely-started-at-least-4-1-billion-years-ago-much-earlier-than-scientists-had-thought |date=19 October 2015 |publisher=[[ULCA]] |accessdate=20 October 2015 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20151020164038/http://newsroom.ucla.edu/releases/life-on-earth-likely-started-at-least-4-1-billion-years-ago-much-earlier-than-scientists-had-thought |archivedate=20 October 2015}}</ref>





== 20世纪60年代以前的概念演变史：生物学 Conceptual history until the 1960s: biology ==

=== 泛种论 Panspermia ===
泛种论
{{Main|Panspermia}}

Panspermia is the [[hypothesis]] that [[life]] exists throughout the [[universe]], distributed by [[meteoroids]], [[asteroids]], [[comets]]<ref name="cometary panspermia">

泛种论是一种假说，即生命存在于整个宇宙，由流星体、小行星、彗星分布。<ref name="cometary panspermia">

The panspermia hypothesis does not attempt to explain how life first originated but merely shifts the origin to another planet or a comet. The advantage of an extraterrestrial origin of primitive life is that life is not required to have formed on each planet it occurs on, but rather in a single location, and then spread about the [[galaxy]] to other star systems via cometary and/or meteorite impact.<ref name="NYT-20160912">{{cite news |last=Chang |first=Kenneth |title=Visions of Life on Mars in Earth's Depths |url=https://www.nytimes.com/2016/09/13/science/south-african-mine-life-on-mars.html |date=12 September 2016 |work=[[The New York Times]] |accessdate=12 September 2016 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20160912225220/http://www.nytimes.com/2016/09/13/science/south-african-mine-life-on-mars.html |archivedate=12 September 2016}}</ref>

Evidence for the panspermia hypothesis is scant, but it finds some support in studies of [[Martian meteorite]]s found in [[Antarctica]] and in studies of [[extremophile]] microbes' survival in outer space tests.<ref>{{cite journal |last=Clark |first=Stuart |date=25 September 2002 |title=Tough Earth bug may be from Mars |url=https://www.newscientist.com/article/dn2844 |journal=New Scientist |accessdate=2015-06-21 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20141202003401/http://www.newscientist.com/article/dn2844 |archivedate=2 December 2014}}</ref><ref name="Gerda Horneck">{{cite journal |last1=Horneck |first1=Gerda |last2=Klaus |first2=David M. |last3=Mancinelli |first3=Rocco L. |date=March 2010 |title=Space Microbiology |journal=[[Microbiology and Molecular Biology Reviews]] |volume=74 |issue=1 |pages=121–156 |doi=10.1128/MMBR.00016-09 |pmc=2832349 |pmid=20197502|bibcode=2010MMBR...74..121H }}</ref><ref name="Rabbow">{{cite journal |last1=Rabbow |first1=Elke |last2=Horneck |first2=Gerda |last3=Rettberg |first3=Petra |last4=Schott |first4=Jobst-Ulrich |last5=Panitz |first5=Corinna |last6=L'Afflitto |first6=Andrea |last7=von Heise-Rotenburg |first7=Ralf |last8=Willnecker |first8=Reiner |last9=Baglioni |first9=Pietro |last10=Hatton |first10=Jason |last11=Dettmann |first11=Jan |last12=Demets |first12=René |last13=Reitz |first13=Günther |display-authors=3 |date=December 2009 |title=EXPOSE, an Astrobiological Exposure Facility on the International Space Station – from Proposal to Flight |journal=Origins of Life and Evolution of Biospheres |volume=39 |issue=6 |pages=581–598 |bibcode=2009OLEB...39..581R |doi=10.1007/s11084-009-9173-6|pmid=19629743|s2cid=19749414 }}</ref><ref>{{cite journal |last1=Onofri |first1=Silvano |last2=de la Torre |first2=Rosa |last3=de Vera |first3=Jean-Pierre |last4=Ott |first4=Sieglinde |last5=Zucconi |first5=Laura |last6=Selbmann |first6=Laura |last7=Scalzi |first7=Giuliano |last8=Venkateswaran |first8=Kasthuri J. |last9=Rabbow |first9=Elke |last10=Sánchez Iñigo |first10=Francisco J. |last11=Horneck |first11=Gerda |display-authors=3 |date=May 2012 |title=Survival of Rock-Colonizing Organisms After 1.5 Years in Outer Space |journal=Astrobiology |volume=12 |issue=5 |pages=508–516 |bibcode=2012AsBio..12..508O |doi=10.1089/ast.2011.0736 |pmid=22680696}}</ref>

泛种论假说并不试图解释生命最初是如何起源的，而只是将起源转移到另一颗行星或彗星上。原始生命的地外起源的优点是，生命不需要在它出现的每个星球上形成，而是在一个单一的位置，然后通过彗星和/或陨石撞击在银河系周围传播到其他恒星系统。泛种论假说的证据很少，但它在对南极洲发现的火星陨石的研究和对极端微生物在外太空测试中生存的研究中找到了一些支持。

In August 2020, scientists reported that [[bacteria]] from Earth, particularly ''[[Deinococcus radiodurans]]'', which is highly resistant to [[environmental hazard]]s, were found to survive for three years in [[outer space]], based on studies conducted on the [[International Space Station]].<ref name="CNN-20200826">{{cite news |last=Strickland |first=Ashley |title=Bacteria from Earth can survive in space and could endure the trip to Mars, according to new study |url=https://www.cnn.com/2020/08/26/world/earth-mars-bacteria-space-scn/index.html |date=26 August 2020 |work=[[CNN News]] |accessdate=26 August 2020 }}</ref><ref name="FM-20200826">{{cite journal |author=Kawaguchi, Yuko |display-authors=et al. |title=DNA Damage and Survival Time Course of Deinococcal Cell Pellets During 3 Years of Exposure to Outer Space |date=26 August 2020 |journal=[[Frontiers in Microbiology]] |volume=11 |page=2050 |doi=10.3389/fmicb.2020.02050 |pmid=32983036 |pmc=7479814 |s2cid=221300151 |doi-access=free }}</ref>

2020年8月，科学家报告称，根据在国际空间站上进行的研究，发现来自地球的细菌，特别是对环境危害有很强抵抗力的耐辐射球菌，可以在外太空存活3年。

====Origin of life posited directly after the Big Bang and have spread over the entire Universe====

生命起源于宇宙大爆炸之后，并已遍布整个宇宙

An extreme speculation is that the [[biochemistry]] of life could have begun as early as 17 My (million years) after the [[Big Bang]], during a [[Chronology of the universe#Speculative "habitable epoch"|habitable epoch]], and that life may exist throughout the [[universe]].<ref name="IJA-2014October_ARXIV-20131202">{{cite journal|last=Loeb|first=Abraham|authorlink=Abraham (Avi) Loeb|date=2014|title=The habitable epoch of the early universe|journal=[[International Journal of Astrobiology]]|volume=13|issue=4|pages=337–339|arxiv=1312.0613|bibcode=2014IJAsB..13..337L|citeseerx=10.1.1.748.4820|doi=10.1017/S1473550414000196|s2cid=2777386}}</ref><ref name="NYT-20141202">{{cite news|url=https://www.nytimes.com/2014/12/02/science/avi-loeb-ponders-the-early-universe-nature-and-life.html|title=Much-Discussed Views That Go Way Back|last=Dreifus|first=Claudia|date=2 December 2014|newspaper=[[The New York Times]]|accessdate=2014-12-03|archiveurl=https://web.archive.org/web/20141203010758/http://www.nytimes.com/2014/12/02/science/avi-loeb-ponders-the-early-universe-nature-and-life.html|archivedate=3 December 2014|url-status=live|location=New York|page=D2|authorlink=Claudia Dreifus}}</ref>

一种极端的推测是生命的生物化学可能早在大爆炸后1700万年就开始了，在一个适宜居住的时期，生命可能存在于整个宇宙中。

====Panspermia by life brought from Mars to Earth====

生命从火星带入地球的泛种论

Carl Zimmer has speculated that the chemical conditions, including the presence of [[boron]], [[molybdenum]] and oxygen needed for the initial production of RNA, may have been better on early Mars than on early Earth.<ref name="NYT-20130912">{{cite news |last=Zimmer |first=Carl |date=12 September 2013 |title=A Far-Flung Possibility for the Origin of Life |url=https://www.nytimes.com/2013/09/12/science/space/a-far-flung-possibility-for-the-origin-of-life.html |newspaper=The New York Times |location=New York |accessdate=2015-06-15 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150708122622/http://www.nytimes.com/2013/09/12/science/space/a-far-flung-possibility-for-the-origin-of-life.html |archivedate=8 July 2015}}</ref><ref name="NS-20130829">{{cite journal |last=Webb |first=Richard |date=29 August 2013 |title=Primordial broth of life was a dry Martian cup-a-soup |url=https://www.newscientist.com/article/dn24120-primordial-broth-of-life-was-a-dry-martian-cupasoup.html |journal=New Scientist |accessdate=2015-06-16 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150424181341/http://www.newscientist.com/article/dn24120-primordial-broth-of-life-was-a-dry-martian-cupasoup.html |archivedate=24 April 2015}}</ref><ref>{{cite journal |author1=Wentao Ma |author2=Chunwu Yu |author3=Wentao Zhang |author4=Jiming Hu |display-authors=3 |date=November 2007 |title=Nucleotide synthetase ribozymes may have emerged first in the RNA world |journal=[[RNA (journal)|RNA]] |volume=13 |issue=11 |pages=2012–2019 |doi=10.1261/rna.658507 |pmc=2040096 |pmid=17878321}}</ref> If so, life-suitable molecules originating on Mars may have later migrated to Earth via [[Impact event|meteor ejections]].

卡尔·齐默Carl Zimmer推测，火星早期的化学条件，包括最初生成RNA所需的硼，钼和氧的存在，可能比地球早期更好。如果是这样，起源于火星的适合生命的分子可能后来会通过流星喷射迁移到地球。

=== Spontaneous generation ===
自然发生
====General acceptance of spontaneous generation until the 19th century====

19世纪之前，人们普遍接受自然发生论。

{{Main|Spontaneous generation}}

Traditional religion attributed the origin of life to supernatural deities who created the natural world. ''Spontaneous generation,'' the first naturalistic theory of life arising from non-life, goes back to [[Aristotle]] and [[ancient Greek philosophy]], and continued to have support in Western scholarship until the 19th century.<ref>{{harvnb|Sheldon|2005}}</ref> Classical notions of spontaneous generation held that certain "lower" or "vermin" animals are generated by decaying organic substances. According to Aristotle, it was readily observable that [[aphid]]s arise from dew on plants, [[fly|flies]] from putrid matter, mice from dirty hay, crocodiles from rotting sunken logs, and so on.<ref>{{harvnb|Lennox|2001|pp=229–258}}</ref> A related theory was ''heterogenesis'': that some forms of life could arise from different forms (e.g. bees from flowers).<ref>{{harvnb|Vartanian|1973|pp=307–312}}</ref> The modern scientist [[John Desmond Bernal|John Bernal]] said that the basic idea of such theories was that life was continuously created as a result of chance events.<ref name="Bernal 1967">{{harvnb|Bernal|1967}}</ref>

传统宗教把生命的起源归结为超自然的神灵，他们创造了自然界。“自然发生”，是第一个从非生命中产生生命的自然主义理论，它可以追溯到Aristotle和古希腊哲学，并在西方学术界一直得到支持，直到19世纪。"自然发生”的古典观念认为，某些 "低等 "或 "害虫 "动物是由腐烂的有机物质产生的。根据Aristotle的观点，很容易观察到蚜虫从植物上的露水中产生，苍蝇从腐烂的物质中产生，老鼠从肮脏的干草中产生，鳄鱼从腐烂的沉木中产生，等等。一个相关的理论是异生论：某些生命形式可以从不同的形式中产生（如蜜蜂从花中产生）。现代科学家约翰·德斯蒙德·贝纳尔John Desmond Bernal说，这种理论的基本思想是生命是作为偶然事件的结果而不断产生的。

In the 17th century, people began to question such assumptions. In 1646, [[Sir Thomas Browne|Thomas Browne]] published his ''[[Pseudodoxia Epidemica]]'' (subtitled ''Enquiries into Very many Received Tenets, and commonly Presumed Truths''), which was an attack on false beliefs and "vulgar errors." His contemporary, [[Alexander Ross (writer)|Alexander Ross]], erroneously refuted him, stating:
< blockquote > To question this [spontaneous generation], is to question Reason, Sense, and Experience: If he doubts of this, let him go to ''[[Egypt|Ægypt]]'', and there he will find the fields swarming with mice begot of the mud of ''[[Nile|Nylus]]'', to the great calamity of the Inhabitants.<ref>{{cite journal |last=Balme |first=D.M. |authorlink=David Mowbray Balme |year=1962 |title=Development of Biology in Aristotle and Theophrastus: Theory of Spontaneous Generation |journal=[[Phronesis (journal)|Phronesis]] |volume=7 |issue=1–2 |pages=91–104 |doi=10.1163/156852862X00052}}</ref><ref>{{harvnb|Ross|1652}}</ref>< /blockquote >

在17世纪，人们开始质疑这些假设。1646年，托马斯·布朗爵士 Sir Thomas Browne出版了他的《伪传染病》(副标题为“对许多公认的原则和通常假定的真理的询问”)，该书攻击了错误的信念和“庸俗的错误”。与他同时代的亚历山大·罗斯 Alexander Ross错误地驳斥了他，称:

< blockquote >
质疑这个自然发生，就是质疑理性、感觉和经验。如果他怀疑这一点，让他去埃及，在那里，他将会发现田野里到处都是由尼罗斯的泥土生出的老鼠，给当地居民带来了巨大的灾难。
< /blockquote >

[[File:Anton van Leeuwenhoek.png|thumb|upright|Antonie van Leeuwenhoek]]

安东尼·范·列文虎克

In 1665, [[Robert Hooke]] published the first drawings of a [[microorganism]]. Hooke was followed in 1676 by [[Antonie van Leeuwenhoek]], who drew and described microorganisms that are now thought to have been [[protozoa]] and [[bacteria]].<ref>{{harvnb|Dobell|1960}}</ref> Many felt the existence of microorganisms was evidence in support of spontaneous generation, since microorganisms seemed too simplistic for [[sexual reproduction]], and [[asexual reproduction]] through [[mitosis|cell division]] had not yet been observed. Van Leeuwenhoek took issue with the ideas common at the time that fleas and lice could spontaneously result from [[putrefaction]], and that frogs could likewise arise from slime. Using a broad range of experiments ranging from sealed and open meat incubation and the close study of insect reproduction he became, by the 1680s, convinced that spontaneous generation was incorrect.<ref>{{harvnb|Bondeson|1999}}</ref>

1665年，罗伯特·胡克Robert Hooke发表了第一本微生物的图画。1676年，安东尼·范·列文虎克(Antonie van Leeuwenhoek)紧随其后，他绘制并描述了现在被认为是原生动物和细菌的微生物。许多人认为微生物的存在是支持自然发生的证据，因为微生物对于有性生殖来说似乎过于简单，而通过细胞分裂的无性生殖尚未被观察到。Van Leeuwenhoek对当时常见的跳蚤和虱子可能由腐烂作用自发产生，以及青蛙同样可能由粘液产生的观点提出了异议。他利用广泛的实验，从密封和开放的肉孵化以及对昆虫繁殖的仔细研究，到1680年代，他确信自然发生是不正确的。

The first experimental evidence against spontaneous generation came in 1668 when [[Francesco Redi]] showed that no [[maggot]]s appeared in meat when flies were prevented from laying eggs. It was gradually shown that, at least in the case of all the higher and readily visible organisms, the previous sentiment regarding spontaneous generation was false. The alternative hypothesis was ''[[biogenesis]]'': that every living thing came from a pre-existing living thing (''omne vivum ex ovo'', Latin for "every living thing from an egg").<ref name=lev>{{cite web |vauthors=Levine R, Evers C |title=The Slow Death of Spontaneous Generation (1668-1859) |url=http://www.accessexcellence.org/RC/AB/BC/Spontaneous_Generation.php |accessdate=18 April 2013 |url-status=dead |archiveurl=https://web.archive.org/web/20080426191204/http://www.accessexcellence.org/RC/AB/BC/Spontaneous_Generation.php |archivedate=26 April 2008 }}</ref> In 1768, [[Lazzaro Spallanzani]] demonstrated that [[microorganism|microbes]] were present in the air, and could be killed by boiling. In 1861, [[Louis Pasteur]] performed a series of experiments that demonstrated that organisms such as bacteria and fungi do not spontaneously appear in sterile, nutrient-rich media, but could only appear by invasion from without.

第一个反对自然发生的实验证据是在1668年，当时弗朗西斯科·雷迪 Francesco Redi表明，当阻止苍蝇产卵时，肉中不会出现蛆虫。人们逐渐发现，至少在所有高等和易见生物的情况下，以前关于自发生成的观点是错误的。另一种假设是“生源论”：每个生物都来自一个已经存在的生物（“ omne vivum ex ovo”，拉丁语的意思是“每个生物来自于一个蛋”）。1768年，拉扎罗·斯帕兰扎尼（Lazzaro Spallanzani）证明了空气中存在微生物，并且可以通过煮沸杀死。1861年，路易·巴斯德 Louis Pasteur进行了一系列实验，证明细菌和真菌等生物在无菌、营养丰富的培养基中不会自发出现，只能通过从外部入侵出现。

====Spontaneous generation considered disproven in the 19th century====

自然发生论在19世纪被认为是不成立的。

[[File:Louis Pasteur, foto av Paul Nadar, Crisco edit.jpg|thumb|upright|left|Louis Pasteur]]

路易斯·巴斯德（Louis Pasteur）

[[File:Darwin restored2.jpg|thumb|upright|alt=Head and shoulders portrait, increasingly bald with rather uneven bushy white eyebrows and beard, his wrinkled forehead suggesting a puzzled frown|[[Charles Darwin]] in 1879]]

查尔斯·达尔文 Charles Darwin（1879年）

By the middle of the 19th century, biogenesis had accumulated so much evidence in support that the alternative theory of spontaneous generation had been effectively disproven. [[Louis Pasteur|Pasteur]] remarked, about a finding of his in 1864 which he considered definitive, < blockquote >Never will the doctrine of spontaneous generation recover from the mortal blow struck by this simple experiment.<ref>{{harvnb|Oparin|1953|p=196}}</ref><ref name="Tyndall Fragments2">{{harvnb|Tyndall|1905|loc=IV, XII (1876), XIII (1878)}}</ref> < /blockquote >gave a mechanism by which life diversified from a few simple organisms to a variety of to complex forms. Today, scientists agree that all current life descends from earlier life, which has become progressively more complex and diverse through [[Charles Darwin]]'s mechanism of [[evolution]] by [[natural selection]].

Darwin wrote to Hooker in 1863 stating that, < blockquote >It is mere rubbish, thinking at present of the origin of life; one might as well think of the origin of matter.< /blockquote > In ''[[On the Origin of Species]]'', he had referred to life having been "created", by which he "really meant 'appeared' by some wholly unknown process", but had soon regretted using the Old Testament term "creation".{{Citation needed|date=July 2020}}

到19世纪中叶，生源论已经积累了大量的证据，以至于自然发生的替代理论已经被有效地否定。Pasteur评论道，他在1864年的一项发现被他认为是决定性的：

< blockquote >
自然发生的学说永远不会从这个简单的实验所带来的致命打击中恢复过来。
< blockquote >

实验给出了一个机制，通过这个机制，生命从几个简单的生物体多样化到各种复杂的形式。今天，科学家们一致认为，目前所有的生命都是早期生命的后裔，而早期生命通过Charles Darwin的自然选择进化机制，逐渐变得更加复杂和多样化。Darwin在1863年给Hooker写信指出：

< blockquote >
目前思考生命的起源纯粹是垃圾，还不如思考物质的起源。
< blockquote >

在《物种起源》中，他曾提到生命是 "被创造的"，他说生命是“被创造出来的”，“实际上是指通过某种完全未知的过程‘出现’”，但很快就后悔使用《旧约》中的“创造”一词。

==== Etymology of biogenesis and abiogenesis====

生源论（生物起源）和非生源论（非生物起源）的词源学



-->

Subsequently, in the preface to Bastian's 1871 book, ''The Modes of Origin of Lowest Organisms'',<ref>{{harvnb|Bastian|1871}}</ref> Bastian referred to the possible confusion with Huxley's usage and explicitly renounced his own meaning:

随后，在Bastian1871年出版的《最低级生物的起源模式》一书的序言中，Bastian提到了可能与Huxley的用法相混淆，并明确放弃了自己的意思。

:A word of explanation seems necessary with regard to the introduction of the new term ''Archebiosis''. I had originally, in unpublished writings, adopted the word ''Biogenesis'' to express the same meaning—viz., life-origination or commencement. But in the meantime, the word ''Biogenesis'' has been made use of, quite independently, by a distinguished biologist [Huxley], who wished to make it bear a totally different meaning. He also introduced the word ''Abiogenesis''. I have been informed, however, on the best authority, that neither of these words can—with any regard to the language from which they are derived—be supposed to bear the meanings which have of late been publicly assigned to them. Wishing to avoid all needless confusion, I therefore renounced the use of the word ''Biogenesis'', and being, for the reason just given, unable to adopt the other term, I was compelled to introduce a new word, in order to designate the process by which living matter is supposed to come into being, independently of pre-existing living matter.<ref>{{harvnb|Bastian|1871|p=[https://ia902701.us.archive.org/BookReader/BookReaderImages.php?zip=/23/items/modesoforiginofl00bast/modesoforiginofl00bast_jp2.zip&file=modesoforiginofl00bast_jp2/modesoforiginofl00bast_0015.jp2&scale=4&rotate=0 xi–xii]}}</ref>

Since the end of the nineteenth century, 'evolutive abiogenesis' means increasing complexity and evolution of matter from inert to living states.<ref>[https://link.springer.com/referenceworkentry/10.1007/978-3-642-27833-4_2-4 Abiogenesis – Definition]. 20 April 2015. ''Encyclopedia of Astrobiology''. {{doi|10.1007/978-3-642-27833-4_2-4}}</ref>

关于新术语 "生物自生 "的引入，似乎有必要作一解释。我最初在未发表的著作中，采用了 "生物起源 "一词来表达同样的意思，即生命的起源或开始。但与此同时，“生物起源”这个词已经被一位杰出的生物学家Huxley独立地使用了，他希望使它具有完全不同的意义。他还介绍了“非生物起源”这个词。然而，我从最权威的人士那里得知，这些词无论它们来自什么语言，都不应具有最近公开赋予它们的含义。为了避免一切不必要的混淆，我因此放弃了使用 "生物起源 "这个词，而且由于刚才所讲的原因，我无法采用另一个词，我不得不引入一个新词，以便指定生命物质被认为是独立于先前存在的生命物质而产生的过程。
自19世纪末以来，'演化性非生物起源'是指物质从惰性状态到生命状态的复杂性和演化性的增加。

=== Oparin: Primordial soup hypothesis ===
奥帕林 Oparin：原始汤假说
{{Main|Primordial soup}}

{{further|Miller–Urey experiment}}

There is no single generally accepted model for the origin of life. Scientists have proposed several plausible hypotheses which share some common elements. While differing in details, these hypotheses are based on the framework laid out by [[Alexander Oparin]] (in 1924) and [[J. B. S. Haldane|John Haldane]] (in 1925), that the first molecules constituting the earliest cells < blockquote >. . . were synthesized under natural conditions by a slow process of molecular evolution, and these molecules then organized into the first molecular system with properties with biological order".<ref name="bah2">{{cite journal|last=Bahadur|first=Krishna|year=1973|title=Photochemical Formation of Self–sustaining Coacervates|url=http://www.dli.gov.in/rawdataupload/upload/insa/INSA_1/20005b73_455.pdf|url-status=dead|journal=Proceedings of the Indian National Science Academy|volume=39B|issue=4|pages=455–467|doi=10.1016/S0044-4057(75)80076-1|pmid=1242552|archiveurl=https://web.archive.org/web/20131019172800/http://www.dli.gov.in/rawdataupload/upload/insa/INSA_1/20005b73_455.pdf|archivedate=19 October 2013}}

对于生命的起源，没有一个普遍接受的模式。科学家们提出了几种似乎可信的假说，这些假说有一些共同的内容。这些假说虽然在细节上有所不同，但都是基于亚历山大·奥帕林Alexander Oparin(1924年)和约翰·霍尔丹John Haldane(1925年)提出的框架，即构成最早的细胞的第一批分子。

< blockquote >
...是在自然条件下通过缓慢的分子进化过程合成的，然后这些分子组成第一个具有生物秩序特性的分子系统"。
< blockquote >

* {{cite journal|last=Bahadur|first=Krishna|year=1975|title=Photochemical Formation of Self-Sustaining Coacervates|journal=[[Microbiological Research|Zentralblatt für Bakteriologie, Parasitenkunde, Infektionskrankheiten und Hygiene]]|volume=130|issue=3|pages=211–218|doi=10.1016/S0044-4057(75)80076-1|oclc=641018092|pmid=1242552}}</ref> < /blockquote >Oparin and Haldane suggested that the atmosphere of the early Earth may have been chemically reducing in nature, composed primarily of methane (CH4), ammonia (NH3), water (H2O), hydrogen sulfide (H2S), carbon dioxide (CO2) or carbon monoxide (CO), and [[phosphate]] (PO43−), with molecular oxygen (O2) and [[ozone]] (O3) either rare or absent. According to later models, the atmosphere in the late Hadean period consisted largely of nitrogen (N2) and carbon dioxide, with smaller amounts of carbon monoxide, hydrogen (H2), and sulfur compounds;<ref>{{harvnb|Kasting|1993|p=922}}</ref> while it did lack molecular oxygen and ozone,<ref>{{harvnb|Kasting|1993|p=920}}</ref> it was not as chemically reducing as Oparin and Haldane supposed.

Oparin和Haldane提出，早期地球的大气可能具有化学还原性，主要由甲烷(CH4)、氨(NH3)、水(H2O)、硫化氢(H2S、二氧化碳(CO2)或一氧化碳(CO)和磷酸盐(PO43−)组成，分子氧(O2)和臭氧(O3)很少或没有。根据后来的模型，冥古代晚期的大气主要由氮气(N2)和二氧化碳组成，还有少量的一氧化碳、氢气(H2)和硫磺化合物;虽然它确实缺乏分子氧和臭氧，但它并不像Oparin和Haldane所认为的那样具有化学还原性。

No new notable research or hypothesis on the subject appeared until 1924, when Oparin reasoned that atmospheric oxygen prevents the synthesis of certain organic compounds that are necessary building blocks for life. In his book ''The Origin of Life'',<ref>{{harvnb|Bernal|1967|loc=[http://www.valencia.edu/~orilife/textos/The%20Origin%20of%20Life.pdf ''The Origin of Life'' (A.I. Oparin, 1924), pp. 199–234]}}</ref><ref>{{harvnb|Oparin|1953}}</ref> he proposed (echoing Darwin) that the "spontaneous generation of life" that had been attacked by Pasteur did, in fact, occur once, but was now impossible because the conditions found on the early Earth had changed, and preexisting organisms would immediately consume any spontaneously generated organism. Oparin argued that a "primeval soup" of organic molecules could be created in an oxygenless atmosphere through the action of [[sunlight]]. These would combine in ever more complex ways until they formed [[coacervate]] droplets. These droplets would "[[cell growth|grow]]" by fusion with other droplets, and "[[reproduction|reproduce]]" through fission into daughter droplets, and so have a primitive [[metabolism]] in which factors that promote "cell integrity" survive, and those that do not become [[Extinction|extinct]]. Many modern theories of the origin of life still take Oparin's ideas as a starting point.

直到1924年，才出现了关于这个问题的新的著名研究或假说，Oparin推理出大气中的氧气阻碍了某些有机化合物的合成，而这些有机化合物是生命的必要构件。在他的《生命的起源》一书中，他提出(与Darwin相呼应)，被Pasteur抨击的 "生命的自然发生"事实上确实曾经发生过，但现在是不可能的，因为早期地球上发现的条件已经发生了变化，先前存在的生物体会立即消耗任何自发产生的生物体。Oparin认为，在无氧的大气中，通过太阳光的作用，可以产生有机分子的 "原始汤"。这些分子会以越来越复杂的方式结合在一起，直到形成凝聚的液滴。这些液滴会通过与其他液滴的融合而"生长"，并通过裂变"繁殖"成子液滴，因此具有原始的新陈代谢，在这种新陈代谢中，能促进 "细胞完整性"的因子得以生存，而不能促进的因子则会灭绝。现代许多关于生命起源的理论仍然以Oparin的思想为出发点。

About this time, Haldane suggested that the Earth's prebiotic oceans (quite different from their modern counterparts) would have formed a "hot dilute soup" in which organic compounds could have formed. Bernal called this idea ''biopoiesis'' or ''biopoesis'', the process of living matter evolving from self-replicating but non-living molecules,<ref name="Bernal 1967" /><ref>{{harvnb|Bryson|2004|pp=300–302}}</ref> and proposed that biopoiesis passes through a number of intermediate stages.

大约在这个时候，Haldane提出，地球上的前生物海洋（与现代的同类海洋截然不同）会形成一种 "热稀汤"，有机化合物可能在其中形成。Bernal将这一观点称为“生物创建”或“生物创造”，即有生命的物质从自我复制但无生命的分子中演化出来的过程，并提出生物创建经过许多中间阶段。

[[Robert Shapiro (chemist)|Robert Shapiro]] has summarized the "primordial soup" theory of Oparin and Haldane in its "mature form" as follows:<ref>{{harvnb|Shapiro|1987|p=110}}</ref>

罗伯特·夏皮罗Robert Shapiro将Oparin和Haldane的 "原始汤"理论的 "成熟形态 "总结如下：

# The early Earth had a chemically [[reducing atmosphere]].

早期的地球有一个化学还原的大气层。

# This atmosphere, exposed to [[energy]] in various forms, produced simple organic compounds ("[[monomer]]s").

这种大气层暴露在各种形式的能量之下，产生了简单的有机化合物（"单质"）。

# These compounds accumulated in a "soup" that may have concentrated at various locations (shorelines, [[Hydrothermal vent|oceanic vents]] etc.).

这些化合物积聚在 "汤 "中，可能集中在不同的地点（海岸线、海洋喷口等）。

# By further transformation, more complex organic [[polymer]]s—and ultimately life—developed in the soup.

通过进一步的转化，更复杂的有机聚合物--最终在汤中发展出生命。

===John Bernal===
约翰•伯纳尔
John Bernal showed that based upon this and subsequent work there is no difficulty in principle in forming most of the molecules we recognize as the necessary molecules for life from their inorganic precursors. The underlying hypothesis held by Oparin, Haldane, Bernal, Miller and Urey, for instance, was that multiple conditions on the primeval Earth favoured chemical reactions that synthesized the same set of complex organic compounds from such simple precursors.

John Bernal 表明，基于这一研究和随后的工作，从无机前体中形成我们所认识到的生命所必需的大部分分子原则上没有困难。例如，Oparin、Haldane、Bernal、Miller和Urey所持的基本假设是，原始地球上的多种条件有利于化学反应从这些简单的前体合成同一组复杂的有机化合物。

Bernal coined the term ''biopoiesis'' in 1949 to refer to the origin of life.<ref>{{harvnb|Bernal|1951}}</ref> In 1967, he suggested that it occurred in three "stages":

Bernal在1949年创造了“生物创建”这一术语，用来指代生命的起源。1967年，他提出生命的起源是分三个 "阶段 "发生的。

# the origin of biological monomers

生物单体的起源

# the origin of biological polymers

生物聚合物的起源

# the evolution from molecules to cells

从分子到细胞的演变

Bernal suggested that evolution commenced between stages 1 and 2. Bernal regarded the third stage, in which biological reactions were incorporated behind a cell's boundary, as the most difficult. Modern work on the way that [[cell membrane]]s self-assemble, and the work on micropores in various substrates, may be a key step towards understanding the development of independent free-living cells.<ref>{{cite journal |last= Martin |first= William F. |authorlink= William F. Martin |date= January 2003 |title= On the origins of cells: a hypothesis for the evolutionary transitions from abiotic geochemistry to chemoautotrophic prokaryotes, and from prokaryotes to nucleated cells |journal=Phil. Trans. R. Soc. Lond. A |volume= 358 |issue= 1429 |pages= 59–83 |doi= 10.1098/rstb.2002.1183 |pmid=12594918 |pmc=1693102}}</ref><ref>{{cite journal |last= Bernal |first= John Desmond |authorlink= John Desmond Bernal |date= September 1949 |title= The Physical Basis of Life |journal= Proceedings of the Physical Society, Section A |volume= 62 |issue= 9 |pages= 537–558 |bibcode= 1949PPSA...62..537B |doi= 10.1088/0370-1298/62/9/301 }}</ref><ref>{{harvnb|Kauffman|1995}}</ref>

Bernal认为，进化始于第一和第二阶段之间。Bernal认为第三阶段是最困难的阶段，在这一阶段，生物反应被纳入细胞的边界之后。现代对细胞膜自组装方式的研究，以及对各种基质中微孔的研究，可能是理解独立自主生活细胞发展的关键一步。

===Miller–Urey experiment===

米勒-乌雷实验

[[File:Miller1999.jpg|thumb|left|upright|Stanley Miller]]

斯坦利·米勒

[[File:Miller-Urey.jpg|thumb|upright=1.5|Miller–Urey experiment JP]]

Miller–Urey实验JP

One of the most important pieces of experimental support for the "soup" theory came in 1952. [[Stanley L. Miller|Stanley Miller]] and [[Harold C. Urey|Harold Urey]] performed an experiment that demonstrated how organic molecules could have spontaneously formed from inorganic precursors under conditions like those posited by the Oparin-Haldane hypothesis. The now-famous [[Miller–Urey experiment]] used a highly reducing mixture of gases—[[methane]], [[ammonia]], and [[hydrogen gas|hydrogen]], as well as [[water vapor]]—to form simple organic monomers such as amino acids.<ref>{{cite journal |last=Miller |first=Stanley L. |authorlink=Stanley Miller |date=15 May 1953 |title=A Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions |journal=[[Science (journal)|Science]] |volume=117 |issue=3046 |pages=528–529 |bibcode=1953Sci...117..528M |doi=10.1126/science.117.3046.528 |pmid=13056598}}</ref> The mixture of gases was cycled through an apparatus that delivered electrical sparks to the mixture. After one week, it was found that about 10% to 15% of the carbon in the system was then in the form of a [[racemic mixture]] of organic compounds, including amino acids, which are the building blocks of [[protein]]s. This provided direct experimental support for the second point of the "soup" theory, and it is around the remaining two points of the theory that much of the debate now centers.

“汤 ”理论最重要的实验支持之一是在1952年。Stanley Miller和Harold Urey做了一个实验，证明了在类似Oparin-Haldane假说所提出的条件下，有机分子是如何从无机前体自发形成的。现在著名的Miller-Urey实验使用高度还原性的混合气体--甲烷、氨、氢以及水蒸气—来形成简单的有机单体，如氨基酸。混合气体通过一个装置循环，将电火花传递到混合物中。一周后，发现系统中约有10%至15%的碳以有机化合物的外消旋混合物的形式存在，其中包括氨基酸，而氨基酸是蛋白质的构件。这为 "汤 "理论的第二点提供了直接的实验支持，而现在很多争论的焦点正是围绕着该理论的其余两点。

A 2011 reanalysis of the saved vials containing the original extracts that resulted from the Miller and Urey experiments, using current and more advanced analytical equipment and technology, has uncovered more biochemicals than originally discovered in the 1950s. One of the more important findings was 23 amino acids, far more than the five originally found.<ref name="pmid21422282">{{cite journal |last1=Parker |first1=Eric T. |last2=Cleaves |first2=Henderson J. |last3=Dworkin |first3=Jason P. |last4=Glavin |first4=Daniel P. |last5=Callahan |first5=Michael |last6=Aubrey |first6=Andrew |last7=Lazcano |first7=Antonio |last8=Bada |first8=Jeffrey L. |display-authors=3 |date=5 April 2011 |title=Primordial synthesis of amines and amino acids in a 1958 Miller H2S-rich spark discharge experiment |journal=Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. |volume=108 |issue=14 |pages=5526–5531 |bibcode=2011PNAS..108.5526P |doi=10.1073/pnas.1019191108 |pmc=3078417 |pmid=21422282 }}</ref>

2011年，利用目前更先进的分析设备和技术，对Miller和Urey实验产生的含有原始提取物的保存瓶进行了重新分析，发现了比20世纪50年代最初发现的更多的生化物质。其中比较重要的发现是23种氨基酸，远远超过原来发现的5种。

== Primordial origin of biological molecules: Chemistry ==

生物分子的原始起源：化学

The chemical processes on the pre-biotic early Earth are called [[chemical evolution (disambiguation)|''chemical evolution'']].
The [[Chemical element|elements]], except for hydrogen and helium, ultimately derive from [[stellar nucleosynthesis]]. In 2016, astronomers reported that the very basic chemical ingredients of [[life]]—the [[Carbon-hydrogen bond|carbon-hydrogen molecule]] (CH, or [[methylidyne radical]]), the carbon-hydrogen positive ion (CH+) and the carbon ion (C+)—are largely the result of [[ultraviolet light]] from stars, rather than other forms of radiation from [[supernovae]] and [[young star]]s, as thought earlier.<ref name="NASA-20161012">{{cite web |last=Landau |first=Elizabeth |title=Building Blocks of Life's Building Blocks Come From Starlight |url=http://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=6645 |date=12 October 2016 |work=[[NASA]] |accessdate=13 October 2016 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20161013135018/http://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=6645 |archivedate=13 October 2016}}</ref> Complex molecules, including organic molecules, form naturally both in space and on planets.<ref name="Ehrenfreund2010" /> There are two possible sources of organic molecules on the early Earth:

生物前的早期地球的化学过程称为“化学进化”。除氢和氦外，其他元素最终都来自于恒星核合成。2016年，天文学家报告说，生命的非常基本的化学成分--碳氢分子（CH，或称次甲基自由基）、碳氢正离子（CH+）和碳离子（C+）--主要是来自恒星的紫外线的结果，而不是之前认为的来自超新星和年轻恒星的其他辐射形式。复杂的分子，包括有机分子，在太空和行星上自然形成。早期地球上的有机分子有两种可能的来源：

# Terrestrial origins – organic molecule synthesis driven by impact shocks or by other energy sources (such as UV light, [[Organic redox reaction|redox]] coupling, or electrical discharges; e.g., Miller's experiments)

地球起源 -- -- 撞击冲击或其他能量源(如紫外光、氧化还原耦合或放电；如，Miller的实验)驱动的有机分子合成。

# Extraterrestrial origins – formation of organic molecules in [[Interstellar cloud|interstellar dust clouds]], which rain down on planets.<ref name="Gawlowicz 2011">{{cite news |last=Gawlowicz |first=Susan |date=6 November 2011 |title=Carbon-based organic 'carriers' in interstellar dust clouds? Newly discovered diffuse interstellar bands |url=https://www.sciencedaily.com/releases/2011/11/111102161149.htm |work=[[Science Daily]] |location=Rockville, MD |publisher=ScienceDaily, LLC |accessdate=2015-06-08 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150711114643/https://www.sciencedaily.com/releases/2011/11/111102161149.htm |archivedate=11 July 2015}} Post is reprinted from materials provided by the [[Rochester Institute of Technology]].

地外起源--星际尘埃云中有机分子的形成，这些尘埃云降到行星上。

=== Observed extraterrestrial organic molecules ===

观察到的地外有机分子

{{See also|List of interstellar and circumstellar molecules|Panspermia#Pseudo-panspermia}}

An organic compound is any member of a large class of gaseous, liquid, or solid chemicals whose molecules contain carbon. Carbon is the [[Abundance of the chemical elements|fourth most abundant element in the Universe by mass]] after hydrogen, [[helium]], and oxygen.<ref>{{cite encyclopedia |encyclopedia=Encyclopedia of Science |title=biological abundance of elements |url=http://www.daviddarling.info/encyclopedia/E/elbio.html |publisher=David Darling Enterprises |location=Dundee, Scotland |accessdate=2008-10-09 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20120204033420/http://www.daviddarling.info/encyclopedia/E/elbio.html |archivedate=4 February 2012}}</ref> Carbon is abundant in the Sun, stars, comets, and in the [[Celestial body's atmosphere|atmospheres]] of most planets.<ref name="NASA-20140221">{{cite web |url=http://www.nasa.gov/ames/need-to-track-organic-nano-particles-across-the-universe-nasas-got-an-app-for-that/ |title=Need to Track Organic Nano-Particles Across the Universe? NASA's Got an App for That |last=Hoover |first=Rachel |date=21 February 2014 |website=[[Ames Research Center]] |publisher=NASA |location=Mountain View, CA |accessdate=2015-06-22 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150906061428/http://www.nasa.gov/ames/need-to-track-organic-nano-particles-across-the-universe-nasas-got-an-app-for-that/ |archivedate=6 September 2015}}</ref> Organic compounds are relatively common in space, formed by "factories of complex molecular synthesis" which occur in [[molecular cloud]]s and [[circumstellar envelope]]s, and chemically evolve after reactions are initiated mostly by [[ionizing radiation]].<ref name="Ehrenfreund2010">{{cite journal |last1=Ehrenfreund |first1=Pascale |last2=Cami |first2=Jan |date=December 2010 |title=Cosmic carbon chemistry: from the interstellar medium to the early Earth. |journal=Cold Spring Harbor Perspectives in Biology |volume=2 |issue=12 |page=a002097 |doi=10.1101/cshperspect.a002097 |pmc=2982172 |pmid=20554702}}</ref><ref name="FromADistantComet">{{cite news |last=Chang |first=Kenneth |date=18 August 2009 |title=From a Distant Comet, a Clue to Life |url=https://www.nytimes.com/2009/08/19/science/space/19comet.html |newspaper=The New York Times |location=New York |page=A18 |accessdate=2015-06-22 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150623005046/http://www.nytimes.com/2009/08/19/science/space/19comet.html |archivedate=23 June 2015}}</ref><ref>{{cite journal |last1=Goncharuk |first1=Vladislav V. |last2=Zui |first2=O. V. |date=February 2015 |title=Water and carbon dioxide as the main precursors of organic matter on Earth and in space |journal=Journal of Water Chemistry and Technology |volume=37 |issue=1 |pages=2–3 |doi=10.3103/S1063455X15010026 |s2cid=97965067 }}</ref><ref>{{cite journal |last1=Abou Mrad |first1=Ninette |last2=Vinogradoff |first2=Vassilissa |last3=Duvernay |first3=Fabrice |last4=Danger |first4=Grégoire |last5=Theulé |first5=Patrice |last6=Borget |first6=Fabien |last7=Chiavassa |first7=Thierry |display-authors=3 |year=2015 |title=Laboratory experimental simulations: Chemical evolution of the organic matter from interstellar and cometary ice analogs |url=http://popups.ulg.ac.be/0037-9565/index.php?id=4621&file=1|journal=Bulletin de la Société Royale des Sciences de Liège |volume=84 |pages=21–32 |bibcode=2015BSRSL..84...21A |accessdate=2015-04-06 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150413050621/http://popups.ulg.ac.be/0037-9565/index.php?id=4621&file=1 |archivedate=13 April 2015}}</ref> Based on [[computer simulation|computer model studies]], the complex organic molecules necessary for life may have formed on dust grains in the protoplanetary disk surrounding the Sun before the formation of the Earth.<ref name="Space-20120329" /> According to the computer studies, this same process may also occur around other stars that acquire planets.<ref name="Space-20120329" />

有机化合物是指分子中含有碳的一大类气态、液态或固态化学物质的任何成员。按质量计算，碳是宇宙中仅次于氢、氦和氧的第四大丰富元素。碳在太阳、恒星、彗星和大多数行星的大气层中含量丰富。有机化合物在太空中比较常见，是由分子云和环星包层中出现的 "复杂分子合成工厂"形成的，主要由电离辐射引发反应后发生化学演变。根据计算机模型研究，在地球形成之前，生命所需的复杂有机分子可能已经在太阳周围原行星盘的尘粒上形成。根据计算机研究，这一过程也可能发生在其他获得行星的恒星周围。

====Amino acids====
氨基酸
NASA announced in 2009 that scientists had identified another fundamental chemical building block of life in a comet for the first time, glycine, an amino acid, which was detected in material ejected from comet [[81P/Wild|Wild 2]] in 2004 and grabbed by NASA's [[Stardust (spacecraft)|''Stardust'']] probe. Glycine has been detected in meteorites before. Carl Pilcher, who leads the [[NASA Astrobiology Institute]] commented that < blockquote >The discovery of glycine in a comet supports the idea that the fundamental building blocks of life are prevalent in space, and strengthens the argument that life in the universe may be common rather than rare.<ref>{{cite news |author= |date=18 August 2009 |title='Life chemical' detected in comet |url=http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/8208307.stm |work=BBC News |location=London |accessdate=2015-06-23 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150525071228/http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/8208307.stm |archivedate=25 May 2015}}</ref>< /blockquote > Comets are encrusted with outer layers of dark material, thought to be a [[tar]]-like substance composed of complex organic material formed from simple carbon compounds after reactions initiated mostly by ionizing radiation. It is possible that a rain of material from comets could have brought significant quantities of such complex organic molecules to Earth.<ref>{{cite journal |last1=Thompson |first1=William Reid |last2=Murray |first2=B. G. |last3=Khare |first3=Bishun Narain |authorlink3=Bishun Khare |last4=Sagan |first4=Carl |date=30 December 1987 |title=Coloration and darkening of methane clathrate and other ices by charged particle irradiation: Applications to the outer solar system |journal=[[Journal of Geophysical Research]] |volume=92 |issue=A13 |pages=14933–14947 |bibcode=1987JGR....9214933T |doi=10.1029/JA092iA13p14933 |pmid=11542127}}</ref><ref>{{cite web |url=https://www.llnl.gov/news/life-earth-shockingly-comes-out-world |title=Life on Earth shockingly comes from out of this world |last=Stark |first=Anne M. |date=5 June 2013 |publisher=[[Lawrence Livermore National Laboratory]] |location=Livermore, CA |accessdate=2015-06-23 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150916135630/https://www.llnl.gov/news/life-earth-shockingly-comes-out-world |archivedate=16 September 2015}}</ref><ref>{{cite journal |last1=Goldman |first1=Nir |last2=Tamblyn |first2=Isaac |date=20 June 2013 |title=Prebiotic Chemistry within a Simple Impacting Icy Mixture |journal=[[Journal of Physical Chemistry A]] |volume=117 |issue=24 |pages=5124–5131 |doi=10.1021/jp402976n |pmid=23639050|bibcode=2013JPCA..117.5124G |url=http://nparc.nrc-cnrc.gc.ca/eng/view/fulltext/?id=e89d2ac7-4cf8-40e0-bcc9-3c53f68ed70a }}</ref> Amino acids which were formed extraterrestrially may also have arrived on Earth via comets.<ref name="Follmann2009" /> It is estimated that during the Late Heavy Bombardment, meteorites may have delivered up to five million [[ton]]s of organic prebiotic elements to Earth per year.<ref name="Follmann2009" />

美国宇航局在2009年宣布，科学家们首次在彗星中发现了生命的另一个基本化学构件--甘氨酸，这是一种氨基酸，在2004年从荒野2号彗星喷出的物质中检测到，并被美国宇航局的 "星尘 "探测器抓取。甘氨酸此前也曾在陨石中被检测到。领导美国宇航局天体生物学研究所的卡尔·皮尔彻Carl Pilcher说。

在一颗彗星中发现甘氨酸，支持了生命的基本组成构件在太空中普遍存在的观点，并加强了宇宙中的生命可能是常见而非罕见的论点。

彗星外层包裹着深色物质，被认为是一种焦油状物质，由简单的碳化合物经过主要由电离辐射引发的反应后形成的复杂有机物质组成。彗星的物质雨有可能将大量的这种复杂的有机分子带到地球上。在外星形成的氨基酸也可能通过彗星到达地球。据估计，在晚期重型轰炸期间，陨石每年可能向地球输送多达500万吨的有机前生物元素。

==== PAH world hypothesis ====

多环芳烃世界假说

{{Main|PAH world hypothesis}}

[[Polycyclic aromatic hydrocarbon]]s (PAH) are the most common and abundant of the known polyatomic molecules in the [[observable universe]], and are considered a likely constituent of the [[primordial sea]].<ref name="SP-20051018" /><ref name="AJ-20051010" /><ref name="NASA-20110413" /> In 2010, PAHs, have been detected in [[nebula]]e.<ref name="AJL-20101120">{{cite journal |last1=García-Hernández |first1=Domingo. A. |last2=Manchado |first2=Arturo |last3=García-Lario |first3=Pedro |last4=Stanghellini |first4=Letizia |last5=Villaver |first5=Eva |last6=Shaw |first6=Richard A. |last7=Szczerba |first7=Ryszard |last8=Perea-Calderón |first8=Jose Vicente |display-authors=3 |date=20 November 2010 |title=Formation of Fullerenes in H-Containing Planetary Nebulae |journal=The Astrophysical Journal Letters |volume=724 |issue=1 |pages=L39–L43 |arxiv=1009.4357 |bibcode=2010ApJ...724L..39G |doi=10.1088/2041-8205/724/1/L39 |s2cid=119121764 }}</ref>

多环芳烃（PAH）是可观测宇宙中已知的多原子分子中最常见、最丰富的一种，被认为是原始海的一种可能成分。

-->

[[File:PIA22568-CatsPawNebula-Spitzer-20181023.jpg|thumb|upright=1.3|The [[Cat's Paw Nebula]] lies inside the [[Milky Way Galaxy]] and is located in the [[constellation]] [[Scorpius]]. Green areas show regions where radiation from hot stars collided with large molecules and small dust grains called "[[polycyclic aromatic hydrocarbon]]s" (PAHs), causing them to [[fluoresce]]. ([[Spitzer space telescope]], 2018)]]

该猫掌星云位于银河系内并位于星座天蝎座。绿色区域表示来自热星的辐射与大分子和称为“多环芳烃”（PAHs）的小尘埃碰撞而导致发荧光的区域。
（斯皮策太空望远镜，2018）

Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) are known to be abundant in the universe,<ref name="SP-20051018">{{cite news |last= Carey |first= Bjorn |date= 18 October 2005 |title= Life's Building Blocks 'Abundant in Space' |url= http://www.space.com/1686-life-building-blocks-abundant-space.html |website= Space.com |location= Watsonville, CA |publisher= [[Imaginova]] |accessdate= 2015-06-23 |url-status= live |archiveurl= https://web.archive.org/web/20150626223942/http://www.space.com/1686-life-building-blocks-abundant-space.html |archivedate= 26 June 2015}}</ref><ref name="AJ-20051010">{{cite journal |last1=Hudgins |first1= Douglas M. |last2=Bauschlicher |first2=Charles W. Jr. |last3=Allamandola |first3=Louis J. |date=10 October 2005 |title=Variations in the Peak Position of the 6.2 μm Interstellar Emission Feature: A Tracer of N in the Interstellar Polycyclic Aromatic Hydrocarbon Population |journal=[[The Astrophysical Journal]] |volume=632 |pages=316–332 |issue=1 |bibcode=2005ApJ...632..316H |doi=10.1086/432495 |citeseerx=10.1.1.218.8786 }}</ref><ref name="NASA-20110413">{{cite web|url=http://amesteam.arc.nasa.gov/Research/cosmic.html |title=Cosmic Distribution of Chemical Complexity |last1=Des Marais |first1=David J. |last2=Allamandola |first2=Louis J. |last3=Sandford |first3=Scott |authorlink3=Scott Sandford |last4=Mattioda |first4=Andrew |last5=Gudipati |first5=Murthy |last6=Roser |first6=Joseph |last7=Bramall |first7=Nathan |last8=Nuevo |first8=Michel |last9=Boersma |first9=Christiaan |last10=Bernstein |first10=Max |last11=Peeters |first11=Els |last12=Cami |first12=Jan |last13=Cook |first13=Jamie Elsila |last14=Dworkin |first14=Jason |display-authors=3 |year=2009 |website=Ames Research Center |publisher=NASA |location=Mountain View, CA |accessdate=2015-06-24 |url-status=dead |archiveurl=https://web.archive.org/web/20140227184503/http://amesteam.arc.nasa.gov/Research/cosmic.html |archivedate=27 February 2014}} See the Ames Research Center 2009 annual team report to the [[NASA Astrobiology Institute]] here {{cite web|url=https://astrobiology.nasa.gov/nai/reports/annual-reports/2009/arc/ |title=Archived copy |accessdate=2015-06-24 |url-status=dead |archiveurl=https://web.archive.org/web/20130301064911/https://astrobiology.nasa.gov/nai/reports/annual-reports/2009/arc/ |archivedate=1 March 2013}}.</ref> including in the [[interstellar medium]], in comets, and in meteorites, and are some of the most complex molecules so far found in space.<ref name="NASA-20140221" />

众所周知，多环芳烃在宇宙中非常丰富，包括在星际介质、彗星和陨石中，是迄今为止在空间发现的一些最复杂的分子。

Other sources of complex molecules have been postulated, including extraterrestrial stellar or interstellar origin. For example, from spectral analyses, organic molecules are known to be present in comets and meteorites. In 2004, a team detected traces of PAHs in a nebula.<ref>{{cite conference |last1=Witt |first1=Adolf N. |last2=Vijh |first2=Uma P. |last3=Gordon |first3=Karl D. |date=January 2004 |title=Discovery of Blue Fluorescence by Polycyclic Aromatic Hydrocarbon Molecules in the Red Rectangle |url=https://aas.org/archives/BAAS/v35n5/aas203/189.htm |publisher=[[American Astronomical Society]] |bibcode=2003AAS...20311017W |archiveurl=https://web.archive.org/web/20031219175322/http://www.aas.org/publications/baas/v35n5/aas203/189.htm |archivedate=19 December 2003 |url-status=dead |conference=American Astronomical Society Meeting 203 |location=Atlanta, GA |access-date=16 January 2019 }}</ref> In 2010, another team also detected PAHs, along with fullerenes, in nebulae.<ref name="AJL-20101120" /> The use of PAHs has also been proposed as a precursor to the RNA world in the PAH world hypothesis.<ref>{{Cite journal|last1=d'Ischia|first1=Marco|last2=Manini|first2=Paola|last3=Moracci|first3=Marco|last4=Saladino|first4=Raffaele|last5=Ball|first5=Vincent|last6=Thissen|first6=Helmut|last7=Evans|first7=Richard A.|last8=Puzzarini|first8=Cristina|last9=Barone|first9=Vincenzo|date=2019-08-21|title=Astrochemistry and Astrobiology: Materials Science in Wonderland?|journal=International Journal of Molecular Sciences|volume=20|issue=17|pages=4079|doi=10.3390/ijms20174079|issn=1422-0067|pmc=6747172|pmid=31438518}}</ref> The [[Spitzer Space Telescope]] has detected a star, HH 46-IR, which is forming by a process similar to that by which the Sun formed. In the disk of material surrounding the star, there is a very large range of molecules, including cyanide compounds, [[hydrocarbon]]s, and carbon monoxide. In 2012, NASA scientists reported that PAHs, subjected to interstellar medium conditions, are transformed, through [[hydrogenation]], [[Oxygenate|oxygenation]] and [[hydroxylation]], to more complex organics—"a step along the path toward amino acids and nucleotides, the raw materials of proteins and DNA, respectively."<ref name="Space-20120920">{{cite web |url= http://www.space.com/17681-life-building-blocks-nasa-organic-molecules.html |title= NASA Cooks Up Icy Organics to Mimic Life's Origins |date= 20 September 2012 |website= Space.com |location= Ogden, UT |publisher= Purch |accessdate= 2015-06-26 |url-status= live |archiveurl= https://web.archive.org/web/20150625035023/http://www.space.com/17681-life-building-blocks-nasa-organic-molecules.html |archivedate= 25 June 2015}}</ref><ref name="AJL-20120901">{{cite journal |last1=Gudipati |first1=Murthy S. |author2=Rui Yang |date=1 September 2012 |title=In-situ Probing of Radiation-induced Processing of Organics in Astrophysical Ice Analogs – Novel Laser Desorption Laser Ionization Time-of-flight Mass Spectroscopic Studies |journal=The Astrophysical Journal Letters |volume=756 |issue=1 |bibcode=2012ApJ...756L..24G |doi=10.1088/2041-8205/756/1/L24 |pages=L24}}</ref> Further, as a result of these transformations, the PAHs lose their [[Spectroscopy|spectroscopic signature]] which could be one of the reasons "for the lack of PAH detection in [[interstellar ice]] grains, particularly the outer regions of cold, dense clouds or the upper molecular layers of protoplanetary disks."<ref name="Space-20120920" /><ref name="AJL-20120901" />

复杂分子的其他来源也被推测出来，包括地外恒星或星际起源。例如，根据光谱分析，已知有机分子存在于彗星和陨石中。2004年，一个团队在一个星云中检测到了多环芳烃的痕迹。2010年，另一个团队也在星云中检测到了多环芳烃以及富勒烯。"多环芳烃世界"假说中还提出将多环芳烃作为RNA世界的前导。斯皮策太空望远镜探测到一颗恒星HH 46-IR，它的形成过程与太阳的形成过程相似。在恒星周围的物质盘中，有非常多的分子，包括氰化合物、碳氢化合物和一氧化碳。2012年，美国宇航局的科学家报告说，多环芳烃在星际介质条件下，通过氢化、氧化和羟基化，转化为更复杂的有机物--"分别是向氨基酸和核苷酸（蛋白质和DNA的原料）道路上迈进的一步。 "此外，由于这些转化，多环芳烃失去了它们的光谱特征，这可能是 "星际冰粒，特别是寒冷的稠密云的外部区域或原行星盘的上层分子层中，缺乏检测到多环芳烃的原因之一。"

NASA maintains a database for tracking PAHs in the universe.<ref name="NASA-20140221" /><ref>{{cite web |url=http://www.astrochem.org/pahdb/ |title=NASA Ames PAH IR Spectroscopic Database |publisher=NASA |accessdate=2015-06-17 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150629185734/http://www.astrochem.org/pahdb/ |archivedate=29 June 2015}}</ref> More than 20% of the carbon in the universe may be associated with PAHs,<ref name="NASA-20140221" /><ref name="NASA-20140221" /> possible starting materials for the formation of life. PAHs seem to have been formed shortly after the Big Bang, are widespread throughout the universe,<ref name="SP-20051018" /><ref name="AJ-20051010" /><ref name="NASA-20110413" /> and are associated with [[Star formation|new stars]] and [[exoplanet]]s.<ref name="NASA-20140221" />

美国宇航局维护着一个追踪宇宙中多环芳烃的数据库。宇宙中超过20%的碳可能与多环芳烃有关，可能是生命形成的起始材料。多环芳烃似乎是在宇宙大爆炸后不久形成的，在宇宙中广泛存在，并与新的恒星和系外行星有关。

====Nucleobases====
核酸碱基
Observations suggest that the majority of organic compounds introduced on Earth by interstellar dust particles are considered principal agents in the formation of complex molecules, thanks to their peculiar [[catalysis|surface-catalytic]] activities.<ref name="Lincei">{{cite journal |last=Gallori |first=Enzo |title=Astrochemistry and the origin of genetic material |journal=Rendiconti Lincei |date=June 2011 |volume=22 |issue=2 |pages=113–118 |doi=10.1007/s12210-011-0118-4 |s2cid=96659714 }} "Paper presented at the Symposium 'Astrochemistry: molecules in space and time' (Rome, 4–5 November 2010), sponsored by Fondazione 'Guido Donegani', Accademia Nazionale dei Lincei."</ref><ref>{{cite journal |last=Martins |first=Zita |authorlink=Zita Martins |date=February 2011 |title=Organic Chemistry of Carbonaceous Meteorites |journal=[[Elements (journal)|Elements]] |volume=7 |issue=1 |pages=35–40 |doi=10.2113/gselements.7.1.35 }}</ref> Studies reported in 2008, based on 12C/13C [[Natural abundance|isotopic ratios]] of organic compounds found in the Murchison meteorite, suggested that the RNA component uracil and related molecules, including [[xanthine]], were formed extraterrestrially.<ref name="Murch_base">{{cite journal |last1=Martins |first1=Zita |last2=Botta |first2=Oliver |last3=Fogel |first3=Marilyn L. |last4=Sephton |first4=Mark A. |last5=Glavin |first5=Daniel P. |last6=Watson |first6=Jonathan S. |last7=Dworkin |first7=Jason P. |last8=Schwartz |first8=Alan W. |last9=Ehrenfreund |first9=Pascale |display-authors=3 |date=15 June 2008 |title=Extraterrestrial nucleobases in the Murchison meteorite |journal=Earth and Planetary Science Letters |volume=270 |issue=1–2 |pages=130–136 |bibcode=2008E&PSL.270..130M |arxiv=0806.2286 |doi=10.1016/j.epsl.2008.03.026 |s2cid=14309508 }}</ref><ref>{{cite news |author= |date=14 June 2008 |title=We may all be space aliens: study |url=http://www.abc.net.au/news/2008-06-14/we-may-all-be-space-aliens-study/2471434 |location=Sydney |publisher=[[Australian Broadcasting Corporation]] |agency=[[Agence France-Presse]] |accessdate=2015-06-22 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150623073332/http://www.abc.net.au/news/2008-06-14/we-may-all-be-space-aliens-study/2471434 |archivedate=23 June 2015}}</ref> In 2011, a report based on [[NASA]] studies of meteorites found on Earth was published suggesting DNA components (adenine, guanine and related organic molecules) were made in outer space.<ref name="Lincei" /><ref name="Callahan">{{cite journal |last1=Callahan |first1=Michael P. |last2=Smith |first2=Karen E. |last3=Cleaves |first3=H. James, II |last4=Ruzica |first4=Josef |last5=Stern |first5=Jennifer C. |last6=Glavin |first6=Daniel P. |last7=House |first7=Christopher H. |last8=Dworkin |first8=Jason P. |display-authors=3 |date=23 August 2011 |title=Carbonaceous meteorites contain a wide range of extraterrestrial nucleobases |journal=Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. |volume=108 |issue=34 |pages=13995–13998 |bibcode=2011PNAS..10813995C |doi=10.1073/pnas.1106493108 |pmc=3161613 |pmid=21836052}}</ref><ref name="Steigerwald">{{cite web |url=http://www.nasa.gov/topics/solarsystem/features/dna-meteorites.html |title=NASA Researchers: DNA Building Blocks Can Be Made in Space |last=Steigerwald |first=John |date=8 August 2011 |work=[[Goddard Space Flight Center]] |publisher=NASA |location=Greenbelt, MD |accessdate=2015-06-23 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150623004556/http://www.nasa.gov/topics/solarsystem/features/dna-meteorites.html |archivedate=23 June 2015}}</ref> Scientists also found that the [[cosmic dust]] permeating the universe contains complex organics ("amorphous organic solids with a mixed [[Aromaticity|aromatic]]–[[Aliphatic compound|aliphatic]] structure") that could be created naturally, and rapidly, by stars.<ref name="Space-20111026">{{cite news |last= Chow |first= Denise |date= 26 October 2011 |title= Discovery: Cosmic Dust Contains Organic Matter from Stars |url= http://www.space.com/13401-cosmic-star-dust-complex-organic-compounds.html |website= Space.com |location= Ogden, UT |publisher= Purch |accessdate= 2015-06-23 |url-status= live |archiveurl= https://web.archive.org/web/20150714084901/http://www.space.com/13401-cosmic-star-dust-complex-organic-compounds.html |archivedate= 14 July 2015}}</ref><ref name="ScienceDaily-20111026">{{cite news |author=The University of Hong Kong |date=27 October 2011 |title=Astronomers discover complex organic matter exists throughout the universe |url=https://www.sciencedaily.com/releases/2011/10/111026143721.htm |location=Rockville, MD |publisher= ScienceDaily, LLC |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150703185252/https://www.sciencedaily.com/releases/2011/10/111026143721.htm |archivedate=3 July 2015|author-link=University of Hong Kong }}</ref><ref name="Nature-20111026">{{cite journal |author1=Sun Kwok |authorlink1=Sun Kwok |author2=Yong Zhang |date=3 November 2011 |title=Mixed aromatic–aliphatic organic nanoparticles as carriers of unidentified infrared emission features |journal=Nature |volume=479 |issue=7371 |pages=80–83 |bibcode=2011Natur.479...80K |doi=10.1038/nature10542 |pmid=22031328|s2cid=4419859 }}</ref> [[Sun Kwok]] of [[University of Hong Kong|The University of Hong Kong]] suggested that these compounds may have been related to the development of life on Earth said that "If this is the case, life on Earth may have had an easier time getting started as these organics can serve as basic ingredients for life."<ref name="Space-20111026" />

观测结果表明，星际尘埃颗粒引入地球的大多数有机化合物被认为是形成复杂分子的主要媒介，这是因为它们具有特殊的表面催化活性。2008年报告的研究基于在默奇森陨石中发现的有机化合物的12C/13C同位素比率，表明RNA成分尿嘧啶和相关分子，包括黄嘌呤，是在外星形成的。 2011年，发表了一份基于美国宇航局对在地球上发现的陨石的研究的报告，表明DNA成分（腺嘌呤、鸟嘌呤和相关有机分子）是在外太空制造的。科学家们还发现，弥漫在宇宙中的宇宙尘埃中含有复杂的有机物（"具有芳香族-脂肪族混合结构的无定形有机固体"），这些有机物可能是由恒星自然地、迅速地创造出来的。香港大学的郭新 Sun Kwok提出，这些化合物可能与地球上生命的发展有关，他说："如果是这样的话，地球上的生命可能更容易开始，因为这些有机物可以作为生命的基本原料。"

====The sugar glycolaldehyde====

糖-羟乙醛

[[File:Formation of Glycolaldehyde in star dust.png|thumb|Formation of [[glycolaldehyde]] in [[Cosmic dust|stardust]]]]

在星尘中羟乙醇醛的形成

Glycolaldehyde, the first example of an interstellar sugar molecule, was detected in the star-forming region near the centre of our galaxy. It was discovered in 2000 by Jes Jørgensen and Jan Hollis.<ref name=Hollis>{{cite web |url=http://www.nasa.gov/vision/universe/starsgalaxies/interstellar_sugar.html |title=Space Sugar's a Sweet Find |first1=Lara |last1=Clemence |last2=Cohen |first2=Jarrett |date=7 February 2005 |work=Goddard Space Flight Center |publisher=NASA |location=Greenbelt, MD |accessdate=2015-06-23 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20160305002758/http://www.nasa.gov/vision/universe/starsgalaxies/interstellar_sugar.html |archivedate=5 March 2016}}</ref> In 2012, Jørgensen's team reported the detection of glycolaldehyde in a distant star system. The molecule was found around the [[protostar|protostellar]] binary [[IRAS 16293-2422]] 400 [[Light-year|light years]] from Earth.<ref name="NG-20120829">{{cite news |last=Than |first=Ker |date=30 August 2012 |title=Sugar Found in Space: A Sign of Life? |url=http://news.nationalgeographic.com/news/2012/08/120829-sugar-space-planets-science-life/ |work=National Geographic News |location=Washington, D.C. |publisher=[[National Geographic Society]] |accessdate=2015-06-23 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150714073830/http://news.nationalgeographic.com/news/2012/08/120829-sugar-space-planets-science-life/ |archivedate=14 July 2015}}</ref><ref name="AP-20120829">{{cite news |author= |date=29 August 2012 |title=Sweet! Astronomers spot sugar molecule near star |url=http://apnews.excite.com/article/20120829/DA0V31D80.html |work=[[Excite]] |location=Yonkers, NY |publisher=[[Mindspark Interactive Network]] |agency=[[Associated Press]] |accessdate=2015-06-23 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150714101929/http://apnews.excite.com/article/20120829/DA0V31D80.html |archivedate=14 July 2015}}</ref><ref>{{cite web |url=http://www.news.leiden.edu/news-2012/building-blocks-for-life-found-on-young-star.html |title=Building blocks of life found around young star |author= |date=30 September 2012 |website=News & Events |publisher=[[Leiden University]] |location=Leiden, the Netherlands |accessdate=2013-12-11 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20131213135815/http://www.news.leiden.edu/news-2012/building-blocks-for-life-found-on-young-star.html |archivedate=13 December 2013}}</ref> Glycolaldehyde is needed to form RNA, which is similar in function to DNA. These findings suggest that complex organic molecules may form in stellar systems prior to the formation of planets, eventually arriving on young planets early in their formation.<ref>{{cite journal |last1=Jørgensen |first1=Jes K. |last2=Favre |first2=Cécile |last3=Bisschop |first3=Suzanne E. |last4=Bourke |first4=Tyler L. |last5=van Dishoeck |first5=Ewine F. |authorlink5=Ewine van Dishoeck |last6=Schmalzl |first6=Markus |display-authors=3 |date=2012 |title=Detection of the simplest sugar, glycolaldehyde, in a solar-type protostar with ALMA |url=http://www.eso.org/public/archives/releases/sciencepapers/eso1234/eso1234a.pdf |journal=The Astrophysical Journal Letters |volume=757 |issue=1 |arxiv=1208.5498 |bibcode=2012ApJ...757L...4J |doi=10.1088/2041-8205/757/1/L4 |accessdate=2015-06-23 |pages=L4 |s2cid=14205612 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150924021240/http://www.eso.org/public/archives/releases/sciencepapers/eso1234/eso1234a.pdf |archivedate=24 September 2015}}</ref><ref name="PNAS-20191113">{{Cite journal|last1=Furukawa|first1=Yoshihiro|last2=Chikaraishi|first2=Yoshito|last3=Ohkouchi|first3=Naohiko|last4=Ogawa|first4=Nanako O.|last5=Glavin|first5=Daniel P.|last6=Dworkin|first6=Jason P.|last7=Abe|first7=Chiaki|last8=Nakamura|first8=Tomoki|date=2019-11-13|title=Extraterrestrial ribose and other sugars in primitive meteorites|journal=Proceedings of the National Academy of Sciences|volume=116|issue=49|pages=24440–24445|language=en|doi=10.1073/pnas.1907169116|issn=0027-8424|pmid=31740594|pmc=6900709|bibcode=2019PNAS..11624440F}}</ref> Because sugars are associated with both metabolism and the [[genetic code]], two of the most basic aspects of life, it is thought the discovery of extraterrestrial sugar increases the likelihood that life may exist elsewhere in our galaxy.<ref name="Hollis" />

羟乙醛是星际糖分子的第一个例子，在银河系中心附近的恒星形成区被发现。它是由詹斯·约根森 Jes Jørgensen和简·霍利斯 Jan Hollis在2000年发现的。2012年，Jørgensen的团队报告了在一个遥远的恒星系统中发现羟乙醛。该分子是在距离地球400光年的原恒星双星IRAS 16293-2422周围发现的。羟乙醛是形成RNA所需要的，RNA的功能与DNA相似。这些发现表明，复杂的有机分子可能在行星形成之前就在恒星系统中形成，最终在行星形成的早期到达年轻行星上。由于糖类与新陈代谢和遗传密码这两个生命最基本的方面有关，因此认为发现地外糖类增加了银河系其他地方可能存在生命的可能性。

==== Polyphosphates ====
多聚磷酸盐
A problem in most scenarios of abiogenesis is that the thermodynamic equilibrium of amino acid versus peptides is in the direction of separate amino acids. What has been missing is some force that drives polymerization. The resolution of this problem may well be in the properties of [[polyphosphate]]s.<ref>{{cite journal |last1=Brown |first1=Michael R. W. |last2=Kornberg |first2=Arthur |authorlink2=Arthur Kornberg |date=16 November 2004 |title=Inorganic polyphosphate in the origin and survival of species |journal=Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. |volume=101 |issue=46 |pages=16085–16087 |bibcode=2004PNAS..10116085B |doi=10.1073/pnas.0406909101|pmc=528972 |pmid=15520374}}</ref><ref>{{cite web |url=http://www.science.siu.edu/microbiology/micr425/425Notes/14-OriginLife.html |title=The Origin of Life |last=Clark |first=David P. |date=3 August 1999 |website=Microbiology 425: Biochemistry and Physiology of Microorganism |publisher=College of Science; [[Southern Illinois University Carbondale]] |location=Carbondale, IL |type=Lecture |archiveurl=https://web.archive.org/web/20001002142750/http://www.science.siu.edu/microbiology/micr425/425Notes/14-OriginLife.html |archivedate=2000-10-02 |url-status=dead |accessdate=2015-06-26}}</ref> Polyphosphates are formed by polymerization of ordinary monophosphate ions PO43-. Several mechanisms of organic molecule synthesis have been investigated. Polyphosphates cause polymerization of amino acids into peptides. They are also logical precursors in the synthesis of such key biochemical compounds as [[adenosine triphosphate]] (ATP). A key issue seems to be that calcium reacts with soluble phosphate to form insoluble [[calcium phosphate]] ([[apatite]]), so some plausible mechanism must be found to keep calcium ions from causing precipitation of phosphate. There has been much work on this topic over the years, but an interesting new idea is that meteorites may have introduced reactive phosphorus species on the early Earth.<ref>{{cite journal |last=Pasek |first=Matthew A. |date=22 January 2008 |title=Rethinking early Earth phosphorus geochemistry |journal=Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. |volume=105 |issue=3 |pages=853–858 |bibcode=2008PNAS..105..853P |doi=10.1073/pnas.0708205105 |pmc=2242691 |pmid=18195373}}</ref>

Based on recent [[computer simulation|computer model studies]], the [[organic compound|complex organic molecules]] necessary for life may have formed in the [[protoplanetary disk]] of [[cosmic dust|dust grains]] surrounding the [[Sun]] before the formation of the Earth.<ref name="Space-20120329">{{cite news |last=Moskowitz |first=Clara |date=29 March 2012 |title=Life's Building Blocks May Have Formed in Dust Around Young Sun |url=http://www.space.com/15089-life-building-blocks-young-sun-dust.html |website=[[Space.com]] |location=Salt Lake City, UT |publisher=[[Purch]] |accessdate=2012-03-30 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20120814205056/http://www.space.com/15089-life-building-blocks-young-sun-dust.html |archivedate=14 August 2012}}</ref><ref>{{cite journal|last1=Ciesla|first1=F.J.|last2=Sandford|first2=S.A.|title=Organic Synthesis via Irradiation and Warming of Ice Grains in the Solar Nebula|journal=Science|date=29 March 2012|volume=336|issue=6080|pages=452–454|doi=10.1126/science.1217291|pmid=22461502|bibcode=2012Sci...336..452C|hdl=2060/20120011864|s2cid=25454671|hdl-access=free}}</ref> According to the computer studies, this same process may also occur around other [[star]]s that acquire [[planet]]s. (Also see [[#Extraterrestrial organic molecules|Extraterrestrial organic molecules]]).

在大多数非生物发生的情况下，一个问题是氨基酸与肽的热力学平衡是向着分离氨基酸的方向发展的。一直以来，缺少的是某种推动聚合的力量。这个问题的解决很可能在于多聚磷酸盐的特性。聚磷酸盐是由普通的单磷酸离子PO43-聚合而成。目前已经研究了几种有机分子合成的机制。多聚磷酸盐能使氨基酸聚合成肽。它们也是合成三磷酸腺苷(ATP)等关键生化化合物的逻辑前体。一个关键的问题似乎是，钙与可溶性磷酸盐反应形成不溶性的磷酸钙（磷灰石），所以必须找到一些似合理的机制来防止钙离子引起磷酸盐的沉淀。多年来，关于这个主题的工作很多，但一个有趣的新想法是，陨石可能在早期地球上引入了活性磷物种。根据最近的计算机模型研究，在地球形成之前，生命所必需的复杂有机分子可能已经在太阳周围的尘粒的原行星盘中形成了。根据计算机研究，这个相同的过程也可能发生在其他获得行星的恒星周围。

The accumulation and concentration of organic molecules on a planetary surface is also considered an essential early step for the origin of life.<ref name="NASA strategy 2015"/> Identifying and understanding the mechanisms that led to the production of prebiotic molecules in various environments is critical for establishing the inventory of ingredients from which life originated on Earth, assuming that the abiotic production of molecules ultimately influenced the selection of molecules from which life emerged.<ref name="NASA strategy 2015"/>

有机分子在行星表面的积累和集中也被认为是生命起源的一个重要的早期步骤。假设分子的非生物生产最终影响了生命涌现的分子选择，那么识别和理解导致在各种环境中产生前生物分子的机制对于建立地球上生命起源的成分清单至关重要。

In 2019, scientists reported detecting, for the first time, [[Sugar|sugar molecules]], including [[ribose]], in [[meteorite]]s, suggesting that chemical processes on [[asteroid]]s can produce some fundamentally essential bio-ingredients important to [[life]], and supporting the notion of an [[RNA world]] prior to a DNA-based origin of life on Earth, and possibly, as well, the notion of [[panspermia]].<ref name="NASA-20191118">{{cite news |last1=Steigerwald |first1=Bill |last2=Jones |first2=Nancy |last3=Furukawa |first3=Yoshihiro |title=First Detection of Sugars in Meteorites Gives Clues to Origin of Life |url=https://www.nasa.gov/press-release/goddard/2019/sugars-in-meteorites |date=18 November 2019 |work=[[NASA]] |accessdate=18 November 2019 }}</ref><ref name="PNAS-20191113" />

2019年，科学家报告首次在陨石中检测到包括核糖在内的糖分子，表明小行星上的化学过程可以产生一些对生命很重要的基本生物原料，并支持地球上以DNA为基础的生命起源之前的RNA世界的概念，也可能支持泛种论的概念。

=== Chemical synthesis in the laboratory===

实验室中的化学合成

As early as the 1860s, experiments have demonstrated that biologically relevant molecules can be produced from interaction of simple carbon sources with abundant inorganic catalysts.

早在19世纪60年代，就有实验证明，简单的碳源与丰富的无机催化剂相互作用可以产生生物相关的分子。

====Fox proteinoids====

福克斯类蛋白
{{Main|Proteinoid}}

In trying to uncover the intermediate stages of abiogenesis mentioned by Bernal, [[Sidney W. Fox|Sidney Fox]] in the 1950s and 1960s studied the spontaneous formation of [[peptide]] structures (small chains of amino acids) under conditions that might plausibly have existed early in Earth's history. In one of his experiments, he allowed amino acids to dry out as if puddled in a warm, dry spot in prebiotic conditions: In an experiment to set suitable conditions for life to form, Fox collected volcanic material from a [[cinder cone]] in [[Hawaii]]. He discovered that the temperature was over 100 C just {{convert|4|in}} beneath the surface of the cinder cone, and suggested that this might have been the environment in which life was created—molecules could have formed and then been washed through the loose volcanic ash into the sea. He placed lumps of lava over amino acids derived from methane, ammonia and water, sterilized all materials, and baked the lava over the amino acids for a few hours in a glass oven. A brown, sticky substance formed over the surface, and when the lava was drenched in sterilized water, a thick, brown liquid leached out. He found that, as they dried, the amino acids formed long, often cross-linked, thread-like, submicroscopic [[Peptide|polypeptide]] molecules.<ref name="foxexp"/>

在试图发现Bernal提到的非生物发生的中间阶段时，西德尼·福克斯Sidney Fox在20世纪50年代和60年代研究了在地球历史早期可能存在的条件下自发形成的肽结构（小的氨基酸链）。在他的一个实验中，他让氨基酸在前生物条件下，像在温暖干燥的地方搅拌一样变干燥。在一个为生命的形成设置合适条件的实验中，Fox从夏威夷的一个火山灰烬锥状物中收集了火山材料。他发现火山灰烬锥状物表面下4英寸（100毫米）的温度就超过了100 C，并认为这可能是生命诞生的环境--分子可能已经形成，然后通过松散的火山灰被冲入海中。他将一块块的熔岩放在由甲烷、氨和水产生的氨基酸上，对所有材料进行灭菌，并将熔岩放在氨基酸上，在玻璃炉中烘烤几个小时。在表面形成了一种棕色的粘性物质，当把熔岩浸泡在消毒水中时，就会有浓稠的棕色液体渗出。他发现，随着它们的干燥，氨基酸形成了长长的、常常是交联的、线状的、亚显微的多肽分子。

====Sugars====
糖类
In particular, experiments by [[Alexander Butlerov|Butlerov]] (the [[formose reaction]]) showed that tetroses, pentoses, and hexoses are produced when formaldehyde is heated under basic conditions with divalent metal ions like calcium. The reaction was scrutinized and subsequently proposed to be autocatalytic by Breslow in 1959.

特别是布列特洛夫Butlerov的实验(甲醛聚糖反应)表明，当甲醛在碱性条件下与钙等二价金属离子加热时，会产生四糖、五糖和六糖。1959年，布雷斯洛 Breslow对该反应进行了仔细研究，随后提出该反应是自催化反应。

====Nucleobases====
核酸碱基
Similar experiments (see below) demonstrate that nucleobases like guanine and adenine could be synthesized from simple carbon and nitrogen sources like hydrogen cyanide and ammonia.

类似的实验(见下文)表明，像鸟嘌呤和腺嘌呤这样的核酸碱基可以从简单的碳和氮源如氰化氢和氨合成。
***讨论：我觉得一方面我们要探寻生命起源前化学反应产生生命所需基本原料的可能，另一方面我们还需要知道这些反应发生的几率和量***
[[Formamide]] produces all four ribonucleotides and other biological molecules when warmed in the presence of various terrestrial minerals. Formamide is ubiquitous in the Universe, produced by the reaction of water and [[hydrogen cyanide]] (HCN). It has several advantages as a biotic precursor, including the ability to easily become concentrated through the evaporation of water.<ref name="Saladino2012">{{cite journal |last1=Saladino |first1=Raffaele |last2=Crestini |first2=Claudia |last3=Pino |first3=Samanta |last4=Costanzo |first4=Giovanna |last5=Di Mauro |first5=Ernesto |display-authors=3 |date=March 2012 |title=Formamide and the origin of life. |journal=[[Physics of Life Reviews]] |volume=9 |issue=1 |pages=84–104 |bibcode=2012PhLRv...9...84S |doi=10.1016/j.plrev.2011.12.002 |pmid=22196896|hdl=2108/85168 |url=https://art.torvergata.it/bitstream/2108/85168/1/PoLRev%202012.pdf }}</ref><ref name="Saladino2012b">{{cite journal |last1=Saladino |first1=Raffaele |last2=Botta |first2=Giorgia |last3=Pino |first3=Samanta |last4=Costanzo |first4=Giovanna |last5=Di Mauro |first5=Ernesto |display-authors=3 |date=July 2012 |title=From the one-carbon amide formamide to RNA all the steps are prebiotically possible |journal=[[Biochimie]] |volume=94 |issue=7 |pages=1451–1456 |doi=10.1016/j.biochi.2012.02.018 |pmid=22738728}}</ref> Although HCN is poisonous, it only affects [[aerobic organism]]s ([[eukaryote]]s and aerobic bacteria), which did not yet exist. It can play roles in other chemical processes as well, such as the synthesis of the amino acid [[glycine]].<ref name="Follmann2009" />

甲酰胺在各种陆地矿物质存在下升温时，可产生所有四种核糖核苷酸和其他生物分子。甲酰胺在宇宙中无处不在，由水和氰化氢（HCN）反应生成。作为一种生物的前体，它有几个优点，包括通过水的蒸发而容易浓缩的能力。虽然HCN是有毒的，但它只影响需氧生物（真核生物和需氧细菌），它们当时还不存在。它也可以在其他化学过程中发挥作用，比如氨基酸甘氨酸的合成。

In March 2015, NASA scientists reported that, for the first time, complex DNA and RNA organic compounds of life, including uracil, cytosine and [[thymine]], have been formed in the laboratory under outer space conditions, using starting chemicals, such as pyrimidine, found in meteorites. Pyrimidine, like PAHs, the most carbon-rich chemical found in the Universe, may have been formed in [[red giant]] stars or in interstellar dust and gas clouds.<ref name="NASA-20150303">{{cite web |url=http://www.nasa.gov/content/nasa-ames-reproduces-the-building-blocks-of-life-in-laboratory |title=NASA Ames Reproduces the Building Blocks of Life in Laboratory |editor-last=Marlaire |editor-first=Ruth |date=3 March 2015 |work=Ames Research Center |publisher=NASA |location=Moffett Field, CA |accessdate=2015-03-05 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150305083306/http://www.nasa.gov/content/nasa-ames-reproduces-the-building-blocks-of-life-in-laboratory/ |archivedate=5 March 2015}}</ref> A group of Czech scientists reported that all four RNA-bases may be synthesized from formamide in the course of high-energy density events like extraterrestrial impacts.<ref>{{cite journal | last1 = Ferus | first1 = Martin | last2 = Nesvorný | first2 = David | last3 = Šponer | first3 = Jiří | last4 = Kubelík | first4 = Petr | last5 = Michalčíková | first5 = Regina | last6 = Shestivská | first6 = Violetta | last7 = Šponer | first7 = Judit E. | last8 = Civiš | first8 = Svatopluk | year = 2015 | title = High-energy chemistry of formamide: A unified mechanism of nucleobase formation | journal = Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. | volume = 112 | issue = 3| pages = 657–662 | doi = 10.1073/pnas.1412072111 | pmid = 25489115 | bibcode = 2015PNAS..112..657F | pmc = 4311869 }}</ref>

2015年3月，美国宇航局科学家报告称，在外太空条件下，利用陨石中发现的嘧啶等起始化学物质，首次在实验室中形成了生命的复杂DNA和RNA有机化合物，包括尿嘧啶、胞嘧啶和胸腺嘧啶。嘧啶和多环芳烃一样，是宇宙中发现的最富含碳的化学物质，可能是在红巨星中或星际尘埃和气体云中形成的。一组捷克科学家报告说，所有四种RNA碱基可能是在如地外撞击等高能密度事件过程中由甲酰胺合成的。

====Use of high temperature====
使用高温
In 1961, it was shown that the nucleic acid [[purine]] base [[adenine]] can be formed by heating aqueous [[ammonium cyanide]] solutions.<ref>{{cite journal |last=Oró |first=Joan |authorlink=Joan Oró |date=16 September 1961 |title=Mechanism of Synthesis of Adenine from Hydrogen Cyanide under Possible Primitive Earth Conditions |journal=Nature |volume=191 |issue=4794 |pages=1193–1194 |bibcode=1961Natur.191.1193O |doi=10.1038/1911193a0 |pmid=13731264|s2cid=4276712 }}</ref>

1961年，研究表明核酸嘌呤碱基腺嘌呤可以通过加热氰化铵水溶液形成。

====Use of low (freezing) temperature====
使用低（极冷的）温
Other pathways for synthesizing bases from inorganic materials were also reported.<ref name="Basile1984">{{cite journal |last1=Basile |first1=Brenda |last2=Lazcano |first2=Antonio |authorlink2=Antonio Lazcano |last3=Oró |first3=Joan |year=1984 |title=Prebiotic syntheses of purines and pyrimidines |journal=[[Advances in Space Research]] |volume=4 |issue=12 |pages=125–131 |bibcode=1984AdSpR...4..125B |doi=10.1016/0273-1177(84)90554-4 |pmid=11537766}}</ref> Orgel and colleagues have shown that freezing temperatures are advantageous for the synthesis of purines, due to the concentrating effect for key precursors such as hydrogen cyanide.<ref>{{cite journal |last=Orgel |first=Leslie E. |date=August 2004 |title=Prebiotic Adenine Revisited: Eutectics and Photochemistry |journal=Origins of Life and Evolution of Biospheres |volume=34 |issue=4 |pages=361–369 |bibcode=2004OLEB...34..361O |doi=10.1023/B:ORIG.0000029882.52156.c2 |pmid=15279171|s2cid=4998122 }}</ref> Research by Miller and colleagues suggested that while adenine and [[guanine]] require freezing conditions for synthesis, [[cytosine]] and [[uracil]] may require boiling temperatures.<ref>{{cite journal |last1=Robertson |first1=Michael P. |last2=Miller |first2=Stanley L. |date=29 June 1995 |title=An efficient prebiotic synthesis of cytosine and uracil |journal=Nature |volume=375 |issue=6534 |pages=772–774 |bibcode=1995Natur.375..772R |doi=10.1038/375772a0 |pmid=7596408|s2cid=4351012 }}</ref> Research by the Miller group notes the formation of seven different amino acids and 11 types of [[nucleobase]]s in ice when ammonia and [[cyanide]] were left in a freezer from 1972 to 1997.<ref>{{cite journal |last=Fox |first=Douglas |date=February 2008 |url=http://discovermagazine.com/2008/feb/did-life-evolve-in-ice |title=Did Life Evolve in Ice? |journal=[[Discover (magazine)|Discover]] |accessdate=2008-07-03 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20080630043228/http://discovermagazine.com/2008/feb/did-life-evolve-in-ice |archivedate=30 June 2008}}</ref><ref>{{cite journal |last1=Levy |first1=Matthew |last2=Miller |first2=Stanley L. |last3=Brinton |first3=Karen |last4=Bada |first4=Jeffrey L. |authorlink4=Jeffrey L. Bada |date=June 2000 |title=Prebiotic Synthesis of Adenine and Amino Acids Under Europa-like Conditions |journal=[[Icarus (journal)|Icarus]] |volume=145 |issue=2 |pages=609–613 |bibcode=2000Icar..145..609L |doi=10.1006/icar.2000.6365 |pmid=11543508}}</ref> Other work demonstrated the formation of s-[[triazine]]s (alternative nucleobases), [[pyrimidine]]s (including cytosine and uracil), and adenine from urea solutions subjected to freeze-thaw cycles under a reductive atmosphere (with spark discharges as an energy source).<ref>{{cite journal |last1=Menor-Salván |first1=César |last2=Ruiz-Bermejo |first2=Marta |last3=Guzmán |first3=Marcelo I. |last4=Osuna-Esteban |first4=Susana |last5=Veintemillas-Verdaguer |first5=Sabino |date=20 April 2009 |title=Synthesis of Pyrimidines and Triazines in Ice: Implications for the Prebiotic Chemistry of Nucleobases |journal=[[Chemistry: A European Journal]] |volume=15 |issue=17 |pages=4411–4418 |doi=10.1002/chem.200802656 |pmid=19288488}}</ref> The explanation given for the unusual speed of these reactions at such a low temperature is [[Eutectic system|eutectic freezing]]. As an ice crystal forms, it stays pure: only molecules of water join the growing crystal, while impurities like salt or cyanide are excluded. These impurities become crowded in microscopic pockets of liquid within the ice, and this crowding causes the molecules to collide more often. Mechanistic exploration using quantum chemical methods provide a more detailed understanding of some of the chemical processes involved in chemical evolution, and a partial answer to the fundamental question of molecular biogenesis.<ref>{{cite journal |last1=Roy |first1=Debjani |last2=Najafian |first2=Katayoun |last3=von Ragué Schleyer |first3=Paul |authorlink3=Paul von Ragué Schleyer |date=30 October 2007 |title=Chemical evolution: The mechanism of the formation of adenine under prebiotic conditions |journal=Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. |volume=104 |issue=44 |pages=17272–17277 |bibcode=2007PNAS..10417272R |doi=10.1073/pnas.0708434104|pmc=2077245 |pmid=17951429}}</ref>

还有人报道了从无机材料合成碱基的其他途径。奥格尔Orgel及其同事的研究表明，由于氰化氢等关键前体的浓缩作用，冷冻温度对嘌呤的合成是有利的。Miller及其同事的研究表明，腺嘌呤和鸟嘌呤的合成需要冷冻条件，而胞嘧啶和尿嘧啶可能需要沸腾的温度。Miller课题组的研究指出，从1972年到1997年，当氨和氰化物被放置在冰柜中时，在冰中形成了7种不同的氨基酸和11种核酸碱基。其他研究证明了s-三嗪(替代核酸碱基)、嘧啶(包括胞嘧啶和尿嘧啶)和腺嘌呤从尿素溶液在还原性气氛下(以火花放电为能量来源)经过冻融循环形成。对于这些反应在如此低的温度下的异常速度，给出的解释是共晶凝固。当冰晶形成时，它保持纯净：只有水分子加入生长的晶体，而盐或氰化物等杂质被排除在外。这些杂质在冰内变得拥挤在微观的液体口袋中，这种拥挤导致分子更频繁地碰撞。利用量子化学方法进行机理探索，可以更详细地了解化学演化中的一些化学过程，并对分子生物发生的基本问题做出部分回答。

====Use of less-reducing gas in Miller–Urey experiment====

在Miller-Urey实验中使用还原性较低的气体

At the time of the Miller–Urey experiment, scientific consensus was that the early Earth had a reducing atmosphere with compounds relatively rich in hydrogen and poor in oxygen (e.g., CH4 and NH3 as opposed to CO2 and [[nitrogen dioxide]] (NO2)). However, current scientific consensus describes the primitive atmosphere as either weakly reducing or neutral<ref name="Cleaves 2008">{{cite journal |last1=Cleaves |first1=H. James |last2=Chalmers |first2=John H. |last3=Lazcano |first3=Antonio |last4=Miller |first4=Stanley L. |last5=Bada |first5=Jeffrey L. |display-authors=3 |date=April 2008 |title=A Reassessment of Prebiotic Organic Synthesis in Neutral Planetary Atmospheres |journal=Origins of Life and Evolution of Biospheres |volume=38 |issue=2 |pages=105–115 |bibcode=2008OLEB...38..105C |doi=10.1007/s11084-007-9120-3|pmid=18204914|s2cid=7731172 }}</ref><ref name="Chyba 2005">{{cite journal |last=Chyba |first=Christopher F. |s2cid=93303848 |date=13 May 2005 |title=Rethinking Earth's Early Atmosphere |journal=Science |volume=308 |issue=5724 |pages=962–963 |doi=10.1126/science.1113157 |pmid=15890865}}</ref> (see also [[Great Oxygenation Event|Oxygen Catastrophe]]). Such an atmosphere would diminish both the amount and variety of amino acids that could be produced, although studies that include [[iron]] and [[carbonate]] minerals (thought present in early oceans) in the experimental conditions have again produced a diverse array of amino acids.<ref name="Cleaves 2008" /> Other scientific research has focused on two other potential reducing environments: [[outer space]] and deep-sea thermal vents.<ref>{{harvnb|Barton|Briggs|Eisen|Goldstein|2007|pp=93–95}}</ref><ref>{{harvnb|Bada|Lazcano|2009|pp=56–57}}</ref><ref name="Bada 2003">{{cite journal |last1=Bada |first1=Jeffrey L. |last2=Lazcano |first2=Antonio |date=2 May 2003 |url=http://astrobiology.berkeley.edu/PDFs_articles/Bada_Science2003.pdf |title=Prebiotic Soup – Revisiting the Miller Experiment |journal=Science |volume=300 |issue=5620 |pages=745–746 |doi=10.1126/science.1085145 |pmid=12730584 |s2cid=93020326 |accessdate=2015-06-13 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20160304222002/http://astrobiology.berkeley.edu/PDFs_articles/Bada_Science2003.pdf |archivedate=4 March 2016}}</ref>

在Miller-Urey实验时，科学界的共识是，早期地球有一个还原性大气层，其化合物中氢气相对丰富，而氧气相对贫乏（如CH4和NH3，而不是CO2 和二氧化氮（NO2））。然而，目前的科学共识将原始大气层描述为弱还原性或中性（另见氧气灾难）。这样的大气会减少可以产生的氨基酸的数量和种类，尽管在实验条件中加入铁和碳酸盐矿物（被认为存在于早期海洋中）的研究又产生了多种氨基酸。其他科学研究集中在另外两种潜在的还原性环境：外太空和深海热喷口。

====Synthesis based on hydrogen cyanide====

基于氰化氢的合成

A research project completed in 2015 by [[John Sutherland (chemist)|John Sutherland]] and others found that a network of reactions beginning with hydrogen cyanide and hydrogen sulfide, in streams of water irradiated by UV light, could produce the chemical components of proteins and lipids, as well as those of RNA,<ref>{{cite news |last=Service |first=Robert F. |date=16 March 2015 |title=Researchers may have solved origin-of-life conundrum |url=http://news.sciencemag.org/biology/2015/03/researchers-may-have-solved-origin-life-conundrum |work=Science |type=News |location=Washington, D.C. |publisher=American Association for the Advancement of Science |accessdate=2015-07-26 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150812103559/http://news.sciencemag.org/biology/2015/03/researchers-may-have-solved-origin-life-conundrum |archivedate=12 August 2015}}</ref><ref name="patel">{{cite journal |last1=Patel |first1=Bhavesh H.|last2=Percivalle |first2=Claudia |last3=Ritson |first3=Dougal J. |last4=Duffy |first4=Colm D. |last5=Sutherland |first5=John D. |authorlink5=John Sutherland (chemist) |date=April 2015 |title=Common origins of RNA, protein and lipid precursors in a cyanosulfidic protometabolism |journal=[[Nature Chemistry]] |volume=7 |issue=4 |pages=301–307 |bibcode=2015NatCh...7..301P |doi=10.1038/nchem.2202 |pmid=25803468 |ref=harv |pmc=4568310}}</ref> while not producing a wide range of other compounds.<ref>{{harvnb|Patel|Percivalle|Ritson|Duffy|2015|p=302}}</ref> The researchers used the term "cyanosulfidic" to describe this network of reactions.<ref name="patel" />

约翰·萨瑟兰John Sutherland 等人在2015年完成的一个研究项目发现，在紫外线照射的水流中，一个以氰化氢和硫化氢为起点的反应网络，可以产生蛋白质和脂类的化学成分，以及RNA的化学成分，同时不产生其他多种化合物。研究人员用 "氰基硫化物 "一词来描述这个反应网络。

====Issues during laboratory synthesis====

实验室合成过程中的问题

The spontaneous formation of complex polymers from abiotically generated monomers under the conditions posited by the "soup" theory is not at all a straightforward process. Besides the necessary basic organic monomers, compounds that would have prohibited the formation of polymers were also formed in high concentration during the Miller–Urey and [[Joan Oró]] experiments.<ref>{{cite journal |last1=Oró |first1=Joan |last2=Kimball |first2=Aubrey P. |date=February 1962 |title=Synthesis of purines under possible primitive earth conditions: II. Purine intermediates from hydrogen cyanide |journal=[[Archives of Biochemistry and Biophysics]] |volume=96 |issue=2 |pages=293–313 |doi=10.1016/0003-9861(62)90412-5 |pmid=14482339}}</ref> The Miller–Urey experiment, for example, produces many substances that would react with the amino acids or terminate their coupling into peptide chains.<ref>{{cite book |editor-last=Ahuja |editor-first=Mukesh |year=2006 |chapter=Origin of Life |chapterurl=https://books.google.com/books?id=VJF12TlT58kC&pg=PA11 |title=Life Science |volume=1 |location=Delhi |publisher=Isha Books |page=11 |isbn=978-81-8205-386-1 |oclc=297208106 |ref=harv}}{{Unreliable source?|reason=What material is Ahuja editing? Further, see use of Ahuja material in the Iron-sulfur world section in this WP article, among others. See also: Wikipedia talk:Noticeboard for India-related topics/Archive 42#Problem with ISHA books as references|date=June 2015}}</ref>

在"汤"理论提出的条件下，由非生物生成的单体自发形成复杂的聚合物，根本不是一个简单的过程。除了必要的基本有机单体外，在Miller-Urey和琼·奥罗 Joan Oró实验过程中，还形成了高浓度的禁止聚合物形成的化合物。例如，Miller-Urey实验会产生许多与氨基酸反应或终止其偶联成肽链的物质。
=== Autocatalysis ===

自催化

{{Main|Autocatalysis}}

[[Autocatalysis|Autocatalysts]] are substances that catalyze the production of themselves and therefore are "molecular replicators." The simplest self-replicating chemical systems are autocatalytic, and typically contain three components: a product molecule and two precursor molecules. The product molecule joins together the precursor molecules, which in turn produce more product molecules from more precursor molecules. The product molecule catalyzes the reaction by providing a complementary template that binds to the precursors, thus bringing them together. Such systems have been demonstrated both in biological [[macromolecule]]s and in small organic molecules.<ref name="Paul2004">{{cite journal |last1=Paul |first1=Natasha |last2=Joyce |first2=Gerald F. |date=December 2004 |title=Minimal self-replicating systems |journal=Current Opinion in Chemical Biology |volume=8 |issue=6 |pages=634–639 |doi=10.1016/j.cbpa.2004.09.005|pmid=15556408}}</ref><ref name="Bissette2013">{{cite journal |last1=Bissette |first1=Andrew J. |last2=Fletcher |first2=Stephen P. |date=2 December 2013 |title=Mechanisms of Autocatalysis |journal=Angewandte Chemie International Edition |volume=52 |issue=49 |pages=12800–12826 |doi=10.1002/anie.201303822 |pmid=24127341}}</ref> Systems that do not proceed by template mechanisms, such as the self-reproduction of [[micelle]]s and [[Vesicle (biology and chemistry)|vesicles]], have also been observed.<ref name="Bissette2013" />

自催化剂是指能催化生产自身的物质，因此是 "分子复制器"。最简单的自我复制化学体系是自催化的，通常包含三个组成部分：一个产物分子和两个前体分子。产物分子将前体分子们连接在一起，反过来由更多的前体分子产生更多的产物分子。产物分子通过提供一个互补的模板来催化反应，该模板与前体结合，从而使它们结合在一起。这样的系统在生物大分子和有机小分子中都得到了证明。也观察到了不通过模板机制进行的系统，如胶束和囊泡的自我再生。

It has been proposed that life initially arose as autocatalytic chemical networks.<ref>{{harvnb|Kauffman|1993|loc=chpt. 7}}</ref> British [[ethologist]] [[Richard Dawkins]] wrote about autocatalysis as a potential explanation for the origin of life in his 2004 book ''[[The Ancestor's Tale]]''.<ref>{{harvnb|Dawkins|2004}}</ref> In his book, Dawkins cites experiments performed by [[Julius Rebek]] and his colleagues in which they combined amino adenosine and [[pentafluorophenyl esters]] with the autocatalyst amino adenosine triacid ester (AATE). One product was a variant of AATE, which catalyzed the synthesis of themselves. This experiment demonstrated the possibility that autocatalysts could exhibit competition within a population of entities with heredity, which could be interpreted as a rudimentary form of natural selection.<ref>{{cite journal |last1=Tjivikua |first1=T. |last2=Ballester |first2=Pablo |last3=Rebek |first3=Julius Jr. |authorlink3=Julius Rebek |date=January 1990 |title=Self-replicating system |journal=[[Journal of the American Chemical Society]] |volume=112 |issue=3 |pages=1249–1250 |doi=10.1021/ja00159a057 }}</ref><ref>{{cite news |last=Browne |first=Malcolm W. |authorlink=Malcolm Browne |date=30 October 1990 |title=Chemists Make Molecule With Hint of Life |url=https://www.nytimes.com/1990/10/30/science/chemists-make-molecule-with-hint-of-life.html |newspaper=The New York Times |location=New York |accessdate=2015-07-14 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150721135740/http://www.nytimes.com/1990/10/30/science/chemists-make-molecule-with-hint-of-life.html |archivedate=21 July 2015}}</ref>

有人提出，生命最初是以自催化的化学网络产生的。英国伦理学家理查德·道金斯 Richard Dawkins在2004年出版的《祖先的故事》（The Ancestor's Tale）一书中写道，自催化是生命起源的一种可能的解释。在书中，Dawkins引用了朱利叶斯·雷贝克 Julius Rebek和他的同事所做的实验，他们将氨基腺苷和五氟苯基酯与自催化剂氨基腺苷三酸酯（AATE）相结合。其中一种产物是AATE的变体，它能催化自身的合成。这一实验表明，自催化剂有可能在具有遗传性的实体种群中表现出竞争，这可以被解释为自然选择的一种基本形式。

== Encapsulation: morphology ==
胶囊化：形态学
{{see also|Evolution of cells}}

=== Encapsulation without a membrane ===
无膜胶囊化
====Oparin's coacervate====
Oparin的（细胞）团聚体
====Membraneless polyester droplets====

无膜聚酯液滴

Researchers Tony Jia and Kuhan Chandru<ref>{{cite journal |last1=Jia |first1=Tony Z. |last2=Chandru |first2=Kuhan |last3=Hongo |first3=Yayoi |last4=Afrin |first4=Rehana |last5=Usui |first5=Tomohiro |last6=Myojo |first6=Kunihiro |last7=Cleaves |first7=H. James |title=Membraneless polyester microdroplets as primordial compartments at the origins of life |journal=Proceedings of the National Academy of Sciences |volume=116 |issue=32 |date=22 July 2019 |pages=15830–15835 |doi=10.1073/pnas.1902336116|pmid=31332006 |pmc=6690027 }}</ref> have proposed that membraneless polyesters droplets could have been significant in the Origins of Life.<ref>{{Cite journal|last1=Chandru|first1=Kuhan|last2=Mamajanov|first2=Irena|last3=Cleaves|first3=H. James|last4=Jia|first4=Tony Z.|date=January 2020|title=Polyesters as a Model System for Building Primitive Biologies from Non-Biological Prebiotic Chemistry|journal=Life|language=en|volume=10|issue=1|pages=6|doi=10.3390/life10010006|pmc=7175156|pmid=31963928}}</ref> Given the "messy" nature of prebiotic chemistry,<ref>{{cite web |last1=Marc |first1=Kaufman |title=NASA Astrobiology |url=https://astrobiology.nasa.gov/news/messy-chemistry-a-new-way-to-approach-the-origins-of-life/|date = 18 July 2019 |website=astrobiology.nasa.gov |language=en-EN}}</ref><ref>{{cite journal |last1=Guttenberg |first1=Nicholas |last2=Virgo |first2=Nathaniel |last3=Chandru |first3=Kuhan |last4=Scharf |first4=Caleb |last5=Mamajanov |first5=Irena |title=Bulk measurements of messy chemistries are needed for a theory of the origins of life |journal=Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences |date=13 November 2017 |volume=375 |issue=2109 |pages=20160347 |doi=10.1098/rsta.2016.0347|pmid=29133446 |pmc=5686404 |bibcode=2017RSPTA.37560347G }}</ref> the spontaneous generation of these combinatorial droplets may have played a role in early cellularization before the innovation of lipid vesicles. Protein function within and RNA function in the presence of certain polyester droplets was shown to be preserved within the droplets. Additionally, the droplets have scaffolding ability, by allowing lipids to assemble around them that may have prevented leakage of genetic materials.

研究人员托尼·贾 Tony Jia和库罕·尚德吕 Kuhan Chandru提出，无膜聚酯液滴可能在生命起源中发挥了重要作用。鉴于生命起源以前的化学的 "混乱 "性质，这些组合液滴的自然发生可能在脂质小泡革新之前的早期细胞化中发挥了作用。研究表明，在某些聚酯液滴的存在下，液滴内的蛋白质功能和RNA功能得以保存。此外，该液滴具有支架能力，通过允许脂质在其周围组装，可能防止了遗传物质的泄漏。

=== Proteinoid microspheres ===
类蛋白微球体
Fox observed in the 1960s that the proteinoids that he had synthesized could form cell-like structures that have been named "[[Proteinoid|proteinoid microspheres]]".<ref name="foxexp">{{cite web |url=http://nitro.biosci.arizona.edu/courses/EEB105/lectures/Origins_of_Life/origins.html |title=Part 4: Experimental studies of the origins of life |last=Walsh |first=J. Bruce |year=1995 |work=Origins of life |publisher=[[University of Arizona]] |location=Tucson, AZ |type=Lecture notes |archiveurl=https://web.archive.org/web/20080113152408/http://nitro.biosci.arizona.edu/courses/EEB105/lectures/Origins_of_Life/origins.html |archivedate=2008-01-13 |accessdate=2015-06-08}}</ref>

Fox在20世纪60年代观察到，他合成的类蛋白可以形成细胞状结构，被命名为 "类蛋白微球体"。

The amino acids had combined to form [[proteinoid]]s, and the proteinoids had combined to form small globules that Fox called "microspheres". His proteinoids were not cells, although they formed clumps and chains reminiscent of [[cyanobacteria]], but they contained no functional [[nucleic acid]]s or any encoded information. Based upon such experiments, [[Colin Pittendrigh]] stated in 1967 that "laboratories will be creating a living cell within ten years," a remark that reflected the typical contemporary naivety about the complexity of cell structures.<ref>{{harvnb|Woodward|1969|p=287}}</ref>

氨基酸组合形成类蛋白，而类蛋白组合成小球，福克斯称之为 "微球体"。他的类蛋白不是细胞，虽然它们形成的团块和链子让人联想到蓝藻，但它们不含任何功能性核酸或任何编码信息。基于这样的实验，科林·布里斯顿 Colin Pittendrigh在1967年说："实验室将在十年内创造出一个活细胞。"这句话反映了当代人对细胞结构复杂性的典型天真。

=== Lipid world ===

脂质世界

{{Main|Gard model}}

The [[Gard model|lipid world]] theory postulates that the first self-replicating object was [[lipid]]-like.<ref>{{cite web |url=http://www.weizmann.ac.il/molgen/Lancet/research/prebiotic-evolution |title=Systems Prebiology-Studies of the origin of Life |last=Lancet |first=Doron |date=30 December 2014 |website=The Lancet Lab |publisher=Department of Molecular Genetics; [[Weizmann Institute of Science]] |location=Rehovot, Israel |accessdate=2015-06-26 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150626180507/http://www.weizmann.ac.il/molgen/Lancet/research/prebiotic-evolution |archivedate=26 June 2015}}</ref><ref>{{cite journal |last1=Segré |first1=Daniel |last2=Ben-Eli |first2=Dafna |last3=Deamer |first3=David W. |last4=Lancet |first4=Doron |date=February 2001 |title=The Lipid World |url=http://www.weizmann.ac.il/molgen/Lancet/sites/molgen.Lancet/files/uploads/segre_lipid_world.pdf |journal=Origins of Life and Evolution of the Biosphere |volume=31 |issue=1–2 |pages=119–145 |doi=10.1023/A:1006746807104 |pmid=11296516 |bibcode=2001OLEB...31..119S |s2cid=10959497 |accessdate=2008-09-11 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150626225745/http://www.weizmann.ac.il/molgen/Lancet/sites/molgen.Lancet/files/uploads/segre_lipid_world.pdf |archivedate=26 June 2015}}</ref> It is known that phospholipids form [[lipid bilayer]]s in water while under agitation—the same structure as in cell membranes. These molecules were not present on early Earth, but other [[Amphiphile|amphiphilic]] long-chain molecules also form membranes. Furthermore, these bodies may expand (by insertion of additional lipids), and under excessive expansion may undergo spontaneous splitting which preserves the same size and composition of lipids in the two [[Offspring|progenies]]. The main idea in this theory is that the molecular composition of the lipid bodies is the preliminary way for information storage, and evolution led to the appearance of polymer entities such as RNA or DNA that may store information favourably. Studies on vesicles from potentially prebiotic amphiphiles have so far been limited to systems containing one or two types of amphiphiles. This in contrast to the output of simulated prebiotic chemical reactions, which typically produce very heterogeneous mixtures of compounds.<ref name="Chen 2010" />

脂质世界理论认为，第一个自我复制的物体是类脂质的。众所周知，磷脂在水中搅拌时形成脂质双层--与细胞膜的结构相同。这些分子在早期地球上并不存在，但其他两亲性质的长链分子也会形成膜。此外，这些脂质体可能会膨胀（通过插入额外的脂质），在过度膨胀下可能会发生自发的分裂，从而在两个后代中保留了相同的大小和脂质的组成。这一理论的主要观点是，脂质体的分子组成是信息储存的初步方式，进化导致了如RNA或DNA等聚合物实体的出现，它们可能有利地储存信息。迄今为止，对来自潜在的前生物两亲化合物的囊泡的研究还仅限于含有一两种两亲化合物的系统。这与模拟的前生物化学反应的产出形成鲜明对比，前生物化学反应通常会产生非常异质的化合物的混合物。

Within the hypothesis of a lipid bilayer membrane composed of a mixture of various distinct amphiphilic compounds there is the opportunity of a huge number of theoretically possible combinations in the arrangements of these amphiphiles in the membrane. Among all these potential combinations, a specific local arrangement of the membrane would have favoured the constitution of a hypercycle,<ref>{{cite journal |last1=Eigen |first1=Manfred |authorlink1=Manfred Eigen |last2=Schuster |first2=Peter |authorlink2=Peter Schuster |date=November 1977 |title=The Hypercycle. A Principle of Natural Self-Organization. Part A: Emergence of the Hypercycle |url=http://jaguar.biologie.hu-berlin.de/~wolfram/pages/seminar_theoretische_biologie_2007/literatur/schaber/Eigen1977Naturwissenschaften64.pdf |journal=Naturwissenschaften |volume=64 |issue=11 |pages=541–65|bibcode=1977NW.....64..541E |doi=10.1007/bf00450633 |pmid=593400 |accessdate=2015-06-13 |url-status=dead |archiveurl=https://web.archive.org/web/20160303194728/http://jaguar.biologie.hu-berlin.de/~wolfram/pages/seminar_theoretische_biologie_2007/literatur/schaber/Eigen1977Naturwissenschaften64.pdf |archivedate=3 March 2016}}

在由各种不同的两亲化合物的混合物组成的脂质双层膜的假设中，这些两亲化合物在膜上的排列中有大量理论上可能的组合的机会。在所有这些潜在的组合中，膜的一个特定的局部排列将有利于超循环的构成，

* {{cite journal |last1=Eigen |first1=Manfred |last2=Schuster |first2=Peter |date=July 1978 |title=The Hypercycle. A Principle of Natural Self-Organization. Part C: The Realistic Hypercycle |url=http://jaguar.biologie.hu-berlin.de/~wolfram/pages/seminar_theoretische_biologie_2007/literatur/schaber/Eigen1978Naturwissenschaften65b.pdf |journal=Naturwissenschaften |volume=65 |issue=7 |pages=341–369 |bibcode=1978NW.....65..341E |doi=10.1007/bf00439699 |s2cid=13825356 |accessdate=2015-06-13 |url-status=dead |archiveurl=https://web.archive.org/web/20160616180402/http://jaguar.biologie.hu-berlin.de/~wolfram/pages/seminar_theoretische_biologie_2007/literatur/schaber/Eigen1978Naturwissenschaften65b.pdf |archivedate=16 June 2016}}</ref><ref>{{cite journal |last1=Markovitch |first1=Omer |last2=Lancet |first2=Doron |date=Summer 2012 |title=Excess Mutual Catalysis Is Required for Effective Evolvability |journal=[[Artificial Life (journal)|Artificial Life]] |volume=18 |issue=3 |pages=243–266 |doi=10.1162/artl_a_00064|pmid=22662913 |s2cid=5236043 }}</ref> actually a positive [[feedback]] composed of two mutual catalysts represented by a membrane site and a specific compound trapped in the vesicle. Such site/compound pairs are transmissible to the daughter vesicles leading to the emergence of distinct [[Lineage (evolution)|lineages]] of vesicles which would have allowed Darwinian natural selection.<ref>{{cite journal |last=Tessera |first=Marc |year=2011 |title=Origin of Evolution ''versus'' Origin of Life: A Shift of Paradigm |journal=[[International Journal of Molecular Sciences]] |volume=12 |issue=6 |pages=3445–3458 |doi=10.3390/ijms12063445 |pmc=3131571 |pmid=21747687}} Special Issue: "Origin of Life 2011"</ref>

实际上是由两个相互的催化剂组成的正反馈，由一个膜位点和一个被困在囊泡中的特定化合物代表。这样的位点/化合物对可以传递给子囊泡，从而导致不同的囊泡谱系的出现，这将允许达尔文的自然选择。
***讨论：这样的膜位点和化合物对，如何保证遗传性？***
=== Protocells ===
原始细胞
{{Main|Protocell}}

[[File:Phospholipids aqueous solution structures.svg|thumb|upright|The three main structures [[phospholipid]]s form spontaneously in solution: the [[liposome]] (a closed bilayer), the [[micelle]] and the bilayer.]]

磷脂在溶液中自发形成的三个主要结构：脂质体（封闭的双层），胶束和双层。

A protocell is a self-organized, self-ordered, spherical collection of [[lipid]]s proposed as a stepping-stone to the origin of life.<ref name="Chen 2010">{{cite journal |first1=Irene A. |last1=Chen |first2=Peter |last2=Walde |title=From Self-Assembled Vesicles to Protocells |journal=Cold Spring Harbor Perspectives in Biology |date=July 2010 |volume=2 |issue=7 |page=a002170 |doi=10.1101/cshperspect.a002170 |pmc=2890201 |pmid=20519344}}</ref> A central question in evolution is how simple protocells first arose and differed in reproductive contribution to the following generation driving the evolution of life. Although a functional protocell has not yet been achieved in a laboratory setting, there are scientists who think the goal is well within reach.<ref name="Exploring">{{cite web |url=http://exploringorigins.org/protocells.html |title=Exploring Life's Origins: Protocells |website=Exploring Life's Origins: A Virtual Exhibit |publisher=National Science Foundation |location=Arlington County, VA |accessdate=2014-03-18 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20140228083459/http://exploringorigins.org/protocells.html |archivedate=28 February 2014}}</ref><ref name="Chen 2006">{{cite journal |last=Chen |first=Irene A. |date=8 December 2006 |title=The Emergence of Cells During the Origin of Life |journal=Science |volume=314 |issue=5805 |pages=1558–1559 |doi=10.1126/science.1137541 |pmid=17158315 |doi-access=free }}</ref><ref name="Discover 2004">{{cite journal |last=Zimmer |first=Carl |authorlink=Carl Zimmer |date=26 June 2004 |title=What Came Before DNA? |url=http://discovermagazine.com/2004/jun/cover |journal=Discover |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20140319001351/http://discovermagazine.com/2004/jun/cover |archivedate=19 March 2014}}</ref>

原始细胞是一种自组织、自排序、球形的脂质集合，被提议作为生命起源的踏脚石。进化论中的一个核心问题是简单的原始细胞是如何首先产生的，并对下一代的繁殖贡献不同，推动生命的进化。虽然在实验室环境中还没有实现功能性的原始细胞，但有科学家认为这个目标是可以实现的。

Self-assembled [[Vesicle (biology and chemistry)|vesicles]] are essential components of primitive cells.<ref name="Chen 2010" /> The [[second law of thermodynamics]] requires that the universe move in a direction in which [[entropy]] increases, yet life is distinguished by its great degree of organization. Therefore, a boundary is needed to separate [[Metabolism|life processes]] from non-living matter.<ref name="SciAm 2007">{{cite journal |last=Shapiro |first=Robert |authorlink=Robert Shapiro (chemist) |date=June 2007 |title=A Simpler Origin for Life |url=http://www.scientificamerican.com/article/a-simpler-origin-for-life/ |journal=Scientific American |volume=296 |issue=6 |pages=46–53 |doi=10.1038/scientificamerican0607-46 |pmid=17663224 |accessdate=2015-06-15 |bibcode=2007SciAm.296f..46S |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150614000643/http://www.scientificamerican.com/article/a-simpler-origin-for-life/ |archivedate=14 June 2015}}</ref> Researchers Irene Chen and Szostak amongst others, suggest that simple physicochemical properties of elementary protocells can give rise to essential cellular behaviours, including primitive forms of differential reproduction competition and energy storage. Such cooperative interactions between the membrane and its encapsulated contents could greatly simplify the transition from simple replicating molecules to true cells.<ref name="Chen 2006" /> Furthermore, competition for membrane molecules would favour stabilized membranes, suggesting a selective advantage for the evolution of cross-linked fatty acids and even the [[phospholipid]]s of today.<ref name="Chen 2006" /> Such [[micro-encapsulation]] would allow for metabolism within the membrane, the exchange of small molecules but the prevention of passage of large substances across it.<ref>{{harvnb|Chang|2007}}</ref> The main advantages of encapsulation include the increased [[solubility]] of the contained cargo within the capsule and the storage of energy in the form of an [[electrochemical gradient]].

自组装囊泡是原始细胞的必要组成部分。热力学第二定律要求宇宙向熵增加的方向运动，然但生命以其组织程度高而著称。因此，需要一个边界来将生命过程与非生命物质分开。研究人员艾琳·陈 Irene Chen和绍斯塔克 Szostak等人认为，基本原细胞的简单物理化学特性可以引起基本的细胞行为，包括原始形式的差异繁殖竞争和能量储存。膜与包裹物之间的这种合作相互作用可以大大简化从简单复制分子到真正细胞的过渡。此外，对膜分子的竞争将有利于稳定的膜，这表明交联脂肪酸甚至今天的磷脂的进化具有选择性优势。这种微胶囊将允许膜内的新陈代谢，小分子的交换，但防止大物质穿过膜。胶囊化的主要优势包括胶囊内所含货物的溶解度增加，以及以电化学梯度的形式储存能量。讨论***为什么胶囊内的货物的溶解度会增加呢？***

A 2012 study led by Mulkidjanian of the [[University of Osnabrück]], suggests that inland pools of condensed and cooled geothermal vapor have the ideal characteristics for the origin of life.<ref name="Switek 2012">{{cite news |last=Switek |first=Brian |date=13 February 2012 |title=Debate bubbles over the origin of life |work=Nature |location=London |publisher=Nature Publishing Group |doi=10.1038/nature.2012.10024}}</ref> Scientists confirmed in 2002 that by adding a [[montmorillonite]] clay to a solution of fatty acid micelles (lipid spheres), the clay sped up the rate of vesicles formation 100-fold.<ref name="Discover 2004" /> Furthermore, recent studies have found that the repeated actions of dehydration and rehydration trapped biomolecules like RNA inside the lipid protocells found within hot springs and providing the necessary preconditions for evolution by natural selection.<ref>{{Cite web|last=z3530495|date=2020-05-05|title='When chemistry became biology': looking for the origins of life in hot springs|url=https://newsroom.unsw.edu.au/news/science-tech/when-chemistry-became-biology-looking-origins-life-hot-springs|access-date=2020-10-12|website=UNSW Newsroom}}</ref>

奥斯纳布吕克大学的穆尔基贾尼安 Mulkidjanian领导的一项2012年的研究表明，冷凝和冷却的地热蒸汽的内陆池具有生命起源的理想特征。科学家在2002年证实，通过在脂肪酸胶束（脂质球）溶液中加入蒙脱石粘土，粘土将囊泡形成的速度加快了100倍。此外，最近的研究还发现，脱水和补水的反复作用将RNA等生物分子困在了温泉内发现的脂质原始细胞内，为自然选择的进化提供了必要的前提条件。

=== Lipid vesicles formation in fresh water ===

淡水中脂质泡的形成

[[Bruce Damer]] and [[David Deamer]] have come to the conclusion that [[cell membrane]]s cannot be formed in salty [[seawater]], and must therefore have originated in freshwater. Before the continents formed, the only dry land on Earth would be volcanic islands, where rainwater would form ponds where lipids could form the first stages towards cell membranes. These predecessors of true cells are assumed to have behaved more like a [[superorganism]] rather than individual structures, where the porous membranes would house molecules which would leak out and enter other protocells. Only when true cells had evolved would they gradually adapt to saltier environments and enter the ocean.<ref>{{cite journal |last1=Damer |first1=Bruce |last2=Deamer |first2=David |date=13 March 2015 |title=Coupled Phases and Combinatorial Selection in Fluctuating Hydrothermal Pools: A Scenario to Guide Experimental Approaches to the Origin of Cellular Life |journal=Life |volume=5 |issue=1 |pages=872–887 |doi=10.3390/life5010872 |pmc=4390883 |pmid=25780958}}</ref>

布鲁斯·达默Bruce Damer和大卫·迪默David Deamer得出的结论是，细胞膜不可能在咸咸的海水中形成，因此必须起源于淡水。在大陆形成之前，地球上唯一干燥的陆地应该是火山岛，雨水会在那里形成池塘，脂质可以在那里形成走向细胞膜的第一个阶段。这些真正细胞的前身被认为表现得更像一个超个体，而不是个体的结构，多孔的膜会容纳分子，这些分子会漏出并进入其他原细胞。只有当真细胞进化后，它们才会逐渐适应较咸的环境，进入海洋。

=== Vesicles consisting of mixtures of RNA-like biochemicals ===

由RNA类生化物质的混合物组成的囊泡
Another protocell model is the [[Jeewanu]]. First synthesized in 1963 from simple minerals and basic organics while exposed to sunlight, it is still reported to have some metabolic capabilities, the presence of [[semipermeable membrane]], amino acids, phospholipids, [[carbohydrate]]s and RNA-like molecules.<ref name="Grote 2011">{{cite journal |last=Grote |first=Mathias |date=September 2011 |title=''Jeewanu'', or the 'particles of life' |url=http://www.ias.ac.in/jbiosci/grote_3677.pdf |journal=[[Journal of Biosciences]] |volume=36 |issue=4 |pages=563–570 |doi=10.1007/s12038-011-9087-0 |pmid=21857103 |s2cid=19551399 |accessdate=2015-06-15 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150924050938/http://www.ias.ac.in/jbiosci/grote_3677.pdf |archivedate=24 September 2015}}</ref><ref name="Gupta 2013">{{cite journal |last1=Gupta |first1=V.K. |last2=Rai |first2=R.K. |date=August 2013 |title=Histochemical localisation of RNA-like material in photochemically formed self-sustaining, abiogenic supramolecular assemblies 'Jeewanu' |url=https://www.academia.edu/9439398 |journal=International Research Journal of Science & Engineering |volume=1 |issue=1 |pages=1–4|accessdate=2015-06-15 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20170628001930/http://www.academia.edu/9439398/Histochemical_Localisation_of_RNA_like_material_in_photochemically_formed_self-sustaining_abiogenic_supramolecular_assemblis_Jeewanu_ |archivedate=28 June 2017}}</ref> However, the nature and properties of the Jeewanu remains to be clarified.

另一种原细胞模型是Jeewanu。1963年首次由简单的矿物质和基本有机物在阳光下合成，据报道，它仍具有一定的新陈代谢能力，存在半透膜、氨基酸、磷脂、碳水化合物和RNA类分子。

Electrostatic interactions induced by short, positively charged, hydrophobic peptides containing 7 amino acids in length or fewer, can attach RNA to a vesicle membrane, the basic cell membrane.<ref>{{cite news |last=Welter |first=Kira |date=10 August 2015 |title=Peptide glue may have held first protocell components together |url=http://www.rsc.org/chemistryworld/2015/08/peptide-glue-rna-may-have-held-first-protocells-together |work=Chemistry World |type=News |location=London |publisher=Royal Society of Chemistry |accessdate= 2015-08-29 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150905234238/http://www.rsc.org/chemistryworld/2015/08/peptide-glue-rna-may-have-held-first-protocells-together |archivedate=5 September 2015}}</ref><ref>{{cite journal |last1=Kamat |first1=Neha P. |last2=Tobé |first2=Sylvia |last3=Hill |first3=Ian T. |last4=Szostak |first4=Jack W. |authorlink4=Jack W. Szostak |title=Electrostatic Localization of RNA to Protocell Membranes by Cationic Hydrophobic Peptides |date=29 July 2015 |journal=Angewandte Chemie International Edition |doi=10.1002/anie.201505742 |pmid=26223820 |pmc=4600236 |volume=54 |issue=40 |pages=11735–11739}}</ref>

由长度为7个氨基酸或更少的带正电荷的疏水性短肽引起的静电相互作用，可以将RNA附着在囊膜上，即基本细胞膜上。

=== Metal-sulfide precipitates ===

金属硫化物沉淀物

William Martin and [[Michael Russell (scientist)|Michael Russell]] have suggested < blockquote >. . . . that life evolved in structured iron monosulphide precipitates in a seepage site hydrothermal mound at a redox, pH, and temperature gradient between sulphide-rich hydrothermal fluid and iron(II)-containing waters of the Hadean ocean floor. The naturally arising, three-dimensional compartmentation observed within fossilized seepage-site metal sulphide precipitates indicates that these inorganic compartments were the precursors of cell walls and membranes found in free-living prokaryotes. The known capability of FeS and NiS to catalyze the synthesis of the acetyl-methylsulphide from carbon monoxide and methylsulphide, constituents of hydrothermal fluid, indicates that pre-biotic syntheses occurred at the inner surfaces of these metal-sulphide-walled compartments,..."<ref name="Martin2003">{{cite journal |last1=Martin |first1=William |authorlink1=William F. Martin |last2=Russell |first2=Michael J. |date=29 January 2003 |title=On the origins of cells: a hypothesis for the evolutionary transitions from abiotic geochemistry to chemoautotrophic prokaryotes, and from prokaryotes to nucleated cells |journal=Philosophical Transactions of the Royal Society B |volume=358 |issue=1429 |pages=59–83; discussion 83–85 |doi=10.1098/rstb.2002.1183|pmid=12594918 |pmc=1693102}}</ref> < /blockquote >

威廉·马丁 William Martin和迈克尔·拉塞尔 Michael Russell说

......生命是在一个渗流点热液丘中的结构化一硫化铁沉淀物中演化出来的，其氧化还原、pH值和温度梯度介于富含硫化物的热液和冥古代洋底的含铁(II)水之间。在渗透点金属硫化物沉淀物化石中观察到的自然生成的三维分隔表明，这些无机分隔是在自由生活的原核生物中发现的细胞壁和细胞膜的前身。已知FeS和NiS能够催化一氧化碳和甲基硫化物（热液的成分）合成乙酰-甲基硫化物，这表明前生物合成发生在这些金属硫化物壁隔室的内表面，......"
== Pertinent geological environments ==

相关地质环境
===Darwin's little pond===

Darwin的小池塘

An early concept, that life originated from non-living matter in slow stages, appeared in [[Herbert Spencer]]'s 1864–1867 book ''Principles of Biology''. In 1879 [[William Turner Thiselton-Dyer]] referred to this in a paper "On spontaneous generation and evolution". On 1 February 1871 [[Charles Darwin]] wrote about these publications to [[Joseph Dalton Hooker|Joseph Hooker]], and set out his own speculation,<ref name="Darwin DCP-LETT-7471">{{cite web | title=Letter no. 7471, Charles Darwin to Joseph Dalton Hooker, 1 February (1871) | website=Darwin Correspondence Project | date= | url=https://www.darwinproject.ac.uk/letter/DCP-LETT-7471.xml | access-date=7 July 2020}}</ref><ref>{{cite web|url=https://www.nsf.gov/news/special_reports/darwin/textonly/polar_essay1.jsp|title=Origin and Evolution of Life on a Frozen Earth|last=Priscu|first=John C.|authorlink=John Charles Priscu|publisher=[[National Science Foundation]]|location=Arlington County, VA|archiveurl=https://web.archive.org/web/20131218070241/http://www.nsf.gov/news/special_reports/darwin/textonly/polar_essay1.jsp|archivedate=18 December 2013|url-status=live|accessdate=2014-03-01}}</ref> suggesting that the original spark of life may have begun in a < blockquote >warm little pond, with all sorts of ammonia and phosphoric salts, light, heat, electricity, {{sic|hide=y|&c.}}, present, that a {{sic|hide=y|[[protein]]e}} compound was chemically formed ready to undergo still more complex changes.< /blockquote > He went on to explain that < blockquote >at the present day such matter would be instantly devoured or absorbed, which would not have been the case before living creatures were formed.< /blockquote >

一个早期的概念，即生命在缓慢的阶段中起源于非生命物质，出现在赫伯特·斯宾塞 Herbert Spencer 1864-1867年的《生物学原理》一书中。1879年威廉·特纳·希塞尔顿-代尔 William Turner Thiselton-Dyer在论文"论自然发生和演化"中提到了这一点。1871年2月1日，Charles Darwin将这些出版物写信给约瑟夫·胡克 Joseph Hooker，并提出了自己的推测，认为生命的最初火花可能是始于

温暖的小池塘，加上各种氨和磷盐，光、热、电等的存在，一种蛋白质化合物已经在化学上形成，准备进行更复杂的变化。

他继续解释说，

< blockquote >
在今天，这种物质会被立即吞噬或吸收，而在生物形成之前是不会有这种情况的。
< blockquote >

{{harvnb|Darwin|1887|p=[http://darwin-online.org.uk/content/frameset?viewtype=text&itemID=F1452.3&pageseq=30 18]}}:

Darwin 1887年，第18页。

It is often said that all the conditions for the first production of a living organism are now present, which could ever have been present. But if (and oh! what a big if!) we could conceive in some warm little pond, with all sorts of ammonia and phosphoric salts, light, heat, electricity, {{sic|&c.|hide=y}}, present, that a {{sic|[[protein]]e|hide=y}} compound was chemically formed ready to undergo still more complex changes, at the present day such matter would be instantly devoured or absorbed, which would not have been the case before living creatures were formed.

人们常说，现在已经具备了生物体第一次生产的所有条件，而这些条件本来是可能存在的。但是，如果（哦！多么大的如果啊！）我们可以设想在某个温暖的小池塘里，在各种氨和磷盐、光、热、电等条件存在的情况下，一种蛋白质化合物被化学形成，准备进行更复杂的变化，在现在，这种物质会立即被吞噬或吸收，这在生物形成之前是不会出现的。

— Darwin, 1 February 1871
—达尔文，1871年2月1日

More recent studies, in 2017, support the notion that life may have begun right after the Earth was formed as RNA molecules emerging from "warm little ponds".<ref name="IND-20171002">{{cite web |last=Johnston |first=Ian |title=Life first emerged in 'warm little ponds' almost as old as the Earth itself – Darwin's famous idea backed by new scientific study |url=https://www.independent.co.uk/news/science/origins-life-ponds-organisms-earth-age-study-a7978906.html |date=2 October 2017 |work=[[The Independent]] |accessdate=2 October 2017 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20171003003027/http://www.independent.co.uk/news/science/origins-life-ponds-organisms-earth-age-study-a7978906.html |archivedate=3 October 2017}}</ref>

2017年的最新研究支持这样的观点：生命可能在地球形成后就开始了，因为RNA分子从"温暖的小池塘"中出现。

===Volcanic hot springs and hydrothermal vents, shallow or deep===

浅层或深层的火山温泉和热液喷口

{{for|branching of Bacteria phyla|Bacterial phyla}}

Martin Brazier has shown that early micro-fossils came from a hot world of gases such as [[methane]], [[ammonia]], [[carbon dioxide]] and [[hydrogen sulphide]], which are toxic to much current life.<ref>

M.D> Brasier (2012), "Secret Chambers: The Inside Story of Cells and Complex Life" (Oxford Uni Press), p.298</ref> Another analysis of the conventional threefold tree of life shows thermophilic and hyperthermophilic [[bacteria]] and [[archaea]] are closest to the root, suggesting that life may have evolved in a hot environment.<ref>Ward, Peter & Kirschvink, Joe, op cit, p. 42</ref>

马丁·布劳泽尔 Martin Brazier曾表明，早期的微体化石来自于甲烷、氨、二氧化碳和硫化氢等气体的高温世界，这些气体对目前的许多生命都是有毒的。另一种对传统的三重生命树的分析表明，嗜热和嗜高温的细菌和古细菌最接近根部，这表明生命可能是在高温环境中进化的。

===Deep sea hydrothermal vents===

深海热液喷口
[[File:Blacksmoker in Atlantic Ocean.jpg|thumb|upright|Deep-sea hydrothermal vent or [[black smoker]]]]

深海热液喷口或海底黑烟柱
The deep sea vent, or alkaline [[hydrothermal vent]], theory posits that life may have begun at submarine hydrothermal vents,<ref name=":1">{{Cite journal|author1=Colín-García, M.|author2=A. Heredia|author3=G. Cordero|author4=A. Camprubí|author5=A. Negrón-Mendoza|author6=F. Ortega-Gutiérrez|author7=H. Berald|author8=S. Ramos-Bernal|year=2016|title=Hydrothermal vents and prebiotic chemistry: a review|url=http://boletinsgm.igeolcu.unam.mx/bsgm/index.php/component/content/article/309-sitio/articulos/cuarta-epoca/6803/1620-6803-13-colin|journal=Boletín de la Sociedad Geológica Mexicana|volume=68|issue=3|pages=599–620|url-status=live|archiveurl=https://web.archive.org/web/20170818175803/http://boletinsgm.igeolcu.unam.mx/bsgm/index.php/component/content/article/309-sitio/articulos/cuarta-epoca/6803/1620-6803-13-colin|archivedate=18 August 2017|doi=10.18268/BSGM2016v68n3a13|doi-access=free}}</ref><ref name="hydrothermal vents NASA 2014">{{cite web|url=https://astrobiology.nasa.gov/articles/2014/6/24/hydrothermal-vents-could-explain-chemical-precursors-to-life/ |title=Hydrothermal Vents Could Explain Chemical Precursors to Life |last=Schirber |first=Michael |date=24 June 2014 |website=NASA Astrobiology: Life in the Universe |publisher=NASA |accessdate=2015-06-19 |url-status=dead |archiveurl=https://web.archive.org/web/20141129051724/http://astrobiology.nasa.gov/articles/2014/6/24/hydrothermal-vents-could-explain-chemical-precursors-to-life/ |archivedate=29 November 2014}}</ref> Martin and Russell have suggested < blockquote >that life evolved in structured iron monosulphide precipitates in a seepage site hydrothermal mound at a redox, pH, and temperature gradient between sulphide-rich hydrothermal fluid and iron(II)-containing waters of the Hadean ocean floor. The naturally arising, three-dimensional compartmentation observed within fossilized seepage-site metal sulphide precipitates indicates that these inorganic compartments were the precursors of cell walls and membranes found in free-living prokaryotes. The known capability of FeS and NiS to catalyze the synthesis of the acetyl-methylsulphide from carbon monoxide and methylsulphide, constituents of hydrothermal fluid, indicates that pre-biotic syntheses occurred at the inner surfaces of these metal-sulphide-walled compartments,...<ref name="Martin2003" />< /blockquote > These form where hydrogen-rich fluids emerge from below the sea floor, as a result of [[Serpentinite|serpentinization]] of ultra-[[mafic]] [[olivine]] with seawater and a pH interface with carbon dioxide-rich ocean water. The vents form a sustained chemical energy source derived from redox reactions, in which electron donors (molecular hydrogen) react with electron acceptors (carbon dioxide); see [[Iron–sulfur world theory]]. These are highly [[exothermic reaction]]s.<ref name=":1" />{{efn|The reactions are: 

深海喷口或碱性热液喷口理论认为生命可能始于海底热液喷口，Martin和Russell认为

< blockquote >

生命是在一个渗流点热液丘中的结构化一硫化铁沉淀物中演化出来的，其氧化还原、pH值和温度梯度介于富含硫化物的热液和冥古代洋底的含铁(II)水之间。在渗流点金属硫化物沉淀物化石中观察到的自然生成的三维分隔表明，这些无机分隔是自由生活的原核生物中发现的细胞壁和膜的前体。已知FeS和NiS能够催化一氧化碳和甲基硫化物（热液的成分）合成乙酰-甲基硫化物，这表明前生物合成发生在这些金属硫化物壁隔室的内表面，
< blockquote >

这些喷口形成于海底富氢液体渗出的地方，是超镁铁质橄榄石与海水发生蛇纹石化以及与富含二氧化碳的海水的pH值界面的结果。这些喷口形成了一个来自氧化还原反应的持续化学能源，其中电子供体（分子氢）与电子受体（二氧化碳）发生反应；见铁-硫世界理论。这些都是高度放热的反应。

Russell demonstrated that alkaline vents created an abiogenic [[Proton electromotive force|proton motive force]] (PMF) [[Chemiosmosis|chemiosmotic]] gradient,<ref name="Martin2003" /> in which conditions are ideal for an abiogenic hatchery for life. Their microscopic compartments "provide a natural means of concentrating organic molecules," composed of iron-sulfur minerals such as [[mackinawite]], endowed these mineral cells with the catalytic properties envisaged by [[Günter Wächtershäuser]].<ref name="Lane 2009" /> This movement of ions across the membrane depends on a combination of two factors:

Russell证明，碱性喷口创造了一个非生物质子动力（PMF）化学渗透的梯度，其中的条件是理想的非生物生命孵化器。它们的微观隔间"提供了集中有机分子的天然手段"，由铁硫矿物组成，如马基诺矿，赋予这些矿物小室以金特·沃特肖泽 Günter Wächtershäuser设想的催化特性。这种离子在膜上的运动取决于两个因素的组合：

# [[Diffusion]] force caused by concentration gradient—all particles including ions tend to diffuse from higher concentration to lower.

由浓度梯度引起的扩散力--包括离子在内的所有粒子都倾向于从高浓度向低浓度扩散。

# Electrostatic force caused by electrical potential gradient—[[cations]] like [[proton]]s H+ tend to diffuse down the electrical potential, [[anions]] in the opposite direction.

电位梯度引起的静电力--质子H+等阳离子倾向于顺着电位扩散，阴离子则相反。

These two gradients taken together can be expressed as an [[electrochemical gradient]], providing energy for abiogenic synthesis. The proton motive force can be described as the measure of the potential energy stored as a combination of proton and voltage gradients across a membrane (differences in proton concentration and electrical potential).

这两个梯度综合起来可以表示为电化学梯度，为非生物合成提供能量。质子动力可以描述为质子和电压跨膜梯度的组合（质子浓度和电位的差异）所储存的势能的度量。

Szostak suggested that geothermal activity provides greater opportunities for the origination of life in open lakes where there is a buildup of minerals. In 2010, based on spectral analysis of sea and hot mineral water, Ignat Ignatov and Oleg Mosin demonstrated that life may have predominantly originated in hot mineral water. The hot mineral water that contains [[bicarbonate]] and [[calcium]] ions has the most optimal range.<ref>{{cite journal |last1=Ignatov |first1=Ignat |last2=Mosin |first2=Oleg V. |year=2013 |title=Possible Processes for Origin of Life and Living Matter with modeling of Physiological Processes of Bacterium ''Bacillus Subtilis'' in Heavy Water as Model System |journal=Journal of Natural Sciences Research |volume=3 |issue=9 |pages=65–76}}</ref> This case is similar to the origin of life in hydrothermal vents, but with bicarbonate and calcium ions in hot water. This water has a pH of 9–11 and is possible to have the reactions in seawater. According to [[Melvin Calvin]], certain reactions of condensation-dehydration of amino acids and nucleotides in individual blocks of peptides and nucleic acids can take place in the primary hydrosphere with pH 9–11 at a later evolutionary stage.<ref>{{harvnb|Calvin|1969}}</ref> Some of these compounds like [[Hydrogen cyanide|hydrocyanic acid]] (HCN) have been proven in the experiments of Miller. This is the environment in which the [[stromatolite]]s have been created. David Ward of [[Montana State University]] described the formation of stromatolites in hot mineral water at the [[Yellowstone National Park]]. Stromatolites survive in hot mineral water and in proximity to areas with volcanic activity.<ref>{{cite journal |last=Schirber |first=Michael |date=1 March 2010 |title=First Fossil-Makers in Hot Water |url=http://www.astrobio.net/news-exclusive/first-fossil-makers-in-hot-water/ |journal=[[Astrobiology Magazine]] |accessdate=2015-06-19 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150714085640/http://www.astrobio.net/news-exclusive/first-fossil-makers-in-hot-water/ |archivedate=14 July 2015}}</ref> Processes have evolved in the sea near geysers of hot mineral water.

Szostak提出，在有矿物质堆积的开放湖泊中，地热活动为生命的起源提供了更大的机会。2010年，伊格纳特·伊格纳托夫 Ignat Ignatov和奥列格·莫辛Oleg Mosin根据对海水和热矿泉水的光谱分析，证明生命可能主要起源于热矿泉水。含有碳酸氢盐和钙离子的热矿泉水具有最理想的范围。这种情况类似于热液喷口中的生命起源，但热水中含有碳酸氢盐和钙离子。这种水的pH值为9-11，有可能在海水中发生反应。根据梅尔文·卡尔文 Melvin Calvin的观点，在更后的进化阶段，在pH值为9-11的原生水球中，可能发生某些氨基酸和核苷酸在多肽和核酸各个区段中的脱水-缩合反应。其中一些化合物如氢氰酸（HCN）已经在Miller的实验中得到证明。这就是产生叠层石的环境。蒙大拿州立大学的大卫·沃德 David Ward描述了黄石国家公园的热矿泉水中的叠层石的形成。叠层石存在于热矿泉水中和靠近火山活动的地区。这些过程是在热矿泉水的间歇泉附近的海中演化的。***2011年，东京大学的Tadashi Sugawara在热水中创造了一个原生细胞。***缺乏对应英文

Experimental research and computer modelling suggest that the surfaces of mineral particles inside hydrothermal vents have catalytic properties similar to those of enzymes and are able to create simple organic molecules, such as [[methanol]] (CH3OH) and [[Formic acid|formic]], [[Acetic acid|acetic]] and [[Pyruvic acid|pyruvic]] acid out of the dissolved CO2 in the water.<ref name="organics">{{cite press release |last=Usher |first=Oli |date=27 April 2015 |title=Chemistry of seabed's hot vents could explain emergence of life |url=https://www.ucl.ac.uk/silva/mathematical-physical-sciences/maps-news-publication/maps1526 |publisher=[[University College London]] |accessdate=2015-06-19 |archive-url=https://web.archive.org/web/20150620012231/https://www.ucl.ac.uk/silva/mathematical-physical-sciences/maps-news-publication/maps1526 |archive-date=20 June 2015 |url-status=dead}}</ref><ref>{{cite journal |last1=Roldan |first1=Alberto |last2=Hollingsworth |first2=Nathan |last3=Roffey |first3=Anna |last4=Islam |first4=Husn-Ubayda |last5=Goodall |first5=Josephine B. M. |last6=Catlow |first6=C. Richard A. |authorlink6=Richard Catlow |last7=Darr |first7=Jawwad A. |last8=Bras |first8=Wim |last9=Sankar |first9=Gopinathan |last10=Holt |first10=Katherine B. |last11=Hogarth |first11=Graeme |last12=de Leeuw |first12=Nora Henriette |display-authors=4 |date=May 2015 |title=Bio-inspired CO2 conversion by iron sulfide catalysts under sustainable conditions |url=http://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2015/cc/c5cc02078f|journal=Chemical Communications |volume=51 |issue=35 |pages=7501–7504 |doi=10.1039/C5CC02078F |pmid=25835242 |accessdate=2015-06-19 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150620003943/http://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2015/cc/c5cc02078f |archivedate=20 June 2015|doi-access=free }}</ref>

实验研究和计算机建模表明，热液喷口内的矿物颗粒表面具有类似酶的催化特性，能够从水中溶解的二氧化碳中制造出简单的有机分子，如甲醇（CH3OH）和甲酸、乙酸和丙酮酸。

The research reported above by Martin in 2016 supports the thesis that life arose at hydrothermal vents,<ref>{{cite journal | last1 = Baross | first1 = J.A. | last2 = Hoffman | first2 = S.E. | year = 1985 | title = Submarine hydrothermal vents and associated gradient environments as sites for the origin and evolution of life | journal = Origins LifeEvol. B | volume = 15 | issue = 4 | pages = 327–345 | doi=10.1007/bf01808177| bibcode = 1985OrLi...15..327B | s2cid = 4613918 }}</ref><ref>{{cite journal | last1 = Russell | first1 = M.J. | last2 = Hall | first2 = A.J. | year = 1997 | title = The emergence of life from iron monosulphide bubbles at a submarine hydrothermal redox and pH front | journal = Journal of the Geological Society| volume = 154 | issue = 3 | pages = 377–402 | doi=10.1144/gsjgs.154.3.0377| pmid = 11541234 | bibcode = 1997JGSoc.154..377R | s2cid = 24792282 }}</ref> that spontaneous chemistry in the Earth's crust driven by rock–water interactions at disequilibrium thermodynamically underpinned life's origin<ref>{{cite journal | last1 = Amend | first1 = J.P. | last2 = LaRowe | first2 = D.E. | last3 = McCollom | first3 = T.M. | last4 = Shock | first4 = E.L. | year = 2013 | title = The energetics of organic synthesis inside and outside the cell | journal = Phil. Trans. R. Soc. Lond. B | volume = 368 | issue = 1622 | page = 20120255 | doi=10.1098/rstb.2012.0255| pmid = 23754809 | pmc = 3685458 }}</ref><ref>{{cite journal | last1 = Shock | first1 = E.L. | last2 = Boyd | first2 = E.S. | year = 2015 | title = Geomicrobiology and microbial geochemistry:principles of geobiochemistry | journal = Elements | volume = 11 | pages = 389–394 | doi = 10.2113/gselements.11.6.395 }}</ref> and that the founding lineages of the archaea and bacteria were H2-dependent autotrophs that used CO2 as their terminal acceptor in energy metabolism.<ref>{{cite journal | last1 = Martin | first1 = W. | last2 = Russell | first2 = M.J. | year = 2007 | title = On the origin of biochemistry at an alkaline hydrothermal vent | journal = Phil. Trans. R. Soc. Lond. B | volume = 362 | issue = 1486 | pages = 1887–1925 | doi = 10.1098/rstb.2006.1881 | pmid = 17255002 | pmc = 2442388 }}</ref> Martin suggests, based upon this evidence that [[LUCA]] "may have depended heavily on the geothermal energy of the vent to survive".<ref>Nature, Vol 535, 28 July 2016. p.468</ref>

Martin在2016年报告的上述研究支持这样的论点，即生命产生于热液喷口,地壳中由岩石-水相互作用驱动的非平衡热力学自发化学作用是生命起源的基础，古细菌和细菌的创始系是依赖H2的自养生物，它们在能量代谢中使用CO2作为终端接受体。Martin根据这些证据提出，LUCA "可能严重依赖喷口的地热能而生存"。

=== Fluctuating hydrothermal pools on volcanic islands or proto-continents ===

火山岛或原大陆上的波动性热液池

Mulkidjanian and co-authors think that the marine environments did not provide the ionic balance and composition universally found in cells, as well as of ions required by essential proteins and ribozymes found in virtually all living organisms, especially with respect to K+/Na+ ratio, Mn2+, Zn2+ and phosphate concentrations. The only known environments that mimic the needed conditions on Earth are found in terrestrial hydrothermal pools fed by steam vents.<ref name=":1" /> Additionally, mineral deposits in these environments under an anoxic atmosphere would have suitable pH (as opposed to current pools in an oxygenated atmosphere), contain precipitates of sulfide minerals that block harmful UV radiation, have wetting/drying cycles that concentrate substrate solutions to concentrations amenable to spontaneous formation of polymers of nucleic acids, polyesters<ref>{{cite journal |last1=Chandru |first1=Kuhan |last2=Guttenberg |first2=Nicholas |last3=Giri |first3=Chaitanya |last4=Hongo |first4=Yayoi |last5=Butch |first5=Christopher |last6=Mamajanov |first6=Irena |last7=Cleaves |first7=H. James |title=Simple prebiotic synthesis of high diversity dynamic combinatorial polyester libraries |journal=Communications Chemistry |date=31 May 2018 |volume=1 |issue=1 |doi=10.1038/s42004-018-0031-1 |doi-access=free }}</ref> and depsipeptides,<ref>{{cite journal |last1=Forsythe |first1=Jay G |last2=Yu |first2=Sheng-Sheng |last3=Mamajanov |first3=Irena |last4=Grover |first4=Martha A |last5=Krishnamurthy |first5=Ramanarayanan |last6=Fernández |first6=Facundo M |last7=Hud |first7=Nicholas V |title=Ester-Mediated Amide Bond Formation Driven by Wet–Dry Cycles: A Possible Path to Polypeptides on the Prebiotic Earth |journal=Angewandte Chemie (International ed. In English) |date=17 August 2015 |volume=54 |issue=34 |pages=9871–9875 |doi=10.1002/anie.201503792 |pmid=26201989 |pmc=4678426 }}</ref> both by chemical reactions in the hydrothermal environment, as well as by exposure to [[UV light]] during transport from vents to adjacent pools. Their hypothesized pre-biotic environments are similar to the deep-oceanic vent environments most commonly hypothesized, but add additional components that help explain peculiarities found in reconstructions of the [[Last Universal Common Ancestor]] (LUCA) of all living organisms.<ref>{{cite journal |last1=Mulkidjanian |first1=Armid |last2=Bychkov |first2=Andrew |last3=Dibrova |first3=Daria |last4=Galperin |first4=Michael |last5=Koonin |first5=Eugene |date=3 April 2012 |title=Origin of first cells at terrestrial, anoxic geothermal fields |journal=PNAS |volume=109 |issue=14 |pages=E821–E830 |doi=10.1073/pnas.1117774109 |pmid=22331915 |pmc=3325685|bibcode=2012PNAS..109E.821M }}</ref>

Mulkidjanian和其合著者认为，海洋环境没有提供细胞中普遍存在的离子平衡和组成，也没有提供几乎所有生物体中基本蛋白质和核酶所需的离子，特别是K+/Na+比率、Mn2+、Zn2+和磷酸盐浓度。唯一已知的模拟地球上所需条件的环境是在由蒸汽喷口供给的陆地热液池中发现的。此外，这些环境中的矿藏在缺氧大气下会有合适的pH值(而不是目前在含氧大气下的池子)，含有能阻挡有害紫外线辐射的硫化物矿物质沉淀物，有湿润/干燥循环，能将基质溶液浓缩到适合自发形成多聚核酸、聚酯和缩肽的浓度，这些都是通过热液环境中的化学反应，以及通过从喷口向相邻池子运输过程中暴露在紫外线下形成的。他们推测的前生物环境与通常推测的深海喷口环境相似，但增加了额外的成分，有助于解释在重建所有生物的最后普遍共同祖先(LUCA)中发现的奇特之处。

Colín-García ''et al.'' (2016) discuss the advantages and disadvantages of hydrothermal vents as primitive environments.<ref name=":1"/> They mention the exergonic reactions in such systems could have been a source of free energy that promoted chemical reactions, additional to their high mineralogical diversity which implies the induction of important chemical gradients, thus favoring the interaction between electron donors and acceptors. Colín-García ''et al.'' (2016) also summarize a set of experiments proposed to test the role of hydrothermal vents in prebiotic synthesis.<ref name=":1"/>

科林-加西亚 Colín-García“等人”（2016）讨论了热液喷口作为原始环境的优势和劣势。他们提到，这种系统中的放能反应可能是促进化学反应的一种自由能来源，此外，它们的矿物学多样性很高，这意味着重要的化学梯度的诱导，从而有利于电子供体和受体之间的相互作用。Colín-García等(2016)还总结了一组被提议用于测试热液喷口在前生物合成中的作用的实验。

===Volcanic ash in the ocean===

海洋中的火山灰

[[Geoffrey W. Hoffmann]] has argued that a complex nucleation event as the origin of life involving both polypeptides and nucleic acid is compatible with the time and space available in the primitive oceans of Earth<ref>{{cite biorxiv|last1=Hoffmann|first1=Geoffrey William|title=A network theory of the origin of life|date=24 December 2016|biorxiv=10.1101/096701}}</ref> Hoffmann suggests that volcanic ash may provide the many random shapes needed in the postulated complex nucleation event. This aspect of the theory can be tested experimentally.

杰弗里·W.霍夫曼 Geoffrey W.Hoffmann认为，作为生命起源的复杂成核事件涉及多肽和核酸，与地球原始海洋中可用的时间和空间相适应。Hoffmann认为，火山灰可能提供了假设的复杂成核事件中所需要的许多随机形状。这方面的理论可以通过实验来检验。

=== Gold's deep-hot biosphere ===

戈德的深热生物圈

In the 1970s, [[Thomas Gold]] proposed the theory that life first developed not on the surface of the Earth, but several kilometers below the surface. It is claimed that the discovery of microbial life below the surface of another body in our Solar System would lend significant credence to this theory. Gold also asserted that a trickle of food from a deep, unreachable, source is needed for survival because life arising in a puddle of organic material is likely to consume all of its food and become extinct. Gold's theory is that the flow of such food is due to out-gassing of primordial methane from the Earth's mantle; more conventional explanations of the food supply of deep microbes (away from sedimentary carbon compounds) is that the organisms [[Microbial metabolism#Hydrogen oxidation|subsist on hydrogen]] released by an interaction between water and (reduced) iron compounds in rocks.

20世纪70年代，托马斯·戈德Thomas Gold提出了生命最初不是在地球表面，而是在地球表面以下几公里处发展起来的理论。据称，如果在我们的太阳系另一个天体表面以下发现微生物生命，将为这一理论提供重要的凭证。Gold还断言，从深不可测的源头获得涓涓细流的食物是生存所需要的，因为在一滩有机物中产生的生命很可能会消耗掉所有的食物而灭绝。Gold的理论是，这种食物的流动是由于地幔中原始甲烷的逸出所致；对深层微生物（远离沉积碳化合物）的食物供应，更传统的解释是，生物靠水和岩石中（还原的）铁化合物之间的相互作用释放的氢气为生。

=== Radioactive beach hypothesis ===

放射性海滩假说

Zachary Adam claims that tidal processes that occurred during a time when the Moon was much closer may have concentrated grains of [[uranium]] and other radioactive elements at the high-water mark on primordial beaches, where they may have been responsible for generating life's building blocks.<ref>{{cite journal |last=Dartnell |first=Lewis |date=12 January 2008 |title=Did life begin on a radioactive beach? |url=https://www.newscientist.com/article/mg19726384.000-did-life-begin-on-a-radioactive-beach.html |journal=New Scientist |issue=2638 |page=8 |accessdate=2015-06-26 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150627101858/http://www.newscientist.com/article/mg19726384.000-did-life-begin-on-a-radioactive-beach.html |archivedate=27 June 2015}}</ref> According to computer models,<ref>{{cite journal |last=Adam |first=Zachary |year=2007 |title=Actinides and Life's Origins |journal=Astrobiology |volume=7 |issue=6 |pages=852–872 |bibcode=2007AsBio...7..852A |doi=10.1089/ast.2006.0066|pmid=18163867}}</ref> a deposit of such radioactive materials could show the same [[Natural nuclear fission reactor|self-sustaining nuclear reaction]] as that found in the [[Oklo]] uranium ore seam in [[Gabon]]. Such radioactive beach sand might have provided sufficient energy to generate organic molecules, such as amino acids and sugars from [[acetonitrile]] in water. Radioactive [[monazite]] material also has released soluble phosphate into the regions between sand-grains, making it biologically "accessible." Thus amino acids, sugars, and soluble phosphates might have been produced simultaneously, according to Adam. Radioactive [[actinide]]s, left behind in some concentration by the reaction, might have formed part of [[Organometallic chemistry|organometallic complexes]]. These complexes could have been important early catalysts to living processes.

扎卡里·亚当 Zachary Adam声称，在月球更接近的时期发生的潮汐过程可能将铀和其他放射性元素的颗粒集中在原始海滩的高水位线上，在那里它们可能负责生成生命的构件。根据计算机模型，这种放射性物质的沉积可能显示出与加蓬奥克洛铀矿缝中发现的相同的自我维持的核反应。这种放射性海滩沙子可能提供了足够的能量来生成有机分子，如水中的乙腈生成氨基酸和糖类。放射性独居石物质还将可溶性磷酸盐释放到沙粒之间的区域，使其成为生物上的 "可利用物质"。据Adam说，因此氨基酸、糖类和可溶性磷酸盐可能是同时产生的。放射性的锕系元素，在反应中留下了一定的浓度，可能已经形成了有机金属复合物的一部分。这些复合物可能是生命过程的重要早期催化剂。

John Parnell has suggested that such a process could provide part of the "crucible of life" in the early stages of any early wet rocky planet, so long as the planet is large enough to have generated a system of plate tectonics which brings radioactive minerals to the surface. As the early Earth is thought to have had many smaller plates, it might have provided a suitable environment for such processes.<ref>{{cite journal |last=Parnell |first=John |date=December 2004 |title=Mineral Radioactivity in Sands as a Mechanism for Fixation of Organic Carbon on the Early Earth |journal=Origins of Life and Evolution of Biospheres |volume=34 |issue=6 |pages=533–547 |bibcode=2004OLEB...34..533P |doi=10.1023/B:ORIG.0000043132.23966.a1 |pmid=15570707|citeseerx=10.1.1.456.8955 |s2cid=6067448 }}</ref>

约翰·帕内尔 John Parnell认为，在任何早期潮湿的岩石行星的早期阶段，这种过程都可能提供部分 "生命的坩埚"，只要该行星足够大，产生了板块构造系统，将放射性矿物带到地表。由于早期地球被认为有许多较小的板块，它可能为这种过程提供了合适的环境。

== Origin of metabolism: physiology ==

代谢起源:生理学
Different forms of life with variable origin processes may have appeared quasi-simultaneously in the early [[history of Earth]].<ref>{{cite journal |last=Davies |first=Paul |authorlink=Paul Davies |date=December 2007 |title=Are Aliens Among Us? |url=http://www.zo.utexas.edu/courses/kalthoff/bio301c/readings/07Davies.pdf |journal=Scientific American |volume=297 |issue=6 |pages=62–69 |doi=10.1038/scientificamerican1207-62 |accessdate=2015-07-16 |quote=...if life does emerge readily under terrestrial conditions, then perhaps it formed many times on our home planet. To pursue this possibility, deserts, lakes and other extreme or isolated environments have been searched for evidence of "alien" life-forms—organisms that would differ fundamentally from known organisms because they arose independently. |bibcode=2007SciAm.297f..62D |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20160304185832/http://www.zo.utexas.edu/courses/kalthoff/bio301c/readings/07Davies.pdf |archivedate=4 March 2016}}</ref> The other forms may be extinct (having left distinctive fossils through their different biochemistry—e.g., [[hypothetical types of biochemistry]]). It has been proposed that:

在早期的地球历史中，具有不同起源过程的不同生命形式可能准同时出现。其他形式可能已经灭绝(通过其不同的生物化学--如假设的生物化学类型--留下了独特的化石)。有人提出：

< blockquote >The first organisms were self-replicating iron-rich clays which fixed carbon dioxide into oxalic and other [[dicarboxylic acid]]s. This system of replicating clays and their metabolic phenotype then evolved into the sulfide rich region of the hotspring acquiring the ability to fix nitrogen. Finally phosphate was incorporated into the evolving system which allowed the synthesis of nucleotides and phospholipids. If biosynthesis recapitulates biopoiesis, then the synthesis of amino acids preceded the synthesis of the purine and pyrimidine bases. Furthermore, the polymerization of the amino acid thioesters into polypeptides preceded the directed polymerization of amino acid esters by polynucleotides.<ref>{{cite journal |last=Hartman |first=Hyman |date=1998 |title=Photosynthesis and the Origin of Life |journal=Origins of Life and Evolution of Biospheres |volume=28 |issue=4–6 |pages=515–521 |bibcode=1998OLEB...28..515H |doi=10.1023/A:1006548904157 |pmid=11536891|s2cid=2464 }}</ref>< /blockquote >

< blockquote >
最早的生物是自我复制的富铁粘土，它将二氧化碳固定成草酸和其他二羧酸。这种复制粘土及其新陈代谢表型的系统随后进化到富含硫化物的热泉区获得了固氮的能力。最后磷酸盐被纳入进化的系统，使核苷酸和磷脂的合成成为可能。如果说生物合成概括了生物创建，那么氨基酸的合成就先于嘌呤和嘧啶碱基的合成。此外，氨基酸硫酯聚合成多肽，先于多核苷酸定向聚合氨基酸酯。

Metabolism-like reactions could have occurred naturally in early oceans, before the first organisms evolved.<ref name="Ralser 2014" /><ref name="Metabolism 2014">{{cite press release |last=Senthilingam |first=Meera |date=25 April 2014 |title=Metabolism May Have Started in Early Oceans Before the Origin of Life |url=http://www.eurekalert.org/pub_releases/2014-04/wt-mmh042314.php |publisher=[[Wellcome Trust]] |agency=[[American Association for the Advancement of Science|EurekAlert!]] |accessdate=2015-06-16 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150617102656/http://www.eurekalert.org/pub_releases/2014-04/wt-mmh042314.php |archivedate=17 June 2015}}</ref> Metabolism may predate the origin of life, which may have evolved from the chemical conditions in the earliest oceans. Reconstructions in laboratories show that some of these reactions can produce RNA, and some others resemble two essential reaction cascades of metabolism: [[glycolysis]] and the [[pentose phosphate pathway]], that provide essential precursors for nucleic acids, amino acids and lipids.<ref name="Metabolism 2014" />

类似新陈代谢的反应可能在早期海洋中自然发生，在第一批生物进化之前。新陈代谢可能早于生命的起源，它可能是由最早的海洋中的化学条件演化而来的。实验室中的重建表明，其中一些反应可以产生RNA，另外一些反应类似于新陈代谢的两个基本反应级联：糖酵解和磷酸戊糖通路，它们为核酸、氨基酸和脂类提供了必要的前体。

=== Clay hypothesis ===

粘土假说

[[Montmorillonite]], an abundant [[clay]], is a catalyst for the polymerization of RNA and for the formation of membranes from lipids.<ref>{{cite press release |last=Perry |first=Caroline |date=7 February 2011 |title=Clay-armored bubbles may have formed first protocells |url=http://www.eurekalert.org/pub_releases/2011-02/hu-cbm020411.php |location=Cambridge, MA |publisher=[[Harvard University]] |agency=EurekAlert! |accessdate=2015-06-20 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150714101638/http://www.eurekalert.org/pub_releases/2011-02/hu-cbm020411.php |archivedate=14 July 2015}}</ref> A model for the origin of life using clay was forwarded by Alexander Cairns-Smith in 1985 and explored as a plausible mechanism by several scientists.<ref>{{harvnb|Dawkins|1996|pp=148–161}}</ref> The clay hypothesis postulates that complex organic molecules arose gradually on pre-existing, non-organic replication surfaces of silicate crystals in solution.

蒙脱石是一种丰富的粘土，是RNA聚合和脂质形成膜的催化剂。1985年，亚历山大·凯恩斯-史密斯 Alexander Cairns-Smith提出了一个利用粘土进行生命起源的模型，并被一些科学家作为一种似可信的机制进行了探索。粘土假说假定复杂的有机分子是在溶液中的硅酸盐晶体预先存在的非有机重复表面上逐渐产生的。

At the [[Rensselaer Polytechnic Institute]], James Ferris' studies have also confirmed that montmorillonite clay minerals catalyze the formation of RNA in aqueous solution, by joining nucleotides to form longer chains.<ref>{{cite journal |author1=Wenhua Huang |last2=Ferris |first2=James P. |date=12 July 2006 |title=One-Step, Regioselective Synthesis of up to 50-mers of RNA Oligomers by Montmorillonite Catalysis |journal=Journal of the American Chemical Society |volume=128 |issue=27 |pages=8914–8919 |doi=10.1021/ja061782k |pmid=16819887}}</ref>

在伦斯勒理工学院，詹姆斯·费里斯 James Ferris的研究也证实，蒙脱石粘土矿物在水溶液中催化RNA的形成，通过连接核苷酸形成较长的链。

In 2007, Bart Kahr from the [[University of Washington]] and colleagues reported their experiments that tested the idea that crystals can act as a source of transferable information, using crystals of [[potassium hydrogen phthalate]]. "Mother" crystals with imperfections were cleaved and used as seeds to grow "daughter" crystals from solution. They then examined the distribution of imperfections in the new crystals and found that the imperfections in the mother crystals were reproduced in the daughters, but the daughter crystals also had many additional imperfections. For gene-like behavior to be observed, the quantity of inheritance of these imperfections should have exceeded that of the mutations in the successive generations, but it did not. Thus Kahr concluded that the crystals "were not faithful enough to store and transfer information from one generation to the next."<ref>{{cite journal |last=Moore |first=Caroline |date=16 July 2007 |title=Crystals as genes? |url=http://www.rsc.org/Publishing/ChemScience/Volume/2007/08/Crystals_as_genes.asp |journal=Highlights in Chemical Science |accessdate=2015-06-21 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150714094855/http://www.rsc.org/Publishing/ChemScience/Volume/2007/08/Crystals_as_genes.asp |archivedate=14 July 2015}}
* {{cite journal |last1=Bullard |first1=Theresa |last2=Freudenthal |first2=John |last3=Avagyan |first3=Serine |last4=Kahr |first4=Bart |display-authors=3 |year=2007 |title=Test of Cairns-Smith's 'crystals-as-genes' hypothesis |journal=[[Faraday Discussions]] |volume=136 |pages=231–245 |bibcode=2007FaDi..136..231B |doi=10.1039/b616612c |pmid=17955812 }}</ref>

2007年，来自华盛顿大学的巴特·卡尔Bart Kahr 及其同事报告了他们的实验，利用邻苯二甲酸氢钾的晶体，检验了晶体可以作为可转移信息的来源的想法。有缺陷的"母"晶体被切割用作种子以从溶液中生长出"子"晶体。然后，他们检查了新晶体中缺陷的分布，发现母晶体中的缺陷在子晶体中重现，但子晶体也有许多额外的缺陷。要想观察到类似基因的行为，这些缺陷的遗传的量应该超过连续几代中的突变的量，但事实并非如此。因此Kahr 得出结论，这些晶体 "不够忠实，无法存储信息并将信息从一代传给下一代”。

=== Iron–sulfur world ===
铁硫世界
{{Main|Iron–sulfur world theory}}

In the 1980s, Günter Wächtershäuser, encouraged and supported by [[Karl R. Popper|Karl Popper]],<ref>{{cite journal |last=Yue-Ching Ho |first=Eugene |date=July–September 1990 |title=Evolutionary Epistemology and Sir Karl Popper's Latest Intellectual Interest: A First-Hand Report |url=http://www.tkpw.net/hk-ies/n15/ |journal=Intellectus |volume=15 |pages=1–3 |oclc=26878740 |accessdate=2012-08-13 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20120311074143/http://www.tkpw.net/hk-ies/n15/ |archivedate=11 March 2012}}</ref><ref>{{cite news |last=Wade |first=Nicholas |date=22 April 1997 |title=Amateur Shakes Up Ideas on Recipe for Life |url=https://www.nytimes.com/1997/04/22/science/amateur-shakes-up-ideas-on-recipe-for-life.html?src=pm&pagewanted=2&pagewanted=all |newspaper=The New York Times |location=New York |accessdate=2015-06-16 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150617122450/http://www.nytimes.com/1997/04/22/science/amateur-shakes-up-ideas-on-recipe-for-life.html?src=pm&pagewanted=2&pagewanted=all |archivedate=17 June 2015}}</ref><ref>{{cite journal |last=Popper |first=Karl R. |authorlink=Karl Popper |date=29 March 1990 |title=Pyrite and the origin of life |journal=Nature |volume=344 |issue=6265 |page=387 |bibcode=1990Natur.344..387P |doi=10.1038/344387a0 |s2cid=4322774 }}</ref> postulated his iron–sulfur world, a theory of the evolution of pre-biotic chemical pathways as the starting point in the evolution of life. It systematically traces today's biochemistry to primordial reactions which provide alternative pathways to the synthesis of organic building blocks from simple gaseous compounds.

20世纪80年代，Günter Wächtershäuser在卡尔·波普尔 Karl Popper的鼓励和支持下，提出了他的铁-硫世界，这是一个关于前生物化学途径进化的理论，是生命进化的起点。它系统地将今天的生物化学追溯到原始反应，原始反应提供了从简单的气体化合物合成有机构件的替代途径。

In contrast to the classical Miller experiments, which depend on external sources of energy (simulated lightning, ultraviolet [[irradiation]]), "Wächtershäuser systems" come with a built-in source of energy: [[sulfide]]s of iron (iron [[pyrite]]) and other minerals. The energy released from [[redox]] reactions of these metal sulfides is available for the synthesis of organic molecules, and such systems may have evolved into autocatalytic sets constituting self-replicating, metabolically active entities predating the life forms known today.<ref name="Ralser 2014" /><ref name="Metabolism 2014" /> Experiments with such sulfides in an aqueous environment at 100 °C produced a relatively small yield of [[dipeptide]]s (0.4% to 12.4%) and a smaller yield of [[tripeptide]]s (0.10%) although under the same conditions, dipeptides were quickly broken down.<ref>{{cite journal |last1=Huber |first1=Claudia |last2=Wächtershäuser |first2=Günter |authorlink2=Günter Wächtershäuser |date=31 July 1998 |title=Peptides by Activation of Amino Acids with CO on (Ni,Fe)S Surfaces: Implications for the Origin of Life |journal=Science |volume=281 |issue=5377 |pages=670–672 |bibcode=1998Sci...281..670H |doi=10.1126/science.281.5377.670 |pmid=9685253}}</ref>

与经典的Miller实验依赖外部能量来源（模拟闪电、紫外线照射）不同，" Wächtershäuser系统 "自带内置能量来源：铁的硫化物（黄铁矿）和其他矿物。这些金属硫化物的氧化还原反应所释放的能量可用于有机分子的合成，这种系统可能已经演化成自催化组，构成自我复制、代谢活跃的实体，早于今天已知的生命形式。在100℃的水环境中用这种硫化物进行实验，产生了产量相对较小的二肽 (0.4%～12.4%)和更小产量的三肽 (0.10%)，尽管在相同的条件下，二肽很快被分解。

Several models reject the self-replication of a "naked-gene", postulating instead the emergence of a primitive metabolism providing a safe environment for the later emergence of RNA replication. The centrality of the [[Citric acid cycle|Krebs cycle]] (citric acid cycle) to energy production in aerobic organisms, and in drawing in carbon dioxide and hydrogen ions in biosynthesis of complex organic chemicals, suggests that it was one of the first parts of the metabolism to evolve.<ref name="Lane 2009">{{harvnb|Lane|2009}}</ref> Concordantly, [[Geochemistry|geochemist]] Russell has proposed that "the purpose of life is to hydrogenate carbon dioxide" (as part of a "metabolism-first," rather than a "genetics-first," scenario). <ref name="Musser">{{cite web |url=http://blogs.scientificamerican.com/observations/how-life-arose-on-earth-and-how-a-singularity-might-bring-it-down/ |title=How Life Arose on Earth, and How a Singularity Might Bring It Down |last=Musser |first=George |authorlink=George Musser |date=23 September 2011 |work=Observations |type=Blog |accessdate=2015-06-17 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150617211804/http://blogs.scientificamerican.com/observations/how-life-arose-on-earth-and-how-a-singularity-might-bring-it-down/ |archivedate=17 June 2015}}</ref><ref name="Carroll">{{cite web |url=http://blogs.discovermagazine.com/cosmicvariance/2010/03/10/free-energy-and-the-meaning-of-life/ |title=Free Energy and the Meaning of Life |last=Carroll |first=Sean |authorlink=Sean M. Carroll |date=10 March 2010 |work=Cosmic Variance |type=Blog |publisher=Discover|accessdate=2015-06-17 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150714074327/http://blogs.discovermagazine.com/cosmicvariance/2010/03/10/free-energy-and-the-meaning-of-life/ |archivedate=14 July 2015}}</ref> [[Physicist]] [[Jeremy England]] has proposed that life was inevitable from general thermodynamic considerations: < blockquote >... when a group of atoms is driven by an external source of energy (like the sun or chemical fuel) and surrounded by a heat bath (like the ocean or atmosphere), it will often gradually restructure itself in order to dissipate increasingly more energy. This could mean that under certain conditions, matter inexorably acquires the key physical attribute associated with life.<ref>{{cite journal |last=Wolchover |first=Natalie |date=22 January 2014 |title=A New Physics Theory of Life |url=https://www.quantamagazine.org/20140122-a-new-physics-theory-of-life/ |journal=Quanta Magazine |accessdate=2015-06-17 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150613052830/https://www.quantamagazine.org/20140122-a-new-physics-theory-of-life/ |archivedate=13 June 2015}}</ref><ref>{{cite journal |last=England |first=Jeremy L. |authorlink=Jeremy England |date=28 September 2013 |title=Statistical physics of self-replication |url=http://www.englandlab.com/uploads/7/8/0/3/7803054/2013jcpsrep.pdf |journal=[[Journal of Chemical Physics]] |volume=139 |issue=12 |page=121923 |arxiv=1209.1179 |bibcode=2013JChPh.139l1923E |doi=10.1063/1.4818538 |pmid=24089735 |accessdate=2015-06-18 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150604131515/http://www.englandlab.com/uploads/7/8/0/3/7803054/2013jcpsrep.pdf |archivedate=4 June 2015|hdl=1721.1/90392 |s2cid=478964 }}</ref>< /blockquote >

有几个模型否定了"裸基因"的自我复制，而是假设出现了一种原始的新陈代谢，为后来出现的RNA复制提供了安全的环境。克雷布斯循环 Krebs cycle(柠檬酸循环)在需氧生物体内产生能量，以及在复杂有机化学物的生物合成中吸取二氧化碳和氢离子的中心地位，表明它是新陈代谢中最早进化的部分之一。与此相一致的是，地球化学家Russell提出“生命的目的是使二氧化碳氢化”(这是“新陈代谢优先”而不是“基因优先”情形的一部分)。物理学家杰里米·英格兰Jeremy England提出，从一般的热力学考虑，生命是不可避免的：

...当一组原子受到外部能量源(如太阳或化学燃料)的驱动，并被热浴(如海洋或大气层)所包围时，它往往会逐渐重组自己，以耗散越来越多的能量。这可能意味着，在某些条件下，物质不可避免地获得了与生命相关的关键物理属性。
***讨论：给我们一堆原子，我们会创造出什么呢？可是生命不是为了简单地耗散更多能量，相反，生物具有经济性***
One of the earliest incarnations of this idea was put forward in 1924 with Oparin's notion of primitive self-replicating vesicles which predated the discovery of the structure of DNA. Variants in the 1980s and 1990s include Wächtershäuser's iron–sulfur world theory and models introduced by [[Christian de Duve]] based on the chemistry of [[thioester]]s. More abstract and theoretical arguments for the plausibility of the emergence of metabolism without the presence of genes include a mathematical model introduced by [[Freeman Dyson]] in the early 1980s and [[Stuart Kauffman]]'s notion of collectively autocatalytic sets, discussed later that decade.

这一思想最早的化身之一是在1924年提出的Oparin的原始自复制囊泡的概念，这比DNA结构的发现还要早。20世纪80年代和90年代的变体包括Wächtershäuser的铁-硫世界理论和克里斯蒂安·德·杜夫 Christian de Duve提出的基于硫酯的化学的模型。对于在没有基因存在的情况下新陈代谢出现的合理性，更加抽象和理论化的论证，包括弗里曼·戴森Freeman Dyson在20世纪80年代初提出的数学模型和斯图亚特·考夫曼Stuart Kauffman的集体自催化集的概念，该观点在该十年晚些时候进行了讨论。

Orgel summarized his analysis by stating, < blockquote >There is at present no reason to expect that multistep cycles such as the reductive citric acid cycle will self-organize on the surface of FeS/FeS2 or some other mineral."<ref>{{cite journal |last=Orgel |first=Leslie E. |date=7 November 2000 |title=Self-organizing biochemical cycles |journal=Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. |volume=97 |issue=23 |pages=12503–12507 |bibcode=2000PNAS...9712503O |doi=10.1073/pnas.220406697|pmc=18793 |pmid=11058157}}</ref>< /blockquote > It is possible that another type of metabolic pathway was used at the beginning of life. For example, instead of the reductive citric acid cycle, the "open" [[acetyl-CoA]] pathway (another one of the five recognized ways of carbon dioxide fixation in nature today) would be compatible with the idea of self-organization on a metal sulfide surface. The key enzyme of this pathway, [[carbon monoxide dehydrogenase]]/[[CO-methylating acetyl-CoA synthase|acetyl-CoA synthase]], harbors mixed nickel-iron-sulfur clusters in its reaction centers and catalyzes the formation of acetyl-CoA (similar to acetyl-thiol) in a single step. There are increasing concerns, however, that prebiotic [[Thioacetic acid|thiolated]] and [[thioester]] compounds are thermodynamically and kinetically unfavorable to accumulate in presumed prebiotic conditions (i.e. hydrothermal vents).<ref>{{cite journal|last1=Chandru|first1=Kuhan|last2=Gilbert|first2=Alexis|last3=Butch|first3=Christopher|last4=Aono|first4=Masashi|last5=Cleaves|first5=Henderson James II|title=The Abiotic Chemistry of Thiolated Acetate Derivatives and the Origin of Life|journal=Scientific Reports|date=21 July 2016|volume=6|issue=29883|pages=29883|doi=10.1038/srep29883|pmid=27443234|pmc=4956751|bibcode=2016NatSR...629883C}}</ref> It has also been proposed that [[cysteine]] and [[homocysteine]] may have reacted with [[nitrile]]s resulting from the [[Strecker amino acid synthesis|Stecker reaction]], readily forming catalytic thiol-reach poplypeptides.<ref>{{Cite journal|last1=Vallee|first1=Yannick|last2=Shalayel|first2=Ibrahim|last3=Ly|first3=Kieu-Dung|last4=Rao|first4=K. V. Raghavendra|last5=Paëpe|first5=Gael De|last6=Märker|first6=Katharina|last7=Milet|first7=Anne|date=2017-11-08|title=At the very beginning of life on Earth: the thiol-rich peptide (TRP) world hypothesis|url=http://www.ijdb.ehu.es/web/paper/170028yv/at-the-very-beginning-of-life-on-earth-the-thiol-rich-peptide-trp-world-hypothesis|journal=International Journal of Developmental Biology|volume=61|issue=8–9|pages=471–478|doi=10.1387/ijdb.170028yv|pmid=29139533|doi-access=free}}</ref>

Orgel总结他的分析说，

目前没有理由期望多步循环，如还原性柠檬酸循环会在FeS/ FeS2或一些其他矿物的表面自组织。"

有可能在生命诞生之初就使用了另一种代谢通路。例如，"开放的"乙酰-辅酶A通路（当今公认的自然界中五种二氧化碳固定方式中的另一种）而不是还原性柠檬酸循环，会符合金属硫化物表面的自组织的想法。该通路的关键酶--一氧化碳脱氢酶/乙酰-辅酶A合成酶，在其反应中心藏有镍-铁-硫混合簇，并在一个步骤中催化形成乙酰-辅酶A（类似乙酰-硫醇）。然而，越来越多的人担心，在热力学和动力学上，生命起源以前的硫醇化和硫酯化合物不利于在假定的生命起源以前的条件(如，热液喷口)中积累。然而也有人提出，半胱氨酸和同型半胱氨酸可能已经与施特克反应 Stecker reaction产生的腈类反应，容易形成起催化作用的富硫醇的多肽。*** thiol-reach 应为thiol-rich，poplypeptodes应为polypeptides***

=== Zinc-world hypothesis ===
锌世界假说
The zinc world (Zn-world) theory of Mulkidjanian<ref name="Mulkidjanian">{{cite journal |last=Mulkidjanian |first=Armen Y. |date=24 August 2009 |title=On the origin of life in the zinc world: 1. Photosynthesizing, porous edifices built of hydrothermally precipitated zinc sulfide as cradles of life on Earth |journal=Biology Direct |volume=4 |page=26 |doi=10.1186/1745-6150-4-26 |pmid=19703272 |pmc=3152778 }}</ref> is an extension of Wächtershäuser's pyrite hypothesis. Wächtershäuser based his theory of the initial chemical processes leading to informational molecules (RNA, peptides) on a regular mesh of electric charges at the surface of pyrite that may have facilitated the primeval [[polymerization]] by attracting reactants and arranging them appropriately relative to each other.<ref>{{cite journal |last=Wächtershäuser |first=Günter |date=December 1988 |title=Before Enzymes and Templates: Theory of Surface Metabolism |journal=[[Microbiology and Molecular Biology Reviews|Microbiological Reviews]] |volume=52 |pages=452–484 |issue=4 |pmc=373159 |pmid=3070320 |doi=10.1128/MMBR.52.4.452-484.1988 }}</ref> The Zn-world theory specifies and differentiates further.<ref name="Mulkidjanian" /><ref>{{cite journal |last1=Mulkidjanian |first1=Armen Y. |last2=Galperin |first2=Michael Y. |date=24 August 2009 |title=On the origin of life in the zinc world. 2. Validation of the hypothesis on the photosynthesizing zinc sulfide edifices as cradles of life on Earth |journal=Biology Direct |volume=4 |page=27 |doi=10.1186/1745-6150-4-27 |pmid=19703275 |pmc=2749021 }}</ref> Hydrothermal fluids rich in H2S interacting with cold primordial ocean (or Darwin's "warm little pond") water leads to the precipitation of metal sulfide particles. Oceanic [[Hydrothermal vent|vent systems]] and other hydrothermal systems have a zonal structure reflected in ancient [[Volcanogenic massive sulfide ore deposit|volcanogenic massive sulfide deposits]] (VMS) of hydrothermal origin. They reach many kilometers in diameter and date back to the [[Archean]] Eon. Most abundant are pyrite (FeS2), [[chalcopyrite]] (CuFeS2), and [[sphalerite]] (ZnS), with additions of [[galena]] (PbS) and [[alabandite]] (MnS). ZnS and MnS have a unique ability to store radiation energy, e.g. from UV light. During the relevant time window of the origins of replicating molecules, the primordial atmospheric pressure was high enough (>100 bar, about 100 atmospheres) to precipitate near the Earth's surface, and UV irradiation was 10 to 100 times more intense than now; hence the unique photosynthetic properties mediated by ZnS provided just the right energy conditions to energize the synthesis of informational and metabolic molecules and the selection of photostable nucleobases.

Mulkidjanian的锌世界（Zn-world）理论是Wächtershäuser的黄铁矿假说的延伸。Wächtershäuser根据他的导致信息分子（RNA、肽）的初始化学过程的理论建立在黄铁矿表面有规律的电荷网状结构上，这种网状结构可能通过吸引反应物并将它们适当地相对排列，促进了原始聚合。"锌世界 "理论进一步明确和区分了富含H2S的热流与寒冷的原始海洋（或Darwin的"温暖的小池塘"）的水相互作用，导致金属硫化物颗粒的沉淀。大洋喷口系统和其他热液系统的区域结构反映在热液起源的古火山块状硫化物矿床（VMS）中。它们的直径达数千米，可追溯到太古宙。最丰富的是黄铁矿(FeS2)、黄铜矿(CuFeS2)和闪锌矿(ZnS)，另外还有方铅矿(PbS)和硫锰矿(MnS)。ZnS和MnS具有独特的储存辐射能量的能力，例如来自紫外线的能量。在复制分子起源的相关时间窗口内，原始大气压足够高(>100巴，约100个大气压)，可以在地球表面附近沉降，紫外线照射强度是现在的10～100倍，因此，ZnS所介导的独特的光合作用特性为供能信息分子和代谢分子的合成以及光稳定核酸碱基的选择提供了正好的能量条件。

The Zn-world theory has been further filled out with experimental and theoretical evidence for the ionic constitution of the interior of the first proto-cells before archaea, bacteria and [[Origin of eukaryotes|proto-eukaryotes]] evolved. [[Archibald Macallum]] noted the resemblance of body fluids such as blood and lymph to seawater;<ref>{{cite journal |last=Macallum |first=A. B. |authorlink=Archibald Macallum |date=1 April 1926 |title=The Paleochemistry of the body fluids and tissues |journal=[[Physiological Reviews]] |volume=6 |issue=2 |pages=316–357|doi=10.1152/physrev.1926.6.2.316 }}</ref> however, the inorganic composition of all cells differ from that of modern seawater, which led Mulkidjanian and colleagues to reconstruct the "hatcheries" of the first cells combining geochemical analysis with [[Phylogenomics|phylogenomic]] scrutiny of the inorganic ion requirements of universal components of modern cells. The authors conclude that ubiquitous, and by inference primordial, proteins and functional systems show affinity to and functional requirement for K+, Zn2+, Mn2+, and {{chem|[PO|4|]|3−}}. Geochemical reconstruction shows that the ionic composition conducive to the origin of cells could not have existed in what we today call marine settings but is compatible with emissions of vapor-dominated zones of what we today call inland geothermal systems. Under the oxygen depleted, CO2-dominated primordial atmosphere, the chemistry of water condensates and exhalations near geothermal fields would resemble the internal milieu of modern cells. Therefore, the precellular stages of evolution may have taken place in shallow "Darwin ponds" lined with porous [[silicate minerals]] mixed with metal sulfides and enriched in K+, Zn2+, and phosphorus compounds.<ref>{{cite journal |last1=Mulkidjanian |first1=Armen Y. |last2=Bychkov |first2=Andrew Yu. |last3=Dibrova |first3=Daria V. |last4=Galperin |first4=Michael Y. |last5=Koonin |first5=Eugene V. |display-authors=3 |date=3 April 2012 |title=Origin of first cells at terrestrial, anoxic geothermal fields |journal=Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. |volume=109 |issue=14 |pages=E821–E830 |bibcode=2012PNAS..109E.821M |doi=10.1073/pnas.1117774109 |pmc=3325685 |pmid=22331915}}</ref><ref>For a deeper integrative version of this hypothesis, see in particular {{harvnb|Lankenau|2011|pp=225–286}}, interconnecting the "Two RNA worlds" concept and other detailed aspects; and {{cite journal |last1=Davidovich |first1=Chen |last2=Belousoff |first2=Matthew |last3=Bashan |first3=Anat |last4=Yonath |first4=Ada |authorlink4=Ada Yonath |date=September 2009 |title=The evolving ribosome: from non-coded peptide bond formation to sophisticated translation machinery |journal=Research in Microbiology |volume=160 |issue=7 |pages=487–492 |doi=10.1016/j.resmic.2009.07.004 |pmid=19619641}}</ref>

锌世界理论已经被在古细菌、细菌和原真核生物演化之前的第一批原细胞内部的离子构成的实验和理论上的证据进一步充实了。阿奇博尔德·麦卡勒姆 Archibald Macallum注意到血液和淋巴等体液与海水的相似性；然而，所有细胞的无机成分与现代海水的无机成分不同，这使得Mulkidjanian及其同事结合地球化学分析和系统发育组学审查现代细胞普遍成分的无机离子需求，重建了第一批细胞的"孵化器"。作者得出的结论是，普遍存在的，并根据推断，原始的蛋白质和功能系统显示出对K+, Zn2+, Mn2+和[PO4]3−的亲和性和功能需求。
地球化学重建表明，有利于细胞起源的离子成分不可能存在于我们今天所说的海洋环境中，而是与我们今天所说的内陆地热系统的蒸汽主导区的排放相符合。在缺氧的、以二氧化碳为主的原始大气下，地热场附近的水凝结物和蒸发物的化学性质会类似于现代细胞的内环境。因此，细胞前的进化阶段可能发生在浅层的"达尔文池塘"中，池塘内衬与金属硫化物混合的多孔硅酸盐矿物，富含K+, Zn2+和磷化合物。

==Other abiogenesis scenarios==

其他非生物起源的情景
We define a scenario as a set of related concepts pertinent to the origin of life that is or has been investigated. The concepts related to the Iron-Sulfur world can be considered as a scenario. We consider some other scenarios that may partially overlap with scenarios discussed above or with each other.

我们将情景定义为一组正在或已经被研究过的生命起源相关的一组相关概念。可以将与铁硫世界有关的概念视为一种情景。我们考虑一些其他情景，这些情景可能与上面讨论的方案或彼此部分重叠。

===Chemical pathways described by computer===

计算机描述的化学通路
In September 2020, chemists described, for the first time, possible chemical pathways from nonliving prebiotic chemicals to [[Biochemistry|complex biochemicals]] that could give rise to [[Earliest known life forms|living organisms]], based on a new computer program named ALLCHEMY.<ref name="SA-20200103">{{cite news |last=Starr |first=Michelle |title=A New Chemical 'Tree of The Origins of Life' Reveals Our Possible Molecular Evolution |url=https://www.sciencealert.com/a-new-chemical-tree-of-the-origins-of-life-reveals-our-possible-chemical-evolution |date=3 October 2020 |work=[[ScienceAlert]] |accessdate=3 October 2020 }}</ref><ref name="SCI-20200925">{{cite journal |author=Wolos, Agnieszka |display-authors=et al. |title=Synthetic connectivity, emergence, and self-regeneration in the network of prebiotic chemistry |url=https://science.sciencemag.org/content/369/6511/eaaw1955 |date=25 September 2020 |journal=[[Science (journal)|Science]] |volume=369 |issue=6511 |doi=10.1126/science.aaw1955 |doi-broken-date=10 October 2020 |pmid=32973002 |accessdate=3 October 2020 }}</ref>

2020年9月，化学家们首次基于一个名为“ALLCHEMY”的新计算机程序，描述了从无生命生命起源以前的化学物质到复杂的生物化学物质可能产生生命体的化学通路。

===The hypercycle===
超循环理论
In the early 1970s, Manfred Eigen and [[Peter Schuster]] examined the transient stages between the molecular chaos and a self-replicating [[Hypercycle (chemistry)|hypercycle]] in a prebiotic soup.<ref>{{harvnb|Eigen|Schuster|1979}}</ref> In a hypercycle, the [[information]] storing system (possibly RNA) produces an [[enzyme]], which catalyzes the formation of another information system, in sequence until the product of the last aids in the formation of the first information system. Mathematically treated, hypercycles could create [[Quasispecies model|quasispecies]], which through natural selection entered into a form of Darwinian evolution. A boost to hypercycle theory was the discovery of [[ribozyme]]s capable of catalyzing their own chemical reactions. The hypercycle theory requires the existence of complex biochemicals, such as nucleotides, which do not form under the conditions proposed by the Miller–Urey experiment.

20世纪70年代初，曼弗雷德·艾根 Manfred Eigen和彼得·舒斯特 Peter Schuster研究了分子混沌和前生物汤中的自复制超循环之间的瞬时阶段。在超循环中，信息存储系统（可能是RNA）产生一种酶，这种酶依次催化另一个信息系统的形成，直到最后一个信息系统的产物帮助第一个信息系统的形成。经过数学处理，超循环可以创造准物种，通过自然选择进入一种达尔文的进化论的形式。对超循环理论的推动是发现了能够催化他们自身的化学反应的核酶。超循环理论要求存在如核苷酸等复杂的生化物质，而在Miller–Urey实验提出的条件下，核苷酸是不会形成的。

===Organic pigments in dissipative structures===

耗散结构中的有机颜料
In his "Thermodynamic Dissipation Theory of the Origin and Evolution of Life",<ref>{{cite journal |bibcode=2011ESD.....2...37M |title= Thermodynamic Origin of Life |journal=Earth System Dynamics |volume=0907 |issue=2011 |pages=37–51 |last1=Michaelian |first1=K |year=2009 |arxiv=0907.0042 |doi=10.5194/esd-2-37-2011 |s2cid= 14574109 }}</ref><ref name="Michaelian, K. 2011">{{cite journal |doi=10.5194/esd-2-37-2011 |title= Thermodynamic dissipation theory for the origin of life |journal=Earth System Dynamics |volume=2 |issue=1 |pages=37–51 |year=2011 |last1= Michaelian |first1=K |bibcode=2011ESD.....2...37M |arxiv=0907.0042 |s2cid= 14574109 }}</ref><ref name="Michaelian, K. 2017">{{cite journal |doi= 10.1016/j.heliyon.2017.e00424 |pmid=29062973 |pmc=5647473 |title=Microscopic dissipative structuring and proliferation at the origin of life |journal=Heliyon |volume=3 |issue=10 |pages=e00424 |year=2017 |last1=Michaelian |first1=Karo }}</ref> Karo Michaelian has taken the insight of Boltzmann and the work of Prigogine to its ultimate consequences regarding the origin of life. This theory postulates that the hallmark of the origin and evolution of life is the microscopic dissipative structuring of [[Biological pigment|organic pigments]] and their proliferation over the entire Earth surface.<ref name="Michaelian, K. 2017" /> Present day life augments the entropy production of Earth in its solar environment by dissipating [[ultraviolet]] and [[Visible spectrum|visible]] [[photon]]s into heat through organic pigments in water. This heat then catalyzes a host of secondary dissipative processes such as the [[water cycle]], [[Ocean current|ocean]] and [[wind]] currents, [[Tropical cyclone|hurricanes]], etc.<ref name="Michaelian, K. 2011"/><ref name="HESS Opinions 'Biological catalysis"/> Michaelian argues that if the thermodynamic function of life today is to produce entropy through photon dissipation in organic pigments, then this probably was its function at its very beginnings. It turns out that both [[RNA]] and [[DNA]] when in water solution are very strong absorbers and extremely rapid dissipaters of ultraviolet light within the 230–290 nm wavelength (UV-C) region, which is a part of the Sun's spectrum that could have penetrated the prebiotic [[Atmosphere of Earth|atmosphere]].<ref>Sagan, C. (1973) Ultraviolet Selection Pressure on the Earliest Organisms, J. Theor. Biol., 39, 195–200.</ref> In fact, not only RNA and DNA, but many fundamental molecules of life (those common to all three [[Domain (biology)|domains]] of life) are also pigments that absorb in the UV-C, and many of these also have a chemical affinity to RNA and DNA.<ref>{{cite journal |doi=10.5194/bg-12-4913-2015 |title=Fundamental molecules of life are pigments which arose and co-evolved as a response to the thermodynamic imperative of dissipating the prevailing solar spectrum |journal=Biogeosciences |volume=12 |issue=16 |pages=4913–4937 |year=2015 |last1=Michaelian |first1=K |last2=Simeonov |first2=A |bibcode=2015BGeo...12.4913M |arxiv=1405.4059v2 }}</ref> [[Nucleic acid]]s may thus have acted as acceptor molecules to the UV-C photon [[Excited state|excited]] antenna pigment donor molecules by providing an [[Conical intersection|ultrafast channel]] for dissipation. Michaelian has shown using the formalism of non-linear irreversible thermodynamics that there would have existed during the [[Archean]] a thermodynamic imperative to the abiogenic UV-C [[Photochemistry|photochemical]] synthesis and proliferation of these pigments over the entire Earth surface if they acted as [[Catalysis|catalysts]] to augment the dissipation of the solar photons.<ref>{{cite journal |doi=10.1088/1742-6596/475/1/012010 |title=A non-linear irreversible thermodynamic perspective on organic pigment proliferation and biological evolution |journal= Journal of Physics: Conference Series |volume=475 |issue=1 |pages=012010 |year=2013 |last1=Michaelian |first1=K |bibcode= 2013JPhCS.475a2010M |arxiv=1307.5924 |s2cid=118564759 }}</ref> By the end of the Archean, with life-induced [[ozone]] dissipating UV-C light in the Earth's upper atmosphere, it would have become ever more improbable for a completely new life to emerge that did not rely on the complex metabolic pathways already existing since now the free energy in the photons arriving at Earth's surface would have been insufficient for direct breaking and remaking of [[covalent bond]]s. It has been suggested, however, that such changes in the surface flux of ultraviolet radiation due to geophysical events affecting the atmosphere could have been what promoted the development of complexity in life based on existing metabolic pathways, for example during the [[Cambrian explosion]]<ref>{{cite journal | last1 = Doglioni | first1 = C. | last2 = Pignatti | first2 = J. | last3 = Coleman | first3 = M. | year = 2016 | title = Why did life develop on the surface of the Earth in the Cambrian? | journal = Geoscience Frontiers | volume = 7 | issue = 6| pages = 865–873 | doi=10.1016/j.gsf.2016.02.001| url = https://iris.uniroma1.it/bitstream/11573/925124/1/Doglioni_Why_2016.pdf }}</ref>

在他的 "生命起源和进化的热力学耗散理论 "中，卡洛·米迦勒安 Karo Michaelian将Boltzmann的洞见和Prigogine的工作用于关于生命起源的最终结果。该理论假设生命起源和进化的标志是有机颜料的微观耗散结构及其在整个地球表面的扩散。现今的生命通过将紫外线和可见光子通过水中的有机颜料耗散成热能，增强了地球在太阳环境中的熵产生。这种热量就会催化大量的二次耗散过程，如水循环、洋流和风流、飓风等。Michaelian认为，如果说今天生命的热力学功能是通过有机颜料中光子耗散产生熵，那么这可能是它在一开始就具有的功能。事实证明，RNA和DNA在水溶液中时，都是230-290nm波长（UV-C）区域内紫外线的极强吸收者和极快耗散者，这是太阳光谱中可能穿透生命起源以前大气层的一部分。事实上，不仅是RNA和DNA，许多生命的基本分子（生命所有三个域共同的分子）也是在UV-C中吸收的色素，其中许多也与RNA和DNA有化学亲和力。因此，核酸可能通过提供一个超快的耗散通道，充当了UV-C光子激发的天线色素供体分子的受体分子。Michaelian用非线性不可逆热力学的形式体系表明，在太古宙，如果这些色素作为催化剂来增强太阳光子的耗散，那么这些色素的生命起源前UV-C光化学合成和扩散在整个地球表面就会存在一种热力学上的必然性。到了太古宙末期，随着生命诱导的臭氧使地球上层大气中的UV-C光耗散，要想出现一种不依赖已有的复杂代谢通路的全新生命将变得越来越不可能，因为现在到达地球表面的光子中的自由能已经不足以直接破坏和重造共价键。然而，有人认为，由于影响大气层的地球物理事件造成的紫外线辐射的地表通量的这种变化，可能是在现有代谢通路的基础上促进生命复杂性发展的原因，例如在寒武纪生命大爆发期间。
***讨论：应该做一张图，标注这些理论试图解释的生命起源的时间段，以及瞄准的方面，看看理论之间是否自洽，如何互相联系，以及各自缺乏哪些方面的思考***

Some of the most difficult problems concerning the origin of life, such as enzyme-less [[DNA replication|replication]] of RNA and DNA,<ref>{{cite journal |last1=Michaelian |first1=Karo |last2=Santillán |first2=Norberto |title=UVC photon-induced denaturing of DNA: A possible dissipative route to Archean enzyme-less replication |journal=Heliyon |date=June 2019 |volume=5 |issue=6 |page=e01902 |doi=10.1016/j.heliyon.2019.e01902|pmid=31249892 |pmc=6584779 }}</ref> [[homochirality]] of the fundamental molecules,<ref>{{cite journal |last1=Michaelian |first1=Karo |title=Homochirality through Photon-Induced Denaturing of RNA/DNA at the Origin of Life |journal=Life |date=June 2018 |volume=8 |issue=2 |page=21 |doi=10.3390/life8020021 |pmid=29882802 |pmc=6027432 }}</ref> and the origin of [[Genetic code|information encoding]] in RNA and DNA, also find an explanation within the same dissipative thermodynamic framework by considering the probable existence of a relation between primordial replication and UV-C photon dissipation. Michaelian suggests that it is erroneous to expect to describe the emergence, proliferation, or even evolution, of life without overwhelming reference to entropy production through the dissipation of a generalized thermodynamic potential, in particular, the prevailing solar photon flux.

关于生命起源的一些最困难的问题，如RNA和DNA的无酶复制，基本分子的同手型，以及RNA和DNA中信息编码的起源，也可以通过考虑原始复制和UV-C光子耗散之间可能存在的关系，在同一耗散热力学框架内找到解释。Michaelian认为，如果期望描述生命的涌现、增殖甚至进化，而不大量提及通过耗散广义热力学势能，特别是主流太阳光子通量产生的熵，那是错误的。

===Protein amyloid===
淀粉样蛋白
A new origin-of-life theory based on self-replicating beta-sheet structures has been put forward by Maury in 2009.<ref>{{cite journal | last1 = Maury | first1 = CP | year = 2009 | title = Self-proagating beta-sheet polypeptide structures as prebiotic informational entities:The amyloid world | journal = Origins of Life and Evolution of Biospheres | volume = 39 | issue = 2| pages = 141–150 | doi = 10.1007/s11084-009-9165-6 | pmid = 19301141 | s2cid = 20073536 }}</ref><ref>{{cite journal | last1 = Maury | first1 = CP | year = 2015 | title = Origin of Life.Primordial genetics: Information transfer in a pre-RNA world based on self-replicating beta-sheet amyloid conformers | journal = Journal of Theoretical Biology | volume = 382 | pages = 292–297 | doi = 10.1016/j.jtbi.2015.07.008 | pmid = 26196585 | doi-access = free }}</ref> The theory suggest that self-replicating and self-assembling catalytic [[amyloid]]s were the first informational polymers in a primitive pre-RNA world. The main arguments for the ''amyloid hypothesis'' is based on the structural stability, autocatalytic and catalytic properties, and evolvability of beta-sheet based informational systems. Such systems are also error correcting<ref>{{cite journal | last1 = Nanda | first1 = J | last2 = Rubinov | first2 = B | last3 = Ivnitski | first3 = D | last4 = Mukherjee | first4 = R | last5 = Shtelman | first5 = E | last6 = Motro | first6 = Y | last7 = Miller | first7 = Y | last8 = Wagner | first8 = N | last9 = Cohen-Luria | first9 = R | last10 = Ashkenasy | first10 = G | year = 2017 | title = Emergence of native peptide seuqences in prebiotic replication networks | journal = Nature Communications | volume = 8 | issue = 1| page = 343 | doi = 10.1038/s41467-017-00463-1 | pmid = 28874657 | pmc = 5585222 | bibcode = 2017NatCo...8..434N }}</ref> and [[chiroselective]].<ref>{{cite journal | last1 = Rout | first1 = SK | last2 = Friedmann | first2 = MP | last3 = Riek | first3 = R | last4 = Greenwald | first4 = J | year = 2018 | title = A prebiotic templated-directed synthesis based on amyloids | journal = Nature Communications | volume = 9 | issue = 1| pages = 234–242 | doi = 10.1038/s41467-017-02742-3 | pmid = 29339755 | pmc = 5770463 }}</ref>



2009年莫里 Maury提出了一种基于自复制β-片层结构的新的生命起源理论。该理论认为，自复制和自组装催化的淀粉样蛋白是原始的前RNA世界中的第一个信息聚合物。“淀粉样蛋白假说”的主要论据是基于β-片层为基础的信息系统的结构稳定性、自催化和催化性以及可进化性。这种系统还具有纠错性*英文缺失***和手性选择性。***

=== Fluctuating salinity: dilute and dry-down ===

变化的盐度：稀释和干涸。

Theories of abiogenesis seldom address the caveat raised by Harold Blum:<ref>Blum, H.F. (1957). On the origin of self-replicating systems. In Rhythmic and Synthetic Processes in Growth, ed. Rudnick, D., pp. 155–170. Princeton University Press, Princeton, NJ.</ref> if the key informational elements of life – proto-nucleic acid chains – spontaneously form duplex structures, then there is no way to dissociate them. < blockquote >Somewhere in this cycle work must be done, which means that free energy must be expended. If the parts assemble themselves on a template spontaneously, work has to be done to take the replica off; or, if the replica comes off the template of its own accord, work must be done to put the parts on in the first place.< /blockquote >

非生物起源理论很少涉及哈罗德·布卢姆Harold Blum提出的警告：如果生命的关键信息元素——原核酸链——自发形成双螺旋结构，那么就没有办法将它们解离。

在这个循环的某个地方，必须做功，这意味着自由能必须被消耗。如果零件自发地在模板上组装起来，就必须做功才能把复制品取下来；或者，如果复制品自动从模板上脱落，首先一定要做功把这些零件装上。

The Oparin–Haldane conjecture addresses the formation, but not the dissociation, of nucleic acid polymers and duplexes. However, nucleic acids are unusual because, in the absence of counterions (low salt) to neutralize the high charges on opposing phosphate groups, the nucleic acid duplex dissociates into single chains.<ref name="ReferenceB">{{Cite journal |doi = 10.1016/j.icarus.2003.10.018|title = Fast tidal cycling and the origin of life|year = 2004|last1 = Lathe|first1 = Richard|journal = Icarus|volume = 168|issue = 1|pages = 18–22|bibcode = 2004Icar..168...18L}}</ref> Early tides, driven by a close moon, could have generated rapid cycles of dilution (high tide, low salt) and concentration (dry-down at low tide, high salt) that exclusively promoted the replication of nucleic acids<ref name="ReferenceB"/> through a process dubbed tidal chain reaction (TCR).<ref>{{Cite journal |doi = 10.1017/S1473550405002314|title = Tidal chain reaction and the origin of replicating biopolymers|year = 2005|last1 = Lathe|first1 = Richard|journal = International Journal of Astrobiology|volume = 4|issue = 1|pages = 19–31|bibcode = 2005IJAsB...4...19L}}</ref> This theory has been criticized on the grounds that early tides may not have been so rapid,<ref>{{Cite journal |doi = 10.1016/j.icarus.2005.04.022|title = Comment on the paper "Fast tidal cycling and the origin of life" by Richard Lathe|year = 2006|last1 = Varga|first1 = P.|last2 = Rybicki|first2 = K.|last3 = Denis|first3 = C.|journal = Icarus|volume = 180|issue = 1|pages = 274–276|bibcode = 2006Icar..180..274V}}</ref> although regression from current values requires an Earth–Moon juxtaposition at around two Ga, for which there is no evidence, and early tides may have been approximately every seven hours.<ref>{{Cite journal |doi = 10.1016/j.icarus.2005.08.019|title = Early tides: Response to Varga et al|year = 2006|last1 = Lathe|first1 = R.|journal = Icarus|volume = 180|issue = 1|pages = 277–280|bibcode = 2006Icar..180..277L}}</ref> Another critique is that only 2–3% of the Earth's crust may have been exposed above the sea until late in terrestrial evolution.<ref>{{Cite journal | doi=10.1016/j.epsl.2008.08.029| title=A case for late-Archaean continental emergence from thermal evolution models and hypsometry| year=2008| last1=Flament| first1=Nicolas| last2=Coltice| first2=Nicolas| last3=Rey| first3=Patrice F.| journal=Earth and Planetary Science Letters| volume=275| issue=3–4| pages=326–336| bibcode=2008E&PSL.275..326F}}</ref>

Oparin-Haldane猜想解决的是核酸聚合物和双螺旋的形成，而不是解离。然而，核酸是不寻常的，因为在没有反离子（低盐）中和对立的磷酸基团上的高电荷时，核酸双螺旋会解离成单链。早期的潮汐，在近月的驱动下，可能产生了快速的稀释（高潮、低盐）和浓缩（低潮、高盐时干涸）循环，通过被称为潮汐链式反应（TCR）的过程，专门促进核酸的复制。这一理论受到了批评，理由是早期的潮汐可能并不那么快，英文翻译不确定***尽管从目前数值的回归需要在二十亿年左右的地月毗邻***，但没有证据表明这一点，而且早期的潮汐可能大约是每7个小时一次。另一种批评认为，直到陆地演化的晚期，只有2-3%的地壳可能暴露在海面上。

The TCR (tidal chain reaction) theory has mechanistic advantages over thermal association/dissociation at deep-sea vents because TCR requires that chain assembly (template-driven polymerization) takes place during the dry-down phase, when precursors are most concentrated, whereas thermal cycling needs polymerization to take place during the cold phase, when the rate of chain assembly is lowest and precursors are likely to be more dilute.

在深海喷口， TCR (潮汐链式反应)理论与热联合/解离相比，在力学上具有优势，因为潮汐链式反应要求链的组装(模板驱动的聚合)发生在干涸阶段，即前体最集中的时候，而热循环则需要聚合发生在冷阶段，即链的组装速度最低，前体可能更稀薄的时候。

=== A first protein that condenses substrates during thermal cycling: thermosynthesis===

第一个在热循环过程中凝结底物的蛋白质：热合成作用

[[File:ConvectionCells.svg|thumb|upright=1.25|Convection cells in fluid placed in a gravity field are selforganizing and enable thermal cycling of the suspended contents in the fluid such as protocells containing protoenzymes that work on thermal cycling.]]

放置在重力场中的流体中的对流小室是自组织的，能够使流体中的悬浮物进行热循环，例如含有在热循环中起作用的原酶的原始细胞。

'''Emergence of chemiosmotic machinery''' Today's bioenergetic process of [[fermentation]] is carried out by either the aforementioned citric acid cycle or the Acetyl-CoA pathway, both of which have been connected to the primordial Iron–sulfur world.

化学渗透机制的出现

今天发酵的生物能过程是由上述柠檬酸循环或乙酰-辅酶A通路进行的，这两种通路都与原始的铁-硫世界有关。

In a different approach, the thermosynthesis hypothesis considers the bioenergetic process of [[chemiosmosis]], which plays an essential role in [[cellular respiration]] and photosynthesis, more basal than fermentation: the [[ATP synthase]] enzyme, which sustains chemiosmosis, is proposed as the currently extant enzyme most closely related to the first metabolic process.<ref>{{cite journal |last=Muller |first=Anthonie W. J. |date=7 August 1985 |pages=429–453 |title=Thermosynthesis by biomembranes: Energy gain from cyclic temperature changes |journal=[[Journal of Theoretical Biology]] |volume=115 |issue=3 |doi=10.1016/S0022-5193(85)80202-2 |pmid=3162066}}</ref><ref>{{cite journal |last=Muller |first=Anthonie W. J. |year=1995 |title=Were the first organisms heat engines? A new model for biogenesis and the early evolution of biological energy conversion |journal=Progress in Biophysics and Molecular Biology |volume=63 |issue=2 |pages=193–231 |doi=10.1016/0079-6107(95)00004-7 |pmid=7542789}}</ref>

热合成假说则用不同的方法，认为在细胞呼吸和光合作用中起着必要作用的化学渗透的生物能量过程比发酵更基础：提出维持化学渗透的ATP合成酶是目前现存的与第一个代谢过程关系最密切的酶。

First life needed an energy source to bring about the condensation reaction that yielded the peptide bonds of proteins and the [[phosphodiester bond]]s of RNA. In a generalization and thermal variation of the [[ATP synthase#Binding model|binding change mechanism]] of today's ATP synthase, the "first protein" would have bound substrates (peptides, phosphate, nucleosides, RNA 'monomers') and condensed them to a reaction product that remained bound until it was released after a temperature change by a thermal unfolding. The primordial '''first protein''' would therefore have strongly resembled the beta subunits of the [[ATP synthase alpha/beta subunits]] of today's F1 moiety in the FoF1 [[ATP synthase]]. Note however that today's enzymes function during isothermal conditions, whereas the hypothetical first protein worked on and during thermal cycling.

第一个生命需要一个能量源来实现缩合反应，产生蛋白质的肽键和RNA的磷酸二酯键。在今天ATP合成酶的结合变化机制的概括和热变化中，"第一种蛋白质"应该是结合了底物（肽、磷酸盐、核苷、RNA"单体"），并将它们缩合成一种反应产物，这种产物一直保持结合，直到温度变化后通过热诱导去折叠被释放。因此，原始的“第一种蛋白质”应该会与今天的FoF1 ATP合成酶中的F1部分的ATP合成酶的α/β亚基的β亚基非常相似。但请注意，今天的酶是在等温条件下发挥功能的，而假设的第一种蛋白质则是在热循环中工作的。

The energy source under the thermosynthesis hypothesis was thermal cycling, the result of suspension of protocells in a [[convection]] current, as is plausible in a volcanic hot spring; the convection accounts for the self-organization and [[Dissipative system|dissipative structure]] required in any origin of life model. The still ubiquitous role of thermal cycling in germination and cell division is considered a relic of primordial thermosynthesis.

热合成假说下的能量来源是热循环，是原细胞悬浮在对流中的结果，就像在火山热泉中一样是似可信的；对流说明了任何生命起源模型中所需要的自组织和耗散结构。热循环在发芽和细胞分裂中仍然无处不在的作用被认为是原始热合成的遗迹。

By [[Phosphorylation|phosphorylating]] cell membrane lipids, this '''first protein''' gave a selective advantage to the lipid protocell that contained the protein. This protein also synthesized a library of many proteins, of which only a minute fraction had thermosynthesis capabilities. As proposed by Dyson,<ref name="Dyson 1999" /> it propagated functionally: it made daughters with similar capabilities, but it did not copy itself. Functioning daughters consisted of different amino acid sequences.

通过对细胞膜脂质的磷酸化，这“第一种蛋白质”给含有该蛋白质的脂质原细胞带来了选择性优势。这种蛋白质还合成了一个由许多种蛋白质组成的库，其中只有一小部分具有热合成能力。正如Dyson提出的那样，它在功能上进行了传播：它制造了具有类似能力的子代，但它没有复制自己。有功能的子代由不同的氨基酸序列组成。

Whereas the iron–sulfur world identifies a circular pathway as the most simple, the thermosynthesis hypothesis does not even invoke a pathway: [[ATP synthase#Binding model|ATP synthase's binding change mechanism]] resembles a physical adsorption process that yields free energy,<ref>{{cite journal |last1=Muller |first1=Anthonie W. J. |last2=Schulze-Makuch |first2=Dirk |authorlink2=Dirk Schulze-Makuch |date=1 April 2006 |title=Sorption heat engines: Simple inanimate negative entropy generators |journal=[[Physica (journal)#Physica A: Statistical Mechanics and its Applications|Physica A: Statistical Mechanics and its Applications]] |volume=362 |issue=2 |pages=369–381 |arxiv=physics/0507173 |bibcode=2006PhyA..362..369M |doi=10.1016/j.physa.2005.12.003 |s2cid=96186464 }}</ref> rather than a regular enzyme's mechanism, which decreases the free energy.

然而铁-硫世界确定的循环通路是最简单的，热合成假说甚至没有调用通路。ATP合成酶的结合变化机制类似于产生自由能的物理吸附过程，而不是减少自由能的普通的酶的机制，。

The described first protein may be simple in the sense that is requires only a short sequence of conserved amino acid residues, a sequent sufficient for the appropriate catalytic cleft. In contrast, it has been claimed that the emergence of cyclic systems of protein catalysts such as required by fermentation is implausible because of the length of many required sequences.<ref>{{harvnb|Orgel|1987|pp=9–16}}</ref>

在只需要一条保守的氨基酸残基的短序列的意义上，所述的第一种蛋白质可能是简单的，这条序列足以满足适当的催化裂隙。相反，有人声称，由于许多所需序列的长度，出现诸如发酵所需的蛋白质催化剂的循环系统是不可信的。
讨论***可见，其实不同假说只是从不同角度考虑“生命的本质是xxx”这一问题***

=== Pre-RNA world: The ribose issue and its bypass ===

前RNA世界:核糖问题和及其旁路

It is possible that a different type of nucleic acid, such as peptide nucleic acid, threose nucleic acid or glycol nucleic acid, was the first to emerge as a self-reproducing molecule, only later replaced by RNA. Larralde et al., say that < blockquote >the generally accepted prebiotic synthesis of ribose, the formose reaction, yields numerous sugars without any selectivity.< /blockquote > and they conclude that their < blockquote >results suggest that the backbone of the first genetic material could not have contained ribose or other sugars because of their instability.< /blockquote > The ester linkage of ribose and phosphoric acid in RNA is known to be prone to hydrolysis.

有可能一种不同类型的核酸，如肽核酸、苏糖核酸或乙二醇核酸，最先以自再生分子的形式出现，只是后来被RNA所取代。拉腊尔德 Larralde 等人说，

< blockquote >
普遍接受的生物前核糖的合成，即甲醛聚糖反应，产生了许多没有任何选择性的糖类。

他们得出结论，他们的
< blockquote >
结果表明，第一种遗传物质的主干不可能含有核糖或其他糖类，因为它们不稳定。

已知RNA中核糖和磷酸的酯连接容易发生水解。

Pyrimidine ribonucleosides and their respective nucleotides have been prebiotically synthesized by a sequence of reactions which by-pass the free sugars, and are assembled in a stepwise fashion by using nitrogenous or oxygenous chemistries. Sutherland has demonstrated high yielding routes to cytidine and uridine ribonucleotides built from small 2 and 3 carbon fragments such as glycolaldehyde, glyceraldehyde or glyceraldehyde-3-phosphate, cyanamide and cyanoacetylene. One of the steps in this sequence allows the isolation of enantiopure ribose aminooxazoline if the enantiomeric excess of glyceraldehyde is 60% or greater. This can be viewed as a prebiotic purification step, where the said compound spontaneously crystallized out from a mixture of the other pentose aminooxazolines. Ribose aminooxazoline can then react with cyanoacetylene in a mild and highly efficient manner to give the alpha cytidine ribonucleotide. Photoanomerization with UV light allows for inversion about the 1' anomeric centre to give the correct beta stereochemistry. In 2009 they showed that the same simple building blocks allow access, via phosphate controlled nucleobase elaboration, to 2',3'-cyclic pyrimidine nucleotides directly, which are known to be able to polymerize into RNA. This paper also highlights the possibility for the photo-sanitization of the pyrimidine-2',3'-cyclic phosphates.

嘧啶核糖核苷及其各自的核苷酸已经通过一连串的反应，绕过游离的糖类，利用含氮或含氧的化学反应，一步步地组装起来，进行了生物起源以前的合成。Sutherland已经证明了由小的2和3个碳片段如羟乙醛、甘油醛或甘油醛-3-磷酸、氰胺和氰基乙炔构建胞嘧啶和尿嘧啶核糖核苷酸的高产路线。该序列中的一个步骤允许分离出对映纯的核糖氨基噁唑啉，如果甘油醛的对映体过量为大于或等于60％。这可以看作是一个生物起源以前的纯化步骤，所述化合物自发地从其他戊糖氨基恶唑啉的混合物中结晶出来。然后，核糖氨基恶唑啉可以以温和和高效的方式与氰基乙炔反应，给出α胞嘧啶核糖核苷酸。用紫外光进行光异构化，可以实现关于1'异构中心的倒置，从而给出正确的β立体化学。2009年，他们表明，同样的简单构件允许通过磷酸盐控制的核碱基加工，直接获得2',3'-环状嘧啶核苷酸，已知这些核苷酸能够聚合成RNA。这篇文章还强调了嘧啶-2',3'-环状磷酸盐的光致消毒的可能性。
***评论：不依赖模板链的RNA合成***
===RNA structure===
RNA结构
While features of self-organization and self-replication are often considered the hallmark of living systems, there are many instances of abiotic molecules exhibiting such characteristics under proper conditions. Stan Palasek suggested based on a theoretical model that self-assembly of ribonucleic acid (RNA) molecules can occur spontaneously due to physical factors in hydrothermal vents. Virus self-assembly within host cells has implications for the study of the origin of life, as it lends further credence to the hypothesis that life could have started as self-assembling organic molecules.

虽然自组织和自复制的特征经常被认为是生命系统的标志，但有许多无生命分子在适当条件下表现出这种特征的实例。斯坦·帕拉塞克 Stan Palasek根据理论模型提出，核糖核酸分子（RNA）的自组装可以由于热液喷口的物理因素而自发地发生。病毒在宿主细胞内的自组装对生命起源的研究有启示，因为它进一步证实了生命可能是从自组装有机分子开始的假说。

===Viral origin===

病毒的起源

Recent evidence for a "virus first" hypothesis, which may support theories of the RNA world, has been suggested. One of the difficulties for the study of the origins of viruses is their high rate of mutation; this is particularly the case in RNA retroviruses like HIV. A 2015 study compared protein fold structures across different branches of the tree of life, where researchers can reconstruct the evolutionary histories of the folds and of the organisms whose genomes code for those folds. They argue that protein folds are better markers of ancient events as their three-dimensional structures can be maintained even as the sequences that code for those begin to change. Thus, the viral protein repertoire retain traces of ancient evolutionary history that can be recovered using advanced bioinformatics approaches. Those researchers think that "the prolonged pressure of genome and particle size reduction eventually reduced virocells into modern viruses (identified by the complete loss of cellular makeup), meanwhile other coexisting cellular lineages diversified into modern cells." The data suggest that viruses originated from ancient cells that co-existed with the ancestors of modern cells. These ancient cells likely contained segmented RNA genomes.

最近有人提出了"病毒优先”假说的证据，这可能支持RNA世界的理论。研究病毒起源的困难之一是它们的高突变率;尤其是像HIV这样的RNA逆转录病毒。2015年的一项研究比较了生命树不同分支的蛋白质折叠结构，研究人员可以重建折叠和基因组编码这些折叠的生物体的进化史。他们认为，蛋白质折叠是古代事件的更好标志，因为即使编码那些折叠的序列开始变化，它们的三维结构也能保持不变。因此，病毒蛋白库保留了古代进化史的痕迹，可以使用先进的生物信息学方法来恢复。那些研究人员认为，"基因组和颗粒大小减少的长期压力最终将病毒细胞缩减成现代病毒（通过细胞组成的完全丧失来识别），同时其他共存的细胞系也多样化成了现代细胞。"数据表明，病毒起源于与现代细胞的祖先共存的古细胞。这些古细胞很可能包含分段的RNA基因组。
***讨论：那么和病毒最近源的细胞谱系是哪一支呢***
A computational model (2015) has shown that virus capsids may have originated in the RNA world and that they served as a means of horizontal transfer between replicator communities since these communities could not survive if the number of gene parasites increased, with certain genes being responsible for the formation of these structures and those that favored the survival of self-replicating communities. The displacement of these ancestral genes between cellular organisms could favor the appearance of new viruses during evolution. Viruses retain a replication module inherited from the prebiotic stage since it is absent in cells. So this is evidence that viruses could originate from the RNA world and could also emerge several times in evolution through genetic escape in cells.

一个计算模型（2015）表明，病毒的衣壳可能起源于RNA世界，它们作为复制因子群体之间水平转移的工具，因为如果基因寄生虫的数量增加，这些群体就无法生存，某些基因负责这些结构的形成，而那些基因有利于自复制群体的生存。这些祖先基因在细胞生物之间的位移可能有利于进化中新病毒的出现。病毒保留了从前生物阶段继承的复制模块，因为它在细胞中是不存在的。所以这是病毒可能起源于RNA世界的证据，也可能在进化中通过细胞中的遗传逃逸而多次出现。
***讨论：阮病毒的出现和某种“位移”或“逃逸”有关吗？这里所谓“从前生物阶段继承的复制模块”是什么呢？***
=== RNA world ===
RNA世界
{{Main|RNA world}}
[[File:Jack-szostak.jpg|thumb|upright|Jack Szostak]]

杰克·绍斯塔克（Jack Szostak）

A number of hypotheses of formation of RNA have been put forward. {{As of|1994}}, there were difficulties in the explanation of the abiotic synthesis of the nucleotides cytosine and uracil.<ref>{{cite journal |last=Orgel |first=Leslie E. |date=October 1994 |title=The origin of life on Earth|journal=Scientific American |volume=271 |issue=4 |pages=76–83 |doi=10.1038/scientificamerican1094-76 |pmid=7524147|bibcode=1994SciAm.271d..76O }}</ref> Subsequent research has shown possible routes of synthesis; for example, formamide produces all four ribonucleotides and other biological molecules when warmed in the presence of various terrestrial minerals.<ref name="Saladino2012" /><ref name="Saladino2012b" /> Early cell membranes could have formed spontaneously from proteinoids, which are protein-like molecules produced when amino acid solutions are heated while in the correct concentration of aqueous solution. These are seen to form micro-spheres which are observed to behave similarly to membrane-enclosed compartments. Other possible means of producing more complicated organic molecules include chemical reactions that take place on [[clay]] substrates or on the surface of the mineral [[pyrite]].

已经提出了RNA的形成的许多假说。截至1994年，在解释核苷酸胞嘧啶和尿嘧啶的非生物合成方面还存在困难。随后的研究表明了可能的合成途径；例如，甲酰胺在各种陆地矿物质存在的情况下加热时可产生所有四种核糖核苷酸和其他生物分子。早期的细胞膜可能是由类蛋白自发形成的，类蛋白是氨基酸溶液在正确浓度的水溶液中加热时产生的蛋白质类分子。这些被视为形成微球体，观察到其行为类似于膜封闭的隔室。其他可能产生更复杂的有机分子的方法包括发生在粘土基质或矿物黄铁矿表面的化学反应。

Factors supporting an important role for RNA in early life include its ability to act both to store information and to catalyze chemical reactions (as a ribozyme); its many important roles as an intermediate in the expression of and maintenance of the genetic information (in the form of DNA) in modern organisms; and the ease of chemical synthesis of at least the components of the RNA molecule under the conditions that approximated the early Earth.<ref>{{cite journal |last1=Camprubí |first1=E. |last2=de Leeuw|first2=J.W. |last3=House |first3=C.H. |last4=Raulin |first4=F. |last5=Russell |first5=M.J. |last6=Spang|first6=A. | last7=Tirumalai|first7=M.R. |last8=Westall|first8=F. |date=12 December 2019|title=Emergence of Life |journal=Space Sci Rev.|volume=215 |issue=56 |page=56 |doi=10.1007/s11214-019-0624-8 |bibcode=2019SSRv..215...56C |doi-access=free }}</ref>

支持RNA在早期生命中发挥重要作用的因素包括：它既能储存信息，又能催化化学反应（作为核酶）；它作为现代生物体内遗传信息（以DNA形式）表达和维持的中间体，发挥着许多重要作用；在近似于早期地球的条件下，至少RNA分子的成分容易化学合成。

Relatively short RNA molecules have been synthesized, capable of replication.<ref>{{cite journal |last1=Johnston |first1=Wendy K. |last2=Unrau |first2=Peter J. |last3=Lawrence |first3=Michael S. |last4=Glasner |first4=Margaret E. |last5=Bartel |first5=David P. |authorlink5=David Bartel |display-authors=3 |date=18 May 2001 |title=RNA-Catalyzed RNA Polymerization: Accurate and General RNA-Templated Primer Extension |journal=Science |volume=292 |issue=5520 |pages=1319–1325 |bibcode=2001Sci...292.1319J |doi=10.1126/science.1060786 |pmid=11358999|citeseerx=10.1.1.70.5439 |s2cid=14174984 }}</ref> Such replicase RNA, which functions as both code and catalyst provides its own template upon which copying can occur. Szostak has shown that certain catalytic RNAs can join smaller RNA sequences together, creating the potential for self-replication. If these conditions were present, Darwinian natural selection would favour the proliferation of such [[autocatalytic set]]s, to which further functionalities could be added.<ref>{{cite web |url=http://www.hhmi.org/research/origins-cellular-life |title=The Origins of Function in Biological Nucleic Acids, Proteins, and Membranes |last=Szostak |first=Jack W. |authorlink=Jack W. Szostak |date=5 February 2015 |publisher=[[Howard Hughes Medical Institute]] |location=Chevy Chase (CDP), MD |accessdate=2015-06-16 |url-status=live |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150714092225/http://www.hhmi.org/research/origins-cellular-life |archivedate=14 July 2015}}</ref> Such autocatalytic systems of RNA capable of self-sustained replication have been identified.<ref>{{cite journal |last1=Lincoln |first1=Tracey A. |last2=Joyce |first2=Gerald F. |date=27 February 2009 |title=Self-Sustained Replication of an RNA Enzyme |journal=Science |volume=323 |issue=5918 |pages=1229–1232 |bibcode=2009Sci...323.1229L |doi=10.1126/science.1167856 |pmc=2652413 |pmid=19131595}}</ref> The RNA replication systems, which include two ribozymes that catalyze each other's synthesis, showed a doubling time of the product of about one hour, and were subject to natural selection under the conditions that existed in the experiment.<ref name="Joyce2009" /> In evolutionary competition experiments, this led to the emergence of new systems which replicated more efficiently.<ref name="Robertson2012" /> This was the first demonstration of evolutionary adaptation occurring in a molecular genetic system.<ref name="Joyce2009">{{cite journal |last=Joyce |first=Gerald F. |year=2009 |title=Evolution in an RNA world |journal=Cold Spring Harbor Perspectives in Biology |volume=74 |issue=Evolution: The Molecular Landscape |pages=17–23 |doi=10.1101/sqb.2009.74.004 |pmc=2891321 |pmid=19667013 }}</ref>

已经合成了相对较短的RNA分子，能够进行复制。这种复制酶RNA，既起密码，又起催化剂的作用，提供了自己的模板，可以在其上进行复制。Szostak已经证明，某些起催化作用的RNA可以将较小的RNA序列连接在一起，从而产生自复制的潜力。如果具备这些条件，Darwin的自然选择就会有利于这种自催化集的增殖，可以在其上添加进一步的功能。这种能够自我维持复制的RNA自催化系统已经被发现。RNA复制系统包括两个催化彼此的合成的核酶，产物的翻倍时间约为1小时，并且在实验中存在的条件下，受到自然选择的影响。在进化竞争实验中，这导致了新系统的出现，它们的复制效率更高。这是在分子遗传系统中发生进化适应的第一次证明。
***讨论：就算我们最后提出了一种成功的生命起源机制，我们也很难证实地球生命真的是那样起源的***
Depending on the definition, life started when RNA chains began to self-replicate, initiating the three mechanisms of Darwinian selection: [[heritability]], variation of type, and differential reproductive output. The fitness of an RNA replicator (its per capita rate of increase) would likely be a function of its intrinsic adaptive capacities, determined by its nucleotide sequence, and the availability of resources.<ref name="Bernstein">{{cite journal |last1=Bernstein |first1=Harris |last2=Byerly |first2=Henry C. |last3=Hopf |first3=Frederick A. |last4=Michod |first4=Richard A. |last5=Vemulapalli |first5=G. Krishna |display-authors=3 |date=June 1983 |title=The Darwinian Dynamic |journal=[[The Quarterly Review of Biology]] |volume=58 |issue=2 |pages=185–207 |doi=10.1086/413216 |jstor=2828805}}</ref><ref name="Michod 1999">{{harvnb|Michod|1999}}</ref> The three primary adaptive capacities may have been: (1) replication with moderate fidelity, giving rise to both heritability while allowing variation of type, (2) resistance to decay, and (3) acquisition of process resources.<ref name="Bernstein" /><ref name="Michod 1999" /> These capacities would have functioned by means of the folded configurations of the RNA replicators resulting from their nucleotide sequences.

根据定义，当RNA链开始自复制时，生命就开始了，启动了达尔文选择的三种机制：遗传性、类型的变异和生殖输出差异。一个RNA复制因子的适应性（其人均增长率）很可能是其内在适应能力的函数，由其核苷酸序列以及资源的可用性决定。三种主要的适应能力可能是：(1) 中等保真度的复制，在允许类型变异的同时增加遗传性；(2) 抗衰减能力；(3) 加工资源的获取。这些能力将通过核苷酸序列产生的RNA复制因子的折叠构型来发挥作用。

==Experiments on the origin of life==
关于生命起源的实验
[[File:J. Craig Venter crop 2011 CHAO2011-49.jpg|thumb|upright|J. Craig Venter]]

克雷格·文特

Both Eigen and [[Sol Spiegelman]] demonstrated that evolution, including replication, variation, and [[natural selection]], can occur in populations of molecules as well as in organisms.<ref name="Follmann2009">{{cite journal |last1= Follmann |first1= Hartmut |last2= Brownson |first2= Carol |date= November 2009 |title= Darwin's warm little pond revisited: from molecules to the origin of life |journal= [[Naturwissenschaften]] |volume= 96 |issue= 11 |pages= 1265–1292 |bibcode= 2009NW.....96.1265F |pmid= 19760276 |doi= 10.1007/s00114-009-0602-1|s2cid= 23259886 }}</ref> Following on from chemical evolution came the initiation of [[Evolution|biological evolution]], which led to the first cells.<ref name="Follmann2009" /> No one has yet synthesized a "[[protocell]]" using simple components with the necessary properties of life (the so-called "[[Top-down and bottom-up design|bottom-up-approach]]"). Without such a proof-of-principle, explanations have tended to focus on [[chemosynthesis]].<ref>{{cite press release |last1= McCollom |first1= Thomas |last2= Mayhew |first2= Lisa |last3= Scott |first3= Jim |date= 7 October 2014 |title= NASA awards CU-Boulder-led team $7 million to study origins, evolution of life in universe |url= http://www.colorado.edu/news/releases/2014/10/07/nasa-awards-cu-boulder-led-team-7-million-study-origins-evolution-life |location= Boulder, CO |publisher= [[University of Colorado Boulder]] |accessdate= 2015-06-08 |url-status= dead |archiveurl= https://web.archive.org/web/20150731015530/http://www.colorado.edu/news/releases/2014/10/07/nasa-awards-cu-boulder-led-team-7-million-study-origins-evolution-life |archivedate= 31 July 2015}}</ref> However, some researchers work in this field, notably [[Steen Rasmussen (physicist)|Steen Rasmussen]] and Szostak.

Eigen和索尔·斯皮格尔曼 Sol Spiegelman都证明了进化，包括复制、变异和自然选择，可以发生在分子群体中，也可以发生在生物群体中。继化学进化之后，是生物进化的开始，导致了第一个细胞的出现。目前还没有人用简单的成分合成一个具有必要生命特征的"原细胞"（所谓"自下而上的方法"）。在没有这样的原理证明的情况下，解释往往集中在化学合成上。然而，一些研究者从事这一领域的研究，著名的有斯蒂恩·拉斯穆森 Steen Rasmussen和Szostak。

Others have argued that a "[[Top-down and bottom-up design|top-down approach]]" is more feasible, starting with simple forms of current life. Spiegelman took advantage of natural selection to synthesize the [[Spiegelman Monster]], which had a genome with just 218 [[nucleotide]] bases, having deconstructively evolved from a 4500-base bacterial RNA. Eigen built on Spiegelman's work and produced a similar system further degraded to just 48 or 54 nucleotides—the minimum required for the binding of the replication enzyme.<ref name="EIG">{{cite journal|last1=Oehlenschläger|first1=Frank|last2=Eigen|first2=Manfred|authorlink2=Manfred Eigen|date=December 1997|title=30 Years Later – a New Approach to Sol Spiegelman's and Leslie Orgel's in vitro Evolutionary Studies Dedicated to Leslie Orgel on the occasion of his 70th birthday|journal=[[Origins of Life and Evolution of Biospheres]]|volume=27|issue=5–6|pages=437–457|doi=10.1023/A:1006501326129|pmid=9394469|bibcode=1997OLEB...27..437O|s2cid=26717033}}</ref> [[Craig Venter]] and others at [[J. Craig Venter Institute]] engineered existing prokaryotic cells with progressively fewer genes, attempting to discern at which point the most minimal requirements for life are reached.<ref>{{cite journal |last1= Gibson |first1= Daniel G.|last2= Glass |first2= John I. |last3= Lartigue |first3= Carole | last4 = Noskov | first4 = V.| last5 = Chuang | first5 = R.| last6 = Algire | first6 = M.| last7 = Benders | first7 = G.| last8 = Montague | first8 = M.| last9 = Ma | first9 = L.| last10 = Moodie | first10 = M.M.| last11 = Merryman | first11 = C.| last12 = Vashee | first12 = S.| last13 = Krishnakumar | first13 = R.| last14 = Assad-Garcia | first14 = N.| last15 = Andrews-Pfannkoch | first15 = C.| last16 = Denisova | first16 = E.A.| last17 = Young | first17 = L.| last18 = Qi | first18 = Z.-Q.| last19 = Segall-Shapiro | first19 = T.H.| last20 = Calvey | first20 = C.H.| last21 = Parmar | first21 = P.P.| last22 = Hutchison Ca | first22 = C.A.| last23 = Smith | first23 = H.O.| last24 = Venter | first24 = J.C. |display-authors= 3 |date= 2 July 2010 |title= Creation of a Bacterial Cell Controlled by a Chemically Synthesized Genome |journal= Science |volume= 329 |issue= 5987 |pages= 52–56 |bibcode= 2010Sci...329...52G |doi= 10.1126/science.1190719 |pmid= 20488990| citeseerx = 10.1.1.167.1455 |s2cid= 7320517}}</ref><ref>{{cite news |last= Swaby |first= Rachel |date= 20 May 2010 |title= Scientists Create First Self-Replicating Synthetic Life |url= https://www.wired.com/2010/05/scientists-create-first-self-replicating-synthetic-life-2/ |work= [[Wired (website)|Wired]] |location= New York |accessdate= 2015-06-08 |url-status= live |archiveurl= https://web.archive.org/web/20150617125555/http://www.wired.com/2010/05/scientists-create-first-self-replicating-synthetic-life-2/ |archivedate= 17 June 2015}}</ref><ref>Coughlan, Andy (2016) "Smallest ever genome comes to life: Humans built it but we don't know what a third of its genes actually do" (New Scientist 2 April 2016 No 3067)p.6</ref>

另一些人则认为"自上而下的方法"更可行，从当前生命的简单形式开始。Spiegelman利用自然选择的优势合成了Spiegelman怪兽，它的基因组只有218个核苷酸碱基，是由4500个碱基的细菌RNA解构进化而来的。Eigen在Spiegelman的研究基础上，制造了一个类似的系统，该系统进一步退化为仅有48或54个核苷酸——这是复制酶结合所需的最低限度。美国克雷格·文特尔研究所 J.Craig Venter研究所的克雷格·文特尔 Craig Venter等人对现有的原核细胞进行了基因逐渐减少的工程，试图分辨出在哪一点上达到了生命的最基本要求。

In October 2018, researchers at [[McMaster University]] announced the development of a new technology, called a ''[[Planet Simulator]]'', to help study the [[origin of life]] on planet [[Earth]] and beyond.<ref name="BW-20181004">{{cite news |last=Balch |first=Erica |title=Ground-breaking lab poised to unlock the mystery of the origins of life on Earth and beyond |url=https://brighterworld.mcmaster.ca/articles/ground-breaking-lab-poised-to-unlock-the-mystery-of-the-origins-of-life-on-earth-and-beyond/ |date=4 October 2018 |work=[[McMaster University]] |accessdate=4 October 2018 }}</ref><ref name="EA-20181004">{{cite news |author=Staff |title=Ground-breaking lab poised to unlock the mystery of the origins of life |url=https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-10/mu-glp100418.php |date=4 October 2018 |work=[[EurekAlert!]] |accessdate=14 October 2018 }}</ref><ref name="IVG-2018">{{cite web |author=Staff |title=Planet Simulator |url=https://www.intravisiongroup.com/planet-simulator |date=2018 |work=IntraVisionGroup.com |accessdate=14 October 2018 }}</ref><ref name="ES-209181014">{{cite web |last=Anderson |first=Paul Scott |title=New technology may help solve mystery of life's origins – How did life on Earth begin? A new technology, called Planet Simulator, might finally help solve the mystery. |url=http://earthsky.org/space/new-technology-solve-mystery-of-lifes-origins |date=14 October 2018 |work=[[EarthSky]] |accessdate=14 October 2018 }}</ref> It consists of a sophisticated climate chamber to study how the building blocks of life were assembled and how these prebiotic molecules transitioned into self-replicating RNA molecules.<ref name="BW-20181004"/>

2018年10月，麦克马斯特大学的研究人员宣布开发出一种名为"行星模拟器"的新技术，以帮助研究地球及其他星球上生命的起源。它由一个复杂的气候室组成，以研究生命的构件是如何组装的，以及这些前生物分子如何过渡到自我复制的RNA分子。

== See also ==
另请参阅
{{div col}}
* {{annotated link|Anthropic principle}} Anthropic principle – Philosophical premise that all scientific observations presuppose a universe compatible with the emergence of sentient organisms that make those observations
人类学原理--哲学前提，即所有的科学观察都预设了一个宇宙，与使这些观察得以实现的有意识生物的出现相适应。
* {{annotated link|Artificial cell}} 人工细胞
* {{annotated link|Artificial life}} Artificial life – A field of study wherein researchers examine systems related to natural life, its processes, and its evolution, through the use of simulations 人工生命——研究人员通过使用模拟技术，对与自然生命相关的系统、其过程和进化进行研究的一个研究领域。
* {{annotated link|Bathybius haeckelii}}海克尔深水虫
* {{annotated link|Entropy and life}} 熵与生命
* {{annotated link|Formamide-based prebiotic chemistry}} 基于甲酰胺的生命起源以前的化学
* {{annotated link|GADV-protein world hypothesis}} GADV-蛋白世界假说
* {{annotated link|Hemolithin}} Hemolithin – Protein claimed to be of extraterrestrial origin 血石蛋白——据称来自外星的蛋白质。
* {{annotated link|Hypothetical types of biochemistry}} Hypothetical types of biochemistry – Possible alternative biochemicals used by life forms 假设的生物化学类型----生命形式可能使用的替代性生物化学物。
* {{annotated link|Mediocrity principle}} 平庸原则
* {{annotated link|Nexus for Exoplanet System Science}} Nexus for Exoplanet System Science – Dedicated to the search for life on exoplanets 外行星系统科学联盟--致力于寻找外行星上的生命。
* {{annotated link|Noogenesis}} Noogenesis – Emergence and evolution of intelligence 心理演化——智慧的出现和进化
* {{annotated link|Planetary habitability}} Planetary habitability – Extent to which a planet is suitable for life as we know it 行星宜居性--行星适合我们所知的生命的程度。
* {{annotated link|Protocell}} Protocell – Lipid globule proposed as a precursor of living cells 原细胞--被认为是活细胞的前体的脂质球。
* {{annotated link|Rare Earth hypothesis}} Rare Earth hypothesis – Hypothesis that complex extraterrestrial life is improbable and extremely rare 地球罕见假说--认为复杂的地外生命是不大可能的，而且极其罕见的假说。
* {{annotated link|Shadow biosphere}} Shadow biosphere – A hypothetical microbial biosphere of Earth that would use radically different biochemical and molecular processes from that of currently known life 影子生物圈 -- -- 假设的地球微生物生物圈，将使用与目前已知生命完全不同的生化和分子过程。
* {{annotated link|Tholin}} Tholin – Class of molecules formed by ultraviolet irradiation of organic compounds 托林--有机化合物经紫外线照射形成的一类分子。
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[[Category:待整理页面]]

联合熵

2021-01-12T16:01:57Z

Thingamabob：/* Definition 定义 */

此词条Jie翻译。由CecileLi初步审校。文中部分公式内容未正常显示，有“模板”点击打开后却没有内容，还有未显示去掉格式后的英文，不清楚是程序错误还是未编辑完成orz······

{{Short description|Measure of information in probability and information theory}}

{{Information theory}}

[[文件:Entropy-mutual-information-relative-entropy-relation-diagram.svg|缩略图|右|该图表示在变量X、Y相关联的各种信息量之间，进行加减关系的维恩图。两个圆重合的区域是联合熵H(X,Y)。左侧的圆（红色和紫色）是单个熵H（X），红色是条件熵H（X ǀ Y）。右侧的圆（蓝色和紫色）为H（Y），蓝色为H（Y ǀ X）。中间紫色的是相互信息i（X; Y）。]]

In [[information theory]], '''joint [[entropy (information theory)|entropy]]''' is a measure of the uncertainty associated with a set of [[random variables|variables]].<ref name=korn>{{cite book |author1=Theresa M. Korn |author2=Korn, Granino Arthur |title=Mathematical Handbook for Scientists and Engineers: Definitions, Theorems, and Formulas for Reference and Review |publisher=Dover Publications |location=New York |year= |isbn=0-486-41147-8 |oclc= |doi=}}</ref>

在''' 信息论Information theory'''中，''' 联合熵Joint entropy'''是用于对与一组变量相关的不确定性进行度量。

==Definition 定义 ==
The joint [[Shannon entropy]] (in [[bit]]s) of two discrete [[random variable|random variables]] <math>X</math> and <math>Y</math> with images <math>\mathcal X</math> and <math>\mathcal Y</math> is defined as<ref name=cover1991>{{cite book |author1=Thomas M. Cover |author2=Joy A. Thomas |title=Elements of Information Theory |publisher=Wiley |location=Hoboken, New Jersey |year= |isbn=0-471-24195-4}}</ref>{{rp|16}}

联合熵Shannon entropy '''的定义是：以比特为单位，对于具有<math>\mathcal X</math>和<math>\mathcal Y</math>的两个离散随机变量函数<math>X</math>和<math>Y</math>'''有

{{Equation box 1
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|equation = {{NumBlk||<math>\Eta(X,Y) = -\sum_{x\in\mathcal X} \sum_{y\in\mathcal Y} P(x,y) \log_2[P(x,y)]</math>|{{EquationRef|Eq.1}}}}
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where <math>x</math> and <math>y</math> are particular values of <math>X</math> and <math>Y</math>, respectively, <math>P(x,y)</math> is the [[joint probability]] of these values occurring together, and <math>P(x,y) \log_2[P(x,y)]</math> is defined to be 0 if <math>P(x,y)=0</math>.

其中<math>x</math>和<math>y</math>分别是<math>X</math>和<math>Y</math>的特定值，<math>P(x,y)</math>是这些值产生交集时的联合概率，如果<math>P(x,y)=0</math>那么<math>P(x,y) \log_2[P(x,y)]</math>定义为0。

For more than two random variables <math>X_1, ..., X_n</math> this expands to

对于两个以上的随机变量<math>X_1, ..., X_n</math>，它扩展为

{{Equation box 1
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|equation = {{NumBlk||<math>\Eta(X_1, ..., X_n) =
-\sum_{x_1 \in\mathcal X_1} ... \sum_{x_n \in\mathcal X_n} P(x_1, ..., x_n) \log_2[P(x_1, ..., x_n)]</math>|{{EquationRef|Eq.2}}}}
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|background colour=#F5FFFA}}

where <math>x_1,...,x_n</math> are particular values of <math>X_1,...,X_n</math>, respectively, <math>P(x_1, ..., x_n)</math> is the probability of these values occurring together, and <math>P(x_1, ..., x_n) \log_2[P(x_1, ..., x_n)]</math> is defined to be 0 if <math>P(x_1, ..., x_n)=0</math>.

其中<math>x_1,...,x_n</math>分别是<math>X_1,...,X_n</math>的特定值，<math>P(x_1, ..., x_n)</math>是这些值产生交集的概率，如果<math>P(x_1, ..., x_n)=0</math>那么<math>P(x_1, ..., x_n) \log_2[P(x_1, ..., x_n)]</math>定义为0。

== Properties 属性 ==

===Nonnegativity 非负性===
The joint entropy of a set of random variables is a nonnegative number.

一组随机变量的联合熵是一个非负数。

:<math>H(X,Y) \geq 0</math>

:<math>H(X_1,\ldots, X_n) \geq 0</math>

=== Greater than r equal to the maximum of all of the individual entropies 高值性/最值性/大于或等于单个熵的最大值===

The joint entropy of a set of variables is greater than or equal to the maximum of all of the individual entropies of the variables in the set.

一组变量的联合熵大于或等于该组变量的所有单个熵的最大值。

:<math>H(X,Y) \geq \max \left[H(X),H(Y) \right]</math>

:<math>H \bigl(X_1,\ldots, X_n \bigr) \geq \max_{1 \le i \le n}
\Bigl\{H\bigl(X_i\bigr) \Bigr\}</math>

=== Less than or equal to the sum of individual entropies 低值性/小于或等于单个熵的总和===

The joint entropy of a set of variables is less than or equal to the sum of the individual entropies of the variables in the set. This is an example of [[subadditivity]]. This inequality is an equality if and only if <math>X</math> and <math>Y</math> are [[statistically independent]].<ref name=cover1991 />{{rp|30}}

一组变量的联合熵小于或等于该组变量各个熵的总和，这是次可加性的一个运用实例。即当且仅当<math>X</math>和<math>Y</math>独立统计时，该不等式才是等式。<ref name=cover1991 />{{rp|30}}

:<math>H(X,Y) \leq H(X) + H(Y)</math>

:<math>H(X_1,\ldots, X_n) \leq H(X_1) + \ldots + H(X_n)</math>

== Relations to other entropy measures 与其他熵测度的关系 ==

Joint entropy is used in the definition of [[conditional entropy]]<ref name=cover1991 />{{rp|22}}

联合熵被用于定义''' 条件熵Conditional entropy '''：

:<math>H(X|Y) = H(X,Y) - H(Y)\,</math>,

and <math display="block">H(X_1,\dots,X_n) = \sum_{k=1}^n H(X_k|X_{k-1},\dots, X_1)</math>

It is also used in the definition of [[mutual information]]<ref name=cover1991 />{{rp|21}}
它也被用于定义''' 交互信息Mutual information'''：

:<math>\operatorname{I}(X;Y) = H(X) + H(Y) - H(X,Y)\,</math>

In [[quantum information theory]], the joint entropy is generalized into the [[joint quantum entropy]].

在''' 量子信息论Quantum information theory'''中，使用的是广义化的联合熵，即''' 联合量子熵Joint quantum entropy'''。

=== Applications 应用 ===

A python package for computing all multivariate joint entropies, mutual informations, conditional mutual information, total correlations, information distance in a dataset of n variables is available.<ref>{{cite web|url=https://infotopo.readthedocs.io/en/latest/index.html|title=InfoTopo: Topological Information Data Analysis. Deep statistical unsupervised and supervised learning - File Exchange - Github|author=|date=|website=github.com/pierrebaudot/infotopopy/|accessdate=26 September 2020}}</ref>

在这里我们提供了一个python软件包，可用于计算n个变量的数据集中的所有多元联合熵、交互信息、条件交互信息、总相关性以及信息距离。

== Joint differential entropy 联合微分熵 ==
=== Definition 定义 ===

The above definition is for discrete random variables and just as valid in the case of continuous random variables. The continuous version of discrete joint entropy is called ''joint differential (or continuous) entropy''. Let <math>X</math> and <math>Y</math> be a continuous random variables with a [[joint probability density function]] <math>f(x,y)</math>. The differential joint entropy <math>h(X,Y)</math> is defined as<ref name=cover1991 />{{rp|249}}

上文中的定义是针对离散随机变量的，而其实对于连续随机变量，联合熵同样成立。离散联合熵的连续形式称为联合微分（或连续）熵。令<math>X</math>和<math>Y</math>分别为具有''' 联合概率密度函数Joint probability density function''' <math>f(x,y)</math>的连续随机变量，那么微分联合熵<math>h(X,Y)</math>定义为：

{{Equation box 1
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|title=
|equation = {{NumBlk||<math>h(X,Y) = -\int_{\mathcal X , \mathcal Y} f(x,y)\log f(x,y)\,dx dy</math>|{{EquationRef|Eq.3}}}}
|cellpadding= 6
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|background colour=#F5FFFA}}

For more than two continuous random variables <math>X_1, ..., X_n</math> the definition is generalized to:

对于两个以上的连续随机变量<math>X_1, ..., X_n</math>，其定义可概括为：

{{Equation box 1
|indent =
|title=
|equation = {{NumBlk||<math>h(X_1, \ldots,X_n) = -\int f(x_1, \ldots,x_n)\log f(x_1, \ldots,x_n)\,dx_1 \ldots dx_n</math>|{{EquationRef|Eq.4}}}}
|cellpadding= 6
|border
|border colour = #0073CF
|background colour=#F5FFFA}}

The [[integral]] is taken over the support of <math>f</math>. It is possible that the integral does not exist in which case we say that the differential entropy is not defined.

这里可以用积分处理表达<math>f</math>。当然，如果微分熵没有定义，那么积分也可能不存在。

=== Properties 属性 ===
As in the discrete case the joint differential entropy of a set of random variables is smaller or equal than the sum of the entropies of the individual random variables:

与离散条件下的联合熵相似，联合微分熵也具有同样的属性，即：一组随机变量的联合微分熵小于或等于各个随机变量的熵之和：

:<math>h(X_1,X_2, \ldots,X_n) \le \sum_{i=1}^n h(X_i)</math><ref name=cover1991 />{{rp|253}}

The following chain rule holds for two random variables:

以下链式法则适用于两个随机变量：

:<math>h(X,Y) = h(X|Y) + h(Y)</math>

In the case of more than two random variables this generalizes to:<ref name=cover1991 />{{rp|253}}

对于两个以上的随机变量，一般可归纳为：

:<math>h(X_1,X_2, \ldots,X_n) = \sum_{i=1}^n h(X_i|X_1,X_2, \ldots,X_{i-1})</math>

Joint differential entropy is also used in the definition of the [[mutual information]] between continuous random variables:

联合微分熵也用于定义连续随机变量之间的交互信息：

:<math>\operatorname{I}(X,Y)=h(X)+h(Y)-h(X,Y)</math>

== References 参考文献 ==
{{Reflist}}

[[Category:Entropy and information]]

[[de:Bedingte Entropie#Blockentropie]]

联合熵

2021-01-12T16:01:35Z

Thingamabob：/* Definition 定义 */

此词条Jie翻译。由CecileLi初步审校。文中部分公式内容未正常显示，有“模板”点击打开后却没有内容，还有未显示去掉格式后的英文，不清楚是程序错误还是未编辑完成orz······

{{Short description|Measure of information in probability and information theory}}

{{Information theory}}

[[文件:Entropy-mutual-information-relative-entropy-relation-diagram.svg|缩略图|右|该图表示在变量X、Y相关联的各种信息量之间，进行加减关系的维恩图。两个圆重合的区域是联合熵H(X,Y)。左侧的圆（红色和紫色）是单个熵H（X），红色是条件熵H（X ǀ Y）。右侧的圆（蓝色和紫色）为H（Y），蓝色为H（Y ǀ X）。中间紫色的是相互信息i（X; Y）。]]

In [[information theory]], '''joint [[entropy (information theory)|entropy]]''' is a measure of the uncertainty associated with a set of [[random variables|variables]].<ref name=korn>{{cite book |author1=Theresa M. Korn |author2=Korn, Granino Arthur |title=Mathematical Handbook for Scientists and Engineers: Definitions, Theorems, and Formulas for Reference and Review |publisher=Dover Publications |location=New York |year= |isbn=0-486-41147-8 |oclc= |doi=}}</ref>

在''' 信息论Information theory'''中，''' 联合熵Joint entropy'''是用于对与一组变量相关的不确定性进行度量。

==Definition 定义 ==
The joint [[Shannon entropy]] (in [[bit]]s) of two discrete [[random variable|random variables]] <math>X</math> and <math>Y</math> with images <math>\mathcal X</math> and <math>\mathcal Y</math> is defined as<ref name=cover1991>{{cite book |author1=Thomas M. Cover |author2=Joy A. Thomas |title=Elements of Information Theory |publisher=Wiley |location=Hoboken, New Jersey |year= |isbn=0-471-24195-4}}</ref>{{rp|16}}

联合熵Shannon entropy '''的定义是：以比特为单位，对于具有<math>\mathcal X</math>和<math>\mathcal Y</math>的两个离散随机变量函数<math>X</math>和<math>Y</math>'''有

{{Equation box 1
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|equation = {{NumBlk||<math>\Eta(X,Y) = -\sum_{x\in\mathcal X} \sum_{y\in\mathcal Y} P(x,y) \log_2[P(x,y)]</math>|{{EquationRef|Eq.1}}}}
|cellpadding= 6

where <math>x</math> and <math>y</math> are particular values of <math>X</math> and <math>Y</math>, respectively, <math>P(x,y)</math> is the [[joint probability]] of these values occurring together, and <math>P(x,y) \log_2[P(x,y)]</math> is defined to be 0 if <math>P(x,y)=0</math>.

其中<math>x</math>和<math>y</math>分别是<math>X</math>和<math>Y</math>的特定值，<math>P(x,y)</math>是这些值产生交集时的联合概率，如果<math>P(x,y)=0</math>那么<math>P(x,y) \log_2[P(x,y)]</math>定义为0。

For more than two random variables <math>X_1, ..., X_n</math> this expands to

对于两个以上的随机变量<math>X_1, ..., X_n</math>，它扩展为

{{Equation box 1
|indent =
|title=
|equation = {{NumBlk||<math>\Eta(X_1, ..., X_n) =
-\sum_{x_1 \in\mathcal X_1} ... \sum_{x_n \in\mathcal X_n} P(x_1, ..., x_n) \log_2[P(x_1, ..., x_n)]</math>|{{EquationRef|Eq.2}}}}
|cellpadding= 6
|border
|border colour = #0073CF
|background colour=#F5FFFA}}

where <math>x_1,...,x_n</math> are particular values of <math>X_1,...,X_n</math>, respectively, <math>P(x_1, ..., x_n)</math> is the probability of these values occurring together, and <math>P(x_1, ..., x_n) \log_2[P(x_1, ..., x_n)]</math> is defined to be 0 if <math>P(x_1, ..., x_n)=0</math>.

其中<math>x_1,...,x_n</math>分别是<math>X_1,...,X_n</math>的特定值，<math>P(x_1, ..., x_n)</math>是这些值产生交集的概率，如果<math>P(x_1, ..., x_n)=0</math>那么<math>P(x_1, ..., x_n) \log_2[P(x_1, ..., x_n)]</math>定义为0。

== Properties 属性 ==

===Nonnegativity 非负性===
The joint entropy of a set of random variables is a nonnegative number.

一组随机变量的联合熵是一个非负数。

:<math>H(X,Y) \geq 0</math>

:<math>H(X_1,\ldots, X_n) \geq 0</math>

=== Greater than r equal to the maximum of all of the individual entropies 高值性/最值性/大于或等于单个熵的最大值===

The joint entropy of a set of variables is greater than or equal to the maximum of all of the individual entropies of the variables in the set.

一组变量的联合熵大于或等于该组变量的所有单个熵的最大值。

:<math>H(X,Y) \geq \max \left[H(X),H(Y) \right]</math>

:<math>H \bigl(X_1,\ldots, X_n \bigr) \geq \max_{1 \le i \le n}
\Bigl\{H\bigl(X_i\bigr) \Bigr\}</math>

=== Less than or equal to the sum of individual entropies 低值性/小于或等于单个熵的总和===

The joint entropy of a set of variables is less than or equal to the sum of the individual entropies of the variables in the set. This is an example of [[subadditivity]]. This inequality is an equality if and only if <math>X</math> and <math>Y</math> are [[statistically independent]].<ref name=cover1991 />{{rp|30}}

一组变量的联合熵小于或等于该组变量各个熵的总和，这是次可加性的一个运用实例。即当且仅当<math>X</math>和<math>Y</math>独立统计时，该不等式才是等式。<ref name=cover1991 />{{rp|30}}

:<math>H(X,Y) \leq H(X) + H(Y)</math>

:<math>H(X_1,\ldots, X_n) \leq H(X_1) + \ldots + H(X_n)</math>

== Relations to other entropy measures 与其他熵测度的关系 ==

Joint entropy is used in the definition of [[conditional entropy]]<ref name=cover1991 />{{rp|22}}

联合熵被用于定义''' 条件熵Conditional entropy '''：

:<math>H(X|Y) = H(X,Y) - H(Y)\,</math>,

and <math display="block">H(X_1,\dots,X_n) = \sum_{k=1}^n H(X_k|X_{k-1},\dots, X_1)</math>

It is also used in the definition of [[mutual information]]<ref name=cover1991 />{{rp|21}}
它也被用于定义''' 交互信息Mutual information'''：

:<math>\operatorname{I}(X;Y) = H(X) + H(Y) - H(X,Y)\,</math>

In [[quantum information theory]], the joint entropy is generalized into the [[joint quantum entropy]].

在''' 量子信息论Quantum information theory'''中，使用的是广义化的联合熵，即''' 联合量子熵Joint quantum entropy'''。

=== Applications 应用 ===

A python package for computing all multivariate joint entropies, mutual informations, conditional mutual information, total correlations, information distance in a dataset of n variables is available.<ref>{{cite web|url=https://infotopo.readthedocs.io/en/latest/index.html|title=InfoTopo: Topological Information Data Analysis. Deep statistical unsupervised and supervised learning - File Exchange - Github|author=|date=|website=github.com/pierrebaudot/infotopopy/|accessdate=26 September 2020}}</ref>

在这里我们提供了一个python软件包，可用于计算n个变量的数据集中的所有多元联合熵、交互信息、条件交互信息、总相关性以及信息距离。

== Joint differential entropy 联合微分熵 ==
=== Definition 定义 ===

The above definition is for discrete random variables and just as valid in the case of continuous random variables. The continuous version of discrete joint entropy is called ''joint differential (or continuous) entropy''. Let <math>X</math> and <math>Y</math> be a continuous random variables with a [[joint probability density function]] <math>f(x,y)</math>. The differential joint entropy <math>h(X,Y)</math> is defined as<ref name=cover1991 />{{rp|249}}

上文中的定义是针对离散随机变量的，而其实对于连续随机变量，联合熵同样成立。离散联合熵的连续形式称为联合微分（或连续）熵。令<math>X</math>和<math>Y</math>分别为具有''' 联合概率密度函数Joint probability density function''' <math>f(x,y)</math>的连续随机变量，那么微分联合熵<math>h(X,Y)</math>定义为：

{{Equation box 1
|indent =
|title=
|equation = {{NumBlk||<math>h(X,Y) = -\int_{\mathcal X , \mathcal Y} f(x,y)\log f(x,y)\,dx dy</math>|{{EquationRef|Eq.3}}}}
|cellpadding= 6
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|border colour = #0073CF
|background colour=#F5FFFA}}

For more than two continuous random variables <math>X_1, ..., X_n</math> the definition is generalized to:

对于两个以上的连续随机变量<math>X_1, ..., X_n</math>，其定义可概括为：

{{Equation box 1
|indent =
|title=
|equation = {{NumBlk||<math>h(X_1, \ldots,X_n) = -\int f(x_1, \ldots,x_n)\log f(x_1, \ldots,x_n)\,dx_1 \ldots dx_n</math>|{{EquationRef|Eq.4}}}}
|cellpadding= 6
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|border colour = #0073CF
|background colour=#F5FFFA}}

The [[integral]] is taken over the support of <math>f</math>. It is possible that the integral does not exist in which case we say that the differential entropy is not defined.

这里可以用积分处理表达<math>f</math>。当然，如果微分熵没有定义，那么积分也可能不存在。

=== Properties 属性 ===
As in the discrete case the joint differential entropy of a set of random variables is smaller or equal than the sum of the entropies of the individual random variables:

与离散条件下的联合熵相似，联合微分熵也具有同样的属性，即：一组随机变量的联合微分熵小于或等于各个随机变量的熵之和：

:<math>h(X_1,X_2, \ldots,X_n) \le \sum_{i=1}^n h(X_i)</math><ref name=cover1991 />{{rp|253}}

The following chain rule holds for two random variables:

以下链式法则适用于两个随机变量：

:<math>h(X,Y) = h(X|Y) + h(Y)</math>

In the case of more than two random variables this generalizes to:<ref name=cover1991 />{{rp|253}}

对于两个以上的随机变量，一般可归纳为：

:<math>h(X_1,X_2, \ldots,X_n) = \sum_{i=1}^n h(X_i|X_1,X_2, \ldots,X_{i-1})</math>

Joint differential entropy is also used in the definition of the [[mutual information]] between continuous random variables:

联合微分熵也用于定义连续随机变量之间的交互信息：

:<math>\operatorname{I}(X,Y)=h(X)+h(Y)-h(X,Y)</math>

== References 参考文献 ==
{{Reflist}}

[[Category:Entropy and information]]

[[de:Bedingte Entropie#Blockentropie]]

用户讨论:Thingamabob

2020-11-30T02:36:00Z

Thingamabob：清空全部内容

概率分布

2020-11-29T13:26:18Z

Thingamabob：/* Common probability distributions and their applications 共同概率分布及其应用 */

本词条由Ryan初步翻译

{{short description|Mathematical function that describes the probability of occurrence of different possible outcomes in an experiment}}

{{other uses|Distribution (disambiguation){{!}}Distribution}}

{{Off topic|date=August 2020|Random variable|talksectionheading}}

In [[probability theory]] and [[statistics]], a '''probability distribution''' is the mathematical [[Function (mathematics)|function]] that gives the probabilities of occurrence of different possible '''outcomes''' for an [[Experiment (probability theory)|experiment]].<ref name=":02">{{Cite book|title=The Cambridge dictionary of statistics|last=Everitt, Brian.|date=2006|publisher=Cambridge University Press|isbn=978-0-511-24688-3|edition=3rd|location=Cambridge, UK|oclc=161828328}}</ref><ref>{{Cite book|title=Basic probability theory|last=Ash, Robert B.|date=2008|publisher=Dover Publications|isbn=978-0-486-46628-6|edition=Dover|location=Mineola, N.Y.|pages=66–69|oclc=190785258}}</ref> It is a mathematical description of a [[Randomness|random]] phenomenon in terms of its [[sample space]] and the [[Probability|probabilities]] of [[Event (probability theory)|events]] (subsets of the sample space).<ref name=":1">{{Cite book|title=Probability and statistics : the science of uncertainty|last=Evans, Michael (Michael John)|date=2010|publisher=W.H. Freeman and Co|others=Rosenthal, Jeffrey S. (Jeffrey Seth)|isbn=978-1-4292-2462-8|edition=2nd|location=New York|pages=38|oclc=473463742}}</ref>

In Probability Theory and Statistics, a Probability Distribution is the mathematical function that gives the probabilities of occurrence of different possible outcomes for an experiment. It is a mathematical description of a random phenomenon in terms of its sample space and the probabilities of events (subsets of the sample space).

在'''概率论 Probability Theory'''和'''统计学 Statistics'''中，''' 概率分布 Probability Distribution'''是一个给出一个实验不同可能结果出现的概率的数学函数。它是根据''' 样本空间 Sample Space'''和''' 事件概率 Probabilities of Events'''(样本空间的子集)对随机现象的数学描述。

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】“''' 概率分布 Probability Distribution'''是一个给出一个实验不同可能结果出现的概率的数学函数。”一句改为“''' 概率分布 Probability Distribution'''是一个数学函数，它给出一个试验不同可能结果出现的概率。”
--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】“它是根据''' 样本空间 Sample Space'''和''' 事件概率 Probabilities of Events'''(样本空间的子集)对随机现象的数学描述。”一句中“(样本空间的子集)”改为“（事件即样本空间的子集）”。

For instance, if the [[random variable]] {{mvar|X}} is used to denote the outcome of a coin toss ("the experiment"), then the probability distribution of {{mvar|X}} would take the value 0.5 for {{math|''X'' {{=}} heads}}, and 0.5 for {{math|''X'' {{=}} tails}} (assuming the coin is fair). Examples of random phenomena include the weather condition in a future date, the height of a person, the fraction of male students in a school, the results of a [[Survey methodology|survey]], etc.<ref name="ross">{{cite book|first=Sheldon M.|last=Ross|title=A first course in probability|publisher=Pearson|year=2010}}</ref>

For instance, if the random variable X is used to denote the outcome of a coin toss ("the experiment"), then the probability distribution of X would take the value 0.5 for X=heads, and 0.5 for X=tails (assuming the coin is fair). Examples of random phenomena include the weather condition in a future date, the height of a person, the fraction of male students in a school, the results of a survey, etc.

例如，如果使用随机变量来表示掷硬币的结果(“实验”) ，那么硬币为正面的概率分布为0.5，反面的值0.5(假设硬币是公平的)。随机现象的例子包括未来某一天的天气状况、一个人的身高、学校中男生的比例、调查结果等等。

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】“例如，如果使用随机变量来表示掷硬币的结果(“实验”) ，那么硬币为正面的概率分布为0.5，反面的值0.5(假设硬币是公平的)。”一句改为“例如，如果使用随机变量{{mvar|X}}来表示掷硬币（“试验”）的结果，那么{{mvar|X}}的概率分布是：{{math|''X'' {{=}} 正面}}的概率值为0.5，{{math|''X'' {{=}} 反面}}的概率值为0.5（假设硬币是公平的）。”

A probability distribution is a mathematical function that has a [[sample space]] as its '''input''', and gives a '''probability''' as its output. The sample space is the [[Set (mathematics)|set]] of all possible [[Outcome (probability)|outcomes]] of a random phenomenon being observed; it may be the set of [[real numbers]] or a set of [[vector (mathematics)|vectors]], or it may be a list of non-numerical values. For example, the sample space of a coin flip would be {{math|{heads, tails} }}.

A probability distribution is a mathematical function that has a sample space as its input, and gives a probability as its output. The sample space is the set of all possible outcomes of a random phenomenon being observed; it may be the set of real numbers or a set of vectors, or it may be a list of non-numerical values. For example, the sample space of a coin flip would be .

概率分布是一个数学函数，它的输入是一个样本空间，输出是一个概率。样本空间是所观察到的随机现象的所有可能结果的集合; 它可能是一组实数或一组向量，也可能是一组非数值。例如，抛硬币的样本空间是{头，尾}。

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】“它可能是一组实数或一组向量，也可能是一组非数值。例如，抛硬币的样本空间是{头，尾}。”一句改为“它可能是实数的集合或向量的集合，也可能是非数值的集合。例如，抛硬币的样本空间是{正面，反面}。”

Probability distributions are generally divided into two classes. A '''discrete probability distribution''' is applicable to the scenarios where the set of possible outcomes is [[discrete probability distribution|discrete]] (e.g. a coin toss or the roll of a dice), and the probabilities are here encoded by a discrete list of the probabilities of the outcomes, known as the [[probability mass function]]. On the other hand, '''continuous probability distributions''' are applicable to scenarios where the set of possible outcomes can take on values in a continuous range (e.g. real numbers), such as the temperature on a given day. In this case, probabilities are typically described by a [[probability density function]].<ref name="ross" /><ref>{{cite book|author1=DeGroot, Morris H.|author2=Schervish, Mark J.|title=Probability and Statistics|publisher=Addison-Wesley|year=2002}}</ref> The [[normal distribution]] is a commonly encountered continuous probability distribution. More complex experiments, such as those involving [[stochastic processes]] defined in [[continuous time]], may demand the use of more general [[probability measure]]s.

Probability distributions are generally divided into two classes. A discrete probability distribution is applicable to the scenarios where the set of possible outcomes is discrete (e.g. a coin toss or the roll of a dice), and the probabilities are here encoded by a discrete list of the probabilities of the outcomes, known as the probability mass function. On the other hand, continuous probability distributions are applicable to scenarios where the set of possible outcomes can take on values in a continuous range (e.g. real numbers), such as the temperature on a given day. In this case, probabilities are typically described by a probability density function. The normal distribution is a commonly encountered continuous probability distribution. More complex experiments, such as those involving stochastic processes defined in continuous time, may demand the use of more general probability measures.

概率分布一般分为两类。''' 离散概率分布 Discrete Probability Distribution'''适用于一组可能的结果是离散的情况，如抛硬币或掷骰子。这里的概率被编码为结果概率的离散列表，称为概率质量函数。另一方面，''' 连续概率分布 Continuous Probability Distribution'''适用于一组可以在一个连续的范围内取值的结果的情况(例如:实数)，例如某一天的温度。在这种情况下，概率通常由概率密度函数描述。''' 正态分布 Normal Distribution'''是一种常见的连续概率分布。更复杂的实验，例如那些涉及连续时间定义的随机过程的实验，可能需要使用更一般的概率测度。

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】“''' 离散概率分布 Discrete Probability Distribution'''适用于一组可能的结果是离散的情况”一句中“一组可能的结果”改为“可能结果的集合”。
--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】“''' 连续概率分布 Continuous Probability Distribution'''适用于一组可以在一个连续的范围内取值的结果的情况”一句中“一组可以在一个连续的范围内取值的结果”改为“可能结果集在连续范围内取值”。
--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】“更复杂的实验，例如那些涉及连续时间定义的随机过程的实验，可能需要使用更一般的概率测度。”一句改为“更复杂的试验，例如那些涉及用连续时间定义的随机过程的试验，可能需要使用更具有一般性的概率测度。”

A probability distribution whose sample space is one-dimensional (for example real numbers, list of labels, ordered labels or binary) is called [[Univariate distribution|univariate]], while a distribution whose sample space is a [[vector space]] of dimension 2 or more is called [[Multivariate distribution|multivariate]]. A univariate distribution gives the probabilities of a single [[random variable]] taking on various alternative values; a multivariate distribution (a [[joint probability distribution]]) gives the probabilities of a [[random vector]] – a list of two or more random variables – taking on various combinations of values. Important and commonly encountered univariate probability distributions include the [[binomial distribution]], the [[hypergeometric distribution]], and the [[normal distribution]]. The [[multivariate normal distribution]] is a commonly encountered multivariate distribution.

A probability distribution whose sample space is one-dimensional (for example real numbers, list of labels, ordered labels or binary) is called univariate, while a distribution whose sample space is a vector space of dimension 2 or more is called multivariate. A univariate distribution gives the probabilities of a single random variable taking on various alternative values; a multivariate distribution (a joint probability distribution) gives the probabilities of a random vector – a list of two or more random variables – taking on various combinations of values. Important and commonly encountered univariate probability distributions include the binomial distribution, the hypergeometric distribution, and the normal distribution. The multivariate normal distribution is a commonly encountered multivariate distribution.

一个一维的样本空间(例如实数、标签列表、有序标签或二进制)的概率分布被称为''' 单变量 Univariate'''，而样本空间为二维或更多向量空间的分布被称为''' 多变量 Multivariate'''。单变量分布给出了单个随机变量取不同替代值的概率; 联合分布给出了一个随机向量的概率——一个由两个或多个随机变量组成的列表——取值的各种组合。重要的和常见的单变量概率分布包括二项分布、超几何分布和正态分布。多变量正态分布是一种常见的联合分布。

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】“而样本空间为二维或更多向量空间的分布被称为''' 多变量 Multivariate'''”一句中“二维或更多向量空间”改为“二维或更多维向量空间”。
--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】“单变量分布给出了单个随机变量取不同替代值的概率”一句中“不同替代值”改为“不同可能值”。
--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】“联合分布给出了一个随机向量的概率——一个由两个或多个随机变量组成的列表——取值的各种组合。”一句改为“多变量分布（联合概率分布）给出了一个随机向量（两个或多个随机变量组成的列表）各种取值组合的概率。”

==Introduction 简介==

[[File:Dice Distribution (bar).svg|thumb|250px|right|
图1:The [[probability mass function]] (pmf) ''p''(''S'') specifies the probability distribution for the sum ''S'' of counts from two [[dice]]. For example, the figure shows that ''p''(11) = 2/36 = 1/18. The pmf allows the computation of probabilities of events such as ''P''(''S'' > 9) = 1/12 + 1/18 + 1/36 = 1/6, and all other probabilities in the distribution.

The [[probability mass function (pmf) p(S) specifies the probability distribution for the sum S of counts from two dice. For example, the figure shows that p(11) = 2/36 = 1/18. The pmf allows the computation of probabilities of events such as P(S > 9) = 1/12 + 1/18 + 1/36 = 1/6, and all other probabilities in the distribution.]]

概率质量函数(pmf) p(s)指定两个骰子计数总和s的概率分布。例如，图中显示 p (11) = 2/36 = 1/18。Pmf 允许计算事件的概率，如 p (s > 9) = 1/12 + 1/18 + 1/36 = 1/6，以及分布中的所有其他概率。

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】“概率质量函数(pmf) p(s)指定两个骰子计数总和s的概率分布”一句中“指定”改为“列出了”。
--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】“Pmf 允许计算事件的概率”一句中“允许”改为“可用于”。

To define probability distributions for the simplest cases, it is necessary to distinguish between '''discrete''' and '''continuous''' [[random variable]]s. In the discrete case, it is sufficient to specify a [[probability mass function]] <math>p</math> assigning a probability to each possible outcome: for example, when throwing a fair [[Dice|die]], each of the six values 1 to 6 has the probability 1/6. The probability of an [[Event (probability theory)|event]] is then defined to be the sum of the probabilities of the outcomes that satisfy the event; for example, the probability of the event "the dice rolls an even value" is

To define probability distributions for the simplest cases, it is necessary to distinguish between discrete and continuous random variables. In the discrete case, it is sufficient to specify a probability mass function p assigning a probability to each possible outcome: for example, when throwing a fair die, each of the six values 1 to 6 has the probability 1/6. The probability of an event is then defined to be the sum of the probabilities of the outcomes that satisfy the event; for example, the probability of the event "the dice rolls an even value" is

为了定义最简单的概率分布，有必要区分离散和连续的随机变量。在离散情况下，指定一个'''概率质量函数 Probability Mass Function''' P就足够了，它为每个可能的结果赋予一个概率: 例如，当投掷一个骰子时，6个值中的每一个的概率为1/6。然后将事件的概率定义为满足事件的结果的概率之和; 例如，事件”骰子掷出偶数值”的概率是

<math>p(2) + p(4) + p(6) = 1/6+1/6+1/6=1/2.</math>

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】“6个值中的每一个的概率为1/6”一句中“6个值”改为“1-6这六个值”。

In contrast, when a random variable takes values from a continuum then typically, any individual outcome has probability zero and only events that include infinitely many outcomes, such as intervals, can have positive probability. For example, the probability that a given object weighs ''exactly'' 500 g is zero, because the probability of measuring exactly 500 g tends to zero as the accuracy of our measuring instruments increases. Nevertheless, in quality control one might demand that the probability of a "500 g" package containing between 490 g and 510 g should be no less than 98%, and this demand is less sensitive to the accuracy of measurement instruments.

In contrast, when a random variable takes values from a continuum then typically, any individual outcome has probability zero and only events that include infinitely many outcomes, such as intervals, can have positive probability. For example, the probability that a given object weighs exactly 500 g is zero, because the probability of measuring exactly 500 g tends to zero as the accuracy of our measuring instruments increases. Nevertheless, in quality control one might demand that the probability of a "500 g" package containing between 490 g and 510 g should be no less than 98%, and this demand is less sensitive to the accuracy of measurement instruments.

相比之下，当一个随机变量从一个连续体中取值时，那么通常情况下，任何单个结果的概率都为零，只有包含无限多个结果的事件，例如间隔，才有正的概率。例如，一个给定的物体重量正好是500克的概率为零，因为随着我们测量仪器精度的提高，正好测量500克的概率趋向于零。然而，在质量控制方面，人们可能会要求包装在490克至510克之间的“500克”包装的可能性不低于98% ，而这一要求对测量仪器的准确性不太敏感。

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】“那么通常情况下，任何单个结果的概率都为零，只有包含无限多个结果的事件，例如间隔，才有正的概率”一句改为“通常情况下，任何单个结果的概率都为零，只有包含无限多个结果的事件（例如区间）才有正的概率”。
--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】“人们可能会要求包装在490克至510克之间的“500克”包装的可能性不低于98%”一句改为“人们可能会要求介于490克至510克之间的“500克”包装出现的概率不低于98%”。

Continuous probability distributions can be described in several ways. The [[probability density function]] describes the [[infinitesimal]] probability of any given value, and the probability that the outcome lies in a given interval can be computed by [[Integration (mathematics)|integrating]] the probability density function over that interval. The probability that the possible values lie in some fixed interval can be related to the way sums converge to an integral; therefore, continuous probability is based on the definition of an integral.

Continuous probability distributions can be described in several ways. The probability density function describes the infinitesimal probability of any given value, and the probability that the outcome lies in a given interval can be computed by integrating the probability density function over that interval. The probability that the possible values lie in some fixed interval can be related to the way sums converge to an integral; therefore, continuous probability is based on the definition of an integral.

连续概率分布可以用几种方法来描述。'''概率密度函数 Probability Density Function'''描述了任意给定值的无穷小概率，并且结果在给定区间内的概率可以通过在该区间上积分概率密度函数来计算。可能值位于某一固定区间的概率可以与和收敛于积分的方式有关，因此，连续概率是基于积分的定义。

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】“并且结果在给定区间内的概率可以通过在该区间上积分概率密度函数来计算。”一句改为“并且结果落在给定区间内的概率可以通过对该区间的概率密度函数进行积分来计算。”

[[File:Combined Cumulative Distribution Graphs.png|thumb|455x455px|
图2:On the left is the probability density function. On the right is the cumulative distribution function, which is the area under the probability density curve.
左边是概率密度函数。右边是累积分布函数，它是概率密度曲线下面的区域。]]

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】图注中“它是概率密度曲线下面的区域”一句中“下面的区域”改为“下方的面积”。

The [[cumulative distribution function]] describes the probability that the random variable is no larger than a given value; the probability that the outcome lies in a given interval can be computed by taking the difference between the values of the cumulative distribution function at the endpoints of the interval. The cumulative distribution function is the [[antiderivative]] of the probability density function provided that the latter function exists. The cumulative distribution function is the area under the [[probability density function]] from minus infinity <math>\infty</math> to <math>x</math> as described by the picture to the right.<ref>{{Cite book|title=A modern introduction to probability and statistics : understanding why and how|date=2005|publisher=Springer|others=Dekking, Michel, 1946-|isbn=978-1-85233-896-1|location=London|oclc=262680588}}</ref>

The cumulative distribution function describes the probability that the random variable is no larger than a given value; the probability that the outcome lies in a given interval can be computed by taking the difference between the values of the cumulative distribution function at the endpoints of the interval. The cumulative distribution function is the antiderivative of the probability density function provided that the latter function exists. The cumulative distribution function is the area under the probability density function from minus infinity \infty to x as described by the picture to the right.

累积分布函数指标描述了随机变量不大于给定值的概率; 结果在给定区间内的概率可以通过计算区间终点的累积分布函数差来计算。累积分布函数是概率密度函数的反导函数，前提是后者存在。正如右边图片所描述的那样，累积分布函数是从负无穷到 x 的概率密度函数下面的区域。

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】“累积分布函数指标描述了随机变量不大于给定值的概率”一句中，删除“指标”。
--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】“结果在给定区间内的概率可以通过计算区间终点的累积分布函数差来计算”一句改为“结果落在给定区间内的概率可以通过累积分布函数在区间端点的值之间的差来计算。”
--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】“累积分布函数是从负无穷到 x 的概率密度函数下面的区域”一句中“下面的区域”改为“下方的面积”。

[[File:Standard deviation diagram.svg|right|thumb|250px|
图3:The [[probability density function]] (pdf) of the [[normal distribution]], also called Gaussian or "bell curve", the most important continuous random distribution. As notated on the figure, the probabilities of intervals of values correspond to the area under the curve.
正态分布的[概率密度函数(pdf) ，也称为高斯或钟形曲线，是最重要的连续随机分布。如图所示，值间隔的概率对应于曲线下面积。]]

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】图注中“也称为高斯或钟形曲线”一句中“高斯”改为“高斯分布”。
--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】图注中“值间隔的概率对应于曲线下面积”一句中“值间隔的概率”改为“区间里的值所表示的概率”。

== Terminology 术语==

Some key concepts and terms, widely used in the literature on the topic of probability distributions, are listed below.<ref name=":02" />

Some key concepts and terms, widely used in the literature on the topic of probability distributions, are listed below. the regions close to the bounds of the random variable, if the pmf or pdf are relatively low therein. Usually has the form X > a, X Functions for discrete variables 离散变量函数'''===

Well-known discrete probability distributions used in statistical modeling include the Poisson distribution, the Bernoulli distribution, the binomial distribution, the geometric distribution, and the negative binomial distribution.

用于统计建模的著名离散概率分布包括泊松分佈、伯努利分布、二项分布、几何分布和负二项分布。

*'''Probability function''': describes the probability distribution of a discrete random variable.
''' 概率函数 Probability Function'''：描述离散随机变量的概率分布。

*'''[[Probability mass function|Probability mass function (pmf)]]:''' function that gives the probability that a discrete random variable is equal to some value.
''' 概率质量函数（pmf Probability Mass Function'''：给出离散随机变量等于某个值的概率的函数。

*'''[[Frequency distribution]]''': a table that displays the frequency of various outcomes '''in a sample'''.
''' 频率分布 Frequency Distribution'''：显示样本中各种结果的频率的表格。

For a discrete random variable X, let u0, u1, ... be the values it can take with non-zero probability. Denote

对于一个离散的随机变量 x，设 u0，u1，... 是它在非零概率情况下可以取的值。表示

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】此句应位于下文，重复出现。

*'''Relative frequency distribution''': a [[frequency distribution]] where each value has been divided (normalized) by a number of outcomes in a [[Sample (statistics)|sample]] i.e. sample size.
''' 相对频率分布 Relative Frequency Distribution'''：一种频率分布，其中每个值均已被样本中的多个结果（即样本大小）除（归一化）。

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】本句中“多个结果”改为“结果数”。

*'''Discrete probability distribution function''': general term to indicate the way the total probability of 1 is distributed over '''all''' various possible outcomes (i.e. over entire population) for discrete random variable.
'''离散概率分布函数 Discrete Probability Distribution Function'''：通用术语，表示总概率1在离散随机变量的所有各种可能结果（即整个人群）中的分布方式。

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】本句中“整个人群”改为“整个总体”。

*'''[[Cumulative distribution function]]''': function evaluating the [[probability]] that <math>X</math> will take a value less than or equal to <math>x</math> for a discrete random variable.
''' 累积分布函数 Cumulative distribution function'''：该函数评估离散随机变量X取小于或等于x的值的概率。

*'''[[Categorical distribution]]''': for discrete random variables with a finite set of values.
''' 分类分布 Categorical Distribution'''：适用于具有有限值集的离散随机变量。

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】本句中“适用于具有有限值集”改为“取值结果为有限集合”。

=== ''' Functions for continuous variables 连续变量函数'''===

* '''[[Probability density function]] (pdf):''' function whose value at any given sample (or point) in the [[sample space]] (the set of possible values taken by the random variable) can be interpreted as providing a ''relative likelihood'' that the value of the random variable would equal that sample.
''' 概率密度函数（pdf）Probability Density function'''：可以将其在样本空间中任意给定样本（或点）上的值（随机变量可能获得的一组值）的值解释为提供随机变量值将具有的相对可能性的函数等于那个样本。

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】此句改为“在样本空间（随机变量可能取值的集合）中任意给定样本（或样本点），此样本在该函数上的取值可以被解释成给出了随机变量取值等于此样本的相对可能性 relative likelihood”。

It follows that the probability that X takes any value except for u0, u1, ... is zero, and thus one can write X as

由此可见，除了 u0、 u1、 ... 之外，x 取任何值的概率为零，因此可以将 x 写为

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】此句应位于下文，重复出现。

* '''Continuous probability distribution function''': most often reserved for continuous random variables.
'''连续概率分布函数 Continuous Probability Distribution Function'''：最常保留的连续随机变量。

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】此句“保留的”改为“用于”。

* '''[[Cumulative distribution function]]''': function evaluating the [[probability]] that <math>X</math> will take a value less than or equal to <math>x</math> for continuous variable.
''' 累积分布函数 Cumulative distribution function'''：评估连续变量X取小于或等于x的值的概率的函数。

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】此句“评估”改为“计算”；“取小于或等于x的值”改为“取值小于或等于x”。

===Basic terms 基本术语===

* [[Mode (statistics)|'''Mode''']]: for a discrete random variable, the value with highest probability; for a continuous random variable, a location at which the probability density function has a local peak.
模式：对于离散随机变量，该值具有最高概率；对于连续随机变量，是概率密度函数具有局部峰值的位置。

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】此句“模式”改为“众数”。

* [[Support (mathematics)|'''Support''']]: set of values that can be assumed, with non-zero probability, by the random variable.
支持：可以由随机变量以非零概率假定的一组值。对于随机变量X，有时表示为R_ {X}

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】此句“支持”改为“支撑集”；“一组值”改为“值的集合”；“有时表示为R_ {X}”改为“它的支撑集有时表示为R_ {X}”。

* '''Tail''':<ref name='tail'>More information and examples can be found in the articles [[Heavy-tailed distribution]], [[Long-tailed distribution]], [[fat-tailed distribution]]</ref> the regions close to the bounds of the random variable, if the pmf or pdf are relatively low therein. Usually has the form <math>X > a</math>, <math>X < b</math> or a union thereof.
尾巴：如果pmf或pdf相对较低，则靠近随机变量边界的区域。通常形式为X> a，X <b或它们的并集。

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】此句前一半改为“尾部：当pmf或pdf相对较低时，靠近随机变量边界的区域。”

*'''Head''':<ref name='tail' /> the region where the pmf or pdf is relatively high. Usually has the form <math>a < X < b</math>.
头部：pmf或pdf较高的区域。通常具有a <X <b的形式

* '''[[Expected value]]''' or '''mean''': the [[weighted average]] of the possible values, using their probabilities as their weights; or the continuous analog thereof.
期望值或均值：可能值的加权平均值，以其概率作为权重；或其连续类似物。

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】此句“或其连续类似物”改为“或连续随机变量的类似取值。”

A continuous probability distribution is a probability distribution whose support is an uncountable set, such as an interval in the real line. They are uniquely characterized by a cumulative density function that can be used to calculate the probability for each subset of the support. There are many examples of continuous probability distributions: normal, uniform, chi-squared, and others.

一个连续的概率分布是一个支持不可数集的概率分布，比如实数行中的一个区间。它们是唯一拥有属性的一个累积密度函数，可以用来计算支持的每个子集的概率。有许多连续概率分布的例子: 正态、均匀、卡方等等。

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】此段应出现在下文，此处重复。

*'''[[Median]]''': the value such that the set of values less than the median, and the set greater than the median, each have probabilities no greater than one-half.
中位数：这样的值，即一组值小于中位数，而该组大于中位数，每一个的概率不大于二分之一。

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】此句改为“中位数：此值使得小于中位数的取值集合和大于中位数的取值集合各自的概率都不大于二分之一。”

*'''[[Variance]]''': the second moment of the pmf or pdf about the mean; an important measure of the [[Statistical dispersion|dispersion]] of the distribution.
方差：关于均值的pmf或pdf的第二矩；分布的重要指标。

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】此句改为“方差：关于均值的pmf或pdf的二阶矩；度量分布离散性的重要指标。”

* '''[[Standard deviation]]''': the square root of the variance, and hence another measure of dispersion.
标准偏差：方差的平方根，因此是色散的另一种度量。

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】此句改为“标准差：方差的平方根，因此是度量离散程度的另一指标。”

* [[Symmetric probability distribution|'''Symmetry''']]: a property of some distributions in which the portion of the distribution to the left of a specific value(usually the median) is a mirror image of the portion to its right.
对称性：某些分布的一种属性，其中特定值左侧（通常是中位数）的分布部分是其右侧部分的镜像。

*'''[[Skewness]]''': a measure of the extent to which a pmf or pdf "leans" to one side of its mean. The third [[standardized moment]] of the distribution.
偏度：衡量pmf或pdf在其均值的一侧“倾斜”的程度。分布的第三个标准化时刻。

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】此句“分布的第三个标准化时刻”改为“分布的三阶矩”。

*'''[[Kurtosis]]''': a measure of the "fatness" of the tails of a pmf or pdf. The fourth standardized moment of the distribution.
峰度：pmf或pdf尾部“脂肪”的量度。分布的第四个标准化时刻。

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】此句改为“峰度：pmf或pdf尾部“胖瘦”的量度。分布的四阶矩。”。

==''' Discrete probability distribution 离散概率分布'''==

[[File:Discrete probability distrib.svg|right|thumb|
图4:The probability mass function of a discrete probability distribution. The probabilities of the [[Singleton (mathematics)|singleton]]s {1}, {3}, and {7} are respectively 0.2, 0.5, 0.3. A set not containing any of these points has probability zero.]]

[[File:Discrete probability distribution.svg|right|thumb|
图5:The [[cumulative distribution function|cdf]] of a discrete probability distribution, ...离散概率分布]]

[[File:Normal probability distribution.svg|right|thumb|
图6:... of a continuous probability distribution, ...连续概率分布]]

[[File:Mixed probability distribution.svg|right|thumb|
图7:... of a distribution which has both a continuous part and a discrete part.既有连续部分又有离散部分]]

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】图4图注未译，应为“离散概率分布的概率质量函数。单元集{1}, {3}, 和{7}的概率分别为0.2, 0.5, 0.3。不包含这些点的集合的概率是0。”。

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】图5图注改为“离散概率分布的累积分布函数”。

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】图6图注改为“连续概率分布的累积分布函数”。

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】图7图注改为“既有连续部分又有离散部分的分布的累积分布函数”。

A '''discrete probability distribution''' is a probability distribution that can take on a countable number of values.<ref>{{Cite book|title=Probability and stochastics|last=Erhan|first=Çınlar|date=2011|publisher=Springer|isbn=9780387878591|location=New York|pages=51|oclc=710149819}}</ref> For the probabilities to add up to 1, they have to decline to zero fast enough. For example, if <math>\operatorname{P}(X=n) = \tfrac{1}{2^n}</math> for ''n'' = 1, 2, ..., the sum of probabilities would be 1/2 + 1/4 + 1/8 + ... = 1.

离散概率分布是可以具有可数数量的值的概率分布。在值的范围是无限大的情况下，这些值必须足够快地下降到零，以使概率加起来为1。例如，如果<math>\operatorname{P}(X=n) = \tfrac{1}{2^n}</math> for ''n'' = 1, 2，概率之和为1/2 + 1/4 + 1/8 + ... = 1。

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】“在值的范围是无限大的情况下，这些值必须足够快地下降到零，以使概率加起来为1”一句中“无限大”改为“可数无穷大”。
--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】含公式句中“如果<math>\operatorname{P}(X=n) = \tfrac{1}{2^n}</math> for ''n'' = 1, 2”改为“如果对于''n'' = 1, 2, ...有<math>\operatorname{P}(X=n) = \tfrac{1}{2^n}</math>”。

Well-known discrete probability distributions used in statistical modeling include the [[Poisson distribution]], the [[Bernoulli distribution]], the [[binomial distribution]], the [[geometric distribution]], and the [[negative binomial distribution]].<ref name=":1" /> Additionally, the [[Uniform distribution (discrete)|discrete uniform distribution]] is commonly used in computer programs that make equal-probability random selections between a number of choices.
统计建模中使用的众所周知的离散概率分布包括泊松分布，伯努利分布，二项式分布，几何分布和负二项式分布。[3]此外，离散均匀分布通常用于在多个选择之间进行等概率随机选择的计算机程序中。

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】“统计建模中使用的众所周知的离散概率分布包括”中“使用的众所周知的”改为“常用的”。

When a [[Sample (statistics)|sample]] (a set of observations) is drawn from a larger population, the sample points have an [[empirical distribution function|empirical distribution]] that is discrete and that provides information about the population distribution.
当从更大的总体中抽取一个样本（一组观察值）时，这些采样点的经验分布是离散的，并且提供了有关总体分布的信息。

===Measure theoretic formulation 测量理论公式===

A [[measurable function]] <math>X \colon A \to B </math> between a [[probability space]] <math>(A, \mathcal A, P)</math> and a [[measurable space]] <math>(B, \mathcal B) </math> is called a '''discrete random variable''' provided that its image is a countable set. In this case measurability of <math>X</math> means that the pre-images of singleton sets are measurable, i.e., <math>X^{-1}(\{b\}) \in \mathcal A</math> for all <math>b \in B</math>.
The latter requirement induces a [[probability mass function]] <math>f_X \colon X(A) \to \mathbb R</math> via <math> f_X(b):=P(X^{-1}(\{b\}))</math>. Since the pre-images of disjoint sets
are disjoint,
:<math>\sum_{b \in X(A)} f_X(b) = \sum_{b \in X(A)} P(X^{-1} (\{b\})) = P \left( \bigcup_{b \in X(A)} X^{-1}(\{b\}) \right) = P(A)=1.</math>
This recovers the definition given above.

一个可测量的函数 <math>X \colon A \to B </math> 在一个概率空间中 <math>(A, \mathcal A, P)</math> and 和一个可测量空间 <math>(B, \mathcal B) </math> 被叫做离散随机变量。该图像是一个可数的集合。在这种情况下<math>X</math>的测量意味着单例集的原像是可测量的 i.e., <math>X^{-1}(\{b\}) \in \mathcal A</math> 对于所有的<math>b \in B</math>.

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】“一个可测量的函数 <math>X \colon A \to B </math> 在一个概率空间中 <math>(A, \mathcal A, P)</math> and 和一个可测量空间 <math>(B, \mathcal B) </math> 被叫做离散随机变量。该图像是一个可数的集合。”一句改为“在概率空间<math>(A, \mathcal A, P)</math> 和可测空间之间的一个可测函数 <math>X \colon A \to B </math>称为离散随机变量，它的像是一个可数集合。”
--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】“在这种情况下<math>X</math>的测量意味着单例集的原像是可测量的 i.e., <math>X^{-1}(\{b\}) \in \mathcal A</math> 对于所有的<math>b \in B</math>.”一句改为“在这种情况下<math>X</math>的可测量性意味着单元集的原像是可测量的，即对于所有的<math>b \in B</math>，有 <math>X^{-1}(\{b\}) \in \mathcal A</math> 。”

后者需要包括概率质量函数 <math>f_X \colon X(A) \to \mathbb R</math> via <math> f_X(b):=P(X^{-1}(\{b\}))</math>. 由于不相交集的原像不相交
:<math>\sum_{b \in X(A)} f_X(b) = \sum_{b \in X(A)} P(X^{-1} (\{b\})) = P \left( \bigcup_{b \in X(A)} X^{-1}(\{b\}) \right) = P(A)=1.</math>
这包含了上面所提到的定义

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】此句中“后者需要”改为“后一个必要条件”。

===''' 累积分布函数 Cumulative distribution function'''===

Equivalently to the above, a discrete random variable can be defined as a random variable whose [[cumulative distribution function]] (cdf) increases only by [[jump discontinuity|jump discontinuities]]—that is, its cdf increases only where it "jumps" to a higher value, and is constant between those jumps. Note however that the points where the cdf jumps may form a dense set of the real numbers. The points where jumps occur are precisely the values which the random variable may take.

与上述等效，可以将离散随机变量定义为其累积分布函数（cdf）仅因跳跃不连续性而增加的随机变量，也就是说，其cdf仅在“跳跃”至较高值时才增加，并且在那些跳跃点间是常数。但是请注意，cdf跳转的点可能会形成密集的实数集。发生跳变的点恰好是随机变量可能取的值。

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】此句中“密集的实数集”改为“实数的稠密集”。

===Delta-function representation 三角函数表示===

Consequently, a discrete probability distribution is often represented as a generalized [[probability density function]] involving [[Dirac delta function]]s, which substantially unifies the treatment of continuous and discrete distributions. This is especially useful when dealing with probability distributions involving both a continuous and a discrete part.<ref>{{Cite journal|last=Khuri|first=André I.|date=March 2004|title=Applications of Dirac's delta function in statistics|journal=International Journal of Mathematical Education in Science and Technology|language=en|volume=35|issue=2|pages=185–195|doi=10.1080/00207390310001638313|issn=0020-739X}}</ref>

因此，离散概率分布通常表示为涉及Dirac delta函数的广义概率密度函数，该函数实质上统一了对连续分布和离散分布的处理。当处理涉及连续和离散部分的概率分布时，这特别有用。

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】标题“三角函数表示”改为“&delta函数表示”。
--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】“离散概率分布通常表示为涉及Dirac delta函数的广义概率密度函数”改为“离散概率分布通常表示为包含狄拉克&delta函数的广义概率密度函数”。

===Indicator-function representation 指标功能表示===

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】标题“指标功能表示”改为“指示函数表示”。
For a discrete random variable ''X'', let ''u''0, ''u''1, ... be the values it can take with non-zero probability. Denote
对于离散随机变量X，令u0，u1，...是它可以以非零概率获取的值。表示
:<math>\Omega_i=X^{-1}(u_i)= \{\omega: X(\omega)=u_i\},\, i=0, 1, 2, \dots</math>

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】标题“表示”改为“令”。
这些是不相交的集合，对于这样的集合：

:<math>P\left(\bigcup_i \Omega_i\right)=\sum_i P(\Omega_i)=\sum_i P(X=u_i)=1.</math>

因此，X取u0，u1，...以外的任何值的概率为零，因此可以将X写入为

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】标题“写入为”改为“写为”。

:<math>X(\omega)=\sum_i u_i 1_{\Omega_i}(\omega)</math>

except on a set of probability zero, where <math>1_A</math> is the [[indicator function]] of ''A''. This may serve as an alternative definition of discrete random variables.
除了概率为零的集合外，其中1_ {A}是A的指标函数。这可以用作离散随机变量的替代定义。

==Continuous probability distribution 连续概率分布==

{{See also|Probability density function}}

A '''continuous probability distribution''' is a probability distribution whose support is an uncountable set, such as an interval in the real line.<ref>{{Cite book|title=Introduction to probability models|author1=Sheldon M. Ross|date=2010|publisher=Elsevier}}</ref> They are uniquely characterized by a [[cumulative density function]]{{dn|date=August 2020}} that can be used to calculate the probability for each subset of the support. There are many examples of continuous probability distributions: [[normal distribution|normal]], [[Uniform distribution (continuous)|uniform]], [[Chi-squared distribution|chi-squared]], and [[List of probability distributions#Continuous distributions|others]].
连续概率分布是一种概率分布，其支持是不可计数的集合，例如实线中的间隔。它们的独特之处在于可用于计算支撑的每个子集的概率的累积密度函数[需要消除歧义]。连续概率分布有很多示例：正态分布，均匀分布，卡方分布和其他分布。

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】“连续概率分布是一种概率分布，其支持是不可计数的集合，例如实线中的间隔。”一句改为“连续概率分布是支撑集为不可数集的概率分布，如实数轴上的区间。”
--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】“它们的独特之处在于可用于计算支撑的每个子集的概率的累积密度函数[需要消除歧义]”一句中，“支撑的每个子集”改为“支撑集每个子集”。

A random variable <math>X</math> has a continuous probability distribution if there is a function <math>f: \mathbb{R} \rightarrow [0, \infty)</math> such that for each interval <math>I \subset \mathbb{R}</math> the probability of <math>X</math> belonging to <math>I</math> is given by the integral of <math>f</math> over <math>I</math>.<ref>Chapter 3.2 of {{harvp|DeGroot, Morris H.|Schervish, Mark J.|2002}}</ref> For example, if <math>I = [a, b]</math> then we would have:

:<math>\operatorname{P}\left[a \le X \le b\right] = \int_a^b f(x) \, dx</math>

一个随机变量<math>X</math> 有一个连续的概率分布，如果这有一个函数<math>f: \mathbb{R} \rightarrow [0, \infty)</math> 对于每一个区间<math>I \subset \mathbb{R}</math> <math>I</math>的概率 <math>X</math>是<math>f</math> 在 <math>I</math>上的积分.<ref>Chapter 3.2 of {{harvp|DeGroot, Morris H.|Schervish, Mark J.|2002}}</ref> 例如, 如果<math>I = [a, b]</math> 可得到:

:<math>\operatorname{P}\left[a \le X \le b\right] = \int_a^b f(x) \, dx</math>

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】“例如”前一句中，将“如果”以后内容作为前半句，“对于”前加“使得”二字，“<math>I \subset \mathbb{R}</math>”后加逗号，“<math>I</math>的概率 <math>X</math>”改为“随机变量 <math>X</math>属于<math>I</math>的概率”，“一个随机变量<math>X</math> 有一个连续的概率分布”改为“则称这个随机变量<math>X</math> 有一个连续的概率分布”并置于后半句。

In particular, the probability for <math>X</math> to take any single value <math>a</math> (that is <math>a \le X \le a</math>) is zero, because an [[integral]] with coinciding upper and lower limits is always equal to zero. A variable that satisfies the above is called '''continuous random variable'''. Its cumulative density function is defined as

:<math>F(x) = \operatorname{P}\left[-\infty < X \le x\right] = \int_{-\infty}^x f(x) \, dx</math>

特别是，X取任何单个值a（即a≤X≤a）的概率为零，因为上下限一致的积分始终等于零。满足上述条件的变量称为连续随机变量。其累积密度函数定义为

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】“特别是”改为“特别地”，“其累积密度函数定义为”下面应有上方那行公式。

which, by this definition, has the properties:
根据定义有以下一些性质

<ul>

<li style="margin: 0.7rem 0;"><math>F(x)</math> is non-decreasing;</li>

<li style="margin: 0.7rem 0;"><math>0 \le F(x) \le 1</math>;</li>

<li style="margin: 0.7rem 0;"><math>\lim_{x \rightarrow -\infty} F(x) = 0</math> and <math>\lim_{x \rightarrow \infty} F(x) = 1</math>;</li>

<li style="margin: 0.7rem 0;"><math>P(a \le X < b) = F(b) - F(a)</math>; and</li>

<li style="margin: 0.7rem 0;"><math>F(x)</math> is continuous (due to the [[Riemann integral]] properties).</li>

</ul>

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】以上性质没有翻译。第一行应为“<math>F(x)</math>是非减的”；第三行"and"改为“和”；第四行"and"改为“以及”；第五行应为“由于黎曼积分的性质，<math>F(x)</math>连续”

It is also possible to think in the opposite direction, which allows more flexibility. Say <math>F(x)</math> is a function that satisfies all but the last of the properties above, then <math>F</math> represents the cumulative density function for some random variable: a discrete random variable if <math>F</math> is a step function, and a continuous random variable otherwise.<ref>See Theorem 2.1 of {{harvp|Vapnik|1998}}, or [[Lebesgue's decomposition theorem]]. The section [[#Delta-function_representation]] may also be of interest.</ref> This allows for continuous distributions that has a cumulative density function, but not a probability density function, such as the [[Cantor distribution]].
也可以朝相反的方向思考，这样可以有更大的灵活性。假设 f(x)是满足上述所有性质的函数，那么 f 表示某个随机变量的累积密度函数: 如果 f 是阶跃函数，则为离散随机变量，否则为连续随机变量。这允许具有累积密度函数的连续分布，而不是概率密度函数分布，例如 Cantor 分布。

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】“假设 f(x)是满足上述所有性质的函数”改为“假设 f(x)是满足上述除最后一条外其他所有性质的函数”，“那么 f 表示某个随机变量的累积密度函数”中“某个”改为“某种”。“这允许具有累积密度函数的连续分布，而不是概率密度函数分布，例如 Cantor 分布”改为“这允许连续分布有累积密度函数但无概率密度函数，如康托分布”。

It is often necessary to generalize the above definition for more arbitrary subsets of the real line. In these contexts, a continuous probability distribution is defined as a probability distribution with a cumulative distribution function that is [[absolute continuity|absolutely continuous]]. Equivalently, it is a probability distribution on the [[real numbers]] that is [[absolute continuity|absolutely continuous]] with respect to the [[Lebesgue measure]]. Such distributions can be represented by their [[probability density function]]s. If <math>X</math> is such an absolutely continuous random variable, then it has a [[probability density function]] <math>f(x)</math>, and its probability of falling into a Lebesgue-measurable set <math>A \subset \mathbb{R}</math> is:

:<math>\operatorname{P}\left[X \in A\right] = \int_A f(x) \, d\mu</math>

where <math>\mu</math> is the Lebesgue measure.

对于实线的更多任意子集，通常有必要对上述定义进行概括。在这些情况下，连续概率分布定义为具有绝对连续的累积分布函数的概率分布。等效地，就Lebesgue测度而言，它是实数上的概率分布，它是绝对连续的。这样的分布可以用它们的概率密度函数表示。如果X是这样一个绝对连续的随机变量，则它具有概率密度函数f（x），并且落入Lebesgue可测量集合A⊂R的概率为：

:<math>\operatorname{P}\left[X \in A\right] = \int_A f(x) \, d\mu</math>

这里，mu是Lebesgue度量

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】“对于实线的更多任意子集，通常有必要对上述定义进行概括”中“实线”改为“实数轴”。“那么 f 表示某个随机变量的累积密度函数”中“某个”改为“某种”。“这允许具有累积密度函数的连续分布，而不是概率密度函数分布，例如 Cantor 分布”改为“这允许连续分布有累积密度函数但无概率密度函数，如康托分布”。

Note on terminology: some authors use the term "continuous distribution" to denote distributions whose cumulative distribution functions are [[continuous function|continuous]], rather than [[absolute continuity|absolutely continuous]]. These distributions are the ones <math>\mu</math> such that <math>\mu\{x\}\,=\,0</math> for all <math>\,x</math>. This definition includes the (absolutely) continuous distributions defined above, but it also includes [[singular distribution]]s, which are neither absolutely continuous nor discrete nor a mixture of those, and do not have a density. An example is given by the [[Cantor distribution]].

关于术语的注释：一些作者使用术语“连续分布”来表示其累积分布函数是连续的而不是绝对连续的分布。这些分布是所有x的μ{x} = 0的μ分布。该定义包括上面定义的（绝对）连续分布，但也包括奇异分布，既不是绝对连续也不是离散的，也不是它们的混合。没有密度。 Cantor分布给出了一个示例。

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】“既不是绝对连续也不是离散的，也不是它们的混合。没有密度。”改为“这种奇异分布既不是绝对连续，也不是离散的，也不是它们的混合，同时也没有密度。”

== ''' [[Andrey Kolmogorov|Kolmogorov]] definition 柯尔莫哥洛夫的定义'''==

{{Main|Probability space|Probability measure}}

In the [[measure theory|measure-theoretic]] formalization of [[probability theory]], a [[random variable]] is defined as a [[measurable function]] <math>X</math> from a [[probability space]] <math>(\Omega, \mathcal{F}, \mathbb{P})</math> to a [[measurable space]] <math>(\mathcal{X},\mathcal{A})</math>. Given that probabilities of events of the form <math>\{\omega\in\Omega\mid X(\omega)\in A\}</math> satisfy [[Probability axioms|Kolmogorov's probability axioms]], the '''probability distribution of ''X''''' is the [[pushforward measure]] <math>X_*\mathbb{P}</math> of <math>X</math> , which is a [[probability measure]] on <math>(\mathcal{X},\mathcal{A})</math> satisfying <math>X_*\mathbb{P} = \mathbb{P}X^{-1}</math>.<ref>{{Cite book|title=Probability theory : an analytic view|last=W.|first=Stroock, Daniel|date=1999|publisher=Cambridge University Press|isbn=978-0521663496|edition= Rev.|location=Cambridge [England]|pages=11|oclc=43953136}}</ref><ref>{{Cite book|title=Foundations of the theory of probability|last=Kolmogorov|first=Andrey|publisher=Chelsea Publishing Company|year=1950|isbn=|location=New York, USA|pages=21–24|orig-year=1933}}</ref><ref>{{Cite web|url=https://mathcs.clarku.edu/~djoyce/ma217/axioms.pdf|title=Axioms of Probability|last=Joyce|first=David|date=2014|website=Clark University|url-status=live|archive-url=|archive-date=|access-date=December 5, 2019}}</ref>

在概率论的度量理论形式化中，将随机变量定义为可测量函数概率空间中的X（Ω，F，P）到一个可测量的空间（X，A）。给定{ω∈Ω∣X（ω）∈A}形式的事件的概率。满足Kolmogorov的概率公理，X的概率分布为X的前推量度X * P，它是满足<math>X_*\mathbb{P} = \mathbb{P}X^{-1}</math>的概率量度

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】“在概率论的度量理论形式化中”一句中“度量理论”改为“测度论”。
--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】“将随机变量定义为可测量函数概率空间中的X（Ω，F，P）到一个可测量的空间（X，A）”一句改为“随机变量定义为从概率空间<math>(\Omega, \mathcal{F}, \mathbb{P})</math>到测度空间<math>(\mathcal{X},\mathcal{A})</math>的测度函数<math>(\mathcal{X},\mathcal{A})</math>。”
--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】“给定{ω∈Ω∣X（ω）∈A}形式的事件的概率。满足Kolmogorov的概率公理，X的概率分布为X的前推量度X * P”一句改为“假设这种形式的事件概率<math>\{\omega\in\Omega\mid X(\omega)\in A\}</math>满足满足柯尔莫哥洛夫的概率公理，则X的概率分布为X的pushforward measure<math>X_*\mathbb{P}</math>”。

==Random number generation 随机数生成==
{{Main|Pseudo-random number sampling}}

Most algorithms are based on a [[pseudorandom number generator]] that produces numbers ''X'' that are uniformly distributed in the [[half-open interval]] [0,1). These [[random variate]]s ''X'' are then transformed via some algorithm to create a new random variate having the required probability distribution. With this source of uniform pseudo-randomness, realizations of any random variable can be generated.<ref name=":0">{{Citation|last1=Dekking|first1=Frederik Michel|title=Why probability and statistics?|date=2005|work=A Modern Introduction to Probability and Statistics|pages=1–11|publisher=Springer London|isbn=978-1-85233-896-1|last2=Kraaikamp|first2=Cornelis|last3=Lopuhaä|first3=Hendrik Paul|last4=Meester|first4=Ludolf Erwin|doi=10.1007/1-84628-168-7_1}}</ref>

大多数算法基于''' 伪随机数生成器 Pseudorandom Number Generator'''，该伪随机数生成器生成在半开间隔[0,1）中均匀分布的数字X。然后，通过某种算法对这些随机变量X进行转换，以创建具有所需概率分布的新随机变量。利用这种统一的伪随机源，可以生成任何随机变量的实现。

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】“半开间隔”改为“半开区间”。

For example, suppose <math>U</math> has a uniform distribution between 0 and 1. To construct a random Bernoulli variable for some <math>0 , we define

<math>{\displaystyle X ={\begin{cases}1,&{\mbox{if }}U<p\\0,&{\mbox{if }}U\geq p\end{cases}}}
</math>

so that

<math>\textrm{P}(X=1) = \textrm{P}(U<p) = p,
\textrm{P}(X=0) = \textrm{P}(U\geq p) = 1-p.</math>

例如，假设U具有介于0和1之间的均匀分布。为某些对象构造一个随机的Bernoulli变量0 {\displaystyle X ={\begin{cases}1,&{\mbox{if }}U<p\\0,&{\mbox{if }}U\geq p\end{cases}}}
</math>

因此

<math>\textrm{P}(X=1) = \textrm{P}(U<p) = p,
\textrm{P}(X=0) = \textrm{P}(U\geq p) = 1-p.</math>

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】“因此”改为“使得”。

This random variable X has a Bernoulli distribution with parameter <math>p</math>.<ref name=":0"/> Note that this is a transformation of discrete random variable.
该随机变量X具有参数的伯努利分布p。请注意，这是离散随机变量的变换。

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】“该随机变量X具有参数的伯努利分布p”改为“该随机变量X具有以p为参数的伯努利分布”。

For a distribution function <math>F</math> of a continuous random variable, a continuous random variable must be constructed. <math>F^{inv}</math>, an inverse function of <math>F</math>, relates to the uniform variable <math>U</math>:

<math>{U\leq F(x)} = {F^{inv}(U)\leq x}.</math>

F或连续随机变量的分布函数F，必须构造连续随机变量。 <math>F^{inv}</math>，F的反函数，涉及均匀变量U：
<math>{U\leq F(x)} = {F^{inv}(U)\leq x}.</math>

--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】“F或连续随机变量的分布函数F”中“F或”改为“对于”。
--[[用户:普天星相|普天星相]]([[用户讨论:普天星相|讨论]]) 【审校】“F的反函数，涉及均匀变量U”改为“F反函数<math>F^{inv}</math>与均匀变量U有以下关系：”。

For example, suppose a random variable that has an exponential distribution <math>F(x) = 1 - e^{-\lambda x}</math> must be constructed.
例如，假设必须构造一个具有指数分布<math>F(x) = 1 - e^{-\lambda x}</math> 的随机变量。

<math>\begin{align}
F(x) = u &\Leftrightarrow 1-e^{-\lambda x} = u \\ &\Leftrightarrow e^{-\lambda x } = 1-u \\&\Leftrightarrow -\lambda x = \ln(1-u) \\ &\Leftrightarrow x = \frac{-1}{\lambda}\ln(1-u)
\end{align}</math>

所以<math>F^{inv}(u) = \frac{-1}{\lambda}\ln(1-u)</math> 并且如果 <math>U</math> 有一个<math>U(0,1)</math> 分布, 然后随机变量 <math>X</math> 被定义为 <math>X = F^{inv}(U) = \frac{-1}{\lambda} \ln(1-U)</math>. 这里有一个指数分布 <math>\lambda</math>.<ref name=":0" />

A frequent problem in statistical simulations (the [[Monte Carlo method]]) is the generation of [[Pseudorandomness|pseudo-random numbers]] that are distributed in a given way.
统计模拟（蒙特卡洛方法）中经常遇到的一个问题是生成以给定方式分布的伪随机数。

== Common probability distributions and their applications 共同概率分布及其应用==
{{Main list|List of probability distributions}}

The concept of the probability distribution and the random variables which they describe underlies the mathematical discipline of probability theory, and the science of statistics. There is spread or variability in almost any value that can be measured in a population (e.g. height of people, durability of a metal, sales growth, traffic flow, etc.); almost all measurements are made with some intrinsic error; in physics, many processes are described probabilistically, from the [[Kinetic theory of gases|kinetic properties of gases]] to the [[quantum mechanical]] description of [[fundamental particles]]. For these and many other reasons, simple [[number]]s are often inadequate for describing a quantity, while probability distributions are often more appropriate.

概率分布和内蕴其中的随机变量的概念是概率论和统计学领域的基础。几乎任何可以在群体中测量的值都存在价差或可变性（例如人的身高，金属的耐用性，销售增长，交通流量等）;几乎所有测量都存在一定的固有误差；在物理学中，从气体动力学理论到基本粒子的量子力学描述都用概率论来描述。出于各种原因，简单数字通常很难表述一个量量，而用概率分布表述通常更合适。

The following is a list of some of the most common probability distributions, grouped by the type of process that they are related to. For a more complete list, see [[list of probability distributions]], which groups by the nature of the outcome being considered (discrete, continuous, multivariate, etc.)
以下列出了一些最常见的概率分布，按与之相关的过程类型进行分组。更完整的内容请参见概率分布列表，该列表按研究对象的性质（离散，连续，多元等）进行分组。

All of the univariate distributions below are singly peaked; that is, it is assumed that the values cluster around a single point. In practice, actually observed quantities may cluster around multiple values. Such quantities can be modeled using a [[mixture distribution]].
下面所有的单变量分布都是单峰的。也就是说，假设值聚集在单个值周围。实际上，实际观测量可能会聚集在多个值附近，可以使用混合分布对这种量进行建模。

=== '''Linear growth (e.g. errors, offsets) 线性增长 '''===

* [[Normal distribution]] (Gaussian distribution), for a single such quantity; the most commonly used continuous distribution
''' 正态分布（高斯分布 Normal Distribution'''，适用于单个变量；是最常用的连续分布

=== ''' Exponential growth (e.g. prices, incomes, populations) 指数增长'''===

* [[Log-normal distribution]], for a single such quantity whose log is [[Normal distribution|normally]] distributed
'''对数正态分布 Log-normal Distribution'''，适用于对数为正态分布的单个变量

* [[Pareto distribution]], for a single such quantity whose log is [[Exponential distribution|exponentially]] distributed; the prototypical [[power law]] distribution
'''帕累托分布 Pareto Distribution'''，适用于指数为正态分布的单个变量；是幂律分布的原型

=== ''' Uniformly distributed quantities 数量均匀分布'''===

* [[Discrete uniform distribution]], for a finite set of values (e.g. the outcome of a fair die)
''' 离散均匀分布 Discrete Uniform Distributed'''，用于有限的一组值（例如，均匀骰子的结果）

* [[Continuous uniform distribution]], for continuously distributed values
'''连续均匀分布 Continuous Uniform Distributed'''，用于连续分布的值

=== Bernoulli trials (yes/no events, with a given probability) 伯努利试验（给定的概率的是或否事件===

* Basic distributions 基本分布:
** [[Bernoulli distribution]], for the outcome of a single Bernoulli trial (e.g. success/failure, yes/no)
''' 伯努利分布 Bernoulli Distribution'''，用于描述单个伯努利试验的结果（例如成功/失败，是/否）

** [[Binomial distribution]], for the number of "positive occurrences" (e.g. successes, yes votes, etc.) given a fixed total number of [[Independent (statistics)|independent]] occurrences
'''二项式分布 Binomial Distribution '''，用于描述给定总数的前提下相互独立变量的成功次数（例如，成功，赞成票等）

** [[Negative binomial distribution]], for binomial-type observations but where the quantity of interest is the number of failures before a given number of successes occurs
'''负二项分布 Negative Binomial Distribution'''，用于二项式观察，但是关注的数量是在给定成功次数之前发生的失败次数

** [[Geometric distribution]], for binomial-type observations but where the quantity of interest is the number of failures before the first success; a special case of the [[negative binomial distribution]]
'''几何分布 Geometric Distribution'''，用于二项式观测，但是关注的数量是首次成功之前的失败数量；是负二项分布的特殊情况

* Related to sampling schemes over a finite population 与有限人口抽样方案有关:

** [[Hypergeometric distribution]], for the number of "positive occurrences" (e.g. successes, yes votes, etc.) given a fixed number of total occurrences, using [[sampling without replacement]]
''' 超几何分布 Hypergeometric Distribution'''，描述“成功”的次数（例如成功，赞成票等），给定了一定的总出现数量，使用采样而无需替换

** [[Beta-binomial distribution]], for the number of "positive occurrences" (e.g. successes, yes votes, etc.) given a fixed number of total occurrences, sampling using a [[Pólya urn model]] (in some sense, the "opposite" of [[sampling without replacement]])
''' 贝塔二项式分布 Beta-binomial Distribution'''，对于给定的总发生次数为“阳性”的次数（例如，成功，赞成票等），使用Pólyaurn模型进行采样（在某种意义上，为“替代”而不进行替换））

=== Categorical outcomes (events with ''K'' possible outcomes, with a given probability for each outcome) 分类结果（具有K个可能结果的事件，每个结果具有给定的概率）===

* [[Categorical distribution]], for a single categorical outcome (e.g. yes/no/maybe in a survey); a generalization of the [[Bernoulli distribution]]
针对单个分类结果的'''分类分布 Categorical Distribution'''（例如，调查中的是/否/也许）；伯努利分布的一般化

* [[Multinomial distribution]], for the number of each type of categorical outcome, given a fixed number of total outcomes; a generalization of the [[binomial distribution]]
给定总结果的固定数量，针对每种类别结果的数量的'''多项式分布 Multinomial Distribution'''；二项式分布的一般化

* [[Multivariate hypergeometric distribution]], similar to the [[multinomial distribution]], but using [[sampling without replacement]]; a generalization of the [[hypergeometric distribution]]
'''多元超几何分布 Multivariate Distribution'''，类似于多项式分布，但使用采样而不进行替换；超几何分布的一般化

=== Poisson process (events that occur independently with a given rate) 泊松过程（以给定速率独立发生的事件）===

* [[Poisson distribution]], for the number of occurrences of a Poisson-type event in a given period of time
''' 泊松分布 Poisson Distribution'''，用于给定时间段内泊松型事件的发生次数

* [[Exponential distribution]], for the time before the next Poisson-type event occurs
'''指数分布 Exponential Distribution'''，在下一次泊松型事件发生之前的时间

* [[Gamma distribution]], for the time before the next k Poisson-type events occur
'''伽马分布 Gamma Distribution'''，在接下来的k个泊松型事件发生之前的时间

=== Absolute values of vectors with normally distributed components 具有正态分布分量的向量的绝对值===

* [[Rayleigh distribution]], for the distribution of vector magnitudes with Gaussian distributed orthogonal components. Rayleigh distributions are found in RF signals with Gaussian real and imaginary components.
'''瑞利分布 Rayleigh Distribution'''，用于具有高斯分布正交分量的矢量幅度分布。在具有高斯实部和虚部的RF信号中发现瑞利分布。

* [[Rice distribution]], a generalization of the Rayleigh distributions for where there is a stationary background signal component. Found in [[Rician fading]] of radio signals due to multipath propagation and in MR images with noise corruption on non-zero NMR signals.
'''莱斯分布 Rice Distribution'''，是在背景信号分量稳定的情况下瑞利分布的概括。由于多径传播而在无线电信号的Rician衰落中发现，并且在非零NMR信号中出现噪声破坏的MR图像中也发现了这种情况。

=== Normally distributed quantities operated with sum of squares (for hypothesis testing) 以平方和运算的正态分布量（用于假设检验）===

* [[Chi-squared distribution]], the distribution of a sum of squared [[standard normal]] variables; useful e.g. for inference regarding the [[sample variance]] of normally distributed samples (see [[chi-squared test]])
'''卡方分布 Chi-squared Distribution'''，标准正态变量平方和的分布；有用的关于正态分布样本的样本方差的推论（请参见卡方检验）

* [[Student's t distribution]], the distribution of the ratio of a [[standard normal]] variable and the square root of a scaled [[Chi squared distribution|chi squared]] variable; useful for inference regarding the [[mean]] of normally distributed samples with unknown variance (see [[Student's t-test]])
'''学生t分布 Student‘s t Distribution'''，标准正态变量与缩放的卡方变量的平方根之比的分布；有助于推断方差未知的正态分布样本的平均值（请参阅学生的t检验）

* [[F-distribution]], the distribution of the ratio of two scaled [[Chi squared distribution|chi squared]] variables; useful e.g. for inferences that involve comparing variances or involving [[R-squared]] (the squared [[Pearson product-moment correlation coefficient|correlation coefficient]])
'''F-分布 F-Distribution'''，两个比例卡方变量的比例分布；有用的用于涉及比较方差或涉及R平方（相关系数平方）的推论

=== As a conjugate prior distributions in Bayesian inference 作为贝叶斯推断中的共轭先验分布===
{{Main|Conjugate prior}}

* [[Beta distribution]], for a single probability (real number between 0 and 1); conjugate to the [[Bernoulli distribution]] and [[binomial distribution]]
'''Beta分布 Beta Distribution'''，具有单个概率（0到1之间的实数）；与伯努利分布和二项式分布共轭

* [[Gamma distribution]], for a non-negative scaling parameter; conjugate to the rate parameter of a [[Poisson distribution]] or [[exponential distribution]], the [[Precision (statistics)|precision]] (inverse [[variance]]) of a [[normal distribution]], etc.
伽玛分布，用于非负比例缩放参数；与泊松分布或指数分布的速率参数，正态分布的精度（逆方差）等共轭。

* [[Dirichlet distribution]], for a vector of probabilities that must sum to 1; conjugate to the [[categorical distribution]] and [[multinomial distribution]]; generalization of the [[beta distribution]]
'''Dirichlet分布 Dirichlet Distribution'''，对于必须为1的概率向量；与分类分布和多项式分布共轭； beta分布的一般化

*[[Wishart distribution]], for a symmetric [[non-negative definite]] matrix; conjugate to the inverse of the [[covariance matrix]] of a [[multivariate normal distribution]]; generalization of the [[gamma distribution]]<ref>{{Cite book|title=Pattern recognition and machine learning|last=Bishop, Christopher M.|date=2006|publisher=Springer|isbn=0-387-31073-8|location=New York|oclc=71008143}}</ref>
'''Wishart分布 Wishart Distribution'''，用于对称非负定矩阵；与多元正态分布的协方差矩阵的逆共轭；伽玛分布的一般化

=== Some specialized applications of probability distributions 概率分布的一些特殊应用===

* The [[cache language model]]s and other [[Statistical Language Model|statistical language models]] used in [[natural language processing]] to assign probabilities to the occurrence of particular words and word sequences do so by means of probability distributions.
在自然语言处理中使用的高速缓存语言模型和其他统计语言模型通过概率分布来为特定单词和单词序列的出现分配概率。

* In quantum mechanics, the probability density of finding the particle at a given point is proportional to the square of the magnitude of the particle's [[wavefunction]] at that point (see [[Born rule]]). Therefore, the probability distribution function of the position of a particle is described by <math>P_{a\le x\le b} (t) = \int_a^b d x\,|\Psi(x,t)|^2 </math>, probability that the particle's position {{math|''x''}} will be in the interval {{math|''a'' ≤ ''x'' ≤ ''b''}} in dimension one, and a similar [[triple integral]] in dimension three. This is a key principle of quantum mechanics.<ref>{{Cite book|title=Physical chemistry for the chemical sciences|last=Chang, Raymond.|publisher=|others=Thoman, John W., Jr., 1960-|year=|isbn=978-1-68015-835-9|location=[Mill Valley, California]|pages=403–406|oclc=927509011}}</ref>
在量子力学中，在给定点处找到粒子的概率密度与该点处粒子波函数大小的平方成正比（请参阅博恩法则）。因此，粒子位置的概率分布函数描述为<math>P_{a\le x\le b} (t) = \int_a^b d x\,|\Psi(x,t)|^2 </math>，粒子位置的概率x在第一个维度中的间隔为a≤x≤b，在第三个维度中的间隔类似。这是量子力学的关键原理。

* Probabilistic load flow in [[power-flow study]] explains the uncertainties of input variables as probability distribution and provide the power flow calculation also in term of probability distribution.<ref>{{Cite book|title=2008 Third International Conference on Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies|last1=Chen|first1=P.|last2=Chen|first2=Z.|last3=Bak-Jensen|first3=B.|date=April 2008|isbn=978-7-900714-13-8|pages=1586–1591|chapter=Probabilistic load flow: A review|doi=10.1109/drpt.2008.4523658|s2cid=18669309}}</ref>
潮流研究中的概率潮流解释了作为概率分布的输入变量的不确定性，并以概率分布的形式提供了潮流计算。

* Prediction of natural phenomena occurrences based on previous [[frequency distribution]]s such as [[tropical cyclone]]s, hail, time in between events, etc.<ref>{{Cite book|title=Statistical methods in hydrology and hydroclimatology|last=Maity, Rajib|isbn=978-981-10-8779-0|location=Singapore|oclc=1038418263|date = 2018-04-30}}</ref>
根据先前的频率分布（例如热带气旋，冰雹，事件之间的时间等）预测自然现象的发生。

==See also 另请参见==
{{Portal|Mathematics}}
*[[Copula (statistics)]]
Copula（统计数据）
* [[Empirical probability]]
经验概率
* [[Histogram]]
直方图
* [[Likelihood function]]
似然函数
* [[Kirkwood approximation]]
柯克伍德近似
* [[Moment-generating function]]
瞬时产生功能
* [[Riemann–Stieltjes integral#Application to probability theory|Riemann–Stieltjes integral application to probability theory]]
Riemann–Stieltjes积分＃在概率论中的应用
*[[Pairwise independence]]
成对独立

=== Lists 清单===

* [[List of probability distributions]]
概率分布的清单
* [[List of statistical topics]]
统计学话题的清淡
=== Probability distributions 概率分布 ===

* [[Conditional probability distribution]]
条件概率分布
* [[Joint probability distribution]]
联合概率分布
* [[Quasiprobability distribution]]
拟概率分布

== References ==
=== Citations ===
{{Reflist}}

=== Sources ===
{{refbegin|}}
* {{cite journal|doi=10.1016/j.ejmp.2014.05.002|pmid=25059432|title=Data distributions in magnetic resonance images: A review|url=|journal=[[Physica Medica]]|volume=30|issue=7|pages=725–741|year=2014|last1=den Dekker|first1=A. J.|last2=Sijbers|first2=J.}}
* {{cite book|last=Vapnik|first=Vladimir Naumovich|year=1998|title=Statistical Learning Theory|publisher=John Wiley and Sons}}
{{refend}}

==External links==
{{commons|Probability distribution|Probability distribution}}
*{{springer|title=Probability distribution|id=p/p074900}}
*[http://threeplusone.com/FieldGuide.pdf Field Guide to Continuous Probability Distributions], Gavin E. Crooks.

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院校：清华大学

专业：生物医学工程

兴趣：脑机接口

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姓名：杨煜行

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院校：清华大学

专业：生物医学工程

兴趣：脑机接口

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1. 大二

2. 神经工程是方向，脑机接口是梦想是信仰

3. 在学了在学了

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姓名：杨煜行
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偏差方差权衡

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在[https://en.wikipedia.org/wiki/Statistics 统计学]与[https://en.wikipedia.org/wiki/Machine_learning 机器学习]中，偏差方差分析是一组预测性模型的特性，意味着参数估计[https://en.wikipedia.org/wiki/Bias_(statistics) 偏差]较小的模型在样本间的参数估计有较高的方差，反之亦然。偏差方差困境是不能同时最小化这两个误差来源的冲突问题，这两个误差来源让有监督学习算法不能在训练集上很好地进行泛化。

*[https://en.wikipedia.org/wiki/Bias_of_an_estimator 偏差(bias)]来自于学习算法中错误假设造成的误差。高偏差会导致算法不能将特征与目标输出很好地关联起来。（欠拟合）

*[https://en.wikipedia.org/wiki/Variance 方差(variance)]来自于算法对训练集中小波动敏感性造成的误差。高方差会导致算法对训练集中的随机噪声进行建模而不是目标输出。（[https://en.wikipedia.org/wiki/Overfitting 过拟合]）

这种权衡适用于所有的[https://en.wikipedia.org/wiki/Supervised_learning 有监督学习]模型：分类，回归（函数拟合），<ref name="geman">{{cite journal |last1=Geman |first1=Stuart |authorlink1=Stuart Geman |author2=E. Bienenstock |author3=R. Doursat |year=1992 |title=Neural networks and the bias/variance dilemma |journal=Neural Computation |volume=4 |pages=1–58 |doi=10.1162/neco.1992.4.1.1 |url=http://web.mit.edu/6.435/www/Geman92.pdf}}</ref><ref>Bias–variance decomposition, In Encyclopedia of Machine Learning. Eds. Claude Sammut, Geoffrey I. Webb. Springer 2011. pp. 100-101</ref>结构化输出学习。它也被用来解释启发式学习在人类学习中的有效性。<ref name="ReferenceA">{{Cite journal | last1 = Gigerenzer | first1 = Gerd| last2 = Brighton | first2 = Henry| doi = 10.1111/j.1756-8765.2008.01006.x | title = Homo Heuristicus: Why Biased Minds Make Better Inferences | journal = Topics in Cognitive Science | volume = 1 | pages = 107–143| year = 2009 | pmid = 25164802| pmc = }}</ref>

偏差方差困境是在特定问题下，分析学习算法泛化预期误差的一种方式，[https://en.wikipedia.org/wiki/Generalization_error 泛化误差]来自于三个部分：偏差，方差，以及一个称之为“不可避免误差”的量，这个误差一般是问题本身的噪音产生的。

==动机==

方差偏差分析是有监督学习的一个核心问题。理想情况下，人们希望选择一种模型，这种模型既能准确捕获训练数据规律性，又能很好的概括未知数据。不幸的是，通常是不可能同时做到这两点的。高方差的学习方法可能能够很好的表达它的数据集但，但是可能过度拟合噪声或不具备代表性的训练数据。相比之下，低方差的算法通常会生成一个更简单的模型，这种模型不会过拟合，但是会导致在训练数据上欠拟合，无法捕捉到重要的规律。
低偏差的模型通常比较复杂（如高阶回归多项式），这使得它们能够更准确的表达训练集。然而，在这个过程中，它们也可能表示了训练集中的一个巨大的噪声的一部分，尽管复杂性增加了，也使得它们的预测变得不是那么的准确。相比之下，具有较高偏差的模型往往相对较简单（低阶甚至是线性的回归多项式），但是在训练集之外应用时可能会产生较低方差的预测。

==偏差与方差的平方分解==

假设我们有一个训练集包含一个点集 <math>x_1, \cdots , x_n</math> 以及与<math>x_i</math>相关的实值<math>y_i</math>。我们假定一个有噪声的函数<math>y=f(x)+\varepsilon</math>，其中<math>\varepsilon</math>是有着0均值和<math>\sigma^2</math>方差的噪声。

我们想要通过学习算法找到一个函数<math>\hat{f}(x)</math>使其尽量拟合真实的函数<math>f(x)</math>。我们所谓的“尽可能”是使用<math>\hat{f}(x)</math>与<math>y</math>之间的均方误差来表达的，即我们想要<math>(y - \hat{f}(x))^2</math>对于<math>x_1, \cdots , x_n</math>和样本外的点都最小。当然，我们不可能完美做到这一点，因为<math>y_i</math>必定会包含噪声<math>\varepsilon</math>，这意味对于我们得到的所有函数，我们都要接受其中存在这不可避免的误差。
任意一个有监督机器学习算法，都可以使得<math>\hat{f}(x)</math>对训练集之外的点进行泛化。结果就是，无论我们选择了哪个<math>\hat{f}(x)</math>函数，我们可以使用一个样本外的任意<math>x</math>分解期望误差：

:<math>\mathrm { E } \left[ ( y - \hat { f } ( x ) ) ^ { 2 } \right] = ( \operatorname { Bias } [ \hat { f } ( x ) ] ) ^ { 2 } + \mathrm { Var } [ \hat { f } ( x ) ] + \sigma ^ { 2 }</math>

其中：

:<math>\text { Bias } [ \hat { f } ( x ) ] = \mathrm { E } [ \hat { f } ( x ) - f ( x ) ]</math>以及：
:<math>\begin{align}\operatorname{Var}\big[\hat{f}(x)\big] = \operatorname{E}[\hat{f}(x)^2] - \Big(\operatorname{E}[{\hat{f}}(x)]\Big)^2\end{align}</math>

期望包括了不同训练集的选择，这些样本都来自于同样的联合分布P(x,y)，这三个项分别表示：

*学习方法偏差的平方可以视作因为简化假设导致的误差。比如，当我们想要拟合一个非线性的函数<math>f(x)</math>却使用了一个线性的模型，于是估计<math>\hat{f}(x)</math>就会存在存在误差。

*学习方法的方差或者直观地来说就是学习方法<math>\hat{f}(x)</math>多大程度上偏离了其均值。

*不可约误差<math>\sigma^2</math>。因为这三项都是非负的，这三项组成了训练集外样本的期望误差的下界。

<math>\hat{f}(x)</math>的模型越复杂，那么它就可以拟合越多的数据点，偏差也就会越低。然而，复杂度会使得模型更加“偏向于”拟合数据点，因此方差就会变大。

=== 推导 ===

偏差方差平方分解的推导过程如下。<ref>{{cite web |first1=Sethu |last1=Vijayakumar |title=The Bias–Variance Tradeoff |publisher=University Edinburgh |year=2007 |accessdate=19 August 2014 |url=http://www.inf.ed.ac.uk/teaching/courses/mlsc/Notes/Lecture4/BiasVariance.pdf}}</ref><ref>{{cite web |title=Notes on derivation of bias-variance decomposition in linear regression |first=Greg|last=Shakhnarovich |year=2011 |accessdate=20 August 2014 |url=http://ttic.uchicago.edu/~gregory/courses/wis-ml2012/lectures/biasVarDecom.pdf|archiveurl=https://web.archive.org/web/20140821063842/http://ttic.uchicago.edu/~gregory/courses/wis-ml2012/lectures/biasVarDecom.pdf|archivedate=21 August 2014}}</ref>为了记号上的方便，引入两个缩写<math>f = f(x)</math> 以及 <math>\hat{f} = \hat{f}(x)</math>。首先，回忆一下，通过定义对于任意的随机变量<math>X</math>，我们有：
:<math>\begin{align}\operatorname{Var}[X] = \operatorname{E}[X^2] - \Big(\operatorname{E}[X]\Big)^2\end{align}</math>
整理得到:
:<math>\begin{align}\operatorname{E}[X^2] = \operatorname{Var}[X] + \Big(\operatorname{E}[X]\Big)^2\end{align}</math>
因为 <math>f</math> 是[https://en.wikipedia.org/wiki/Deterministic_algorithm 确定的]
:<math>\begin{align}\operatorname{E}[f] = f\end{align}</math>.
这里，给定 <math>y = f + \epsilon</math> and <math>\operatorname{E}[\epsilon] = 0</math>, 令 <math>\operatorname{E}[y] = \operatorname{E}[f + \epsilon] = \operatorname{E}[f] = f</math>.
同理因为 <math>\operatorname{Var}[\varepsilon] = \sigma^2,</math>
于是, 因为 <math>\epsilon</math> 和 <math>\hat{f}</math> 是独立的，我们可以写成：
:<math>\begin{align}\operatorname{E}\big[(y - \hat{f})^2\big] & = \operatorname{E}[y^2 + \hat{f}^2 - 2 y\hat{f}] \\ & = \operatorname{E}[y^2] + \operatorname{E}[\hat{f}^2] - \operatorname{E}[2y\hat{f}] \\ & = \operatorname{Var}[y] + \operatorname{E}[y]^2 + \operatorname{Var}[\hat{f}] + \Big(\operatorname{E}[\hat{f}]\Big)^2 - 2f\operatorname{E}[\hat{f}] \\ & = \operatorname{Var}[y] + \operatorname{Var}[\hat{f}] + \Big(f^2 - 2f\operatorname{E}[\hat{f}] + (\operatorname{E}[\hat{f}])^2\Big) \\ & = \operatorname{Var}[y] + \operatorname{Var}[\hat{f}] + (f - \operatorname{E}[\hat{f}])^2 \\ & = \sigma^2 + \operatorname{Var}[\hat{f}] + \operatorname{Bias}[\hat{f}]^2\end{align}</math>

=== 回归应用 ===

偏差方差分解回归[https://en.wikipedia.org/wiki/Regularization_(mathematics) 正则化]方法的基础，比如 [https://en.wikipedia.org/wiki/Lasso_(statistics) Lasso] 与 [https://en.wikipedia.org/wiki/Ridge_regression ridge] 回归。正则化方法将偏置项引入了回归的解，这样可以大大减少相对与[https://en.wikipedia.org/wiki/Ordinary_least_squares 一般的最小平方(OLS)]的解法的方差。虽然OLS的解法提供了非偏置回顾估计，但正则化技术产生的较低的方差提供了优越的MSE的性能。

=== 分类应用 ===
偏差方差分解最初是为最小二乘法回归提出的。对于在[https://en.wikipedia.org/wiki/0-1_loss 0-1损失]（错误分类率）下的分类，可能会发现类似的分解。<ref>{{cite conference |last=Domingos |first=Pedro |title=A unified bias-variance decomposition |conference=ICML |year=2000 |url=http://homes.cs.washington.edu/~pedrod/bvd.pdf}}</ref><ref>{{cite journal |first1=Giorgio |last1=Valentini |first2=Thomas G. |last2=Dietterich |title=Bias–variance analysis of support vector machines for the development of SVM-based ensemble methods |journal=[[Journal of Machine Learning Research|JMLR]] |volume=5 |year=2004 |pages=725–775}}</ref> 或者，如果分类问题可以被称为概率分类，那么对于真实概率的预期平方误差可以像之前一样地分解。<ref>{{cite book |first1=Christopher D. |last1=Manning |first2=Prabhakar |last2=Raghavan |first3=Hinrich |last3=Schütze |title=Introduction to Information Retrieval |publisher=Cambridge University Press |year=2008 |url=http://nlp.stanford.edu/IR-book/ |pages=308–314}}</ref>

== 方法 ==

[https://en.wikipedia.org/wiki/Dimensionality_reduction 降维]和[https://en.wikipedia.org/wiki/Feature_selection 特征选择]可以通过简化模型来减少方差。同样，一个更大的训练集也会减少方差。<ref>{{cite book | last = Belsley | first = David | title = Conditioning diagnostics : collinearity and weak data in regression | publisher = Wiley | location = New York | year = 1991 | isbn = 978-0471528890 }}</ref>增加特征（预测器）倾向于减少偏差，而不是引入额外的方差。学习算法通常有一些控制偏差和方差的可调整参数。列如：

* （[https://en.wikipedia.org/wiki/Generalized_linear_model 广义的]）线性模型可以被正则化来减小方差但是代价是增大偏差。

* 在[https://en.wikipedia.org/wiki/Artificial_neural_network 人工神经网络]中，随着隐层数量的增加，方差增大但是偏差减小。像GLMs，通常会使用正则化方法。

* 在[https://en.wikipedia.org/wiki/K-nearest_neighbor k邻近]模型中，一个很大的k值会导致很大的偏差和很低的偏差（如下）。

* 在[https://en.wikipedia.org/wiki/Instance-based_learning 实例学习]中，正则化可以通过改变不同的原型和范例的组合来实现。<ref>{{cite journal | last1 = Gagliardi | first1 = F | year = 2011 | title = Instance-based classifiers applied to medical databases: diagnosis and knowledge extraction | url = | journal = Artificial Intelligence in Medicine | volume = 52 | issue = 3| pages = 123–139 | doi = 10.1016/j.artmed.2011.04.002 }}</ref>

* 在[decision trees 决策树]中，树的深度决定了方差。决策树通常会剪枝来控制方差。一种解决这种权衡的方法是使用混合模型和[https://en.wikipedia.org/wiki/Ensemble_learning 集成学习]。.<ref>Jo-Anne Ting, Sethu Vijaykumar, Stefan Schaal, Locally Weighted Regression for Control. In Encyclopedia of Machine Learning. Eds. Claude Sammut, Geoffrey I. Webb. Springer 2011. p. 615</ref><ref>Scott Fortmann-Roe. Understanding the Bias–Variance Tradeoff. 2012. http://scott.fortmann-roe.com/docs/BiasVariance.html</ref>比如，[https://en.wikipedia.org/wiki/Boosting_(machine_learning) boosting]算法组合很多“弱”（高偏差）模型来集成出一个低方差且独立的模型，而[https://en.wikipedia.org/wiki/Bootstrap_aggregating bagging]算法用一种方式组合了“强”学习器来减小他们的方差。

=== k邻近 ===

k邻近回归的情况下，参数k的偏差方差分解的[https://en.wikipedia.org/wiki/Closed-form_expression 闭式表达]是存在的：:<math>\operatorname{E}[(y - \hat{f}(x))^2\mid X=x] = \left( f(x) - \frac{1}{k}\sum_{i=1}^k f(N_i(x)) \right)^2 + \frac{\sigma^2}{k} + \sigma^2</math>其中<math>N_1(x), \dots, N_k(x)</math>是x的k个训练集中的邻近。偏差（第一项）是k的单调递增函数，然而偏差（第二项）是k的递减函数。实际上，在可行的假设下，最邻近估计器的偏差会完全消失当训练集趋向于无穷大的时候。

=== 人类学习中的应用 ===

虽然我们在机器学习的背景下广泛讨论了这个问题，但在人类认知方面，尤其是 [https://en.wikipedia.org/wiki/Gerd_Gigerenzer Gerd Gigerenzer] 和他同事在启发式学习背景下，对偏差方差困境进行了研究。他们认为（见参考），人类大脑通过采用高偏差/低方差的启发式学习方法，在典型的稀疏、缺乏特点的训练集中，人类大脑解决了这种困境。这反映了这样一个事实，零偏差方法对新情况的泛化性较差，而且不合理的假定准确推测了世界的真实状况。由此尝试的启发式学习方法相对简单，但是在更广泛的情况下会有更好的推论。[ https://en.wikipedia.org/wiki/Stuart_Geman Geman]等人认为，偏差方差困境意味着一般性的物体识别这样的能力是无法从零开始学习的，而是需要一定的“硬编码”，再根据经验来调整。这是因为无模型的推理方法需要不切实际的大型训练集，才能避免高方差。

==参考==

* [[Accuracy and precision]]
* [[Bias of an estimator]]
* [[Gauss–Markov theorem]]
* [[Hyperparameter optimization]]
* [[Minimum-variance unbiased estimator]]
* [[Model selection]]
* [[Regression model validation]]
* [[Supervised learning]]{{Div col end}}

==引用==

<references/>

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彼得·斯塔德勒 Peter F Stadler

2020-10-14T14:22:27Z

Thingamabob：创建页面，内容为“== 基本信息 == 右 === 姓名 === Peter F Stadler（彼得·斯塔德勒） === 出生日期 === 1965年12月24日 ===…”

== 基本信息 ==
[[File:Peter F Stadler.jpeg|缩略图|右]]
=== 姓名 ===
Peter F Stadler（彼得·斯塔德勒）
=== 出生日期 ===
1965年12月24日
=== 学习经历 ===
* 曾就读于 Mathematik大学进修化学、物理和天文学。
* 1990年，他在切米的彼得 · 舒斯特尔工作。
* 1990年至1991年，他在马克斯 · 普朗克生理化学研究所担任曼弗雷德 · 埃根的博士后。
* 于1994年在维也纳大学的理论化学系学习，直到2002年成为大学教授。
* 从2002年9月开始，斯塔德勒就是莱比锡大学的生物信息学教授，自1994年以来，他一直在圣菲研究所从事相关研究，并于2010年开始致力于数学科学的研究。
=== 研究领域 ===
生物信息学，化学
=== 主要职位及荣誉 ===
* 斯塔德尔用生物信息学和基因组 RNA 生物信息学研究进化。他在基因调控过程中参与了核糖核酸的转录；
* 是德国学术界最重要的结构与进化生物学家之一。
== 发表著作 ==
* [https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2212820/?rendertype=abstract 《Identification and analysis of functional elements in 1% of the human genome by the ENCODE pilot project》]Nature，Pages:799（2007/6，引用次数：4932）
* [https://www.researchgate.net/publication/226552635_Fast_Folding_and_Comparison_of_RNA_Secondary_Structures 《Fast folding and comparison of RNA secondary structures》]Nature，Pages:487（2000/9，引用次数：2512）
* [https://www.docin.com/p-854245433.html 《RNA maps reveal new RNA classes and a possible function for pervasive transcription》]Science，Pages:1067（2007，引用次数：2085）
* [https://www.docin.com/p-1744466159.html 《ViennaRNA Package 2.0》]Physical review E，Pages:1805（2011，引用次数：2036）
== 联系方式 ==
* 工作地邮箱: studienbuero@mathematik.uni-leipzig.de

== 相关链接 ==

1、[http://www.bioinf.uni-leipzig.de/~studla/ 个人主页]

2、[https://de.wikipedia.org/wiki/Peter_F._Stadler 维基词条]

3、[https://scholar.google.com/citations?hl=zh-CN&user=pVnGRlkAAAAJ 谷歌学术主页]

[[Category:复杂系统]]

[[Category:人物]]
[[Category:旧词条迁移]]

张潘 Pan Zhang

2020-10-14T14:22:01Z

Thingamabob：创建页面，内容为“{{#seo: * |keywords=张潘,Pan Zhang,复杂系统,统计物理 * |description=名字,研究领域 * }} == 基本信息 == 右 ===…”

{{#seo:
* |keywords=张潘,Pan Zhang,复杂系统,统计物理
* |description=名字,研究领域
* }}

== 基本信息 ==
[[File:Pan Zhang.jpg|缩略图|右]]
=== 姓名 ===
张潘（Pan Zhang）
=== 出生地及日期 ===
1983年11月生于安徽
=== 研究领域 ===
研究方向为统计物理与复杂系统，主要内容如下：
自旋玻璃理论，消息传递算法
组合优化问题
统计物理中的反问题，统计推断问题
随机矩阵，谱算法，谱图理论
== 主要履历 ==
2000-2004 兰州大学本科 
2004-2009 兰州大学硕博, 导师陈勇 
2007-2009 中科院理论物理研究所博士联合培养, 导师周海军 
2010-2012 意大利都灵理工博后，Riccardo Zecchina组 
2012-2013 巴黎E.S.P.C.I.博后，Florent Krzakala组 
2013-2015 美国Santa Fe Institute博后，Cris Moore组 
2015-至今中国科学院理论物理研究所副研究员 
2016.3 日本京都大学Yukawa Institute for Theoretical Physics 访问副教授 
现任中国科学院理论物理研究所教授

== 发表文章 ==
* [https://www.pnas.org/content/pnas/110/52/20935.full.pdf Spectral redemption in clustering sparse networks]Proceedings of the National Academy of Sciences 110 (52), 20935-20940(2013/12/24，引用次数：398)

* [https://www.pnas.org/content/pnas/111/51/18144.full.pdf Scalable detection of statistically significant communities and hierarchies, using message passing for modularity] Proceedings of the National Academy of Sciences 111 (51), 18144-18149（2014/12/23，引用次数：89）

* [https://arxiv.org/pdf/1207.3994.pdf Model selection for degree-corrected block models] Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment 2014 (5), P05007（2014/5/16，引用次数：70）

* [https://journals.aps.org/prx/pdf/10.1103/PhysRevX.6.031005 Detectability Thresholds and Optimal Algorithms for Community Structure in Dynamic Networks] Physical Review X 6 (3), 031005（2016/7/13，引用次数：56）

* [https://arxiv.org/pdf/cond-mat/0603237.pdf Optimized annealing of traveling salesman problem from the nth-nearest-neighbor distribution] Physica A: Statistical Mechanics and its Applications 371 (2), 627-632（2006/11/15，引用次数：39）

== 科研项目及成果 ==

===[https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.080602 利用变分自回归网络求解统计力学]===

计算自由能，估计物理量，生成不相关的样本是统计力学的基本问题。该项目提出了一个新的框架来解决有限大小系统的统计力学问题，该方法扩展了已有的基于自回归神经网络的变分平均场方法，该神经网络模型支持配置的归一化概率的直接抽样和精确计算。

网络的训练采用强化学习的策略梯度方法，无偏估计变分参数的梯度。我们已经成功地将我们的方法应用于几个经典系统，共包括2d Ising 模型、 Hopfield 模型、 sherlington-Kirkpatrick 自旋玻璃模型和逆 Ising 模型。

该论文现已发表在《 Physical Review Letter》上，并作为编辑推荐进行刊登。

=== [https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.8.031012 基于矩阵乘积状态的无监督生成建模] ===

也许很多读者都熟悉Boltzmann机器，该机器使用Boltzmann分布对数据的联合概率分布进行建模。玻尔兹曼机是统计学物理对机器学习的重要贡献。在《 Physical Review X》的这篇论文中，我们提出了一个从量子物理学那里借来的新的无监督机器学习模型，该模型使用博恩法则对数据的联合分布进行建模。因此，我们称其为“生机”。该模型将张量网络和生成模型连接起来。

您可以找到有关张量网络，矩阵乘积状态和生成学习的主题的[http://lib.itp.ac.cn/html/panzhang/mps/tutorial/ 教程]和[http://lib.itp.ac.cn/html/panzhang/mps/tutorial/mps_tutorial.zip Jupyter文件代码]。

=== [https://arxiv.org/pdf/1609.02906.pdf 基于正则化学习的全局结构稳健谱检测] ===

光谱方法在检测可以表示为矩阵的给定数据中的全局结构时很流行。但是，当数据矩阵稀疏或嘈杂时，由于稀疏性或噪声引起的特征向量（或奇异向量）的局部化，经典的频谱方法通常无法工作。在本文（NIPS 2016）中，我们提出了一种通过从局部特征向量学习正则化矩阵来解决局部化问题的通用方法。这是算法“ X-Laplacian”的演示。

代码戳[http://lib.itp.ac.cn/html/panzhang/xlap/xlap_demo.zip 这里]

=== [https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.6.031005 动态网络中社区结构的可检测性阈值及优化算法] ===

许多现实世界的网络都是动态的，节点会随着时间以复杂的方式更改其连接和从属关系。这种情况使社区检测更具挑战性，但是跨时间的相关性提供了规避此问题的方法。在这篇《 Physical Review X》的论文中，我们对恢复动态网络中底层社区结构的能力得出了精确的数学限制，这仅取决于隐藏社区的强度以及节点更改其社区成员的速度。

=== [https://www.pnas.org/content/early/2014/12/04/1409770111.abstract 使用消息传递实现模块化，对具有统计意义的社区和层次结构进行可伸缩性检测] ===

最大化模块化是检测网络社区的最流行方法。但是，它容易过拟合。

在这篇PNAS论文中，我们与克里斯·摩尔（Cris Moore）一起提出了利用统计物理学的思想来解决这一过拟合问题的方法，并提出了一种用于检测大型网络中社区和阶层的有效算法。

=== [https://www.pnas.org/content/110/52/20935.abstract 聚类稀疏网络中的光谱兑换] ===

频谱算法是流行的数据聚类方法。但是，由于存在局部特征向量，它们在稀疏网络中经常失败。

这篇在PNAS上与其他合作者一起发表的论文中，我们给出了一种基于非回溯算子的新频谱算法，该算子对这种疾病具有免疫力，并且在大型稀疏网络中非常有效。

== 招募信息及联系方式 ==

正在寻找统计物理学和机器学习领域的博士后研究人员

电子邮箱：panzhang@itp.ac.cnn

== 相关链接 ==

1、[http://lib.itp.ac.cn/html/panzhang/ 张潘个人主页]

2、[https://scholar.google.com/citations?user=MFnbrRUAAAAJ&hl=en Google Scholar Profile 张潘谷歌学术主页]

[[Category:复杂系统]]
[[Category:统计物理学]]
[[Category:人物]]
[[Category:旧词条迁移]]

弗拉米尼奥斯夸佐尼 Flaminio Squazzoni

2020-10-14T14:21:31Z

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==基本信息==

姓名：弗拉米尼奥·斯夸佐尼

电话：+390250321017
[[File:squazzoni.jpg|200px|thumb|right]]
电子邮件：flaminio.squazzoni@unimi.it

Twitter：@squazzoni

==职位==
米兰大学社会和政治科学系的社会学教授，也是行为实验室的主任。他为本科生讲授“社会学”，为硕士生讲授“行为社会学”，并为博士生讲授“行为博弈论”。直到2018年11月，他一直是布雷西亚大学经济与管理系经济社会学副教授，在那里他领导了 [http://www.gecs.unibs.it/ GECS实验与计算社会学研究小组]。

[http://jasss.soc.surrey.ac.uk/JASSS.html 《JASSS-人工社会与社会模拟杂志》]的编辑，[https://sociologica.unibo.it/ 《社会学》-《国际社会学辩论》]国际联合编辑，《[http://www.researchintegrityjournal.com/ 研究诚信与同行评议》]和[https://www.mulino.it/riviste/issn/1120-9550 《智能系统》]编辑委员会成员。[http://eu.wiley.com/WileyCDA/Section/id-811877.html 计算与定量社会科学]的[http://eu.wiley.com/WileyCDA/Section/id-811877.html Wiley系列]和计算社会科学的[http://www.springer.com/series/11784 Springer系列]的顾问编辑，并且是[https://www.thinkforwardinitiative.com/ ING（荷兰国际集团）ThinkForward Initiative]顾问委员会的成员。他是[http://www.essa.eu.org/ 欧洲社会模拟协会]的前任主席（2012年9月至2016年9月，自2010年起担任管理委员会成员）。曾任[http://www.nasp.eu/training/phd-programmes/esls.html NASP ESLS经济社会学与劳动研究博士项目]主任(2015-2016年)。

==研究领域==
他的研究领域是行为社会学，经济社会学和科学社会学，特别关注社会规范和制度对分散的大规模社会系统中合作的影响。他的研究方法并重于实验的（实验室）研究和计算的（基于主体的建模）研究。

==文章著作==
[https://onlinelibrary.wiley.com/doi/book/10.1002/9781119954200 《基于主体的计算社会学》]

[https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/0022250X.2019.1704284 "当每个人都在争夺最强大的合作伙伴时，协作网络的团结：基于随机演员的仿真模型"]

[https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/psp.2263 相互隔离的自我。移民，社会背景和收入罚款]

==主持会议==
[http://epos.unibs.it/ 第二次关于模拟的认识论观点国际研讨会EPOS（布雷西亚，2006年）]

[http://essa.unibs.it/ 欧洲社会模拟协会第五次会议（布雷西亚，2008年）]

[http://ecms.unibs.it/ 第28届ECMS-欧洲建模与模拟会议（布雷西亚，2014年）]

==项目==
[http://www.peere.org/ peere同行审议]

[https://sociable.unibs.it/ Soipable-Brescia Nexus：人口老龄化中的社会基础设施和认知能力]

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[[Category:人物]]
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巴里·韦尔曼 Barry Wellman

2020-10-14T14:20:38Z

Thingamabob：创建页面，内容为“== 基本信息 == 右人物名：Barry Wellman（巴里 · 威尔曼）、出生：1942年9月30日，美国纽约…”

== 基本信息 ==

[[File:Barry-Wellman.png|缩略图|右]]

人物名：Barry Wellman（巴里 · 威尔曼）、
出生：1942年9月30日，美国纽约布朗克斯
国籍：加拿大裔美国籍
母校：拉法耶特学院，哈佛大学
研究方向：社交网络; 数字媒体；互联网与社会；网络工作；分布式工作

== 研究领域 ==

Barry Wellman 教授研究网络：社区、通信、计算机和社会。其研究检查了虚拟社区、虚拟工作场所、社会支持、社区、亲戚关系、友谊以及社交网络理论和方法。

==成就==

加拿大社会学和人类学协会、国际社交网络分析网、国际传播协会，GRAND 中心网络和美国社会学协会的两个部门——社区和城市社会学、通信和信息技术的职业成就奖。于2007年当选为加拿大皇家学会会员。

== 博士生导师 ==

Charles Tilly（查尔斯·堤利）

==学生==

Keith Hampton（基思 · 汉普顿）

Caroline Haythornthwaite（卡罗琳 · 海索恩斯怀特）

Anabel Quan-Haase（安娜贝尔 · 全 · 哈泽）

== 就职企业、机构或院校 ==

多伦多 NetLab 网络联合主任

新加坡国立大学传播与新媒体 Chong Yah 教授（2015）

多伦多大学社会学系 S.D. Clark 教授（2006-2011）

多伦多大学社会学系教授（1967-2013）

== 主要文章及著作 ==

===文章===

* [http://books.google.com/books?hl=en&lr=&id=XIw4AAAAIAAJ&oi=fnd&pg=PR7&dq=info:dGOynanZeSsJ:scholar.google.com&ots=Mr3WOkSVJZ&sig=mG1FDa5oFFl8UOPKmhxf7tvv5bs接 Social structures: A network approach] 《社会结构:一种网络方法》 B Wellman, SD Berkowitz，CUP Archive，1998，被引3370次
* [https://www.journals.uchicago.edu/doi/abs/10.1086/229572 Different strokes from different folks: Community ties and social support] 《各人有各法：社区联系与社会支持》 B Wellman, S Wortley，《美国社会学期刊》 96 (3), 558-588，1990，被引2393次
* [https://www.journals.uchicago.edu/doi/abs/10.1086/226906 The community question: The intimate networks of East Yorkers] 《社区问题:东纽约人的亲密网络》 B Wellman，《美国社会学期刊》 84 (5), 1201-1231，1979，被引2328次

===著作===

麻省理工学院出版社于2012年春季出版其与皮尤网络和美国生活项目(Pew Internet and American Life Project)总监李 · 雷尼(Lee Rainie)合著的屡获殊荣的《网络化：新的社会操作系统》(Networked: The New Social Operating System)一书。该书分析了源于社交网络革命、互联网革命和移动革命的网络化个人主义的自然属性。

== 研究课题 ==

===社区社会学===

直到1990年，韦尔曼主要关注社区社会学和社会网络分析。在多伦多的前三年，他还在克拉克精神病研究所(Clarke Institute of Psychiatry)联合兼职，在那里他与 D.B. 科茨(D.B. Coates)医学博士共同指导了东约克多伦多自治市的“约克研究(Yorkles Study)”。这是东约克的第一项研究，其数据收集于1968年，试图对大量人群进行实地研究，将人际关系与精神病症状联系起来。这项关于”社会支持”的早期研究记录了非本地友谊和亲属关系的普遍存在，表明社区不再局限于邻里，并将非本地社区作为社会网络加以研究。韦尔曼基于此研究的“社区问题”论文被选为英国-加拿大社会学七篇最重要的论文之一。

1978年至1979年，多伦多大学城市与社区研究中心进行了第二项东约克研究，通过对33名（最初是在第一项研究中调查过的）东约克人进行深度访谈，深入了解他们社交网络。该研究有力说明了何种关系和网络提供了何种类型的社会支持。例如，研究表明，姐妹在兄弟姐妹中提供了很多情感支持，而父母则提供经济援助。这种支持更多地来自于关系的特性，而不是它们所嵌入的网络。这项研究还表明，妻子不仅为自己，也为丈夫维持着社会关系网。

虽然韦尔曼的工作已经主要转移到互联网研究（见下面一节），但他也继续对东约克第一、二项研究进行协作分析。结果表明，相互关系（如社会支持）与其说是一种社会网络现象，不如说是一种联系现象，而且在互联网出现之前，人际交往的频率和支持性与居住（和工作场所）距离间的联系是非线性的。

韦尔曼编辑了《地球村的网络》(Networks in the Global Village, 1999) ，这是一本关于世界各地个人网络的原创文章集。 2007年，他主编了《社交网络》(Social Networks, vol. 29, no. 3, July)杂志的特刊"网络是个人的"。文内包含来自加拿大、法国、德国和伊朗的分析。

===社会网络理论===

实证工作之外，威尔曼对社会网络分析理论也做出了贡献。最全面的陈述发表在他与已故的 S.D. 伯科威(S.D.Berkowitz)共同编辑的《社会结构》(Social Structures)的介绍性文章中。这项工作回顾了社会网络思想的历史，并提出了一些社会网络分析的基本原则。

最近和更集中的理论工作讨论了当代社区的“全球化”(同时”全球化”和”地方化”)以及”网络个人主义”的兴起——从基于群体的网络向个性化网络的转变。美国社会学协会职业成就奖获得者哈里森·怀特(Harrison White)指出: “ 巴里 · 韦尔曼的整个学术生涯都致力于用网络的方式探索和记录自然社会世界。”

===社交网络方法===

韦尔曼的方法论贡献在于分析以自我为中心或“个人”网络——从个体（通常是个人）的角度来定义。由于人们经常研究成批的个人网络，这需要一些不同于更常见的分析单个大型网络的社会网络实践技术。

2007年，韦尔曼（与伯尼 · 霍根(Bernie Hogan)和胡安 - 安东尼奥 · 卡拉斯科(Juan-Antonio Carrasco)）合著了一篇论文，讨论了收集个人网络数据的替代方案。与肯尼思 · 弗兰克(Kenneth Frank)的一篇论文展示了如何解决同时分析关系和网络两个不同层次上的个人网络数据的问题。《Neighboring in Netville》被引用为对来自已知的潜在网络成员名单的个人网络的唯一公开研究。被引用最多的论文是最简单的：与人共同编写的使用统计软件包 SAS 和 SPSS 时分析个人网络数据的指南。

韦尔曼和霍华德 · D · 怀特(Howard D. White)及其同事的其他工作已经研究了如何将社会网络分析与引文网络的科学计量学研究联系起来。这项研究表明，学术界的朋友并不一定引用彼此的文章，但是同一篇文章中引用的学者倾向于互相寻找并成为朋友。

===互联网、科技与社会===

韦尔曼经常与计算机科学家、通信科学家和信息科学家合作。1990年，他参与研究普通人如何利用互联网和其他通信技术在工作场所、家庭和社区交流和交换信息。因此，他的工作拓展了他对非本地社区和社会网络的兴趣，包括互联网、移动电话和其他信息与通信技术。

====工作网络和信通技术====

韦尔曼最初的项目（”山猫(Cavecat)”后来演变成“远程呈现(Telepresence)”）是与罗纳德 · 贝克(Ronald Baecker)、卡罗琳·海索恩斯怀特(Caroline Haythornthwaite)、玛丽莲 · 曼特(Marilyn Mantei)、盖尔 · 摩尔(Gale Moore)和珍妮特 · 萨拉夫(Janet Salaff)合作完成的。这项工作在20世纪90年代早期完成，当时互联网还没有普及，使用联网的个人电脑进行视频会议和计算机支持的协同工作(CSCW)。卡罗琳·海索恩斯怀特(Caroline Haythornthwaite)（为了她的论文和其他工作）和韦尔曼分析了为什么计算机科学家之间会有联系——在线和离线。他们发现，友谊和协作是工作中联系的主要推动者。

韦尔曼和安娜贝尔 · 全 · 哈泽(Anabel Quan-Haase)还研究了这种计算机支持的工作团队是否支持并不看重官僚结构和物理接近性的网络化组织。他们对一个高科技的美国组织——严重依赖即时通讯和电子邮件——的研究表明，所谓的由信息通信技术驱动的工作向网络化组织的转变在实践中只完成了一部分。部门组织的组织约束（包括权力）和物理接近继续发挥重要作用。当使用不同的传播媒介时，组织中有很强的规范，面对面的接触和在线接触交织在一起。

韦尔曼与迪米特里娜·迪米特罗娃(Dimitrina Dimitrova），Tsahi Hayat，和 Guang Ying Mo 合作，在加拿大多个研究中心对140名网络学者进行了 NAVEL 研究。他们发现，尽管强调网络，学科和空间界限继续影响谁与谁互动。

====社区网络和信通技术====

作为一个社区的社会学家，韦尔曼开始争辩说，太多的网络生活分析是孤立于日常生活的其他方面的。他（单独或协作）发表了几篇论文，认为有必要将互联网研究置于背景之中，并提出，最好将在线关系（如离线关系）作为分支的社会网络而不是有限的群体来研究。这一争论在2002年的《日常生活中的互联网》一书（与卡罗琳·海索恩斯怀特(Caroline Haythornthwaite)合著）中达到了高潮，该书提供了一些社会学研究的例证。

韦尔曼在这个领域做了实证研究：他是由詹姆斯 · 威特(James Witte)领导的团队的一员，该团队在1998年调查了访问国家地理学会网站的访问者，并利用这些数据反驳了互联网的参与与社会隔离有关的反乌托邦观点。

皮尤互联网报告《互联网关系的力量》(The Strength of Internet Ties)（由杰弗里 · 博斯(Jeffrey Boase)、约翰 · B · 霍里根(John B. Horrigan)和李 · 雷尼(Lee Rainie)联合撰写）中分析的大规模美国全国随机抽样调查也显示，网络交流、电话交流和面对面交流之间存在正相关关系。这项研究表明，电子邮件非常适合与大型社交网络保持定期联系，尤其是对那些只有一定强度的关系来说。研究还发现，互联网用户比非互联网用户从朋友和亲戚那里得到更多的帮助。

对“全球本土化”概念的研究也被纳入了这一知识流。基思 · 汉普顿(Keith Hampton)和韦尔曼研究了多伦多郊区的“内维尔(Netville)”（化名）。它展示了在线和离线活动之间的相互作用，以及互联网——在列表服务的帮助下——不仅是一种远程交流的手段，而且增强了邻里关系和公民的参与。

他与世界互联网项目数字未来中心的 Helen Hua Wang 和杰弗里·科尔(Jeffrey Cole)合作，开展了美国第一个关于社会关系和互联网使用的全国性调查。他们的研究表明，人均朋友数量正在增加，而且重度互联网用户的朋友比其他人更多。韦尔曼还与本 · 温霍夫(Ben Veenhof)（加拿大统计局）、卡斯滕 · 奎尔(Carsten Quell)（加拿大文化遗产局）和伯尼 · 霍根(Bernie Hogan)合作，把在家里上网的时间与社会关系和公民参与联系起来。此外他还与 Wenhong Chen 合作研究连接中国和北美的跨国移民企业家。

韦尔曼的工作继续侧重于信息和通信技术之间的相互作用，特别是互联网、社会关系和社会结构。他在多伦多和安大略省北部农村的查普洛指导了一项关于沟通、社区和家庭关系之间相互作用的关联生活(Connected Lives)研究。关于在线和离线生活之间相互作用的早期发现在“连接的生活: 项目(Connected Lives: The Project)”中有所总结。更为集中的研究（与珍妮弗(Jennifer Kayahara)合作）阐述了曾经的两级传播如何因互联网对信息搜索和交流的促进变为更为递归的多步式。（与特雷西 · 肯尼迪(Tracy Kennedy)合作的）研究认为，如社区一样，许多家庭已经从本地群体转变为通过频繁的信息通信技术和移动电话通信连接起来的空间分散的网络。网络实验室的其他研究人员，除了正文和笔记中提到的人，还包括朱莉 · 阿莫罗索(Julie Amoroso)、克里斯蒂安 · 比尔曼(Christian Beermann)、迪安 · 贝伦斯(Dean Behrens)、文森特 · 蔡美儿(Vincent Chua)、杰西卡 · 柯林斯(Jessica Collins)、迪米特洛娃(Dimitrina Dimitrova)、扎克 · 海亚特(Zack Hayat)、Chang Lin、朱莉娅 · 马德伊(Julia Madej)、玛丽亚 · 马耶斯基(Maria Majerski)、Mo Guang Ying、戴安娜 · 莫克(Diana Mok)、巴尔巴拉 · 内维斯(Bárbara Barbosa Neves)和莉莉娅 · 斯梅尔(Lilia Smale)。

韦尔曼参与了“网络个人”项目，利用第四次东约克研究调查他们的社交网络和数字媒体的使用。他的合作者包括布伦特·贝里(Brent Berry)、玛丽亚·基切夫斯基(Maria kicheveski)、Guang Ying Mo、安娜贝尔 · 全 · 哈泽(Anabel Quan-Haase)、Helen Hua Wang 和 Alice Renwen Zhang。最初的论文聚焦于65岁以上的老年人，展示了他们如何使用数字媒体与远近亲属保持联系。

== 近期报道 ==

[https://semioticon.com/sx-old-issues/semiotix14/sem-14-05.html The Networked Individual: A Profile of Barry Wellman]，网络化的个体：巴里 · 韦尔曼传简介，伯尼 · 霍根(Bernie Hogan)（Barry Wellman 的学生），2009年1月

== 联系方式 ==

* 电子邮件：wellman@chass.utoronto.ca
* 电话：（416）884-3052
* 网站：http : //groups.chass.utoronto.ca/netlab/barry-wellman/

== 相关链接 ==

=== 视频 ===

[https://www.baidu.com/link?url=jZkZUXCtKRd6FYlPuI85dLZEjzcmK_q4GAfuJg5tsGkrvCGeMkL0zClKHrbVnFGafKZIjq6z158bP_wdzGZ1MK&wd=&eqid=831b625c0019ce09000000025e19cb1f 多伦多大学社会学巴里·威尔曼教授采访视频_腾讯视频]：

=== 更多信息 ===

[https://uttri.utoronto.ca/people/barry-wellman/ 个人主页]

[https://en.wikipedia.org/wiki/Barry_Wellman wiki词条]

[[Category:网络科学]]
[[Category:人物]]
[[Category:旧词条迁移]]

尼特施·考拉 Nitesh V Chawla

2020-10-14T14:20:02Z

Thingamabob：创建页面，内容为“== 基本信息 == 右姓名：Nitesh V Chawla(尼特施·考拉) 居住地：印第安纳州圣母院学位…”

== 基本信息 ==

[[File:Nitesh V Chawla.jpeg|缩略图|右]]

姓名：Nitesh V Chawla(尼特施·考拉)
居住地：印第安纳州圣母院
学位：1997年获波那大学计算机科学与工程学士；2000年获南佛罗里达大学计算机科学硕士；2002年获南佛罗里达大学计算机科学与工程博士学位，
研究方向：广泛地涉及大数据领域：数据科学，机器学习，网络科学及其应用，社交网络，医疗保健信息学/分析学和气候/环境科学

== 研究领域及荣誉 ==

其研究重点是机器学习，数据科学和网络科学。他在跨学科应用领域处于前沿，并在医疗保健分析，社会和信息网络，业务分析，国家安全以及气候/环境科学领域开展创新工作。曾多次获得研究和教学创新奖，包括杰出教师奖（2007年和2010年），美国国家工程师学会新教师奖学金，2015年IEEE CIS杰出早期职业奖的获得者；IBM沃森学院奖，IBM大数据与分析学院奖，美国国家工程院新学院奖学金，其博士学位论文也获得了杰出论文奖。由于其研究对社会和社区的影响，获得了Rodney Ganey奖和Michiana 40 Under40。 Reilly科学，技术和价值中心研究员；亚洲研究所研究员和亚洲研究；巴黎圣母院Kroc国际和平研究所研究员，数据科学公司Aunalytics的创始人。

== 学生 ==

* [https://engineering.nd.edu/profiles/wdaheng Wang Daheng]
* [https://engineering.nd.edu/profiles/lfaust Louis Faust]
* [https://engineering.nd.edu/profiles/slin2 Suwen Lin]
* [https://engineering.nd.edu/profiles/jmarshal Jermaine Marshall]
* [https://engineering.nd.edu/profiles/jschnur Mandana Saebi]
* [https://engineering.nd.edu/profiles/jschnur Jennifer Schnur]
* [https://engineering.nd.edu/profiles/msyed Munira Syed]
* [https://engineering.nd.edu/profiles/ptang Pingjie Tang]
* [https://engineering.nd.edu/profiles/xwu3 Xian Wu]
* [https://engineering.nd.edu/profiles/czhang3 Chuxu Zhang]

== 就职企业、机构或院校 ==

=== DIAL ===

在Chawla教授的指导下，工程学院的DIAL（数据，推理分析和学习）实验室专注于机器学习，人工智能，网络科学和大数据。

=== ICENSA ===

iCeNSA由Chawla教授领导，是一家多学科的大学研究院，围绕社会，生物，生化，物理，环境，金融，组织，技术和国防系统中的网络和数据科学问题而组织。

作为研究中心，iCeNSA（1）对复杂网络的结构，动力学和功能特性背后的基本过程和机制进行系统级的理解，（2）为网络科学开发和集成新颖的数学和计算工具。

== 主要文章及著作 ==

* [http://www.jair.org/papers/paper953.html SMOTE: synthetic minority over-sampling technique]2002，被引9357次

* [https://dlacm.xilesou.top/citation.cfm?id=1007733 Special issue on learning from imbalanced data sets] 2004，被引1753次

*[https://link.springer.xilesou.top/chapter/10.1007/978-3-540-39804-2_12 SMOTEBoost: Improving prediction of the minority class in boosting] 2003，被引1160次

== 近期报道 ==

===[https://cse.nd.edu/news/notre-dame-saint-mary2019s-to-expand-data-science-programs-with-ethics-social-responsibility-components 圣母院（Notre Dame），圣玛丽（Saint Mary's）扩展具有道德，社会责任成分的数据科学计划]===
圣母大学和圣玛丽学院获得了超过110万美元的资金，用于通过“社会责任与参与数据科学”跨学科培训项目扩展数据科学教育。

===[https://cse.nd.edu/news/your-circle-of-friends-not-your-fitbit-is-more-predictive-of-your-health 您的朋友圈而非Fitbit更能预测您的健康状况]===
在弗兰克·弗赖曼（Frank M. Freimann）教授尼特什·乔瓦（Nitesh Chawla）的带领下，圣母大学的研究人员研究了社交网络的结构以及他们对个人健康，幸福和压力状况的评价。

===[https://engineering.nd.edu/news-publications/pressreleases/women-your-inner-circle-may-be-key-to-gaining-leadership-roles 女人，你的内心圈子可能是获得领导角色的关键]===
根据圣母大学和西北大学的一项新研究，与女性主导的内圈定期进行交流的女性更有可能获得高级领导职位。

== 联系方式 ==

* 电子邮件： nchawla@nd.edu
* 电话： 574-631-1090
* 办公室：纽埃兰科学馆384

== 相关链接 ==

[https://scholar.google.com/citations?user=hDLBEhkAAAAJ&hl=zh-CN 谷歌学术]

[https://engineering.nd.edu/profiles/nchawla 个人主页]

[https://www3.nd.edu/~nchawla/ 个人主页]

[[Category:网络科学]]
[[Category:人物]]
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尤根·库思 Jürgen Kurths

2020-10-14T14:19:42Z

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== 基本信息 ==
[[File:Jurgen.jpeg|225px|left]]
{| class="wikitable"
|-
! 类别 !! 信息
|-
|姓名：|| 尤根·库思 Jürgen Kurths
|-
|国籍：|| 德国
|-
|出生日期：|| 1953年3月11日
|-
|母校：||德国罗斯托克大学 University of Rostock
|-
|成就：|| 复杂系统
|-
| 所在机构： || 波茨坦气候影响研究所 Potsdam Institute for Climate Impact Research 、柏林洪堡大学 Humboldt University 物理学院
|-
| 研究方向：||复杂系统的非线性物理
|-
|个人主页链接||[https://www.pik-potsdam.de/members/kurths 尤根·库思]
|-
| 所在城市： || 德国
|-
| 联系方式： || 电话 +49-331 288-2647 传真 +49-331 288-2600 电子邮件 Juergen.Kurths@pik-potsdam.de

|}

 

== 其他信息 ==
===个人传记===

'''尤根·库思 Jürgen Kurths''' 是一名出生于德国阿伦德塞的物理学家和数学家。他在'''波茨坦气候影响研究所 Potsdam Institute for Climate Impact Research''' 主管跨学科概念与方法的研究领域，同时也是'''柏林洪堡大学 Humboldt University''' 物理学院非线性动力学的正教授，他还在'''英国阿伯丁大学Aberdeen University''' 国王学院的复杂系统和数学生物研究所担任复杂系统生物学的第六任世纪主席。作为一位在复杂系统的非线性物理领域的知名专家，他在非线性动力学、复杂性科学和复杂网络以及在气候学、生理学、系统生物学和工程学的应用方面颇有建树。

=== 研究经历 ===
Jurgen Kurths曾在'''德国罗斯托克大学 University of Rostock''' 主攻数学，于1983年在'''民主德国科学院 German Academy of Sciences at Berlin''' 获得了博士学位，并于1991年在德国罗斯托克大学获得了理论物理特许任教的资格。

1991年，在'''马克斯·普朗克学会 Max-Planck-society''' 上，Jurgen Kurths 从来自东德的少数科学家中脱颖而出，成为一个新的非线性动力学领域研究工作组的领导者，如今它已经成为了一个国际知名的、享有很高声誉的研究组。

1994年，Jurgen Kurths 成为'''德国波茨坦大学 University of Potsdam''' 理论物理/非线性动力学的首席正教授，于1996-1999年任'''波茨坦大学科学学院 University of Potsdam School of Science''' 院长，并建立了一个非常具有影响力的复杂系统动力学的跨学科研究中心（1994-2008年）。

同时，他也是[https://www.leibnizkollegpotsdam.de/nc/index.html 波茨坦Leibniz-Kolleg]的创始人。2008年，他受命于波茨坦气候影响研究所的跨学科部门(RD-IV)，把复杂系统的研究思想理念引入地球系统的研究中，并且成为柏林洪堡大学物理学院非线性动力学的正教授。此外，他还是德国波茨坦大学的名誉教授和中国'''东南大学 Southeast University''' 的客座教授；从1999年起，他还在英国阿伯丁大学国王学院的复杂系统和数学生物研究所担任复杂系统生物学的第六任世纪主席。

==研究领域==
[[File:jurgen_kurths.jpg.225x225_q90_crop_target-69,48_upscale_zoom-99_2x.jpg|300px|right]]
Jurgen Kurths 对地球科学非线性过程领域的贡献是多种多样的，并且具有很高的独创性，他的工作对该领域产生了重大影响。他开发了非线性时间序列分析中的重要新方法，例如同步和递归分析，还为其他研究问题做出了重要贡献，例如人脑中的同步过程。Jurgen Kurths在耦合混沌振荡器同步方面的工作已导致相位同步和滞后同步在振荡器网络分析中得到广泛应用，而他在相干共振方面的工作大大提高了我们对共振的总体理解。

在非线性数据分析中，他介绍了基于递归的复杂性度量，以及递归网络和网络网络的研究和特征描述。这些想法和方法打开了理论研究的新分支，并触发了在地球科学和可持续性方面的关键应用。如今，他和他的合作者发现的现象和所介绍的方法已包含在几本教科书中。Jurgen Kurths的强大优势在于将现代数学方法与非线性过程领域的广泛兴趣相结合。他和他的小组最近已将复杂网络理论应用于气候的成熟度很高。他对循环和同步的研究有助于阐明主要气候过程之间的关系，例如印度季风，厄尔尼诺-南方涛动和北大西洋涛动。在他从事和影响的地球科学领域中，有一些基于地球岩石圈非线性系统的地震预测研究。库尔斯著作的一个特征是在远离产生最初思想的学科的领域中被引用，这一特征与理查森本人的著作相同。

=== 获奖经历 ===

*2000年，曾当选'''美国物理学会 American Physical Society''' 和'''弗劳恩霍夫协会 Fraunhofer Society''' 的院士；
*2005年，获印度科学与工业研究理事会的'''亚历山大·洪堡研究奖 Alexander von Humboldt Research Award''' ；
*2008年，获'''诺夫哥罗德大学 Lobachevsky University in Nizhny Novgorod''' 和'''萨拉托夫国立大学 Chernishevsky University''' 荣誉博士学位；
*2010年，成为欧洲科学院成员
*2011年，成为波茨坦大学名誉教授
*2012年，成为东南大学客座教授，南京
*2012年，获萨拉托夫州立大学名誉博士学位
*2012年，成为'''马其顿科学艺术院 Macedonian Academy of Sciences and Arts'''的院士；
*2013年，获欧洲地球科学联盟的刘易斯·弗莱·理查森勋章,，以表彰他在耦合混沌振荡器的同步和递归网络中的关键新概念和工具的开发，以及它们在气候动力学和非线性地球科学中的创新应用
*2015年，成为汉堡大学客座教授和汉堡讲座
*2017年，成为阿伯丁大学国王学院名誉教授
*2018年，成为天津大学名誉教授（中国）
*2018年，成为中国厦门华侨大学名誉教授

=== 学术影响力 ===

起初Jurgen Kurths研究时间序列分析及其在太阳活动现象上的应用，80年代起他的研究兴趣转向了复杂系统学、非线性科学和混沌理论，开始从事复杂系统理论及其在地球系统、人体大脑和其它高度复杂、非线性系统中应用的研究。

Jurgen Kurths在发展学术研究活动方面成绩显著，在非线性动力学和复杂网络的国际化和跨学科发展中充当了重要角色。在他的带领下，研究组在同步、涌现、复杂网络、非线性时间序列分析及在地球科学、认知心理学、生物学、医学和工程等领域的应用方面取得了重要的理论突破。

此外，他还拥有一个大型科学合作网络平台，共培养出60多位来自20多个国家的博士研究生，其中有30人已在不同国家获得了终身教授职位。

=== 参加和组织活动 ===
Jurgen Kurths已经成为许多国际科学活动的领导者，例如，他曾于2000-2005年主管'''欧洲地球科学联盟 European Geosciences Union''' 的非线性过程地球科学部。他努力促进国际合作，并在欧盟和德国研究基金会举办了多个大型项目，是复杂网络国际研究训练组德国和巴西科学研究基金会的发言人。

== 主要文章及著作 ==
=== 发表文章 ===
* Michael G Rosenblum, Arkady S Pikovsky, Jürgen Kurths, [https://www.researchgate.net/profile/Juergen_Kurths/publication/13229082_Phase_Synchronization_of_Chaotic_Oscillators/links/54900c300cf214269f264a0f/Phase-Synchronization-of-Chaotic-Oscillators.pdf Phase synchronization of chaotic oscillators]（混沌振荡器的相位同步）, Physical review letters,Pages:1804（1996/3/11，引用次数：2934）：本文提出了弱耦合自持混沌振荡器（weakly coupled self-sustained chaotic oscillators）的相位同步的新效果。为了表征这种现象，该文使用基于希尔伯特变换（the Hilbert transform）和局部庞加莱图（partial Poincaré maps）的解析信号方法。
* Alex Arenas, Albert Díaz-Guilera, Jürgen Kurths, Yamir Moreno, Changsong Zhou, [https://arxiv.org/pdf/0805.2976.pdf Synchronization in complex networks]（复杂网络中的同步）, Physics reports,Pages:93-153（2008/12/1，引用次数：2659）：该文是一篇综述性文章，报告了在复杂的网络拓扑中，当振荡元素受到约束时，在理解同步现象方面的进展。
* Stefano Boccaletti, Jürgen Kurths, Grigory Osipov, DL Valladares, CS Zhou, [http://engineering.nyu.edu/mechatronics/Control_Lab/bck/VKapila/Chaotic%20Ref/Porfiri's/share/scaricati-09-28-2007/boccoletti.pdf The synchronization of chaotic systems]（混沌系统的同步）, Physics reports,Pages:1-101（2002/8/1，引用次数：2594）：本文回顾了在混沌系统同步领域中涉及的主要思想，并详细介绍了几种类型的同步功能：完全同步（complete synchronization），滞后同步（lag synchronization），广义同步（generalized synchronization），相位和不完美相位同步（phase and imperfect phase synchronization）。
* Norbert Marwan, M Carmen Romano, Marco Thiel, Jürgen Kurths, [https://s3.amazonaws.com/academia.edu.documents/32053423/Recurrence_Plots_for_the_analysis_of_complex_systems__Norbert_Marwin_etal.pdf?response-content-disposition=inline%3B%20filename%3DRecurrence_Plots_for_the_analysis_of_com.pdf&X-Amz-Algorithm=AWS4-HMAC-SHA256&X-Amz-Credential=AKIAIWOWYYGZ2Y53UL3A%2F20191025%2Fus-east-1%2Fs3%2Faws4_request&X-Amz-Date=20191025T023026Z&X-Amz-Expires=3600&X-Amz-SignedHeaders=host&X-Amz-Signature=4442b1d70fa4ae4e60999ccb5aed6683c394cfea18446fa8b32ee5548639e8a8 Recurrence plots for the analysis of complex systems]（用于分析复杂系统的递归图）, Cambridge university press,Pages:237-359（2007/1/1，引用次数：2409）：本文是一个全面的总结，涵盖了基于递归的方法及其应用，并重点介绍了最新的发展。在简要了介绍递归理论之后，还介绍了递归图及其变化的基本思想。最后讲述了了重复图在经济，生理学，神经科学，地球科学，天体物理学和工程学中的几种应用。本文的目的是向读者介绍如何在自己的研究领域中应用基于重复图的方法。
=== 出版书籍 ===
[http://www.scholarpedia.org/article/Synchronized Synchronization: a universal concept in nonlinear sciences]（同步：非线性科学中的通用概念）
* 该书由剑桥大学出版社于2003/4/24出版，引用次数：8029，Arkady Pikovsky, Jürgen Kurths, Michael Rosenblum著。本书的前半部分描述了不带公式的同步(Synchronization)，并且基于定性的直观思想。通过实验实例和数字说明主要效果，并概述其历史发展。该书的其余部分以一种严格而系统的方式介绍了同步的主要作用，描述了有关周期振荡器同步的经典结果，以及混沌系统，大型合奏和振荡介质的最新发展。

===参与期刊===
尤根·库思发表了500余篇学术论文和出版了8部著作。目前，他担任了10余个科学期刊的编委，其中包括：CHAOS、Philosoph.Trans、Royal Soc. A、 PLoS ONE、 Europ. J. Physics ST、J. Nonlinear Science and Nonlinear Processes in Geophysics 和 Springer Series Complexity等，下为详细介绍。

*2000-2011年 '''分叉与混乱 Int. Journal Bifurcation & Chaos'''

*自2012年起 Int. J. Bif.&Chaos荣誉委员会委员

*自2003年以来 '''施普林格复杂性系统 Springer Series of Complexity'''

*自2005年以来 '''地球物理学中的非线性过程 Nonlinear Processes in Geophysics''' ，执行编辑

*2008-2013 '''英国皇家学会哲学学报A：数学，物理和工程科学 Philosophical Transaction of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences'''

*自2009年以来 '''欧洲期刊物理，专题 European Journal Physics, Special Topics'''

*自2012年起 '''欧洲期刊物理学，非线性生物医学物理 European Journal Physics, Nonlinear Biomedical Physics
'''
*自2015年以来 '''欧洲物理学快报 Europhysics Letters'''

*自2016年以来 CHAOS，总编辑

*自2017年以来 '''AIMS地球科学 AIMS Geosciences'''

*自2017年以来 '''先进理论与模拟 Advanced Theory and Simulations'''

===近期发表论文===
*[https://dblp.uni-trier.de/db/journals/complexity/complexity2020.html#JiZLLK20 基于价格的频率调节如何影响电网的稳定性：复杂网络视角]
*[https://dblp.uni-trier.de/db/journals/complexity/complexity2020.html#SunLKZ20 具有干扰的多智能体系统的固定时间连接保持跟踪共识]
*[https://www.nature.com/articles/s41561-019-0312-z 热带植被受降雨量变化的影响]
*[https://www.nature.com/articles/s41586-018-0872-x 复杂的网络揭示极端降雨遥相关的全球模式]
*[https://www.pik-potsdam.de/members/kurths/recent-selected-publications/copy2_of_Rodriguesetal.2016.pdf 复杂网络中的Kuramoto模型]

== 联系方式 ==
=== 办公地点 ===
* 地址：Till Hollmann
* 电话： +49-331-288-2470
* 电子邮箱： hollmann@pik-potsdam.de
=== 其他地址 ===
* 地址：Telegrafenberg A31 14473 Potsdam
* 电话： +49-331 288-2647
* 传真： +49-331 288-2600
* 电子邮箱： Juergen.Kurths@pik-potsdam.de
== 相关链接 ==
1、[https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%B0%A4%E6%A0%B9%C2%B7%E5%BA%93%E6%80%9D wiki个人词条]

2、[https://www.pik-potsdam.de/members/kurths 波茨坦气候影响研究所人物页]

3、[https://scholar.google.com/citations?hl=zh-CN&user=iwzqdyQAAAAJ 谷歌学术页]

本词条内容源自wikipedia及公开资料，遵守 CC3.0协议。

[[category:复杂系统]]

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奈杰尔·吉尔伯特 Nigel Gilbert

2020-10-14T14:18:27Z

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该词条由 Pitorlin 翻译编辑，由高飞审校，张江总审校，翻译自Wikipedia词条[https://en.wikipedia.org/wiki/Nigel_Gilbert Nigel_Gilbert],另[https://www.surrey.ac.uk/people/nigel-gilbert 参阅]。

杰弗里·尼格尔·吉尔伯特 [https://en.wikipedia.org/wiki/Commander_of_the_Order_of_the_British_Empire CBE] [https://en.wikipedia.org/wiki/Fellow_of_the_British_Computer_Society FBCS] [https://en.wikipedia.org/wiki/Fellow_of_the_Royal_Society_of_Arts FRSA] [https://en.wikipedia.org/wiki/Fellow_of_the_Academy_of_Social_Sciences FAcSS] [https://en.wikipedia.org/wiki/Fellow_of_the_Royal_Academy_of_Engineering FREng]（1950年出生3月21日）英国社会学家和将[https://en.wikipedia.org/wiki/Agent-based_model 基于主体的模型]运用于社会科学的先驱。他是萨里大学（University of Surrey）社会模拟研究中心的创始人和主任，曾发表过几本关于计算社会科学、社会模拟和社会研究的书籍，并且是该领域前沿期刊[https://en.wikipedia.org/wiki/Journal_of_Artificial_Societies_and_Social_Simulation 人工社会和社会模拟杂志]（JASSS）的编辑。
[[File:NigelGilbert.jpg|200px|thumb|left]]

国籍：英国

母校：剑桥大学

领域：计算社会学复杂理论科学社会学

博士生导师：迈克尔·穆凯

==职业==

他是剑桥大学工程学毕业生（以马内利学院），在迈克尔·穆尔凯（Michael Mulkay）的指导下，他转向科学知识社会学的博士学位。他曾在约克大学任教（1974–76年），然后加入萨里大学，于1991年成为社会学系教授。1984年，在[https://en.wikipedia.org/wiki/Alvey_Programme Alvey计划]的资助下，他在萨里大学建立了社会与计算机科学研究小组。该小组致力于将社会科学应用于基于知识的智能系统的设计。后来，他成立了社会模拟研究中心（1997年）和数字世界研究中心（1998）。他曾任萨里大学副校长（1998-2005年），现任该大学高级研究所所长。 2017年，他被任命为经济及社会研究理事会成员。

==工作==

<big>'''科学知识社会学'''</big>

吉尔伯特和穆尔凯（Gilbert and Mulkay，1984）的突出贡献在于运用[https://en.wikipedia.org/wiki/Discourse_analysis 话语分析]方法到[https://en.wikipedia.org/wiki/Sociology_of_scientific_knowledge 科学知识社会学]中。吉尔伯特和穆尔凯通过对化学领域中一个科学争端的大量定性数据进行话语分析，解释了支撑知识生产的社会过程，尤其是在科学界尚未达成共识的情况下。

<big>'''大型政府数据集的二次分析'''</big>

他和萨拉·阿尔伯(Sara Arber)一起，率先利用人口普查和调查办公室(Office of Population Censuses and survey)收集的调查数据的计算机文件进行学术分析，而人口普查和调查办公室收集的数据如今在社会学中已成为司空见惯的数据来源。

<big>'''获取社会保障信息'''</big>

确定英国福利索赔人有权获得哪些福利(如收入支持、税收抵免、残疾生活津贴)的规定非常复杂，而且通常很难让索赔人自行理解。20世纪80年代，随着个人电脑的日益普及，他意识到，为索赔人设计互动程序可能会有所帮助。他开发了一个原型，由当时的卫生社会保障部和公民咨询局采用，是目前咨询中心常规使用的系统的前身。这项工作还有助于理解公共可访问的计算机系统的接口要求、图形接口的使用、以及后来的语音对话接口。

<big>'''社会模拟'''</big>

奈杰尔·吉尔伯特(Nigel Gilbert)是现代[https://en.wikipedia.org/wiki/Computational_sociology 计算社会学]的创始人之一，这是一门将社会科学研究与[https://en.wikipedia.org/wiki/Social_simulation 模拟技术]相结合的学科，其目标是模拟复杂的政策问题和人类社会的基本方面。他在这一领域的第一项工作是与吉姆•多兰(Jim Doran)合作，模拟法国史前有组织社会的出现。然而这项工作取得的成果并不显著，这促使他在1992年第一次组织了一系列有影响力的“模拟社会”研讨会。随后他建立了：
*[https://www.jiscmail.ac.uk/cgi-bin/webadmin?A0=simsoc SIMSOC]邮件列表。2016年5月，该名单有1220名用户。
*《人工社会与社会模拟杂志》(JASSS)，创办于1998年，旨在为基于模拟的研究提供出版渠道，吉尔伯特教授在2014年之前一直担任编辑。JASSS期刊在线开放，可以免费获取。

1997年，CRESS从欧洲委员会的公平项目中获得资金，用于一个名为“图像:改善农业环境政策”的项目，这是一种模拟农民和机构认知特性的方法(1997 - 2000年)。这是他参与的许多社会模拟项目中的第一个，这些项目包括SEIN、FIRMA、SIMWEB、EMIL、NEMO、NEWTIES、PATRES、QLectives、ePolicy、TellMe、GLODERS和P2Pvalue。

1999年，奈杰尔·吉尔伯特（Nigel Gilbert）和克劳斯·G·特罗伊茨奇（Klaus G. Troitzsch）出版了第一本关于社会模拟的“白皮书”--《社会科学家的模拟》。2008年出版了《基于主体的模型》，现在是基于主体建模的标准参考之一。

<big>'''其他研究和咨询活动'''</big>

1993年，吉尔伯特创办了《社会学研究在线》杂志，这开创了利用网络作为学术出版媒介的先河。他是萨里大学季刊《社会研究更新》的创始编辑。他和斯图亚特·彼得斯(Stuart Peters)创建了一个期刊管理系统epress，最初是为了让在线社会学研究和JASSS更容易运行，但现在已经商业化，大约有40种期刊使用了这个系统。

2016年，他担任新成立的关系复杂性评估中心（CECAN）的主任。在关系问题领域，例如生物燃料生产或气候变化——其中食品，能源，水和环境问题相互交织，该中心和环境局、食品标准局，将开创，测试和推广创新的评价方式和方法。

从2012年到2016年，他是[https://en.wikipedia.org/wiki/DEFRA DEFRA]和[https://en.wikipedia.org/wiki/Department_of_Energy_and_Climate_Change DECC]的社会科学专家小组成员。小组的目的是为两个部门提供高质量，多学科的社会科学建议。在2016年，它被DEFRA 科学顾问委员会的一个子小组社会科学专家组（SSEG）取代，他仍然是该委员会的成员。

他是欧洲委员会未来和新兴技术计划咨询小组的成员。

<big>'''奖项和科学认可'''</big>

1999年，他被任命为皇家工程学院院士，以表彰他的工作——“将计算机建模应用于社会科学的先驱”，成为第一位成为该院院士的实践社会科学家。他于2003年被剑桥大学授予理学博士学位。他还是英国计算机学会和皇家艺术学会的会员，以及社会科学研究院的会员（为此，他担任理事会成员）。从2004年到2006年，他担任[https://en.wikipedia.org/wiki/European_Social_Simulation_Associationv 欧洲社会模拟协会]（ESSA）的主席。

吉尔伯特（Gilbert ）在2016年生日颁奖典礼上被任命为大英帝国司令（CBE），以提供工程和社会科学服务。

==社会模拟精选作品==
*奈杰尔·吉尔伯特；吉姆·多兰（Doran）编辑。（1994）。模拟社会：社会现象的计算机模拟。伦敦：UCL出版社。书号 [https://en.wikipedia.org/wiki/Special:BookSources/1-85728-082-2 1-85728-082-2]。
*奈杰尔·吉尔伯特；罗萨里亚·孔戴（1995）。人工社会：社会生活的计算机模拟。泰勒和弗朗西斯。书号 [https://en.wikipedia.org/wiki/Special:BookSources/1-85728-305-8 1-85728-305-8]。
*奈杰尔·吉尔伯特；Troitzsch，Klaus G.（2005）[1999]。对社会科学家的模拟。Milton Keynes：开放大学出版社。书号 [https://en.wikipedia.org/wiki/Special:BookSources/0-335-21600-5 0-335-21600-5]。
*吉尔伯特·奈杰尔（2007）。基于主体的模型。伦敦：Sage出版物。书号 [https://en.wikipedia.org/wiki/Special:BookSources/1-4129-4964-5 1-4129-4964-5]。
*吉尔伯特·奈杰尔（2010）。计算社会科学。伦敦：Sage出版物。书号 [https://en.wikipedia.org/wiki/Special:BookSources/978-1847871718 978-1847871718]。

==其它作品==
*奈杰尔·吉尔伯特；麦凯（Michael Mulkay）（1984）。打开潘多拉魔盒：科学家话语的社会学分析。剑桥：剑桥大学出版社。书号 [https://en.wikipedia.org/wiki/Special:BookSources/0-521-27430-3 0-521-27430-3]。
*吉尔伯特（Nigel）编辑。（2008）[1992]。研究社会生活。伦敦：Sage出版物。书号 [https://en.wikipedia.org/wiki/Special:BookSources/0-7619-7245-5 0-7619-7245-5]。
*吉尔伯特（Nigel）编辑。（2006）。从研究生到社会科学家：关键技能指南。伦敦：Sage出版物。书号 [https://en.wikipedia.org/wiki/Special:BookSources/0-7619-4460-5 0-7619-4460-5]。
*菲尔丁，简·L；吉尔伯特·奈杰尔（2006）。了解社会统计。贤者出版物。书号 [https://en.wikipedia.org/wiki/Special:BookSources/1-4129-1054-4 1-4129-1054-4]。

==另外参阅==
*[https://en.wikipedia.org/wiki/Agent-based_model 基于主体的模型]
*[https://en.wikipedia.org/wiki/Artificial_society 人工社会]
*[https://en.wikipedia.org/wiki/Computational_Sociology 计算社会学]
*[https://en.wikipedia.org/wiki/Social_simulation 社会模拟]
*[https://en.wikipedia.org/wiki/Sociology_and_complexity_science 社会学与复杂性科学]

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大数据对社会科学与艺术的影响

2020-10-14T14:16:47Z

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本页面主要内容为计算士2013年9月14日在西五艺术中心的报告
<slidy/>
==什么是大数据？==

===什么样的数据算大数据？===

[[File:wulingfei_130901_1.png|800px]]

半个多世纪以来，社会科学家其实一直在处理及其小规模的数据，无论是数千上万人的社会调查，还是多次累积的实验，其规模一般都在MB以下。所以，在他们的概念里，超过这个规模的数据就是大数据，更有及其无知者，把数值的大与数据规模的大混为一谈，如此算来，宏观经济研究的GDP也算大数据了。

在大数据处理的问题上，物理学家和计算科学家远远走在社会科学家前面。欧洲粒子对撞机每天产生42T新数据，哈勃望远镜每天搜集17G新数据，而像谷歌这样的互联网公司每天处理的用户数据在PB级以上。仅仅一个大的互联网社区每天可以就产生几T新数据。（1 P = 103 T = 106 G）总结起来，我们认为，以现有人类的数据处理能力，只有在PB级以上，不得不使用并行计算架构处理的，才叫大数据。

[[File:Screen Shot 2014-10-18 at 3.37.13 PM.png|800px]]

我们是否有理由期待，人们很快就可以像了解基本粒子和黑洞一样了解我们自己的社会？

===这么大的数据如何分析？===

[[File:Wulingfei 20130901 2.png|800px]]

并行计算：使用成千上万的机器奴隶进行并行处理。

现状：根据2008年的数据，Yahoo!拥有1万个机器奴隶。其他互联网公司，如Google, Amazon等，都拥有相似规模的并行计算系统。

趋势：从批处理计算到流式计算：让机器奴隶们实时响应；从大公司垄断集群的使用到开放云客户端给普通用户。

==大数据对社会科学的影响：社会科学进入可计算化阶段==

===物理学的转折===

没有第谷积累的大量数据，就没有开普勒简洁又美妙的模型
“Kepler … was not satisfied with the complex and still slightly inaccurate result; at certain points the model differed from the data by up to eight arcminutes … ”

===西方思想回顾===

两千四百年前（古希腊时代），学科之间只有思考对象的分别，没有研究方法的区别。亚里斯多德使用同样的方法研究行星运动与诗歌，柏拉图把几何定理和城邦政治混为一谈。

一千一百年前（中世纪），基督教神学（经院哲学）占据统治地位，其他学科几乎完全消亡。经院哲学的意义在于以神学为外壳，保留了部分古希腊思想。

三百六十年前（启蒙时代），哲学（形而上学）带领所有的其他学科反叛基督教神学。在反叛过程中，哲学获得极高地位，自然科学叫自然哲学，社会科学叫道德哲学，都是哲学的附庸。各个学科之间在研究方法上仍然没有壁垒。达芬奇，笛卡尔，康德，这些人，各有所长，但都有跨界行为。

启蒙时代时，站在第谷和开普勒肩膀上的牛顿出生。自然科学的黄金时代开始，以物理学为代表的自然科学与其他学科，在研究方法上分道扬镳。但牛顿本人还没有清晰看见这个未来，所以他的书很谦虚地叫《自然哲学的数学原理》。

两百六十年前，自然科学的积累引发技术的飞跃，工业革命爆发。从此自然科学与技术相互扶持，其他学科望尘莫及。孔德等人非常羡慕，创立“社会物理学”，想要为研究人类社会建立严格的方法论，但并不成功。直到今天，比起物理学等自然科学，社会科学在描述和预测研究对象的规律上，还处在非常落后的状态。

===为什么孔德的社会物理学没有成功？===

孔德的思想：1.社会同自然并无本质的不同，没有必要在自然科学和社会科学之间作出划分。2.研究社会要采取实证的办法，即观察法、实验法、比较法和历史法。3 .社会物理学可以分为社会静力学和社会动力学。社会静力学就是从静止的状态去研究社会，是研究一般的社会关系、秩序、结构及其性质的学说。社会动力学是在静力学的基础上研究人类社会发展的动力、速度、方向和规律的学说。

孔德以后，实证主义尝试一直在被延续，例如从工程数据借力的帕累托式经济分析，从统计学借力的涂尔干式社会调查研究，效仿博物学，对社会结构贴标签分类的马克思韦伯等。

数据与假设，是一对trade-off。从这个角度看，实证社会科学的问题是：早期没有数据，所以只好依赖假设和对假设的演绎推进认知；后期有了数据，但量非常少，而且关于收集什么样的数据没有达成共识。还是依赖假设和对假设的演绎推进认知。

===数据采集技术 + 从基础数据中总结的核心定量范式 = 科学===

[[File:wulingfei_20130901_3.png|800px]]

回顾科学史，我们发现，所有当代科学都经历了前科学摸索时期。而一个领域与哲学的关系越大，说明越处于前科学阶段，因为数据不够，所以严重依赖假设

===计算社会科学的崛起===

David Lazer，Alex Pentland, Albert Barabasi等15个来自社会学、计算机科学、物理学的重要科学家联名在Science（2009-02-06）发表文章Life in the network: the coming age of computational social science一文，宣告计算社会科学诞生。

Nature （2012-08-22）等杂志发表了Computational social science: making the links等评论，进行推波助澜。

===计算社会科学的迷思===

1. 计算社会科学是社会科学的一个快速崛起的子领域

不对。计算社会科学不是一个子领域，而是社会科学可计算化的过程，是一个新阶段。
就好像实验生物学->分子生物学->信息生物学。现在信息生物学渐渐没落，不是因为不流行，而是
因为太流行了，已经成为共识了，它的历史使命也宣告结束。等到每一个社会科学的学生都掌握
使用互联网搜集分析大数据的技巧，计算社会科学就没落了。

2.计算社会科学的扩展要很久，起码要等现在社会科学各领域的大学教授们退休，了解互联网技术的
新一代人进入学术资源分配的核心圈才行。

不用。这是一场来自外部的殖民，而不是来自内部的革命。研究大规模人类行
为，研究社交网络，计算机科学家和物理学家已经做了大量工作，社会科学家正在失去话语权。
社会科学面临这样的情况：要么进行“内部革命”，每一个学生都尽快掌握基于计算机和互联网的
数据采集、分析、可视化等技术，要么被从计算机等领域分裂出来的“human behavior studies”所代替。

===我们的研究===

[[File:wulingfei_20130901_4.png|800px]]

1.研究方向：Kleiber’s law描述了不同物种的能量消耗与体积的普适规律。
West等人在这个基础上建立了生物学的新陈代谢理论。 Bettencourt等将这个理论用于描述人类城市的能量消耗与居民数。
我和jake将这个理论用于描述网站（虚拟世界的生物）的注意力消耗与信息产出之间的关系。

2.图景：国家，物种和网站，都可以看做一般流系统。货币、能量、注意力在其中流进流出，满足新陈代谢的一般方程。

3.成果：已在PloS One, Physical Review E, European Physical Journal B等期刊上发表数片论文，得到New Scientist，Science Daily等杂志报道。

拓展阅读：[http://www.jianshu.com/p/ddc347b0518c 《无形生命》]

===宇宙的各项同性使得社会物理学是可能的===

[[File:wulingfei_20130901_5.png|300px]]

在我看来，宇宙以一种奇妙的方式构成：我们处理的对象每上一个层级，数量和复杂性就迫使我们放弃依靠下一个层级获得的知识来理解本层级的对象。因此，如果我们要相信科学，我们只能坚信科学原理具有这样的特征：每一个层级的对象，只要我们忽略足够多细节，都能看到类似足够简洁的物理法则。我称这种性质为Eadem Mutata Resurgo。

其实这种观点并不新，它是物理学的平权原理的推演。即把物理宇宙的各项同性（isotropy）加多一个维度：观察的层次（scale）。物理法则不仅invariant of time-space operation，还要invariant of scale operation。

例如，人们现在各粒子的运动方式相对清晰，化学键也基本明白，到大分子有点搞不定，生命有机体如何形成基本靠猜，到人的行为和社会运动，要从基本粒子开始解释按道理完全就是瞎扯了。但奇怪的是，大规模人类运动的方式又满足基本粒子的levy flight方程了（Gonzalez et al. , Nature, 2008）。

对抗复杂性的办法就是忽略信息，但没有大数据，就不知道该忽略什么信息。因为在大规则行为中，次要的信息相互抵消，主要的趋势不断加强，最后涌现出强力的统计法则。 Anderson (1972) 说，More is different。但我要说，他说得还不够透彻。 More is different, but massive is simple。

===计算社会学课程===

[http://lingfeiw.gitbooks.io/data-mining-in-social-science/ Data Mining in Social Science]

==大数据对艺术的影响：数据可视化的兴起==

===什么是数据可视化？===

====音乐旋律的可视化====
[[File:wulingfei_20130901_6.png]]

====游戏玩家活动的可视化====
[[File:wulingfei_20130901_7.png]]

====Google查询词的可视化====
[[File:wulingfei_20130901_8.png]]

====Facebook交友关系的可视化====
[[File:wulingfei_20130901_9.png]]

====互联网网站流量与相对位置的可视化====
[[File:wulingfei_20130901_10.png]]

====机场航班的可视化====
[[File:wulingfei_20130901_11.png]]

====科学理论引用关系的可视化====
[[File:wulingfei_20130901_12.png]]

====用户对在线期刊点击流的可视化====
[[File:wulingfei_20130901_13.png]]

Eh pÃ¡ GNR Ã© que nÃ£o ! AtÃ© me causam urac¡Ãirit, o Reininho nÃ£o tem os requisitos mÃnimos para gravar, atÃ© eu canto mais afinado que ele.

====艺术家的一生的可视化====
[[File:wulingfei_20130901_15.png]]

===如何完成一个数据可视化项目？===

====互联网点击流：一个数据可视化项目====
[[File:wulingfei_20130901_16.png|缩略图|none|800px]]

1. 使用Python从Google Ad Planner上抓取排名前1000的网站列表；利用AlchemyAPI鉴别这些网站使用的语言；从Alexa上抓取这些网站彼此之间的点击流关系。

2. 构思，设计网络展示方式及与用户的交互方式。

3. 使用Python对数据进行预处理。

4. 使用Processing设计可视化界面。不同语言网站用不同颜色显示，当用户把鼠标放到相应网站的点上，可以显示网站的流量，语言等基本信息。

====中国风画板：一个无需数据的可视化项目====
[[File:wulingfei_20130901_17.png|缩略图|none|800px|]]

其实数字艺术，就是不使用真实数据，而是使用模拟数据的可视化！

==== 使用NASA卫星照片来分析城市的财富分布：不是用数据画图像，而是反过来，从图像中提取数据 ====
[[File:wulingfei_20130901_18.png|缩略图|none|800px]]

科学家可以当艺术家，艺术家也可以当科学家！

===优秀可视化作品分析===

1. Jer Thorp:一个数据可视化的艺术先锋

blogDOTblprntDOTcom/

[[File:wulingfei_20130901_19.png|缩略图|none|800px]]

2. Jer Thorp作品欣赏一：在New York Times R&D Lab完成的作品Cascade

[[File:wulingfei_20130901_20.png]]

3. Jer Thorp作品欣赏二：行星运动

[[File:wulingfei_20130901_21.png]]

==一些学习材料==
[[File:wulingfei_20130901_22.png|缩略图]]

* http://www.visualcomplexity.com/vc/
* http://datavlab.org/
* http://www.flowjustflow.com/
* http://tinyurl.com/dj4epq
* http://blog.counter-strike.net/science/
* http://data-arts.appspot.com/globe-search
* http://www.openprocessing.org/
* http://www.vizinsight.com/

现状：纽约时报等建立了专门的可视化实验室，将传统新闻行业的重心转移到interactive data visualization上来。哥伦比亚大学也已经建立Digital journalism研究中心。

趋势：艺术家、工程师、新闻记者身份将日趋模糊。界面设计，写代码操控数据，故事提取展现能力缺一不可。
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复杂系统研究所

2020-10-14T14:14:58Z

Thingamabob：创建页面，内容为“== 研究所简介 == 复杂系统研究所（Institute For the Study of Complex System，ISCS），总部在美国华盛顿州的西雅图。这是一个专门…”

== 研究所简介 ==

复杂系统研究所（Institute For the Study of Complex System，ISCS），总部在美国华盛顿州的西雅图。

这是一个专门研究复杂性的进化/功能方法和社会正义的新生物学方法的研究组织。

研究所的其他工作包括研究热力学和生物学之间关系的新方法，称为“热经济学”，一种新的信息理论的控制论方法，称为“控制信息”，以及研究生物学方法—一套基本需要的社会指标，作为传统的收入或“福祉”或“幸福”的替代方法。

== 关于Peter A. Corning ==

[[File:PeterCroning.jpg|350px|居中]]

研究所主任Peter A. Corning，博士，出生于加利福尼亚州的帕萨迪纳市。他在布朗大学获得本科学历，之后在新闻周刊杂志担任海军飞行员和科学作家两年，之后回到纽约大学研究生院完成跨学科社会科学 - 生命科学博士学位。随后，他在科罗拉多大学的行为遗传学研究所获得了NIMH博士后研究和研究奖学金，随后他在斯坦福大学的人类生物学课程中任教九年，同时还受聘于斯坦福大学行为遗传学实验室和工程经济系统部。

过去的二十年里，康宁博士不仅担任了非营利性机构复杂系统研究所的主任，同时也是加利福尼亚州帕洛阿尔托一家私人咨询公司的创始合伙人。多年来，他发表了大量的研究论文，以及七本专著——其中一本是关于协同作用在进化中的作用的理论专著，书名为：《协同作用假设：进步演化理论（McGraw-Hill，1983）》。他最近的几著作包括“[http://complexsystems.org/publications/the-fair-society/ The fair society: the science of human nature and the pursuit of social justice(《公平社会：人性的科学和社会正义的追求》)]”（芝加哥大学出版社2011），以及《协同选择：合作如何塑造进化和人类的崛起》（World Scientific 2018）。

[[File:Fsoc.png|450px|居中]]

除此之外，康宁博士还是多个专业科学组织的成员，并在美国和欧洲的学术机构进行了广泛的演讲。目前，他是Evolution Institute科学顾问委员会的成员、是国际系统科学学会的前任主席以及国际生物经济学会的财务主管以及政治和生命科学协会的董事会成员。同时他还是进化史诗史上的董事会成员，是国际人类行为学会、人类行为与进化学会、国际内吞细胞生物学会、欧洲社会生物学会和国际协会的积极贡献成员。

1996年，他还在匈牙利布达佩斯学院（国际高级研究所）获得进化生物学研究奖学金。

== 研究内容 ==

===复杂性的出现===

* [http://complexsystems.org/publications/synergistic-selection-a-darwinian-frame-for-the-evolution-of-complexity/ "Synergistic Selection" : A Darwinian frame for the evolution of complexity（“协同选择”：复杂性延边的达尔文框架）]：“协同作用假设”和密切相关的“协同选择”概念涉及理论框架的转变。该理论认为，各种合作功能效应（协同效应）随着时间的推移提供了选择性优势，并推动了复杂性的演变；该理论关注各种形式合作的利益和成本。

* [http://complexsystems.org/publications/complexity-is-just-a-word/ Complexity is just a word复杂性只是一个文字]：什么是复杂性？作家记者乔治约翰逊在最近的“科学时报”以及“纽约时报”（1997年5月5日）的科学板块写在标题这样写道：“复杂性的研究者应当思考它的全部内容”。然而约翰逊报告称，现在科学家们仍然没有达成一致意见的定义。

* [http://complexsystems.org/publications/synergy-and-the-systems-sciences/ Synergy and the Systems Sciences (SYNERGY与系统科学)]：虽然它的作用往往不受重视，但协同作用可被视为系统科学的核心概念之一。实际上，协同作用在自然界和人类社会中都是普遍存在的现象。在这里，作者简要讨论了两者之间关系的某一个方面。

* [http://complexsystems.org/publications/book-review-from-complexity-to-life/ Review of "From Complexity ro Life"(回顾“从复杂到生活”)]：最后，编辑Niels Gregersen的最后一章是如何挽救本书试图推进的“案例”。通过默认对进化生物学的更加复杂和平衡的理解，格雷格森巧妙地超越了否则可能破坏组织者基本目标的缺点和误解（甚至一些内部矛盾）。

* [http://complexsystems.org/publications/rotating-the-necker-cube-a-bioeconomic-approach-to-cooperation-and-the-causal-role-of-synergy-in-evolution/ Rotating the necker cube：a bioeconomic approach to cooperation and the causal role of synergy in evolution（旋转尼克立方体：合作的生物经济学方法和协同作用在进化中的因果作用）]：在这里，作者简要探讨了进化理论范式转换的案例，重点关注经济学和功能协同作用作为一类独特的因果影响的作用。

* [http://complexsystems.org/publications/emergence-theory-or-natural-selection/ Emergence theory or natural selection（《回顾“生物出现”》）]：罗伯特里德的挑衅书是不正常的——他用一种语义的手法来宣称非达尔文的新兴进化论，然而事实却不应该是这样的。

* [http://complexsystems.org/publications/the-re-emergence-of-emergence-a-venerable-concept-in-search-of-a-theory/ The re-emergence of emergence a venerable concept in search of a heory（《“崛起”的再现：一个寻求理论的尊严概念》）]：“出现”是一个具有悠久历史和进化论理论模糊的概念。本文简要介绍了该术语的历史，并详细介绍了其当前的一些用法。解释复杂性的简化方法需要寻找潜在的“出现法则”。另一种选择是“协同假设”，它侧重于“经济学” - 新兴整体产生的功能效应及其选择性后果。

* [http://complexsystems.org/publications/what-is-life-among-other-things-its-a-synergistic-effect/ What is life among other things its a synergistic effect（《生活是什么？在其他事务中，这是一种协同效应》）]：近年来，有许多不同的方式来描述和描述生活现象。作者认为，协同作用也应该是这诸多方式中的一员。

===演化===

====[http://complexsystems.org/publications/synergistic-selection-how-cooperation-has-shaped-evolution-and-the-rise-of-humankind/ Synergistic selection（协同选择）]====

* [http://complexsystems.org/publications/294-2/ The evolution of politics: a biological approach（《政治的演变：一种生物学方法》）]：我们必须从如何界定政治的问题开始。但不幸的是，即使对这一重要的社会现象关于它究竟应该如何定性现在尚无定论，更遑论如何解释它，迄今为止科学家们尚未达成共识。

* [http://complexsystems.org/publications/toward-an-ecological-way-of-death/ Toward an ecological way of death《走向生态死亡的方式》]：如果我们要认真回收再利用，并减少我们对自然资源的消耗，为什么不回收自己呢？

其他相关文章内容[http://complexsystems.org/topic/evolution/ 详情]

===信息论===

* [http://complexsystems.org/publications/missing-link-in-the-science-of-cybernetics/ Missing link in the science of cybernetics(《控制信息论：控制科学中的“缺失环节”)》]：虽然克劳德·香农的信息统计方法已经做出了许多有价值的贡献，但它对信息的功能属性视而不见。在这里，我们提出了一种新的控制论信息，我们称之为“控制信息”。它被定义为控制“有目的”（控制论）过程中物质/能量的获取，处置和利用的能力（知识）。我们还提出了在给定环境中可由给定信息单元控制的可用能量数量的形式化。

* [http://complexsystems.org/publications/the-evolution-of-politics/ The evolution of politics(《协同作用，控制论和政治的演变》)]：从生物科学中不断增长的理论和研究文献的角度来看，随着时间的推移，复杂生命系统的“进步”演变，以及控制论（通信和控制过程）的科学，人类社会中的政治现象代表了一种变异，主要阐述了关于进化主题的。在生物组织的所有“层面”，包括人类的进化，政治进程在面向目标的合作系统中发挥了不可或缺的作用。

===社会公正===

* [http://complexsystems.org/publications/the-fair-society-and-challenges-to-democracy/ The fair society and challenges to democracy(《公平社会与民族挑战》)]：挪威正在藐视长期利益。挪威及其斯堪的纳维亚表兄弟是历史上的例外，而非规则。事实上，很少有社会能够实现公平正义，更不用说维持一个真正公平的社会契约。

* [http://complexsystems.org/publications/the-fair-society-a-new-model-for-social-justice-in-the-21st-century/ The fair society a new model for social justice in the 21st century(《公平社会;21世纪社会公正的新模式》)]：世界各地经济不平等，气候变化，贫困，内乱和暴力政治冲突的多重挑战需要对社会正义的新思考。

* [http://complexsystems.org/publications/the-fair-society-its-time-to-re-write-the-social-contract/ The fair society its time to re-write the social contract(《公平社会：现在是重构社会契约的时候了》)]：隐含的“社会契约”将任何合理稳定和谐的社会联系在一起，在这个国家正在受到腐蚀，带来负面的潜在后果，现在是时候重新定义公平，重新编写社会契约，以公平为先。在这里，作者提供了一个新的、基于生物学的范式的概要，并将概述一些对公共政策的影响。

其他相关文章内容[http://complexsystems.org/topic/social-justice/ 详情]

===协同选择===

* [http://complexsystems.org/publications/synergistic-selection-a-darwinian-frame-for-the-evolution-of-complexity/ Synergistic selection a darwinian frame for the evolution of complexity(《“协同选择”：复杂性延边的达尔文框架》)]：“协同作用假设”和密切相关的“协同选择”概念涉及理论框架的转变。该理论认为，各种合作功能效应（协同效应）随着时间的推移提供了选择性优势，并推动了复杂性的演变。该理论关注各种形式合作的利益和成本。

其他相关内容[http://complexsystems.org/topic/synergistic_selection/ 详情]

===协同作用===

* [http://complexsystems.org/publications/294-2/ The evolution of politics: a biological approach(《政治的演变：一种生物学方法》)]：我们必须从如何界定政治的问题开始，但不幸的是，即使对这一重要的社会现象它究竟应该如何定性都尚无定论，更遑论如何解释它，在这一点上科学家们从来没有得出准确结论。

* [http://complexsystems.org/publications/the-lessons-of-the-titanic-and-iraq-revisited/ The lessons of the titanic and iraq revisited(《重新审视泰坦尼克号的教训》)]：从导致这一历史性灾难的众多“假设”的角度解析并获得从中许多教训。

* [http://complexsystems.org/publications/synergy-another-idea-whose-time-has-come/ Synergy another idea whose time has come(《协同作用：时间盗来的另一个想法》)]：我们的日常生活受潮汐影响......今年的潮流往往可能是明年的滞销项目。虽然我们认为科学不受这种“无关”的影响，但显然事实并不是这样的。托马斯库恩在他着名的《科学革命结构》（1972）一书中指出，科学受到与不同“范式”相关的潮汐效应的影响很大。

其他相关内容[http://complexsystems.org/topic/synergy/ 详情]

===热力学===

* [http://complexsystems.org/publications/an-aid-to-navigation-through-an-intellectual-fog-bank/ An aid to navigation through an intellectual fog bank(《多学科思维概念基础》)]：这本朴实无华的书写得十分简单明亮，包含了一个直截了当的描述性标题，由斯坦福大学出版社出版但并没有大张旗鼓要求每个大学生和他们的教授阅读。

* [http://complexsystems.org/publications/thermoeconomics-beyond-the-second-law/ Thermoeconomics beyond the second law(热经济学：超越第二定律)]：物理学家Erwin Schrodinger的《生命是什么？》（1945）激发了许多后来的努力来解释生物进化，特别是复杂系统的演化，根据热力学第二定律和“熵”和“负熵”的概念。然而，与这种范式相关的问题是多方面的。其中一些问题将在本文的第一部分中着重讲解，并且将对其中的一些理论进行简要的评价。

其他相关内容参见[http://complexsystems.org/topic/thermodynamics/ 网站]

== 相关文章及书籍 ==

* 《How to Feed the World in the Age of Climate Change》 (2019) PR for People® The Connector Magazine, May, 4-9.

* 《Teleonomy and the Proximate-Ultimate Distinction Revisited》 (2019), © Biological Journal of the Linnean Society 127(4): 912–916.

* 《The Evolution of Politics: A Biological Approach 》(2017). In Handbook of Biology and Politics,Steven A. Peterson and Albert Somit eds., pp. 55-84. London: Edward Elgar.

* 《The Science of Human Nature and the Social Contract: A Biological Frame for Public Policy》 ( 2017). In Handbook of Biology and Politics,Steven A. Peterson and Albert Somit eds., pp. 406-430. London: Edward Elgar.

* 《Systems Theory and the Role of Synergy in the Evolution of Living Systems》 (2013).Systems Research and Behavioral Science, DOI: 10.1002/sres2191.

* 《Synergy and the Evolution of ‘Superorganisms’: Past, Present and Future》(in Russian), (2004). In Challenge to Cognition: Strategies of Science Development in the Modern World, Narine Udumyan ed., pp. 184-221. Moscow: Nauka.

== 博客 ==

在研究所的官网上还提供了了许多彼得的博客，现将部分最新信息罗列如下：

* [https://complexsystems.org/576/shareholder-capitalism-vs-stakeholder-capitalism/ SHAREHOLDER CAPITALISM VS. STAKEHOLDER CAPITALISM 股东资本主义 VS 利益相关者资本主义]（2019年9月17日）

* [https://complexsystems.org/568/platos-dilemma-it-haunts-us-still/ PLATO’S DILEMMA: IT HAUNTS US STILL 柏拉图的困境: 它仍然困扰着我们]（2019年9月6日）

* [https://complexsystems.org/544/the-climate-refugee-crisis/ THE CLIMATE REFUGEE CRISIS 气候难民危机]（2019年8月22日）

* [https://complexsystems.org/536/sustainable-development-hows-it-going/ “SUSTAINABLE DEVELOPMENT”: HOW’S IT GOING? “可持续发展” : 进展如何？]（2019年8月13日）

==最新研究==

关于超级有机体——我国濒危物种的“新社会契约”

===关键词===

窥探未来 | “未来不是以前的样子” | 历史的教训：过去，现在和未来 | “团结还是灭亡” | 建立超级有机体 | 进化的下一个重大转变

===书籍说明===

在这本书中，彼得·科宁认为，现在我们面临着一个重大的、不可避免的集体选择问题——就像我们漫长的进化史一样，这将决定我们人类作为一个物种的最终命运。康宁博士的案例以科学和知情的想象为基础，引入生动的场景和新颖的变革理念。使读者可以快速地带入到情景当中，并且可以清楚地看到未来的替代方案。我们究竟是应该代表“共同利益”合作行事，还是追求“我们与他们对比”，以适者生存方式为生？在简要说明为什么我们现在处于作为一个物种的临界点的情况之后，康宁博士构建了一个新的愿景，其中包括我们的社会价值观、经济系统的变革性变化以及我们实现全球“超级有机体”的政治理想——这是生物学家经常用来描述一个综合的，有社会组织的物种的概念。其中一个非常关键的想法是所谓构造新的“社会契约”，它旨在创造一个合法和公平的全球社会。除此之外，它还将包括“普遍的基本需求保证。”康宁博士的处方基于生物学和人性的新兴科学，并且是独一无二的。这些核心公平原则的实际后果将导致各级的重大政治变革，首先是联合国全面的“全球政府倡议”，重大的机构升级和强大的权力，以及建立两个强大的新超级机构——全球基础设施基金和全球应急管理局等。然而，每个国家和每个社区也必须有积极的变化。“公众信任”这一对政府的古老愿望现在已成为人类生存的必要条件。

相关内容及最新研究发现将在[http://complexsystems.org/podcasts/ 博客网页]中发布

== 联系方式 ==

1、研究所邮箱：info@complexsystems.org

2、Peter Corning博士邮箱：pacorning@complexsystems.org

== 相关链接 ==

[https://complexsystems.org/ 研究所官网]
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复杂系统入门图书

2020-10-14T14:14:24Z

Thingamabob：创建页面，内容为“ 该书单收集的原则是：1、内容简单、可读性强；2、对复杂系统各个学派介绍得比较全面 ==复杂性思维：物质、精神和人类…”

该书单收集的原则是：1、内容简单、可读性强；2、对复杂系统各个学派介绍得比较全面

==复杂性思维：物质、精神和人类的计算动力学==

[[File:s27302712.png|300px]]

* 作者: [德]克劳斯·迈因策尔 (Klaus Mainzer)
*出版社: 上海辞书出版社
*原作名: Thinking in Complexity
*译者: 曾国屏 / 苏俊斌
*出版年: 2014-4-1
*页数: 584
*定价: 85.00
*装帧: 平装
*丛书: 辞海译丛
*ISBN: 9787532638925

===内容简介===

复杂性科学是可与相对论、量子力学媲美的20世纪重大科学突破之一。在某种意义上，复杂性对整个科学体系的影响，也许比后两者更深刻、更广泛。进入21世纪，探索和理解复杂性，依然受到自然、社会、人文等各学科的共同关注。德国著名哲学家、复杂性科学专家克劳斯o迈因策尔教授的这本名著已出至第五版，它从哲学的高度，广泛涉猎物理学、生命科学、认知科学、计算机科学、经济学、社会学等诸多方面，揭示了不同学科体现出的共同的复杂性特征，以详尽而不失之繁琐的例证，和严谨而又尽可能通俗的笔法，阐释了对复杂性的探索将如何引起人们思维方式的深刻变化。

===作者简介===

克劳斯·迈因策尔 (Klaus Mainzer) 德国科学哲学家。现为慕尼黑工业大学教授。在复杂系统、非线性动力学等领域多有建树，除本书外，还著有《大自然的对称性》、《对称与复杂：非线性科学的魂与美》等。
主译：曾国屏清华大学人文学院科学技术与社会研究所教授，清华大学深圳研究生院社会科学与管理学部主任。长期从事科学•技术•产业与社会问题、科技传播普及、自然辩证法和复杂性科学哲学问题的研究，有著译十余种。

===目录===

中文第2版序

第5版序

第4版序

第3版序

第2版序

第1版序

第1章导言：从线性思维到非线性思维

第2章复杂系统和物质进化

2.1 亚里士多德的宇宙和赫拉克利特的逻各斯

2.2牛顿宇宙、爱因斯坦宇宙和拉普拉斯妖

2.3哈密顿系统、天上的混沌和量子世界的混沌

2.4保守系统、耗散系统和有序涌现

2.5纳米世界和自建构材料的复杂系统

2.6时间序列分析、分形、多重分形

第3章复杂系统和生命进化

3.1从泰勒斯到达尔文

3.2玻耳兹曼的热力学和生命进化

3.3复杂系统和有机物进化

3.4复杂系统和种群生态学

3.5复杂系统和生命的幂律

第4章复杂系统和心一脑进化

4.1从柏拉图的灵魂到拉美特利的“人是机器”

4.2复杂系统和神经网络

4.3大脑和意识形成

4.4意向性和脑爬虫体

4.5复杂性和具身心智

第5章复杂系统和可计算性的进化

5.1莱布尼茨和普遍数学

5.2可计算性和算法复杂度

5.3信息、概率和l／f复杂性

5.4随机过程、概率吸引子和概率复杂性

5.5 量子信息、量子计算机和量子复杂性

5.6元胞自动机、混沌和随机性

第6章复杂系统和人工生命、人工智能的演化

6.1图灵和符号人工智能

6.2神经网络和协同计算机

6.3细胞神经网络和模拟神经计算机

6.4通用细胞神经网络和动力复杂性

6.5有机计算、神经仿生学和具身机器人

6.6具身人工智能和人工生命

第7章复杂系统和经济演化

7.1亚当·斯密的经济学和市场均衡

7.2复杂经济系统、混沌和随机性

7.3 巴舍利耶的金融理论和市场均衡

7.4复杂金融市场、湍流和幂律

7.5经济物理学的展望

第8章复杂系统和人类文化、社会的进化

8.1从亚里士多德的城邦到霍布斯的利维坦

8.2复杂的社会系统和文化系统

8.3复杂通信网络、信息检索和个性化信息系统

8.4复杂移动网络、泛在计算和适应性在线学习

第9章关于未来、科学和伦理学的结语

9.1复杂性、预测和未来

9.2复杂性、科学和技术

9.3复杂性、责任和自由

参考文献

人名译名对照

中文第1版译后记

中文第2版译后记

==系统科学==

[[File:s5657421.jpg|300px]]

*作者: 许国志编
*出版社: 上海科技教育出版社
*出版年: 2000-1
*页数: 413
*定价: 39.60元
*装帧: 简裝本
*ISBN: 9787542823557

===内容简介===

《系统科学》是在总结我国二十多年来开展系统科学和系统工程研究、应用、教学的基础上编写的，并在全国范围广泛征求意见，反映了同行的共识性认识。《系统科学》全面介绍了系统科学的基础理论、应用理论和工程应用，重点是基础理论的内容。《系统科学》系统阐述了对各类系统的结构、功能和演化有普适意义的动力学系统理论(包括分岔、混沌等)、自组织理论、随机性理论，以及简单巨系统、复杂适应系统、开放的复杂巨系统的理论，对信息论、控制论、运筹学、系统工程方法论等系统工程技术作了简要介绍。

===目录===

前言

第1章绪论

1.1 古今系统思想概述

1.2 系统科学的形成和发展

1.3 系统科学的体系结构和重要地位

第2章基本概念与方法

2.1 系统、结构、层次

2.2 环境、行为、功能

2.3 状态、演化、过程

2.4 系统方法论

2.5 模型方法

第3章连续动态系统

3.1 连续动态系统的数学描述

3.2 轨道、暂态、定态

3.3 稳定性

3.4 吸引子与目的性

3.5 周期运动与回归性

3.6 分岔

3.7 突变

3.8 过渡过程特性

第4章离散动态系统

4.1 离散映射与离散动力学

4.2 离散混沌

4.3 几种自动器网络模型

4.4 遗传算法

第5章系统的随机性

5.1 随机过程与随机涨落

5.2 主方程和福克尔-普朗克方程

5.3 随机网络模型

第6章系统的自组织

6.1 自组织与他组织

6.2 两种有序原理

6.3 自组织理论

6.4 自组织的几种形式

第7章简单巨系统

第8章复杂适应系统理论及其应用

第9章开放的复杂巨系统

第10章技术科学层次的系统科学

第11章系统科学的工程技术

结语

注释与参考文献
后记

索引

==Complexity==

[[File:s4241945个.png|300px]]

*作者: Mitchell M. Waldrop
*出版社: Simon & Schuster
*副标题: The Emerging Science at the Edge of Order and Chaos
*出版年: 1992-1-15
*页数: 384
*定价: USD 15.00
*装帧: Paperback
*ISBN: 9780671872342

===内容简介===

In a rented convent in Santa Fe, a revolution has been brewing. The activists are not anarchists, but rather Nobel Laureates in physics and economics such as Murray Gell-Mann and Kenneth Arrow, and pony-tailed graduate students, mathematicians, and computer scientists down from Los Alamos. They've formed an iconoclastic think tank called the Santa Fe Institute, and their radical idea is to create a new science called complexity. These mavericks from academe share a deep impatience with the kind of linear, reductionist thinking that has dominated science since the time of Newton. Instead, they are gathering novel ideas about interconnectedness, coevolution, chaos, structure, and order - and they're forging them into an entirely new, unified way of thinking about nature, human social behavior, life, and the universe itself. They want to know how a primordial soup of simple molecules managed to turn itself into the first living cell - and what the origin of life some four billion years ago can tell us about the process of technological innovation today. They want to know why ancient ecosystems often remained stable for millions of years, only to vanish in a geological instant - and what such events have to do with the sudden collapse of Soviet communism in the late 1980s. They want to know why the economy can behave in unpredictable ways that economists can't explain - and how the random process of Darwinian natural selection managed to produce such wonderfully intricate structures as the eye and the kidney. Above all, they want to know how the universe manages to bring forth complex structures such as galaxies, stars, planets, bacteria, plants, animals, and brains. There are commonthreads in all of these queries, and these Santa Fe scientists seek to understand them. Complexity is their story: the messy, funny, human story of how science really happens. Here is the tale of Brian Arthur, the Belfast-born economist who stubbornly pushed his theories of economic ch

===《复杂》导读===

作者：张江

《复杂》这本书的出版可以说给中国的学术界打开了一扇窗子，让我们真正的了解了国外的复杂性科学。有人称《复杂》这本书是复杂性科学的“圣经”我看也一点不为过。《复杂》类似于纪实小说，读起来轻松愉快。然而这也许会让不熟悉的人摸不到头脑，因为单单从每一章的标题根本读不出来这一章所要讲述的主要内容。事实上，《复杂》叙述的学术内容涵盖了经济、生命、计算机、物理、哲学等等多门学科、多个层面。我在此做一个总结，方便大家阅读，并希望你能在相应的章节找到自己最想要的东西。

1、爱尔兰的英雄

主要叙述阿瑟（Brian Arthur）的故事，包括他的报酬递增率，以及新经济学上的一些洞见，还有对新古典经济学关于最优化经济人的质疑。当然文中也介绍了他的一些个人经历和科研成果。从这章你会体会到一场革命即将来临，这是一个非常好的复杂科学的切入点。如果你感兴趣的领域是经济学，并同样感受到新古典经济学的不足之处，那么这章一定要看。

2、老师倒戈

主要叙述考温、盖尔曼这些权威的物理学家、诺贝尔奖获得者是如何萌发研究跨学科的想法并筹建圣塔菲研究所的。其中包括了这些专家对自己以前研究方法的质疑，他们称新兴的方法为复杂系统方法。文中还介绍了一些物理学的知识。如果你对物理学感兴趣，建议看这章。

3、造物主的秘密

主要叙述考夫曼的个人研究经历，以及他的关于基因网络（外文大概叫boolean network)方面的研究，这个网络有望解释一个受精卵是如何演化出生物个体的。另外，这里也包括了对生命起源这个问题的研究。就是用计算机模拟地球在产生生命的时候的化学环境，看看是否会产生出原始的生命体。如果你对生物学着迷，就一定要看这章。

4、“你们真的相信这套？”

这一章内容很少，主要讲圣塔菲研究所的一场很重要的经济学研讨会，会议邀请了经济学家和物理学家，描述了用物理学的视角看待经济科学中问题的方法，以及双方的争论。

5、游戏高手

主要讲述约翰荷兰德（John Hollad)的个人研究经历和他的科研成果。主要包括遗传算法、分类器系统（这个分类器系统是一个能够自己进行学习的专家系统，搞专家系统的同志们一定要了解这个）。正如文中所说，hollad对复杂适应系统的理解和洞察在当时可以说超越了圣塔菲研究所的其他人。他提出了，人们要研究复杂系统更要研究复杂的适应系统。他在很多年前就提出了很多非同寻常的观点，包括对人工智能的认识。如果你是搞计算机或者自动化相关领域的，就不能不了解John Holland的思想。

6、混沌边缘的生命

讲述郎顿（lanton）和他的人工生命这门新兴学科的故事。如果说第4章以前的叙述仅仅是人们认识到了复杂系统这个东西，那么从这一章开始，人们开始意识到研究复杂系统的重要手段方法就是计算机模拟。这一章就是用计算机研究生命的思考。其中朗顿的混沌边缘的生命的概念不可谓不深刻，它指出了生命、复杂等现象是由何而来的。如果你是编程高手、计算机专家、生命科学专家就要看看这一章。

7、玻璃房中的农民经济

如果说第一章是提出经济系统中的复杂性这个问题，那么这一章叙述的就是如何解决问题。答案就在于计算机模拟。文中叙述了arthur,holland等人是如何用复杂系统、计算机仿真的观点研究经济的，他们提出了一个ASM（人工股市模拟）的系统构思，这个ASM可以在网上找到，可以说是第一个模拟经济的复杂系统模型。另外，里面还介绍了合作与竞争的问题，包括axlord的囚徒困境博弈的计算机程序竞赛等有意思的东西。如果你是经济学、管理科学、社会科学的爱好者，那么建议一定看看这一章的东西。

8、等待卡诺特

作者通过比较热力学的发展和复杂科学的发展指出，现在的复杂系统缺乏一个统一的理论就象是热力学第二定律一样能够非常抽象的刻画出复杂适应系统的一般描述和解决问题的通用途径。可以说这一章是前面各章的一个升华，人们从单个复杂适应系统中总结出了好多通用的规律，而这一章是讲如何把这些发现连成一片。文中简单叙述了圣塔菲中的高手们是如何探讨这个问题的，并提到一般的复杂适应系统理论呼之欲出。可以说这章介绍了复杂系统科学在当时的研究现状和进展。理论家们不要错过这一章。

9、乘胜前进

这一章又是整本书的一个升华，可以说这一章是复杂系统科学的一个展望。作者重新强调了复杂性科学的基本含义和独立的视角。阿瑟提到了复杂系统观点是一种综合的方法，并且讨论了东方古老思想与复杂系统的关系。

==生命是什么==

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* 作者: [奥]埃尔温·薛定谔
*出版社: 湖南科学技术出版社
*译者: 罗来欧 / 罗辽复
*出版年: 2005-3-1
*页数: 190
*定价: 19.00元
*装帧: 平装
*丛书: 第一推动丛书
*ISBN: 9787535737229

===内容简介===

科学，特别是自然科学，最重要的目标之一，就是追寻科学本身的原动力，或曰追寻其第一推动。同时，科学的这种追求精神本身，又成为社会发展和人类进步的一种最基本的推动。
科学总是寻求发现和了解客观世界的新现象，研究和掌握新规律，总是在不懈地追求真理。科学是认真的、严谨的、实事求是的，同时，科学又是创造的。科学的最基本态度之一就是疑问，科学的最基本精神之一就是批判。
诺贝尔奖获得者埃尔温·薛定谔的《生命是什么》是20世纪的伟大科学经典之一它是为门外汉写的通俗作品，然而事实证明它已成为分子生物诞生和随后DNA发现的激励者和推动者，本书把《生命是什么？》和《意识和物质》合为一卷出版，后者也是他写的散文，文中研究了那些自古以来就使哲学家困惑迷离的问题，和这两篇经典著作放在一块的是薛定谔的自传。通过对他一生的回顾和引人入胜的描述，提供了他从事科学著作的背景材料。

===作者简介===

埃尔温·薛定谔（1887-1961），奥地利物理学家。20世纪的前30年中物理学经历了一次大革命，解决了微观运动的基本规律问题。薛定谔生活在这个时代，1926年他提出了波动力学，是量子力学的标准形式之一。薛定谔因此而获得诺贝尔奖。后来他的兴趣转向生命科学，1943年写的《生命是什么》，为分子生物学的诞生作了概念上的准备。

===目录===

第一部分生命是什么.

前言

序言

第一章经典物理学家走近这个主题

1 研究的一般性质和目的

2 统计物理学结构上的根本差别

3 一个朴素物理学家对这个主题的探讨

4 为什么原子是如此之小

5 有机体的活动需要精确的物理学定律

6 物理学定律是以原子统计力学为根据的，因而只是近似的

7 它们的精确性是以大量原子的介入为基础的第一个例子（顺磁性）
8 第二个例子（布朗行动，扩散）

9 第三个例子（测量准确性的限度）

10 n律

第二章遗传机制

1 经典物理学家那些绝非无关紧要的设想是错误的

2 遗传的密码本（染色体）

3 通过细胞分裂（有丝分裂）的个体生长

4 在有丝分裂中每个梁色体是被复制的

5 染色体数减半的细胞分裂（减数分裂）和受精（配子与合）

.6 单倍体个体

7 减数分裂的突出性质

8 交换，特性的定位

9 基因的最大尺度

10 小的数量

11 持久性

第三章突皮

1 “跳跃式”的突变——自然选择的工作场地

2 它们生育同样的后代，即它们是完全地遗传下来了

3 定位，隐性和显性

4 介绍一些术语

5 近亲繁殖的有害效应

6 一般的和历史的陈述

7 突变作为一种罕有事件的必要性

8 x射线诱发的突变

9 第一定律，突变是个单一性事件

10 第二定律，事件的局域性

第四章量子力学的证据

1．经典物理学无法解释的持久性

2．可以用量子论来解释

3．量子论一不连续状态一量子跃迁

4．分子

5．分子的稳定性有赖于温度

6．数学的插曲

7．第一个修正

8．第二个修正

第五章对德尔勃吕克模型的讨论和检验..

1．遗传物质的一般图像

2．图像的独特性

3．一些传统的错误概念

4．物质的不同的“态”

5．真正重要的区别

6．非周期性的固体

7．压缩在微型密码里的丰富内容

8．与实验事实作比较：稳定度；突变的不连续性

9．自然选择基因的稳定性

10．突变体的稳定性有时是较低的

11．不稳定基因受温度的影响小于稳定基因

12．x射线是如何诱发突变的

13．x射线的效率并不依赖于自发突变率

14．回复突变

第六章有序，无序和熵

1．一个从模型得出的值得注意的普遍结论

2．由序导出序

3．生命物质避免了向平衡衰退

4．以“负熵”为生

5．熵是什么

6．熵的统计学意义

7．从环境中抽取“序”来维持组织

第七章生命是以物理学定律为基础的吗

1．在有机体中可能有的新定律

2．生物学状况的评述

3．物理学状况的综述

4．明显的对比

5．产生序的两种方式

6．新原理并不违背物理学

7．钟的运动

8．钟表装置毕竟是统计学的

9．能斯特定理

10．摆钟实际上可看做在绝对零度下工作

11．钟表装置与有机体之间的关系

后记决定论与自由意志

第二部分意识和物质

第一章意识的物质基础

1．问题

2．一个尝试性的答案

3．伦理观

第二章了解未来

1．生物发展的死路

2．达尔文主义的明显的悲观情绪

3．行为影响选择

4．伪拉马克主义

5．习惯和技能的遗传固定

6．智力进化的危险

第三章客观性原则

第四章算术悖论：意识的单一性

第五章科学与宗教

第六章感知的奥秘

自传

译后记..

==复杂==

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*作者: [美] 米歇尔·沃尔德罗普
*出版社: 生活·读书·新知三联书店
*副标题: 诞生于秩序与混沌边缘的科学
*原作名: Complexity: The Emerging Science at the Edge of Order and Chaos
*译者: 陈玲
*出版年: 1997-04
*页数: 505
*定价: 26.00元
*装帧: 平装
*丛书: 科学人文
*ISBN: 9787108010056

===内容简介===

这部书叙述一群美国科学家如何开创“21世纪的科学”的故事，对正在形成的科学的复杂体系做了深入浅出的描述。介绍了“一场新的启蒙运动”。故事是，美国的一些不同领域的科学家们越来越无法忍受自牛顿以来一直主导科学的线性和还原的思想束缚。他们在各自领域发现，这个世界是一个相互关联和相互进化的世界，并非线性发展的，并非现有科学可以解释清楚的。他们认为这个世界上不仅存在着混沌，也存在着结构和秩序，他们逐渐将自己的新发现和新观点聚集起来，共同努力形成对整个自然界，对人类社会的一个全新的认识。

===目录===

目录

概述

第一章爱尔兰理念的英雄

第二章老帅倒戈

第三章造物主的秘密

第四章“你们真的相信这套？

第五章游戏高手

第六章混沌边缘的生命

第七章玻璃房中的农民经济

第八章等待卡诺

第九章乘胜前进

==长尾理论==

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* 作者: [美] 克里斯·安德森
*出版社: 中信出版社
*译者: 乔江涛
*出版年: 2006-12
*页数: 235
*定价: 35.00元
*装帧: 平装
*ISBN: 9787508607245

===内容简介===

书中阐述，商业和文化的未来不在于传统需求曲线上那个代表“畅销商品”（hits）的头部；而是那条代表“冷门商品”（misses）经常为人遗忘的长尾。举例来说，一家大型书店通常可摆放10万本书，但亚马逊网络书店的图书销售额中，有四分之一来自排名10万以后的书籍。这些“冷门”书籍的销售比例正以高速成长，预估未来可占整体书市的一半。
这意味着消费者在面对无限的选择时，真正想要的东西、和想要取得的渠道都出现了重大的变化，一套崭新的商业模式也跟着崛起。
传统的市场曲线是符合80/20铁律的，为了抢夺那带来80% 利润的畅销品市场，我们厮杀得天昏地暗，但是我们所谓的热门商品正越来越名不副实，比如说黄金电视节目的收视率几十年来一直在萎缩，若放在1970年，现在的一档最佳节目恐怕连前10名之列都难以进入。简言之，尽管我们仍然对大热门着迷，但它们的经济力量已经今非昔比。那么，那些反复无常的消费者们已经转向了什么地方？答案并非唯一。他们散向了四面八方，因为市场已经分化成了无数不同的领域。互联网的出现改变了这种局面，使得99%的商品都有机会进行销售，市场曲线中那条长长的尾部（所谓的利基产品）也咸鱼翻身，成为我们可以寄予厚望的新的利润增长点。

===作者简介===

克里斯·安德森（Chris Anderson）自2001年起担任美国《连线》杂志（Wired）总编辑。在他的领导之下，《连线》杂志五度获得“美国国家杂志奖”（National Magazine Award）的提名，并在2005年获得“卓越杂志奖”（General Excellence）金奖。

===目录===

序言

第1章长尾市场

技术正在将大规模市场转化成无数小市场

第2章大热门的兴衰起伏

大一统文化只是例外，不是规则

第3章长尾的三种力量

制造它，传播它，帮助我找到它

第4章新生产者

万不可小视数以百万计的业余生产者

第5章新市场

从头部到长尾

第6章新时尚领军人

如果蚂蚁也有扩音器，它们会说些什么？

第7章长尾经济学

匮乏世界、丰饶世界与80/20法则的灭亡

第8章货架争夺战

有限货架的世界

第9章选择的天堂

我们正在进入下一个无限选择的时代，而且这是件好事

第10章利基文化

长尾世界是怎样的？

第11章无限的荧屏

电视之后的视频

第12章娱乐业之外

长尾触角能伸多远

第13章长尾法则

怎样创造一个消费天堂？

尾声：明天的长尾

致谢

专家推荐一从蓝海战略到长尾理论

专家推荐二尾巴有多长

==虚实世界==

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*书名：虚实世界-计算机仿真如何改变科学的疆域
*作者： [美]约翰.L.卡斯蒂翻译：王千详、权利宁
*出版：上海科学教育出版社

===内容简介===
《虚实世界》“哲人石丛书”之一。本书是“当代最了不起的科学作家”卡斯蒂讲述仿真学的力作。作为正在引发科学革命的计算机仿真，不是基于直接观察实验，而是基于从真实空间向虚拟空间的映射。从人工生命到地缘政治游戏，从股市心理到总统提名悖论，《虚实世界》引领读者穿越硅化微世界，探索复杂自适应系统新疆域。计算机仿真世界是否“真实”和能达到何种程度的真实，回答这些饶有趣味的问题，将开辟２１世纪科学发现的新天地。

===推荐理由===
这本书最大的长处就是给读者介绍了很多非常有名的模拟程序，包括著名的tierra（机器中进化的人工生命）, 人工股市、transim（交通模拟系统）等等，而且讲得通俗易懂，你一下就能明白整个系统的设计思路，并且书后还附有了各种模拟程序的参考文献和网址，大家可以借鉴借鉴。
该书最大的缺点是连贯性不够，虽然作者探讨了包括数学中的悖论、不可能定理、停机问题等等很深奥的问题，并且讲了一些一般复杂适应系统的通有规律，但是我却很难看出来这些东西之间的联系是什么，也可能是翻译不好的缘故吧。不过从开阔眼界这个方面，我觉得这本书还是很值得读一读的

==沙地上的图案==

[[File:df51392.png|300px]]

*书名：沙地上的图案- 计算机、复杂和生命
*作者：［澳］特瑞·波索马特尔大卫·格林著
*出版：江西教育出版社

===内容简介===
生命究竟是什么？难道生命无非是一种特殊而微妙的碳水化合物？还是某种更微妙的东西？植物、动物、大脑、恒星乃至银河，宇宙中为什么会存在这样一种令人惊叹的精妙的结构？现在，产生了一门新科学——关于复杂性的科学，将试图解决这一切。本书作者向我们讲述了这个世界中秩序与混乱的法则，并介绍了复杂性学说在神经系统、环境处理以及生物学和计算机领域取得的突破性的研究成果。本书的重点在于揭示复杂性的真谛及其对我们日常生活的影响。书中运用了大量具体、翔实的事例——从海星到忙碌奔波的推销员，从汽车事故到大脑的工作流程。相信读者朋友们读后能以一种新的见解去审视我们身边的大千世界。

===本书目录===

第一章复杂性的处理；

第二章计算；

第三章殊途同归复杂性；

第四章自然界的不平衡；

第五章自然界的本质；

第六章良好关系的重要性；

第七章沙地上的图案；

第八章计算机的影响和后果；

第九章因特网：高速公路还是羊肠小道；

第十章复杂性与生命。

==科学新领域的探索==

[[File:77f5ef8.png|300px]]

*书名：科学新领域的探索
*作者：斯图亚特.考夫曼
*译者：池丽平
*出版：湖南科学技术出版社 2004年5月

===内容推简===

这本书是刚刚2004年5月出版的，英文版也不过是2000年推出的。因而相对比较新。在这本书中，作者主要向给大家传达一个信息：目前，一个崭新的科学逐渐浮出了水面。这有可能是继复杂性科学革命之后的新一轮的大规模科学创新活动。作者自己也承认，在这片新领域中，更多的是它的一些设想，而非确凿的科学证据，然而他已经瞥见了这背后蕴藏的巨大的科学前景。

生命究竟是什么？自从薛定鄂的名著《什么是生命》问世以来，人们正在逐渐逼近生命本质的最终答案，但是无论是分子生物学还是人工生命都不能彻底回答这个问题，似乎还差那么一点点。作者就是从这个问题出发开始尝试给出生命的确切定义。他上来就提到：细菌会沿着葡萄糖浓度梯度自动游向高浓度的地方，我们显然知道它具有自主性、目的性，然而这种自主性、目的性究竟是什么呢？
为了回答这个问题，作者开始广泛探讨生物科学、化学、热力学、宇宙学、经济社会科学等等广阔的领域，并尝试作了一些回答，什么是生命？一个自我维持并能够繁殖自身的包含至少一个功循环的组织就是生命，他就是活物。这个定义包含了生命的自我繁殖和新陈代谢两个主要方面。因而，考夫曼提出了“广义生物学”这个名词。

另外，作者还大胆假设热力学第四定律的存在可能性，非平衡系统总是朝向尽量多样化尽量复杂化的方向发展，这被他成为是临近可能性的不断膨胀。在考夫曼与著名的宇宙学家李.斯莫林的讨论中，还逐渐认识到宇宙本身就是一个类似生物圈的系统，自己构造了自身并维持自己存在下去。
推荐这本书，希望大家也能够体会到这一新领域中令人激动人心的地方。

==谜米机器----谜米自我幻觉==

[[File:mimi.png|300px]]

*书名：谜米机器----谜米自我幻觉
*作者：英国）苏珊·布莱克摩尔
*译者：高申春吴友军许波
*出版：吉林人民出版社2011年1月1日第2版

===内容简介===
《谜米机器》视野开阔，背景恢弘，引人入胜。它结束于直面我们人类本性的最深刻的问题。这些问题的核心，乃是内在于我们每一个人心中的自我本性。正是这个自我构成了我们的意识核心，体验着我们心灵深处的情感，拥有着我们的记忆和信仰，并为我们的种种生活任务作出抉择。苏珊·布莱克摩尔的结论语出惊人：那个内在的自我，那个“内在的我”，其实不过是一个幻觉而已，不过是谜米为了它们自身的复制而虚构出来的一个幻影。

===目录===
序

前言

第一章神奇的造化

第二章放之四海而皆准的达尔丈主义

第三章文化的进化

第四章从谜米的观点看世界

第五章有关谜米的三个问题

第六章容量巨大的人脑

第七章语言的起源

第八章谜米——基因的共同进化

第九章社会生物学的限度

第十章 “是一个有机体救了我的命”

第十一章现代世界中的性

第十二章利他行为的谜米学阐释

第十三章利他主义骗局

第十四章新时代的谜米

第十五章宗教作为谜米复合体

第十六章进入因特网

第十七章终极的谜米复合体

第十八章超越谜米竞争

===推荐理由===
一位英国的大学教授回忆道：他有一个很有个性的女学生，每当他在课堂上向她提问的时候，“她总是紧闭双眼，深深地低下头，一会儿之后，又忽然地抬起头，睁开双眼，极为流利而聪明地回答我的问题。”有一天中午，他和几位同事共进午餐。为了活跃气氛，这位教授特意在回答一位同事的提问前模仿了这位学生的表现方式，并表明这是他的一名学生在回答问题之前的习惯。在座的同事中有一位是牛津大学著名哲学家。他看到模仿之后不假思索地脱口而出：“维特根斯坦！”并问：“她是不是姓……？”教授答：“是的”。他接着说：“我想应该是的。她的父母都是专业哲学家，而且都是维特根斯坦的忠实信徒…… "

这就是meme（谜米）。“谜米”是一个新词，根据牛津英语词典的解释，meme：An element of culture that may be considered to be passed on by non-genetic means，esp.imitation.（谜米：文化的基本单位，通过非遗传的方式、特别是模仿而得到传递）“谜米”一词最早出现于理查德·道金斯（Richard Dawkins）于1976年出版的畅销著作《自私的基因》（The Selfish Gene）中。道金斯是牛津大学的一位著名的动物学家，也就是本文开头故事中的那位进行模仿的教授。在这本书中，道金斯使当时影响日甚的一个观点更趋普及化：进化的过程最好从基因之间的互相竞争的角度来理解。在过去，生物学家总是从“种”的角度来谈论进化的机制，到了60年代人们开始产生疑问，并提出从“基因的观点”来看待进化过程，即基因是进化的基本单位，而生物体（人）只不过是“基因传承和繁衍自身的工具”——这就是颇具刺激性的“自私基因论”（selfish－gene theory）。

在《自私的基因》一书的末尾，道金斯提问道：在文化领域是否存在着类似基因在生物进化中所起作用的东西呢？他的回答是“有”的。为此他仿效“gene”创造了“meme”作为社会遗传的基本单位。道金斯特别指出，所谓“自私的基因”不是必然理解为DNA意义上的基因，它不过是进化过程的一个偶然的伴生产物。“自然选择的真实单位，乃是任何形式的复制因子，是任何形式的能够进行自我拷贝的单元”。按照道金斯的观点，除了DNA以外，已经产生了另外一种复制因子，这就是“谜米”（文化基因）。

这无疑是一个大胆的假说。这里要介绍的《谜米机器》（The Meme Machine）就是一本大力阐发“谜米”思想的新作，作者苏珊·布莱克莫尔博士（Susan Blackmore）则是道金斯的一位女学生。不过，学生比老师走得更远。在她看来，正如基因之间相互竞争着，自私地、不顾一切地要进入到下一代的身体之中，最终决定了生物世界的格局及其结构；与此类似，谜米之间相互竞争着，自私地、不顾一切地要进入到另一个人的大脑、另一本书、另一个对象之中，这最终决定了我们的文化以及我们的心理结构。按照这一思路，“谜米”观念实际上已经发展为一种独立的关于人类文化的全新理论。

作为一种新的研究纲领（正如达尔文进化论、弗洛伊德精神分析学一样），自然要展示它的全面力量（如果它果真有的话）。在本书中，苏珊·布莱克莫尔确实致力于“从谜米的观点”回答一系列激动人心的重大理论问题：人类心理的进化过程是怎样的？人脑的巨大容量是如何产生的？语言是怎样起源的？它的存在有什么用？“自我”意识是怎样产生的？“自我”的本质是什么？究竟是什么使情侣之间互相吸引？为什么有些声音总萦绕于脑海而驱之不散，并将我们折磨地睡不着？究竟是什么使你感到幸福？濒死体验是怎么回事……

她的答案同样也是令人震惊的。她对“自我”问题提供了如下的回答：所谓“内在的自我”，还有我们一直以来所关注的身份、人格等，其实不过是一个幻觉而已，不过是谜米为了它们自身的复制而虚构出来的一个幻影。这一观点，正如弗洛伊德的无意识理论一样，无疑将给我们的心理带来极大的冲击和震撼——当然，这也许不过是一个“幻觉”而已！转自：《中华读书报》

理查德·道金斯，《自私的基因》，“支点丛书”，吉林人民出版社，24.00元。

苏珊·布莱克莫尔，《谜米机器》，“支点丛书”，吉林人民出版社，2001年，28.00元。

==隐秩序：适应性造就复杂性==

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* 作者：约翰.荷兰德(John Holland)，翻译：周晓牧、韩晖
* 出版社：上海科学教育出版社
* 出版年: 2000-08

===简介===

像艾滋病一类疾病为何能够摧毁免疫系统?像纽约、东京这样的大城市如何能够不间断地保障食品、医疗、服饰和数百万种居民必需品的供给?这类高度复杂系统的运作仍然是一个谜。但是通过霍兰及其同事在圣菲研究所和密歇根大学的工作，现在已经接近找到一种解答。作为遗传算法之父和复杂性新科学的先驱者之一，霍兰从一开始就处于复杂适应系统(CAS)这一新兴研究领域的中心。这部里程碑式著作为这一崭新领域首次提供了一种协调一致的综合，展示了霍兰的独特洞见。本书强调寻找支配CAS行为的一般原理，注重扩展众多科学家的直觉。书中提供了一个适用于全部CAS的计算机模型。霍兰通过描述我们能够做什么，总结了如何增强对CAS的理论认识。他提出的若干理论方法，可以指导人们对付耗尽资源、置我们世界于危险境地的棘手CAS问题。

===书评===

很早以前就听说过John Holland这个名字了，因为他的遗传算法在国内学术界早已经闻名遐迩。然而，通过阅读《隐秩序》这本书才让我了解到，John Holland的学术贡献不仅仅是遗传算法这样一个比较狭窄的算法领域，而是一个全新的学科复杂适应系统CAS，甚至是一种西方科学思想的全新世界观：一种进化的、适应性的、柔性的世界。

1、基本元素

纽约市中心的普通的一天，小女孩彼得逊走进了她喜欢的商店，直奔一排货架，毫不犹豫地拿起了一瓶她喜欢吃的腌鲱鱼……。然而小女孩从不用担心她喜欢的东西不在那，因为全世界的超级市场几乎都可以精确地把居民需要的成千上万的形形色色商品送到市场中、货架上。也许我们对这一现象早已经司空见惯，然而仔细思考里面却存在着一个很大的谜题：是谁安排了这一切呢？是什么机制使得那么多商品恰到好处地供应到货架上？经济系统为什么可以自发调节？从这样一个司空见惯的小事情，John Holland开始引领我们进入了CAS（复杂适应系统）的世界。接下来，Holland开始展现它非凡的知识和才华，从免疫系统到神经网络，从股票市场到热带雨林。哇，原来CAS的胃口这么大，它面向的不再是一两个数学定理的证明和无穷、繁琐的生物学实验，而是我们这个大千世界，一个几乎涉猎所有学科的广阔学术空间。

这一章的一个基本点就是Holland教我们用一种统一的视角来看待所有的复杂适应系统。中国有句老话：隔行如隔山，一个搞经济学的人不会过问生物学的研究进展，搞计算机的几乎不关心政治。西方的科学研究方法教会了我们分类法，于是我们把学科也越分越细，然而CAS的诞生呼吁我们，是时候重新综合地看待所有学科了。那么，一般的复杂系统具有什么样的共同特征呢？首先，所有这些系统都是由大量被称为主体的元素组成的系统，这些主体整体能够具备第一章提到的聚集、非线性、流、多样性这四个特性，每个主体都具备内部模型、标识、积木这三种机制。

根据我的理解，Holland这里所说的特性就是指所有的复杂适应系统所能反映出的客观特点和性质，它们是这些系统从宏观的角度来看所普遍具有的现象。而机制则说的是这些系统的内部原因，即基本上所有复杂系统中的个体都会遵循这样的三种普遍使用的规则。这样机制制约的个体相互组合就形成了具备四种特性的复杂系统。

进一步，根据Holland提出的这7点，我们能够勾画出这样一种图景：若干小的细胞主体四处游走开始扎堆\"聚集\"到一起，并且它们之间发生着各种各样的复杂的\"非线性\"相互作用关系。由于每个细胞体都是由更小的大量的\"积木\"单元组合而成的，因此细胞体能够利用这些积木感知并操作它们的外在世界。它们通过给环境进行\"内部模型\"的建立而形成关于这个世界的一系列假设和预测，在这些假设和预测的共同作用下，细胞会不停学习从而完成自己的适应进化。然而细胞们聚集成的组织太大了，它会占据很大的空间区域，而空间区域的不同就会造成每个小细胞们的局部环境的不同。有的小细胞的环境可能水多一些，有些可能充满了有害物质，有些则可能营养丰富。这就导致了虽然小细胞们可能在开始的时候内部基础非常相似，然而却由于后天的环境不同而形成了完全不同的适应性结果。这就是\"多样性\"产生的基础。个体的多样化还进一步造成了这些个体细胞相互作用关系的多样化，于是非线性作用进一步发挥威力，不断创造各种新的生态位，而进一步催生组织的个体的多样性。然而，这个时候组织要想进一步发展，则新的问题出现了。这就是个体太过多样化了，差异太大了，然而组织又要形成为一个统一的整体，必须有某种机制来抵消这种多样化，减少组织内各个部分之间的差异。这怎么办呢？有两种方法解决，一种是\"标识\"，一种是\"流\"。首先，随着细胞的多样化增加，每个细胞所需要处理的信息就要增多，每个细胞要跟那么多不一样的细胞打交道显然是一件很痛苦的事儿。他们必须学会偷懒，也就是给那么多繁杂的细胞进行归类，给每个细胞贴标签，这就是个体的\"标识\"机制。其实，我们人类就是这么干的，我们常常会把其他人分成三六九等，其实就是给人贴标签。然而仅仅贴标签只不过是降低了个体处理信息的复杂性，然而组织整体要想存在还必须形成某种统一的东西，这就是流。流将所有的细胞重新统一成为一个整体，从而保证了组织的存在基础。在细胞和细胞之间开始接触的时候，他们就会发生物质和信息的交换，然而这些交换仅仅构成了一些局部的小的流动，随着系统进一步发展，各个小的流动开始汇合而形成一些大的贯穿整个组织的洪流。于是资源开始形成一种新的共同基础（好比是人体的血液），这股流流遍全身维护组织整体的存在。就这样，小细胞们构成了新一层次的生命体：组织。接下来，组织又成为了新一层面的细胞，组织和组织之间在发生相似的故事组织成更大的个体……。

当然，这个图景仅仅是我自己的一个想象，Holland的脑中是否产生了这个动画？我不得而知，但我个人感觉，根据这个图景，Holland所述的7个基本点及其相互之间的关系变得更清楚了。

2、适应性主体

Holland带我们在复杂适应系统各个领域神游了一番以后，突然板起脸来说：“好了，别光顾得好玩，该来点真格的了！”。这一章开始展开了计算机模型的庞大攻势。也许到了这一章，数理基础薄弱、甚至数学物理学得很好却不熟悉计算机尤其是人工智能的人开始败下阵来了。然而，Holland毕竟是搞计算机出身，而且曾经参与过很早很早的IBM商业计算机的设计（在那个时候，摸过计算机的人也没有几个），所以他不可能不展示他对于计算机建模的深刻见解。

上一章Holland抽出了所有复杂适应系统的共性，我们已经知道了what，接下来我们自然要问，how? 具体就是怎么来研究呢？这个时候，holland和大多数SFI(圣塔菲，Santa Fe Institute）学派的学者都会跟传统数学说\"no\"，我们需要新的东西，这就是“计算机模型”，在这一章，Holland就是要告诉我们计算机模型是如何帮助我们理解复杂适应系统的。

Holland的研究思路是不忙对复杂系统的整体一下子建立大的模型，那是一个浩瀚的工程。而是从CAS中相对简单的个体出发，也就是我们上面提到的简单得多的细胞出发。在机器中建立这些个体的模型，然后让这群个体在计算机中相互作用而生成复杂系统的动态。于是接下来的一个关键问题就是如何建立每个主体（Agent）的模型。这可是Holland的拿手好戏，自从60年代以来，Holland已经几乎独立的发展了一整套建立适应性的Agent的计算机方法。这就是本章的主题。

我认为，这一章其实可以分成两大部分，一部分是主体，另一部分是适应性。首先，我们需要考虑的是，一个能够根据环境信息而进行决策和行动的主体。这是人工智能领域研究的问题。早期的人工智能已经提供了很多很多种建立这种主体的方法，包括什么慎思结构、神经网络等等。然而Holland没有采取那些繁杂的模型，而是用了一种相对简单的基于规则的方法。什么是基于规则的方法？我们可以就把它理解为一种因果关系，或者一种条件反射。“如果有东西朝我移动，我就逃跑；如果那个东西很小我就把它吃掉。”这种规则系统具有足够的计算能力，它完全等价于一台通用计算机。然而，仅仅用规则来描述主体的行为似乎有些太简单了，在很多情况，主体处理的信息往往非常复杂，以至于不能用简单规则来还原。Holland真有新招，他不使用一个规则，而是用一组规则，每种规则还都不一样，而且在运行的时候，可能会有好多相互矛盾的规则同时激活。仅仅这一点：允许相互矛盾的规则同时激活就已经让很多搞传统人工智能的人大跌眼镜，因为人工智能一直强调的是逻辑性、前后协调性，他们会人为的消除系统中的非逻辑性。

然而，当多个规则同时存在甚至相互矛盾的时候就会自然提出一个问题，究竟Agent应该采用哪个规则呢？这就需要用到Holland所说的信用分派机制，即给每个规则都分派一个信用来表示使用该规则的可能性。用过遗传算法的人都知道，遗传算法有一个关键的适应度函数，这里的信用就是适应度函数对每个规则进行评价。当系统运行起来以后，这个信用会动态地改变，也就是系统从外界得到反馈来改变信用。也就是说信用是一种反馈机制。

在推理中人们常常把多条规则首尾相接到一起形成一个长长的推理链，这种机制也可以用Holland的系统中描述出来。同时Holland还发明了水桶连算法来解决长链上规则的信用分派问题。即Holland把每条规则比喻成市场上的能够自由买卖的主体，这些主体一方面交换着货物（执行的权利），另一方面货币（信用）会反向流动。

其次，Agent还具有适应性，这种适应性来源于Agent内部的创新机制：遗传算法，这是Holland在60年代的时候就研究出来的结果。当所有搞人工智能的人都认为知识和推理非常重要的时候，Holland却认为学习和灵活适应才是最重要的。因此，他用自然进化的比喻来研究程序的自动进化。正是他这一开创性的成就，使得人工智能学界兴起了新的一派人工智能，即进化学派，同时也为后来的遗传编程、演化程序等方法创造了可能。将这两点和起来，也就是基于规则的Agent和遗传算法就构成了完整的Agent分类器系统模型。

3、4、回声导致的涌现、回声模型的计算机模拟

其实，前面两章的内容已经构成了整本书的精华所在。可以说前面两章是Holland对复杂适应系统的研究已取得的一些成果。它们已经能够构成一整套研究CAS的方法和理论的基础。用这两章的知识我们已经可以对大部分的复杂适应系统进行建模研究了。然而，Holland还没有停止，而是继续前进，讨论了一些甚至是现在也没有得到充分研究清楚的领域：即人工生命中的开放式进化。有很多人看完整本书也不一定明白Echo模型，甚至仅仅了解了前述两章的内容就认为懂得了Holland整个的思路。（我以前就是这样，直到最近又看了一遍《隐秩序》这本书才知道自己的无知和幼稚）。其实这两章的内容才算真正进入了研究CAS的正题。

有了我们要研究的目标：一般的复杂适应系统，有了强有力的工具：计算机以及一整套关于适应性Agent的构造方法，我们是否就能够模拟任意一个复杂适应系统了呢？答案是：远远不能。看看我们还缺少什么？

（1）、隐性适应度函数

无论是遗传算法还是分类器系统，对每个个体的选择都需要根据一个明确定义的适应度函数来进行。尤其当我们解决优化问题的时候，这种适应度函数是由优化问题本身定义好了。然而在现实的复杂适应系统中，对于每个主体来说（细胞、生命、经济人）都不存在一个预先定义好的适应度函数。也不存在着现成的优化问题让个体去寻求最优解。复杂系统中存在的仅仅有不停的变化、不停的适应。因此，我们要想真正理解复杂适应系统就不能用原来的适应度函数，至少不能用显式的、固定死的适应度函数。

（2）、个体基因发育出来的细胞多样性

考虑一个受精卵发育成成体的过程，我们会发现，原始的受精卵细胞通过不断的分裂、增殖能够长出复杂的生命个体。更有意思的是，所有个体细胞都具有相同的基因，这些基因序列在不同的环境下却能够有序地分裂成异常不同的细胞体。比如人的皮肤细胞和脑神经元细胞无论从外形还是功能上来说都存在着很大的差异，但他们都具有相同的染色体。也就是说，如果我们把DNA序列比喻成计算机代码的话，那么该代码序列指导合成蛋白质的过程就是计算机计算DNA程序的过程。相同的DNA序列发育成不同的细胞就意味着同一段代码在不同的计算机环境中运行需要得到完全不同的计算结果。这显然是与我们目前的计算机程序不符的。而无论是生命个体的发育、生态系统的产生还是人类社会系统的生长都存在着类似的个体发生问题，这是用一般的方法不能解决的。

（3）、多层级结构

自然界的复杂系统普遍存在着层级结构，细胞->器官->生命->物种->生态，人->组织->单位->国家->人类社会，然而从现有的技术和理论框架出发我们还不足以描述这种层级结构。

（4）、资源的生产、交换及其流动

现实中的生命个体的各个部分之间还能进行资源的交换。而且每个个体就像一个独立的工厂可以根据不同的输入资源变化形成新的资源，这些资源之间能够运动而形成流。这一过程也是在现有模型中不容易建模的一个关键。

基于上述这些问题的考虑，Holland提出了这个echo模型，并提出了若干方案希望该模型能够模拟所有这些现象。这些问题也是目前人工生命中开放式进化生态系统的研究重点。这类问题是如此深奥以至于它触及到了自然进化的本质，又是如此另类，以至于它远远超越了我们同时代的许多科学问题的提问方式。

然而，可惜的是，Holland的Echo模型在《隐秩序》这本书里仅仅做了建模的讨论，而没有更多计算机模拟的结果。据说直到现在人们也没有对Echo模型的所有方面都进行模拟研究。而且，让人不易理解的另一个方面就是Holland的Echo模型似乎和他第二章的Agent模型联系非常不紧密，基本就是两套完全不同的框架。

幸好，现在已经有好多可以替代Echo模型的开放进化系统，比如大名鼎鼎的Tierra，还有各种人工化学模型，然而所有这些模型肯定都没有达到《隐秩序》中描述的程度，对上面提出的3个问题也仅仅是部分解决了。假如人们真能够造一个完美的开放式进化系统，那么在本文1、基本元素那里提到的小细胞体构造大规模组织的整个动画过程应该能够在计算机模拟中看到。

5、通向理论

这一章自然是对整本书讨论内容的一个展望了。如果说第一章Holland提出了问题What，第二章到第四章讨论了How的问题，那么这一章显然是要讨论Why这个问题，也就是说，Holland最终想回答构成一切复杂适应系统的各种动态背后的基本原理是什么？请注意，Holland在这章里明确提出了数学的重要性，他说计算机模型仅仅是一些个案的研究，而我们最终要得到的目标显然是一种各个计算机模型背后的数学理论，因为只有数学才能真正抽象出我们想要的事物背后的机制。但很显然，Holland自己在论述这个问题的时候也显得有些力不从心，因为对CAS的理解还太初步，我们还远没有达到上升为一个通用理论的程度。我不知道SFI的其它科学家怎么想，至少对Holland来说，他并不是一味排斥数学的作用的，而实在是因为他还没有能力把他对复杂适应系统的认识抽象成数学的形式。看到这里，我很感动，因为Holland的治学态度是认真负责的，他并不想用一大堆谁都看不懂的数学来唬人，他希望先对复杂系统有了普遍认识之后，才把它抽象成数学的形式。

===推荐理由===

这是John Holland写的阐释复杂适应系统最重要的一本著作，书中给出了什么是复杂适应系统，它的特性和机制是什么，而且该书也是计算机建模与模拟方面的重要入门之作，一些经典的模型：例如囚徒困境、货币的起源、ECHO生态系统等都有所阐述。

==宇宙为家(At Home in the universe)==

[[File:at_home_in_the_universe.jpg|300px]]

* 作者：斯图亚特·考夫曼（Kauffman Stuart）
* 译者：李绍明 / 徐彬
* 出版社：湖南科学技术出版社
* 丛书：第一推动丛书

===内容简介===

达尔文提出进化论，指出生命一直在自然选择之下演进、变化，而非上帝创造之物；孟德尔通过实验，揭示出遗传因子在遗传、变异中起到的作用。然而，从原初的分子汤，到物种繁多的地球生态圈，这种演化并不仅仅是在自然环境的影响下和随机的基因突变中产生的，从最初时，内在的秩序已经产生，并在混沌的边缘前进壮大，我们是注定要来到这个宇宙的。

供职于圣塔菲研究所（Santa Fe Institute [http://www.santafe.edu]）的考夫曼将复杂性原理应用于生命演化过程的分析，揭示出自组织才是生命秩序的源头，自然选择从外部作用于表现出自发秩序的系统之上，就产生出了现在的我们。我们不是什么不可思议的事故，不是靠零敲碎打、东拼西凑而成的 —— 我们是足月分娩、注定要降临的。

===推荐理由===

进化论是很了不起的，但总让人觉得我们的出现太过于幸运，幸运到一片空虚。而本书告诉我们，生命系统本身就有一股力量，推动着自身的前进，而自然选择不过是在外部对前进方向进行调整而已。这种观点给了我们一种对于生命系统的更为整体的视角，同时也是了解复杂性原理的一本好书。
[[Category:旧词条迁移]]

基于马尔科夫链的流网络分析

2020-10-14T14:01:31Z

Thingamabob：创建页面，内容为“一个平衡的流网络可以自然地转变成马尔科夫链，而马尔科夫链是数学家们研究得非常深入而透彻的数学对象，因此…”

一个平衡的[[流网络]]可以自然地转变成[[马尔科夫链]]，而[[马尔科夫链]]是数学家们研究得非常深入而透彻的数学对象，因此这为我们更好地分析[[流网络]]提供了便利条件。

下面给出基本计算简表。定义：流矩阵F，对应的马尔科夫链矩阵M

<math>
m_{ij}=\frac{f_{ij}}{\sum_{j=1}^{N+1}f_{ij}}
</math>，基础矩阵： <math>
U=I+M+M^2+\cdot\cdot\cdot=(I-M)^{-1}
</math>

i到j的总流：<math>
t_{i,j}=T_0\frac{u_{0,i}u_{i,j}}{u_{i,i}}
</math>， i到j的首达流：<math>
\phi_{i,j}=T_0 \frac{u_{0,i}u_{i,j}}{u_{i,i}u_{j,j}}
</math>

其中T0为从源输入到整个网络的流量，也就是IS（参看[[流动网络]]）。根据这两个公式，可以计算任意网络任意节点对的总流和首达流。

i到j的平均时间：<math>
k_{i,j}=\frac{(MU^2)_{ij}}{(MU)_{ij}}
</math>， i到j的首达平均时间：<math>
l_{i,j}=\frac{u_{jj}(M_{-j}U_{-j}^2)_{ij}}{u_{ij}}=\frac{(MU^2)_{ij}}{u_{ij}}-\frac{(MU^2)_{jj}}{u_{jj}}
</math>

其中<math>M_{-j}</math>表示将M的第i行全置为0，<math>U_{-j}=I+M_{-j}+M_{-j}^{2}+\cdot\cdot\cdot=(I-M)^{-1}</math>。

==从流网络到马尔科夫链的转换==

[[File:exampleflownetwork.PNG|500px|framed|图1：一个示例流网络]]

对于平衡流动来说，我们总可以将整个流系统看作是一个多粒子沿着网络流动的系统。例如，对于图1所示网络，当某个处于1号节点的粒子往外流动的时候，它可能会跳到2号节点，也可能会跳到3号节点。可以想到，由于1到2号节点的流量比到3号的节点大，所以这个粒子更有可能跳到2号节点。我们不妨假设粒子跳转到某个节点的概率是与这条边上的流量成正比的。也就是说，粒子会以5/8=50/80的概率从1跳到2，而以3/8=30/80的概率从1到3。同样的道理，当粒子跳入到任何一个节点后，它都会继续沿着边以概率跳转。

我们可以写出这个网络所对应的流矩阵（参见[[流动网络]]）如下：

[[File:fluxmatrix.PNG||示例网络的流量矩阵]]

其中，矩阵外围的数字为对节点的编码。0对应源，6对应汇。阴影区域对应网络的实线部分，为我们关注的节点主体。
整个平衡态的流网络可以看作是一个马尔可夫链，其中每个节点相当于是粒子所处的可能状态，节点之间的跳转可以看作是概率转移。具体的，对于任何的处于平衡的流网络F，我们定义矩阵M为概率转移矩阵<ref name="finn">{{cite journal|last=Finn|first=John T.| title=Measures of Ecosystem Structure and Function Derived from Analysis of Flows|time=1976|journal = Journal of Theoretical Biology| volume = 56| pages = 363-380}}</ref>，其中M中的第i行第j列的元素就是粒子处于i状态下转移到j状态的概率，记为：

<math>
m_{ij}=Pr\{to~~j|after~~visit~~i\}=\frac{f_{ij}}{\sum_{j=1}^{N+1}f_{ij}}
</math>

当粒子进入汇节点N+1，它就不会再往外跳了，也就是说汇所在的行全为0，因此，状态N+1就相当于马尔可夫链的吸收态。注意，根据矩阵M的定义，它自然满足概率归一化条件（不包括汇节点）：

<math>
\sum_{j=1}^{N+1}m_{ij}=\frac{\sum_{j=1}^{N+1}f_{ij}}{\sum_{j=1}^{N+1}f_{ij}}=1,~~~~\forall i<N+1
</math>

针对图1的示例网络，转化过来的马尔科夫矩阵为：

[[File:markovmatrix.png|350px]]

其中阴影部分为我们主要关心的马尔科夫转移概率。

===逆向马尔可夫链===
另外一个比较有趣的事实是，根据流矩阵F，我们还可以定义另外一个马尔科夫链M'，称为逆向马尔科夫链<ref name="levine">{{cite journal|last=Levine|first=Stephen| title=Several Measures of Trophic Structure Applicable to Complex Food Webs|time=1980|journal = Journal of Theoretical Biology| volume = 83| pages = 195-207}}</ref>。它刻画的是一个逆向的因果过程，也就是说如果我在图1中2号节点观察到了一个新到的粒子，那么它有可能从1号节点过来也可能从3号节点过来。显然1到2的流量要比3到2的流量大得多，因此粒子从1跳过来的可能性会更大。那么，既然整个网络是平稳的，我们不难想到，在2号节点观测到一个粒子的条件下，它是从1号节点跳过来的概率是5/6=50/60，它从3号节点跳过来的概率是1/6=10/60。

更一般地，我们定义逆向马尔科夫链M'，其中任意的元素m'ij定义为：观察到粒子来到了节点i的条件下，它可能是从j节点流过来的概率。它按照下式计算：

<math>
m'_{ij}=Pr\{from~~j|observed~~particle~~on~~i\}=\frac{f_{ji}}{\sum_{j=0}^{N}f_{ji}}
</math>

同样地道理，它也是归一化的，即：

<math>
\sum_{j=0}^{N}m'_{ji}=1,~~~~\forall i>0
</math>

这个逆向马尔可夫链又可以看作是逆向流矩阵FT(即原始流矩阵F的转置)所对应的正向马尔科夫矩阵，这是因为：

<math>
m'_{ij}=\frac{f_{ji}}{\sum_{j=0}^{N}f_{ji}}=\frac{F^T_{\{ij\}}}{\sum_{j=0}^{N}F^T_{\{ij\}}}=m_{ij}(F^T)
</math>

其中逆向流矩阵就相当于把原始流网络所有的有向边都掉转方向，并保持所有的流量不变。由于网络是平衡的，所以逆向的流网络必然也是平衡的。

这似乎给我们描绘了一个有趣的图景：在一个平衡的流网络中，所有的粒子都顺着流动从源到汇。而与此同时，如果我们从汇观察到粒子，并不断地询问这个粒子是从哪个节点跳转过来的，我们就得到了一个反向的信息流动，就仿佛是有假想的粒子从汇流到了源一样。

==路径分析==

下面，我们沿着粒子在流网络中流动，分析粒子所能经过的所有可能路径。让我们以图1所示网络为例，考察从1节点到4节点的路径。我们可以将所有从1到4的路径分成2类：从1到4的首达路径，以及包含了从4到4的循环路径。而对于首达路径，又可以分成2类：直接路径、首达流循环路径<ref name="higashi">{{cite journal|last=Higashi|first=Masahiko| title=Network trophic dynamics: the modes of energy utilization in ecosystems|time=1993|journal = Ecological Modelling| volume = 66| pages = 1-42}}</ref>。

===首达路径===

首先，我们可以列出从1到4的所有'''直接路径'''，所谓的直接路径是指粒子从1流到4，路径上的所有节点只被访问一次（没有循环）的所有可能路径，对于这个简单的网络来说，我们可以直接列出这些路径是：

<math>
1\rightarrow 2\rightarrow 4
</math>

<math>
1\rightarrow 3\rightarrow 2\rightarrow 4
</math>

其次，从1到4的'''首达流循环路径'''是指粒子从1流到4，中间允许任意次地循环重复经过某个节点，但是一旦到达4之后就不再循环重复的所有可能路径。也就是说，4节点只能唯一地出现在路径的尾端。对于图1所示的网络，我们知道1-->2-->5-->3-->2-->4是一条首达循环路径，而1-->2(-->5-->3-->2)(-->5-->3-->2)-->4也是一条首达循环路径，其中括号的部分被重复了两次。当然，括号部分中重复3次、4次…… 都是不同的首达循环路径。所以，我们可以把这一系列从5-->3-->2之间循环任意次的路径简记成

<math>
1\rightarrow 2 (\rightarrow 5\rightarrow 3\rightarrow 2)^m\rightarrow 2\rightarrow 4
</math>

其中，指数的意思为括号部分的路径字符可以重复m次，m为任意的整数（可以取无穷大），因此有无穷条从1到4的首达循环路径。

值得指出的是，在这里，我们相当于定义了两个路径的乘法，如果路径P1=i1-->...-->i，路径P2=j1,....,j，则P1乘以P2定义为：

<math>
P_1 \cdot P_2=i_1\rightarrow i_2 \rightarrow \cdot\cdot\cdot i \rightarrow j_1\rightarrow j_2\rightarrow \cdot\cdot\cdot j
</math>

可以验证上述的路径平方就是我们定义的路径的乘法。

同样的道理，还有一系列不同的从1到4的首达循环路径：

综上所述，我们实际上可以把所有的从1到4的首达路径（包含了不循环的和循环的）统一表示成：

<math>
1\rightarrow 2 (\rightarrow 5\rightarrow 3\rightarrow 2)^m\rightarrow 4,~~~~
1\rightarrow 3 (\rightarrow 2\rightarrow 5\rightarrow 3)^m\rightarrow 2\rightarrow 4
</math>

其中m为大于等于0的任意整数。当m=0的时候，就是直接路径。

===循环路径===

第二大类路径是那些到了4号节点又沿着网络的流动重复到达4号节点的流动路径，它们就是'''循环路径'''，例如：1-->2-->4-->5-->3-->2-->4，又如：1-->3-->2-->5-->3-->4-->5-->3-->2-->4。利用我们上面引入的记号，我们可以把这两个路径进行推广统一写为：

<math>
[1\rightarrow 2 (\rightarrow 5\rightarrow 3\rightarrow 2)^m\rightarrow 4]\cdot[(\rightarrow 5\rightarrow 3\rightarrow 2)^{m'+1}\rightarrow 4]^t</math>

<math>
[1\rightarrow 3 (\rightarrow 2\rightarrow 5\rightarrow 3)^m\rightarrow 2\rightarrow 4]\cdot [(\rightarrow 5\rightarrow 3\rightarrow 2)^{m'+1}\rightarrow 4]^t
</math>

其中m,m',t都是大于等于0的任意整数。我们看到，上式两种路径就是在所有可能的首达路径后面“后缀”了一个从4到4的首达路径的任意次方。如果我们再定义路径的'''加法'''为将两个相加的路径并列在一起（相当于集合的并集），则我们可以简洁统一地把从1到4的所有可能路径表达为：

<math>
\sum_{m,m',t}{[1\rightarrow 2 (\rightarrow 5\rightarrow 3\rightarrow 2)^m \rightarrow 4]\cdot [(\rightarrow 5\rightarrow 3\rightarrow 2)^{m'+1}\rightarrow 4]^t+ [1\rightarrow 3 (\rightarrow 2\rightarrow 5\rightarrow 3)^m\rightarrow 2\rightarrow 4]\cdot [(\rightarrow 5\rightarrow 3\rightarrow 2)^{m'+1}\rightarrow 4]^{t}}
</math>

可以验证路径的加法和乘法同样满足结合律，所以上式又可以写作：
{{NumBlk|:|
<math>
\sum_{m,m',t}{\{[1\rightarrow 2 (\rightarrow 5\rightarrow 3\rightarrow 2)^m ] + [1\rightarrow 3 (\rightarrow 2\rightarrow 5\rightarrow 3)^m\rightarrow 2]\}\cdot [(\rightarrow 4\rightarrow 5\rightarrow 3\rightarrow 2)^{m'+1}\rightarrow 4]^{t}}
</math>
|{{EquationRef|eq1}}}}

对于这种简单的网络来说，要表达出所有从1到4的路径都已经如此复杂，当我们考虑更复杂的网络的时候，机械地列出所有路径就几乎是不可能的了。所以，我们必须找出一套更合理的方法。

===路径矩阵===

我们可以用矩阵来表示路径，这样，通过矩阵的乘积可以表示路径的合成。首先，根据原始网络的邻接矩阵，我们定义一个矩阵P：

<math>
P_{ij}=\left\{\begin{array}{ll} i\rightarrow j & \mbox {if i,j connected}, \\
0 &\mbox {else} \end{array}\right.
</math>

也就是，如果i和j相邻，则在(i,j)的位置上放置i-->j，表示从i到j的路径。该矩阵就是路径矩阵。

例如，图1所示网络的路径矩阵可以写为：

<math>
P_1=\begin{pmatrix}
0 &0\rightarrow 1&0 &0 &0 &0 &0 & \\
0 &0 &1\rightarrow 2&1\rightarrow 3&0 &0 &0 & \\
0 &0 &0 &0 &2\rightarrow 4&2\rightarrow 5&2\rightarrow 6& \\
0 &0 &3\rightarrow 2&0 &0 &0 &3\rightarrow 6& \\
0 &0 &0 &0 &0 &4\rightarrow 5&4\rightarrow 6& \\
0 &0 &0 &5\rightarrow 3&0 &0 &5\rightarrow 6& \\
0 &0 &0 &0 &0 &0 &0 & \\
\end{pmatrix}
</math>

下面我们来考虑路径矩阵的乘积。设路径矩阵P和Q乘积（它们都是n*n的方阵）得到R，则

<math>
R_{ij}=\sum_{k}P_{ik}\cdot Q_{kj}
</math>

也就是说，路径矩阵的乘积与普通矩阵一样。注意等式右侧的乘法对应路径的乘法，也就是如果<math>P_{ik}=i\rightarrow k, Q_{kj}=k\rightarrow j</math>，则：<math>P_{ik}\cdot Q_{kj}=i\rightarrow k\rightarrow j</math>，即把两个路径拼接在一起。

这样P1自乘一次就得到：

<math>
\begin{array}{ll}
P_1^2=\begin{pmatrix}
0 &0\rightarrow 1&0 &0 &0 &0 &0 & \\
0 &0 &1\rightarrow 2&1\rightarrow 3&0 &0 &0 & \\
0 &0 &0 &0 &2\rightarrow 4&2\rightarrow 5&2\rightarrow 6& \\
0 &0 &3\rightarrow 2&0 &0 &0 &3\rightarrow 6& \\
0 &0 &0 &0 &0 &4\rightarrow 5&4\rightarrow 6& \\
0 &0 &0 &5\rightarrow 3&0 &0 &5\rightarrow 6& \\
0 &0 &0 &0 &0 &0 &0 & \\
\end{pmatrix}\cdot
\begin{pmatrix}
0 &0\rightarrow 1&0 &0 &0 &0 &0 & \\
0 &0 &1\rightarrow 2&1\rightarrow 3&0 &0 &0 & \\
0 &0 &0 &0 &2\rightarrow 4&2\rightarrow 5&2\rightarrow 6& \\
0 &0 &3\rightarrow 2&0 &0 &0 &3\rightarrow 6& \\
0 &0 &0 &0 &0 &4\rightarrow 5&4\rightarrow 6& \\
0 &0 &0 &5\rightarrow 3&0 &0 &5\rightarrow 6& \\
0 &0 &0 &0 &0 &0 &0 & \\
\end{pmatrix}&\\
=

\begin{pmatrix}
0 &0 &0\rightarrow 1\rightarrow 2&0\rightarrow 1\rightarrow 3 &0 &0 &0 & \\
0 &0 &0 &1\rightarrow 3\rightarrow 2&1\rightarrow 2\rightarrow 4&1\rightarrow 2\rightarrow 5&(1\rightarrow 2\rightarrow 6)+(1\rightarrow 3\rightarrow 6)& \\
0 &0 &0 &2\rightarrow 5\rightarrow 3&0&2\rightarrow 4\rightarrow 5&(2\rightarrow 4\rightarrow 6)+(2\rightarrow 5\rightarrow 6)& \\
0 &0 &0 &0 &3\rightarrow 2\rightarrow 4&3\rightarrow 2\rightarrow 5&3\rightarrow 2\rightarrow 6& \\
0 &0 &0 &4\rightarrow 5\rightarrow 3&0 &0 &4\rightarrow 5\rightarrow 6& \\
0 &0 &5\rightarrow 3\rightarrow 2&0 &0 &0 &5\rightarrow 3\rightarrow 6& \\
0 &0 &0 &0 &0 &0 \\
\end{pmatrix}
&\end{array}

</math>

其中i,j元素表示从i到j长度为2的所有路径。同样的道理，我们可以计算P1m，它的任意元素就表示从i到j长度为m的所有可能路径。从这点来看，矩阵的乘积与路径的合成有着天然的对应。

===全路径===

接下来我们就要利用路径矩阵这个工具计算从任意节点i到任意节点j的所有可能路径。我们知道Pm的第i,j个元素包括了从i到j的长度为m的可能路径，那么要得到从i到j的所有可能路径（无论路径有多长），我们只要把所有的P1、P2……Pm……加起来就可以了。所以：

<math>
Paths\{i\rightarrow j\}=(\sum_{m=1}^{\infty}P^m)_{ij}
</math>

例如，对于图1的网络，1到4的所有可能路径就是：

<math>
Paths\{1\rightarrow 4\}=(\sum_{m=1}^{\infty}P_1^m)_{1,4}
</math>

如果我们把P1代入到上式，可以验证它跟我们在{{EquationNote|eq1}}中得到的全路径的表达式是一样的。

除此之外，我们也可以写出所有从i到j的首达路径（j在整个路径中只能出现在结尾）为：

<math>
First\{i\rightarrow j\}=\frac{(\sum_{m=1}^{\infty}P^m)_{i,j}}{(\sum_{m=1}^{\infty}P^m)_{j,j}}
</math>

这里，两个路径相除定义为乘法的逆运算。即，如果<math>R\cdot Q=P</math>，则定义<math>\frac{P}{Q}=R</math>。例如，若<math>P=1\rightarrow 2\rightarrow 3\rightarrow 4, Q=3\rightarrow 4</math>, 则<math>\frac{P}{Q}=1\rightarrow 2</math>

我们可以写出图1中所有从1到4的首达路径为：

<math>
First\{1\rightarrow 4\}=\frac{(\sum_{m=1}^{\infty}P_1^m)_{1,4}}{(\sum_{m=1}^{\infty}P_1^m)_{4,4}}
</math>

根据{{EquationNote|eq1}}，我们知道所有的首达路径拼接上（乘上）任意一条从4到4的路径就构成了一条非首达路径，那么我们将所有的路径除以一条从4到4的路径就可以得到首达路径了。也就是在{{EquationNote|eq1}}中将<math>[(\rightarrow 5\rightarrow 3\rightarrow 2)^{m'+1}\rightarrow 4]^{t}</math>这个因子除去。

==流量分析==

===总流量===

我们知道，每一条从i到j的路径就代表了粒子从i到j的一种可能流动。当有大量的粒子在体系中流动的时候，每条路径上都会分配一定的流量。下面，我们就要求出从i到j经过所有可能路径的粒子总流量<math>t_{i,j}</math>。这个流量可以通过这样的假想实验来定义：假设原始的粒子没有颜色，而粒子一旦经过节点i就被染成了红色，并且一直保持不褪色。那么，我从j节点处统计：每一时刻流入j节点的红色粒子数有多少？这个数量就相当于从i到j的总流量：<math>t_{i,j}</math>。

如果从i到j的所有路径中不存在着循环，如下图所示的树状结构：

[[File:simpletreeill.PNG|300px]]

我们很容易计算出从1到4的总流量为：

<math>
t_{1,4}=50\times \frac{3}{5}\times \frac{2}{3}=20=T_1 (M+M^2)_{1,4}
</math>

即1节点的总流量乘以经过一步概率转移从1到4的概率，再加上总流量乘以经过2步概率转移从1到4的概率。然而，当网络中存在着循环结构的时候，计算稍微麻烦，但是我们不妨将上面通过马尔科夫链计算的公式推广到有环的结构上，也就是对M的m次方求和一直进行下去，直到无穷大。例如，对于如图1所示的流网络，从1到4的总流量为：

<math>
t_{1,4}=T_1 (\sum_{k=1}^{\infty}M^k)_{1,4}
</math>

这里，T1为从源到1的流量，等于80。我们知道M1,4表示粒子直接从1到4的转移概率，这样T1M1,4就是粒子经过一步转移从1到4的流量。同样，<math>(M^2)_{1,4}</math>表示粒子经过两步转移从1到4的转移概率，那么<math>T_1(M^2)_{1,4}</math>就是粒子经过2步转移从1到4的流量。……，我们将经过1步转移、2步转移、……从1到4的粒子流总量加起来自然就是从1到4的粒子流量。

====基础矩阵====

然而，上式不方便计算，因为存在着矩阵的无穷级数和。注意到，M是一个行列式小于1的方阵，因此，我们可以用下列矩阵级数的求和公式：

<math>
(\sum_{m=1}^{\infty}M^m)_{1,4}=\frac{M}{I-M}
</math>

这里I是与M同样维度的单位阵。矩阵的无穷等比数列之和与数的无穷等比数列和的计算一模一样。我们定义：

<math>
U=\frac{1}{I-M}=(I-M)^{-1}
</math>

为'''基础矩阵'''（Fundamental Matrix），这沿袭了[[投入产出分析]]的用法。<math>(I-M)^{-1}</math>表示矩阵I-M的逆。在这个例子中，U可以写出来：

<math>
\left(
\begin{array}{ccccccc}
1 & 1 & \frac{3}{4} & \frac{7}{16} & \frac{1}{4} & \frac{1}{2} & 1 \\
0 & 1 & \frac{3}{4} & \frac{7}{16} & \frac{1}{4} & \frac{1}{2} & 1 \\
0 & 0 & \frac{42}{41} & \frac{7}{82} & \frac{14}{41} & \frac{28}{41} & 1 \\
0 & 0 & \frac{12}{41} & \frac{42}{41} & \frac{4}{41} & \frac{8}{41} & 1 \\
0 & 0 & \frac{3}{164} & \frac{21}{328} & \frac{165}{164} & \frac{21}{41} & 1 \\
0 & 0 & \frac{3}{82} & \frac{21}{164} & \frac{1}{82} & \frac{42}{41} & 1 \\
0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1
\end{array}
\right)
</math>

====总流量====

于是，将数字代入，从1到4的总流就是：

<math>
t_{1,4}=T_1 (MU)_{1,4}=80\times \frac{1}{5}=16
</math>

下面，我们再来计算从2到4的总流量。按照上面的类似计算，我们可以得到：

<math>
t_{2,4}=T_2 (MU)_{2,4}=60\times \frac{14}{41}=20.4878
</math>

然而，从图1中，我们看到从2到4的路径只有一条2-->4，所以从1到4的流量直观地看应该是20，而我们上面计算的结果却比20大。为什么呢？仔细分析会发现，原因出在，对于2号节点的总流量T2包含着从2到4又循环回2的流量（从3到2的那部分流量）。而这部分流量又在U矩阵中被重复计算了。所以，要把它刨除掉。即只计算从0节点经过1流过来流量50，该流量就称为从源0到2的首达流。如果所有粒子都是无色的，而只有经过2号节点的粒子被染成红色，并且永不褪色，那么，从0到2的首达流就是：

<math>
\phi_{0,2}=50+30\times \frac{2}{7}=\frac{410}{7}
</math>

不难看出，无色粒子可能从1直接到2，也可能经过3到2。至于首达流的更一般的计算将放到下一节讨论。

<math>
t_{2,4}=\phi_{0,2} (MU)_{2,4}=\frac{410}{7}\times \frac{14}{41}=20
</math>

这样的计算才可以得到正确的结果。因此，任意点i到j的总流量应该按下式计算：

<math>
t_{ij}=\phi_{0,i} (MU)_{ij}
</math>

根据上述公式，从i到i自己的总流量也就应该是：<math>
t_{ii}=\phi_{0,i} (MU)_{ii}
</math>
然而，这个式子并不完全。因为，它并不包括流<math>\phi_{0i}</math>自身。习惯上，我们定义从i到i的总流应该包括<math>\phi_{0i}</math>。
因此，写完全应该是：

<math>
t_{ii}=\phi_{0,i} ((MU)_{ii}+1)
</math>。

注意到，根据U的定义，<math>MU=U-I</math>，所以

<math>
t_{ii}=\phi_{0,i} (U)_{ii}
</math>。

最后，综合上述所有讨论，从i到j的总流量应该按照下式计算：

<math>
t_{ij}=\phi_{0,i}(U)_{ij}
</math>

即使对于i不等于j的情况上式也成立，因为U的非对角元与MU的非对角元相同。

===首达流===

上面的讨论中曾引出了首达流的概念，下面我们就来讨论一般地从i到j的首达流应该怎样计算。首先，我们定义从i到j的首达流为所有从i出发首次到达j的粒子总流量。还是假设所有的粒子经过i节点后被染成红色，并且同时假设粒子一旦经过j后，我们就把红色涂掉，那么每一时刻到达j的红色粒子总数就是从i到j的首达流。这样，所有经过i到达j的粒子就可以分成2类：'''首达流'''和'''循环流''，它们的总和就是总流动。

例如，对于图1来说，从1到4的总流动可以分为首达流和循环流：

<math>
t_{1,4}=\phi_{1,4}+\psi_{1,4}
</math>

我们已经知道t1,4的计算了，如果我们会计算ψ1,4的话，就很容易求出首达流了。所谓的从1到4的循环流一定是那些曾经至少已经经过一次4号节点的粒子所构成的流动。而我们知道，所有已经经过4号节点的粒子一定是那些首次到达了4号节点的粒子又重新从4出发，沿着所有可能路径再流回到4节点的粒子。这些粒子的路径就是如{{EquationNote|eq1}}式中所描述的，并且t不为0。同样的，根据流量与路径的关系，我们可以计算出：

<math>
\psi_{1,4}=\phi_{1,4}(\sum_{m=1}^{\infty}M^m)_{4,4}
</math>

也就是1到4的首达流再经过所有可能路径回到4的总流量。这样，我们就有：

<math>
t_{1,4}=\phi_{1,4}+\psi_{1,4}=\phi_{1,4}+\phi_{1,4}(\sum_{m=1}^{\infty}M^m)_{4,4}=\phi_{1,4}(1+(\sum_{m=1}^{\infty}M^m)_{4,4})=\phi_{1,4}u_{4,4}
</math>

其中，u4,4表示(U)4,4
这样就可以求出1到4的首达流：

<math>
\phi_{1,4}=\frac{t_{1,4}}{u_{4,4}}
</math>

我们定义，当i=j的时候：

<math>
\phi_{i,i}=T_i
</math>

而我们已经知道了t1,4的表达式，因此1到4的首达流可以计算出，等于16*165/164=660/41。

上述方法适用于更一般的网络，因此，我们可以得到计算任一点i到j首达流的正确计算公式为：

<math>
\phi_{i,j}=\frac{t_{i,j}}{u_{j,j}}
</math>

===小结===

总结来看，我们这里定义了从i到j的两种流动：i到j的'''总流'''和i到j的'''首达流'''。如果将经过i节点的粒子染色，则总流就是每个时刻j节点接收到的红色粒子总数，而首达流就是所有那些第一次经过j节点的红色粒子总数。它们的计算方式如下：

总流：

<math>
t_{i,j}=\phi_{0,i}u_{i,j}=\frac{t_{0,i}}{u_{i,i}}u_{i,j}=T_0\frac{u_{0,i}u_{i,j}}{u_{i,i}}
</math>

首达流：

<math>
\phi_{i,j}=\frac{t_{i,j}}{u_{j,j}}=T_0 \frac{u_{0,i}u_{i,j}}{u_{i,i}u_{j,j}}
</math>

其中T0为从源输入到整个网络的流量，也就是IS（参看[[流动网络]]）。根据这两个公式，可以计算任意网络任意节点对的总流和首达流。

我们看到，无论是总流还是首达流，都要用到U矩阵，而

<math>
U=I+M+M^2+\cdot\cdot\cdot+M^{\infty}
</math>

相当于包含了所有从i到j的一步转移概率、2步转移概率、3步转移概率……。但注意，uij并不是概率，因为u可能大于1。即便它不大于1，也要注意到M、M2, ……矩阵每一行都是归一化的，所以把它们加起来就不再满足归一化条件（无论对于行还是列）。所以，uij并不表示从i到j的概率，而是表示i对j的'''总影响'''(Impact)。这是一个很含糊的概念，但目前也只能这样来解释U了。

而当uij乘以了一个流量φi，则所得的矩阵的每一个元素就有了明确的意义：表示从i到j的总流量。这个流量虽然从定义上看是一个瞬时t，i到j的粒子总数，但是根据计算式，它实际上是把t时刻的0步转移、t-1时刻的一步转移、t-2时刻的2步转移，……，所有时间步的粒子数加起来。由于流网络是平衡的，所以马尔科夫链是平稳的，所以我们可以把瞬时空间上的流量转变成所有历史的求和，这一点是最让人吃惊的事实。

==平均时间（距离）==

前面研究的是流量，下面我们研究与时间相关的主题。大量的粒子从网络中流动，我们假设单位时间粒子沿着有向连边跳转。这样，粒子需要m个时间步才能走完一条m长的路径。下面，我们将研究从网络上任意一点i到任意一点j的时间（距离）。

首先，由于网络中存在着环路，因此，从i流向j的粒子有可能经历无限长的时间步。为了避免这个问题，我们只考虑首达时间，也就是粒子从i出发第一次到达j的时间。但是，由于粒子可能沿不同的路径到达j，而这些路径的长度又不一样，所以没有确定的首达时间值。于是，我们只能用这些粒子的首达时间值来作为我们研究的目标，也就是平均首达时间。有趣的是，对于平衡的流网络来说，平均首达时间的计算存在着简洁而明确的表达式和计算方法。

===任意点i到汇的平均时间===

首先，我们来求从任意节点i（不包括汇）出发，到达汇N+1的粒子们的平均首达时间。由于到达N+1的粒子不再流向任何其它节点，因此这个平均首达时间其实就是粒子从i到达N+1的平均时间。下面，我们来计算从i到汇的平均时间。

我们不妨假设从任意节点i到达汇N+1的平均时间为li，那么，我们可以列出如下等式：
{{NumBlk|:|
<math>
l_i=1+\sum_{j=0}^{N}{m_{ij}l_j}, ~~~~\forall i\neq N+1
</math>
|{{EquationRef|eq2}}}}

下面来解释这个式子。我们知道任何粒子要想跳到汇都有两种可能性：直接跳到N+1，或者先跳到任意一个其他的非汇节点j，然后再跳到汇N+1。对于第一种情况，它的路径长度确定性的是1，发生概率是<math>m_{i,N+1}</math>。而对于第二种情况，假设粒子跳到了j，再由j跳到N+1，那么我们知道粒子从j跳到N+1的平均首达时间是lj，而粒子跳转到j的概率是mi,j，因此粒子跳到任意的非汇节点，再跳到汇的平均路径长度就是<math>\sum_{j=0}^{N}{m_{ij}(1+l_j)}</math>，其中和号里的式子加1的原因是每条路经长度都要包含从i跳到j的这一步。于是，把这两种可能性合起来就有：

<math>
l_i=m_{i,N+1}\cdot 1+\sum_{j=0}^{N}{m_{ij}(1+l_j)}=m_{i,N+1}+\sum_{j=0}^{N}m_{ij}+\sum_{j=0}^{N}m_{ij}l_j=1+\sum_{j=0}^{N}m_{ij}l_j, ~~~~\forall i\neq N+1
</math>

最后用到了马尔科夫链的归一化条件：<math>\sum_{j=0}^{N+1}m_{ij}=1</math>。注意到{{EquationNote|eq2}}实际上是一个线性方程组，未知数有N+1个，方程个数也有N+1个，可以直接求解。事实上，如果我们定义：向量<math>L=(l_0,l_1,\cdot\cdot\cdot,l_N)^T</math>，则{{EquationNote|eq2}}可以写成矩阵的形式：

<math>
L=\mu+M_{-(N+1)} L
</math>

其中<math>\mu=(1,1,\cdot\cdot\cdot,1)^T</math>，1构成的N+1维列向量。<math>M_{-(N+1)}</math>表示原始马尔科夫矩阵去掉最后一行和最后一列。则，最终L可以解出：

{{NumBlk|:|
<math>
L=(I-M_{-(N+1)}^{-1})\cdot \mu=U_{-(N+1)}\cdot \mu=(\sum_{j=0}^{N}u_{ij})_{(N+1)\times 1}
</math>
|{{EquationRef|eq3}}}}

其中矩阵U-(N+1)为U矩阵去掉最后一行和最后一列。最后一个等式是根据[[马尔科夫链删除节点的性质]]中的定理1得到的。这样L中的第i个元素就是i节点到汇的平均时间。

对于图1所示网络，我们可以计算出<math>L=(63/16, 47/16, 175/82, 66/41, 525/328, 197/164)</math>，其中从源到汇的平均路首达时间是63/16，也就是平均每个粒子经过3.9375步跳出整个网络。它刚好是<math>\sum_{j=0}^{N}u_{0j}=\frac{C_0}{T_0}+1=\frac{TST}{IS}+1</math>。这后两个等式需要参考[[流网络的异速标度律]].

===从源到任意点i的平均首达时间===

我们无法简单套用公式{{EquationNote|eq3}}来计算从源到任意点i的平均首达时间<ref name="levine"/>，这是因为如果将i节点去除，而非N+1，那么整个网络就有可能不连通，使得最后的求解出现问题。但是，我们仍然可以用类似的推理方法：我们假设0到任意i的平均首达时间为li。从源0到任意节点i的路径总可以分成两种情况，要么从0直接到i，要么从0到某个j再到i，于是假设0到j的距离为lj，则第二种情况下的平均首达时间就是：<math>\sum_{j=1}^{N+1} m'_{ji}(l_j+1)</math>。注意，在这里，马尔科夫转移概率是逆向马尔科夫转移概率m'ji而不再是m了，这是因为我们已经确定性地知道了粒子肯定到达i的情况下，它可能从j节点过来的概率。于是，在这种情况下，概率归一化的对象是给定在i观察到粒子的情况下，从所有可能的中间节点过来的概率。所以，如果使用mji的话，则不能满足概率归一的条件，所以只能用m'ij。最后，再综合第一种情况，就有：

<math>
l_i=m'_{0,i}+\sum_{j=1}^{N+1} m'_{ji}(l_j+1)=m'_{0,i}+\sum_{j=1}^{N+1} m'_{ji}+\sum_{j=1}^{N+1} m'_{ji}l_j=1+\sum_{j=1}^{N+1}m'_{ji}l_j,~~~~\forall i\neq 0
</math>

同样可以把它写作一个矩阵方程：

<math>
L=\mu+M'_{-0}L
</math>

于是，求解得：

<math>
L=(I-M'_{-0})^{-1}\mu=U'_{-0}\mu
</math>

注意，与{{EquationNote|eq3}}相比，我们把M换成了逆向马尔科夫矩阵M'。也就是说，求从源0到任意点i的首达时间问题相当于是把整个流网络倒转过来，把源当成汇，把汇当成源，然后求任意节点i到汇的首达时间问题。

对于图1所示网络，可以计算出：
<math>L'=(1, 365/164, 193/82, 529/164, 285/82, 63/16)</math>
注意，第一个元素对应的是0到1的平均首达时间，……，以此类推。那么0到汇的平均首达时间是63/16，这与上面的计算结果是一致的。

===任意节点i到任意节点j的平均首达时间===

更一般地，我们应如何求出任意点i到j的平均首达时间呢？首先，我们需要明确这个平均首达时间到底是什么意思。还是假设所有流经i点的粒子都被染上了红色，并且粒子一经过j点就被抹掉红色。这样，j点接收的粒子就是首次到达j点的粒子。同时，假设每个粒子都有一个内置的秒表。它一旦被染成红色，秒表就开始计时，每个时间步走动一次。于是我们在j点读出粒子的计时，看它从i出发走了多少时间步过来。由于每个粒子的时间不一样，于是，我们就可以求出一个均值。这就是我们要求的平均首达时间。

如何计算这个平均首达时间呢？上面介绍的方法只适用于源或汇，而不能简单地拓展到非源或汇节点。下面，我们将介绍一种非常简单实用的方法，我称其为级数法。首先，根据平均首达时间的定义，我们知道从i到j的平均首达时间可以写为：

<math>
l_{i,j}=\sum_{k=1}^{\infty}kp^{k}_{i,j}
</math>

这里，pki,j是粒子经过k步从i首达j的概率。这个概率怎么求呢？一种直观的想法就是用(Mk)i,j来计算这个数值。但是，这是错误的，因为，pki,j这个概率是指所有那些从i到j首达的粒子中，刚好经过了k步的粒子比例。而(Mk)i,j表达的则是，在所有从i出发经过k步转移后的粒子中，那些刚好到达节点j的粒子比例。这两者显然不一样，因为从i出发的粒子经过k步后不见得都到达j。

让我们只考察到达j的那些粒子，每一时刻，这个流量是固定的，有一些粒子是从i出发首达的粒子，而其中有一部分刚好经历了k步。那么，从i到j的首达粒子就可以用首达流来计算。刚好经过了k步的首达粒子如何计算呢？我们知道Φ0,i(Mk)i,j是所有经过k步转移，从i到j的粒子数。但是这些粒子并不是首达粒子，有一些曾到过j又从j到j的粒子数。为了避免这种重复，我们不妨在M上做一些手脚：我们把M中j节点对应的行都设为0，即，定义：

<math>
(M_{-j})_{p,q}=\left\{\begin{array}{ll} m_{p,q} & \mbox {if } p\neq j, \\
0 & \mbox {if } p = j\end{array}\right.
</math>

这样，概率pki,j就可以这样计算：

<math>
p^{k}_{i,j}=\frac{\phi_{0i}(M_{-j}^k)_{i,j}}{\phi_{i,j}}
</math>

于是平均首达时间就变成了求下列无穷级数和：

<math>
l_{i,j}=\sum_{k=0}^{\infty}k\frac{\phi_{0i}(M_{-j}^k)_{i,j}}{\phi_{i,j}}=\frac{\phi_{0i}(\sum_{k=1}^{\infty}kM_{-j}^k)_{ij}}{\phi_{i,j}}
</math>

那么，下面的任务就是如何求解无穷级数<math>\sum_{k=1}^{\infty}k(M_{-j})^k</math>的和。为此，我们设此和为X，则在等式两边右乘以M-j得到:

<math>
XM_{-j}=\sum_{k=1}^{\infty}kM_{-j}^{k+1}=M_{-j}^2+2M_{-j}^3+\cdot\cdot\cdot
</math>

与等式<math>X=M_{-j}+2M_{-j}^2+3M_{-j}^3+\cdot\cdot\cdot</math>相减得到：

<math>
XM_{-j}-X=-(M_{-j}+M_{-j}^2+M_{-j}^3+\cdot\cdot\cdot)=-M_{-j}U_{-j}
</math>

于是，解出：

<math>
X=M_{-j}U_{-j}^2
</math>

其中，<math>U_{-j}=\sum_{k=0}^{\infty}M_{-j}^k=(I-M_{-j})^{-1}</math>
所以，i到j的平均首达时间就是：

<math>
l_{i,j}=\frac{\phi_{0i}(M_{-j}U_{-j}^2)_{ij}}{\phi_{i,j}}=\frac{\phi_{0i}(M_{-j}U_{-j}^2)_{ij}}{\frac{\phi_{0i}u_{ij}}{u_{jj}}}=\frac{u_{jj}(M_{-j}U_{-j}^2)_{ij}}{u_{ij}}
</math>

又根据[[马尔科夫链删除节点的性质]]，我们可以把上式简化为：

<math>
l_{i,j}=\frac{u_{jj}(M_{-j}U_{-j}^2)_{ij}}{u_{ij}}=\frac{(MU^2)_{ij}}{u_{ij}}-\frac{(MU^2)_{jj}}{u_{jj}}
</math>

于是我们得到了从任意节点i到j的平均首达时间计算公式。将这个公式套用到图1所示的网络上，我们可以得到从任意点i到j的平均首达时间，这就构成了平均首达时间矩阵：

<math>L=
\left(
\begin{array}{ccccccc}
0 & 1 & 88/41 & 373/164 & 7218/2255 & 557/164 &
63/16 \\
\infty & 0 & 47/41 & 209/164 & 4963/2255 &
393/164 & 47/16 \\
\infty & \infty & 0 & 9/4 & 58/55 & 5/4 & 175/82
\\
\infty & \infty & 1 & 0 & 113/55 & 9/4 & 66/41 \\
\infty & \infty & 3 & 2 & 0 & 1 & 525/328 \\
\infty & \infty & 2 & 1 & 168/55 & 0 & 197/164 \\
\infty & \infty & \infty & \infty & \infty & \infty & 0
\end{array}
\right)
</math>

我们看到，这与前面计算的从0到所有点，以及从所有点到汇的距离是一致的，这进一步验证了这个方法的正确性。

===平均时间===

根据上述级数法求解平均首达时间的启发，我们还可以求出从任意点i到达任意点j的平均时间而非平均首达时间。这里，平均时间按照如下方式定义：所有经过i的节点染成红色，并且永不退色，而且，经过i的粒子就开启一个计时器，则从j点处统计红色粒子，计算它们计时器所经历的时间。

有趣的是，按照上述方法，这个平均时间比平均首达时间更容易计算。还是按照平均时间的定义：

<math>
k_{i,j}=\sum_{k=1}^{\infty}kp^{k}_{i,j}
</math>

这里<math>p^{k}_{i,j}</math>的计算不用再考虑首达问题，于是

<math>p^{k}_{i,j}=\frac{\phi_{0i}(M^k)_{i,j}}{T'_{i,j}}</math>

这里，<math>T'_{i,j}</math>应为从i到j的总流。理应代入前面得到的关于<math>T_{i,j}</math>的表达式。这大体上正确，只有在i=j的时候不正确。因为在<math>T_{i,i}</math>中包含了从0到i的首达流<math>\phi_{0,i}</math>，而在平均时间的计算中，这部分流量不应包含，故而<math>T'_{i,i}=T_{i,i}-1</math>。所以：

<math>
T'_{i,j}=\phi_{0,i}(MU)_{ij}
</math>

从而时间：

<math>
p_{i,j}^k=\frac{(M^k)_{i,j}}{(MU)_{ij}}
</math>

所以，平均时间的计算公式为：

<math>
k_{i,j}=\frac{(MU^2)_{ij}}{(MU)_{ij}}
</math>

根据这个公式，计算图1所示网络，得到彼此平均时间的矩阵为：

<math>
K=
\left(
\begin{array}{ccccccc}
\infty & 1 & 365/164 & 193/82 & 529/164 & 285/82 &
63/16 \\
\infty & \infty & 201/164 & 111/82 & 365/164 & 203/82
& 47/16 \\
\infty & \infty & 273/82 & 191/82 & 177/164 &
109/82 & 175/82 \\
\infty & \infty & 177/164 & 273/82 & 341/164 &
191/82 & 66/41 \\
\infty & \infty & 505/164 & 341/164 & 669/164 &
177/164 & 525/328 \\
\infty & \infty & 341/164 & 177/164 & 505/164 &
273/82 & 197/164 \\
\infty & \infty & \infty & \infty & \infty & \infty & \infty
\end{array}
\right)
</math>

有趣地是，对角线元素表达的是节点i到i的平均回归时间，它可以用于节点i的中心度刻画。

<math>k_{i,i}=(\infty,\infty,273/82,273/82,669/164,273/82,\infty)</math>

该数值越小，说明这个节点在整个网络中的流量循环也就越快。

另外，我们还可以通过比较平均时间矩阵和平均首达时间矩阵，会发现任意两点之间的平均时间都比平均首达时间要大一些，通过做这两个矩阵的差，我们得到：

<math>
K-L=
\left(
\begin{array}{ccccccc}
& 0 & 13/164 & 13/164 & 223/9020 & 13/164 & 0 \\
& & 13/164 & 13/164 & 223/9020 & 13/164 & 0 \\
& & 273/82 & 13/164 & 223/9020 &13/164 & 0 \\
& & 13/164 & 273/82 & 223/9020 &13/164 & 0 \\
& & 13/164 & 13/164 & 669/164 &13/164 & 0 \\
& & 13/164 & 13/164 & 223/9020 &273/82 & 0 \\
& & & & & &
\end{array}
\right)
</math>

观察这个矩阵，我们发现，所有有值的列除了对角线拥有相同的数值。这表明任何一点到达某一个点的平均时间与首达平均时间之差均为常数，并且出于同一环上的不同节点具有相同的数值，例如2,3,5。

==参考文献==

历史上，经济学家最早给出了U矩阵（也称为Leontief矩阵）的定义，请参照[[投入产出分析]]。后来生态学家Finn将这种分析方法引入到<ref name="finn"/>了生态流网络中用于分析能量流网络。Patten、Ulanowicz等人将这套方法系统化，提出了Environ理论<ref name="environ">{{cite journal | last = Patten| first = Bernard C.| date = 1982 | title = Environs: Relativistic elementary particles for ecology| journal = The American Naturalist| volume = 119| pages = 179-219}}</ref><ref>{{cite journal | last = Patten| first = Bernard C.| date = 1985 | title = Energy Cycling in the Ecosystem| journal = Ecological Modelling| volume = 28| pages =1-71}}</ref><ref>{{cite journal | last = Ulanowicz| first = Roberte E.| last2= Wolff | first2=Wilfried F.| date = 1990 | title = Ecosystem Flow Networks: Loaded Dice?| journal = Mathematical Biosciences| volume = 103| pages =45-68}}</ref>。随后，这些人又将这套方法进一步扩展以讨论能量流的循环与存储问题<ref>{{cite journal | last = Patten| first = Bernard C.| last2= Higashi| first2=Masahiko| last3= Burns | first2=Thomas P.| date = 1990 | title = Trophic Dynamics in Ecosystem Networks: Significance of Cycles and Storage| journal = Ecological Modelling| volume = 51| pages =41-28}}</ref>以及能量流的节律等问题<ref>{{cite journal | last2 = Burns| first2 = Thomas P.| last= Higashi| first=Masahiko| last3= Patten| first2=Bernard C.| date = 1993 | title = Network trophic dynamics: the tempo of energy movement and availability in ecosystems| journal = Ecological Modelling| volume = 66| pages =43-64}}</ref>。

将流网络建模成马尔科夫链不仅仅可以讨论流量、时间等问题，还可以讨论如电导经过某点中转的平均首达时间等问题。<ref>{{cite journal | last = Hilfer| first = R.| last1= Blumen| first=A.| date = 1988| title = Probabilistic interpretation of the Einstein relation| journal = Physical Review A| volume = 37| pages =578-581}}</ref>

<references>

==相关词条==

[[流网络]]

[[category:流网络]]
[[Category:旧词条迁移]]

埃文 · 汤普森 Evan Thompson

2020-10-14T14:00:15Z

Thingamabob：创建页面，内容为“https://evanthompson.me/ File:埃文.jpg ==基本信息== 埃文·汤普森，温哥华英属哥伦比亚大学哲学教授，亚洲研究系和心理学系(认…”

https://evanthompson.me/
[[File:埃文.jpg]]
==基本信息==
埃文·汤普森，温哥华英属哥伦比亚大学哲学教授，亚洲研究系和心理学系(认知科学组)副成员。他是加拿大皇家学会的会员。他研究的是心灵、自我和人类经验的本质。他的作品结合了认知科学、精神哲学、现象学和跨文化哲学，尤其是亚洲哲学传统。埃文是加拿大皇家学会的当选会员。埃文1983年在阿默斯特学院获得亚洲研究的学士学位，1990年在多伦多大学获得哲学博士学位。2005年至2013年，他在多伦多大学担任哲学教授，2002年至2005年在约克大学担任加拿大认知科学和具身心灵研究主席。2014年，他被加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)佛教研究中心邀请为客座教授。他还应邀访问了耶拿市弗里德里希-席勒大学哲学系、巴黎理工学院、哥本哈根大学主观性研究中心和博尔德市科罗拉多大学哲学系。2012年,他试着与基督教Coseru杰伊·加菲尔德,国家人文基金会夏季研究所调查意识:佛教和当代哲学的观点,他将再次联合,Coseru和加菲尔德,2018年NEH夏季研究所的东方和西方哲学的自我认识。埃文目前担任精神和生命研究所指导委员会的联合主席，并是英属哥伦比亚纳尔逊卡莱因中心对话和教育工作小组的成员。Evan的妻子Rebecca Todd是认知神经学家和心理学家。托德是英属哥伦比亚大学(University of British Columbia)心理学系的助理教授，并领导着动机认知实验室(Motivated Cognition Lab)。
==研究领域==
近年来，对色彩视觉的研究一直是认知科学的主要成功案例之一，因为该领域的每一门学科——神经科学、心理学、语言学、计算机科学和人工智能，以及哲学——都对我们对色彩的理解做出了重大贡献。埃文·汤普森的书是对这一跨学科项目的重大贡献。色彩视觉提供了一个通俗易懂的回顾，目前的科学和哲学讨论的色彩视觉。汤普森在对颜色的主观和客观立场之间进行了一场辩论，并提出了一个相关的解释。
==联系方式==
*电话:604 8270027
*传真:604 822 8782

==主要著作==

*《清醒、做梦、存在:神经科学、冥想与哲学中的自我与意识》(哥伦比亚大学出版社，2015);
*《生命中的心灵:生物学、现象学与心灵科学》(哈佛大学出版社，2007);《色彩视觉:认知科学与知觉哲学研究》(劳特利奇出版社，1995)
*弗朗西斯科·j·瓦雷拉(Francisco J. Varela)和埃莉诺·罗奇(Eleanor Rosch)合著了《具身心灵:认知科学与人类体验》(the Mind: Cognitive Science and Human Experience，麻省理工学院出版社，1991年，2016年修订版)
==相关链接==
*脸书链接：https://www.facebook.com/evan.timothy.thompson?ref=ts&fref=ts
*推特链接：https://twitter.com/evantthompson
[[Category:自创生理论]]
[[Category:人物]]
[[Category:旧词条迁移]]

国际贸易网

2020-10-14T13:54:38Z

Thingamabob：创建页面，内容为“国际贸易网是指描述世界各国相互之间贸易关系的一种复杂网络模型，每个节点是一个参与贸易的国家，每条连边表示两…”

国际贸易网是指描述世界各国相互之间贸易关系的一种[[复杂网络]]模型，每个节点是一个参与贸易的国家，每条连边表示两个国家之间的贸易，流量代表两国之间的贸易额。目前，已有大量的双边国际贸易数据存在，因此，人们可以构建非常完整的国际贸易网络。

=='''文献导读'''==
===基于流网络探讨国际贸易中的多层网络<ref name="ShenBin">{{cite journal|last=Shen|first=Bin|first2=Jiang|last2=Zhang|first3=QiuHua|last3=Zheng|title=Exploring multi-layer flow network of international trade based on flow distances|year=2015|journal=Quantitative Finance}}</ref>===

文章概要：文章基于流网络的方法建立了分产品的多层贸易网络（关于流动网络的基础知识参见[[流动网络]]），并且定义了贸易网络中的货币流和物质流，在物质流中，商品从出口方流入进口方，源可以理解为各国国内的生产，汇可以看成各国的消费；相反货币流中，资金从进口国流向出口国，源是国内需求驱使下造成的贸易赤字，汇是国内的生产盈余。文章探究了不同国家在不同产品网络中的“生态位”（是更偏向于出口国（生产者）还是进口国（消费者）），即源到各国的距离的远近，以此衡量国家在流动网络中的重要性；发现了竞争力强的国家汇进出口更丰富的产品，相反竞争力弱的国家进出口产品的种类较少；提出了调和中心度的指标计算，在贸易网络中发现了中心分层的现象竞争力强的国家在多数产品贸易网络中占据中心位置，弱国在大多数产品贸易中都处在外围；发现了工业品的网络从源到汇的距离相比农业品从源到汇的距离更远。

===国际贸易流网络<ref name=" Shi, Peiteng">{{cite journal|last= Shi|first=Peiteng|first2=Jingfei|last2= Luo|first3=Penghao|last3=Wang|first4=Jiang |last4= Zhang|title=Centralized Flow Structure of International Trade Networks for Different Products|year=2013|journal=International Conference on Management Science & Engineering}}</ref>===

本文通过基于流网络建立国际贸易网络，观察2000年中800个产品的异速标度指数，发现大部分商品贸易网络大体上是中心化的。此外，该文作者将800种不同的产品都统一在一个坐标系下，更加直观地表示不同的商品大分类所具备的η值范围。结果表明大部分的工业产品在右侧，而农副产品产品在左侧。所以，说明工业品中性化更明显。

=='''数据来源及预处理'''==
介绍两种与贸易相关的数据集及其预处理方法，最终得到加权的贸易邻接矩阵。

===NBER-UN数据集===

====数据来源及格式====
* 国家经济研究局（National Bureau of Economic Research）提供了一套完整的从1962年到2000年的4位编码（SITC4）的国际贸易数据集，在每一年的数据中，有将近200个国家的近800种产品的双边贸易流量记录.[http://cid.econ.ucdavis.edu/nberus.html 下载链接]。

*原始数据为*.dta格式，matlab及python读取困难，需进行一步数据格式转换，存储为*.xlsx/*.xls/*.csv文件，进行矩阵处理与运算（可使用Stata进行格式转换处理，[http://pan.baidu.com/s/1kVhYYrX stata下载链接]）。

*转换后的*.xlsx/*.xls/*.csv文件表格结构如下：
[[File:internationaltradedata.png|800px]]

*数据格式：importer, exportor分别是进口国和出口国，sitc4是按照国际编码体系SITC4编码的产品种类，value是贸易额，unit是该商品的出口单位，quantity是该商品的出口数量。dot指代贸易流动方向，1=data is from importer,2=data is from exporter。例如：上图中第一条数据，Saudi Arabia在1986期间年从Turkey进口了sitc4编号为8510的产品，产品进口总额为248美元，共29公吨。

*关于SITC4编码的说明：SICT(Standard International Trade Classificatioon)为国际贸易标准分类方法，将贸易产品分为 10 大类（一位数）、66 章（二位数）、262(组（三位数）、1023 个分组（四位数）和 2652 个基本编号（五位数），具体内容请详见链接。[https://unstats.un.org/unsd/cr/registry/regcst.asp?Cl=8&Lg=1 SITC4]在本数据集中，有些SITC4编码以X、A等字母为结束，表示该商品的分类未有详细记录，或者是为了补全贸易数据人工添加的记录。

*关于该数据库的其他说明：一国到世界（World）的出口或者进口并不一定等于一国到所有国家的出口或者进口，这是因为统计误差的存在。在数据下载链接中有"FQA on NBER-UN data"说明文档，如有更多其他问题，请参考。[http://cid.econ.ucdavis.edu/data/undata/FAQ_on_NBER-UN_data.pdf FQA on NBER-UN data]

====数据预处理====
=====处理总贸易数据，得到贸易额列表=====

以62-00年各国不分产品总贸易额为例，逐年对NBER-UN国际贸易数据集进行分类汇总（该汇总列表由美国国家经济研究局NBER统计并整理，'''仅涵盖1962-2000年不分产品的贸易总额'''，若研究分产品贸易网络，则需要按照个人需求从1962-2000年详具的39份年际贸易列表中逐年提取并汇总），按照1-202序列对全部202个国家重新编码（新编码Num代表该国在国际贸易矩阵中的行列号；'''注意，为保持贸易矩阵结构统一，此处的国家编码应与分产品贸易网的国家编码保持一致'''），汇总后整合表格结构如下：

[[File:62-00整合表格样例.JPG|800px]]

其中，Ecode表示出口国在NBER进行统计汇总时的原始代码，Icode表示进口国的原始代码，Num表示各国的新编码，即该国在国际贸易矩阵中的行列号，Value表示逐年的贸易总额（如：Value62表示1962年的出口国-进口国间的贸易总额）

以上预处理过后，可使用matlab及python读取贸易额并进行矩阵处理运算，预处理后的[http://pan.baidu.com/s/1nuPEcDb *.xlsx下载链接]

=====从总贸易额列表生成贸易矩阵（MATLAB代码）=====
将预处理后的贸易列表（列表结构，共202个国家地区，*xlsx格式）调整至202*202贸易矩阵，并保存成*.xlsx格式，按照“年份.xlsx”格式命名。调整后的贸易矩阵[http://pan.baidu.com/s/1pKZJvth F下载链接]，矩阵结构如下：

[[File:贸易矩阵F.JPG|800px]]

<syntaxhighlight lang="matlab">
function [ F,country ] = nber2matrix( file,savepath,year )

%此函数用于：调整表格结构，将原始数据集（列表结构，共202个国家地区）调整至202*202贸易矩阵F，并保存成*.xlsx格式，按照“年份.xlsx”格式命名

%矩阵结构
%第一列：出口国；第一行：进口国；单元格数值：出口国-进口国之间的贸易额

%调用此函数前，需进行数据预处理，对贸易列表中的国家赋值唯一编码：
%1.已有数据集：NBER62-00（数据来源：http://cid.econ.ucdavis.edu/nberus.html）；
%2.在原始数据集中（xlsx格式存储）新建sheet，自主编码（若有n个贸易国家，则自1到n编码）并赋值到列表中的每个国家（可使用excel中的index函数）；

%输入参数：
%file：原始数据集路径+名称，char类型，如：'D:\dataset_NBER-UN\dta\wtf_bilat\NBER-UN_62-00.xlsx'
%savepath：调整后的矩阵存储路径，char类型，如：'D:\dataset_NBER-UN\test\'
%year：年份，double类型

%输出参数：
%F：贸易矩阵
%country：原始数据集中的国家地区列表

%读取贸易列表
[data,textdata]=xlsread(file,1);
%读取国家编码
[num,country]=xlsread(file,2);
%提取参与贸易的国家
country=country(2:end,1);
%将贸易列表调整至贸易矩阵F
F=nan(size(country,1),size(country,1));
for i=1:size(data,1)
F(data(i,1),data(i,4))=data(i,year-1961+4);
end

%创建并存储贸易矩阵xlsx文档
items={'Country'};%创建数据标题
format='.xlsx';%设置存储格式
sheet = sprintf(num2str(year)); %创建工作表
xlsxname=num2str(year);%设置文档名称
xlswrite([savepath xlsxname format], items, sheet);%创建xlsx文档
range1 = sprintf('B2:%s%d',[char(double('A')+fix((size(F,2)/26))-1),char(double('A')+mod(size(F,2),26))],size(F,1)+1);%从F中获取贸易矩阵放置范围
xlswrite([savepath xlsxname format], F(:,:), sheet, range1);%写入贸易总额
range2 = sprintf('A2:%s%d','A',char(size(F,1)+1)); %从F中获取出口国的放置范围
xlswrite([savepath xlsxname format], country(:,:), sheet, range2);%写入出口国
range3 = sprintf('B1:%s%d',[char(double('A')+fix((size(F,2)/26))-1),char(double('A')+mod(size(F,2),26))],char(1)); %从F中获取进口国的放置范围
xlswrite([savepath xlsxname format], country(:,:)', sheet, range3);%写入进口国

end

</syntaxhighlight>

=====处理分产品的贸易数据，直接得到贸易矩阵（Matlab代码）=====

利用1962-2000年逐年详细贸易列表（[http://pan.baidu.com/s/1nveAt7r 样例数据下载链接]），按列表结构如下图：

[[File:1962年分产品贸易列表.JPG|600px]]

进行一步预处理：新建sheet页，按照1-202序列对全部202个国家重新编码（编码可参考样例数据sheet2中的结构；'''注意，为保持贸易矩阵结构统一，此处的国家编码应与2.1.2.1贸易总额的国家编码保持一致'''）

预处理后，按照Sitc4编码提取产品，并调整为贸易矩阵F，保存成*.xlsx格式，按照“年份_SITC4码.xlsx”格式命名,代码如下：

<syntaxhighlight lang="matlab">
function [ F,country ] = nber2matrix_sitc( file,savepath,sitc4 )

%此函数用于：调整表格结构，将原始数据集（列表结构，共n个国家地区）分产品调整至n*n贸易矩阵，并保存成*.xlsx格式，按照“年份_SITC4码.xlsx”格式命名

%矩阵结构
%第一列：出口国；第一行：进口国；单元格数值：分产品出口国-进口国之间的贸易额

%调用此函数前，需进行数据预处理，对贸易列表中的国家赋值唯一编码：
%1.已有数据集：NBER62-00（数据来源：http://cid.econ.ucdavis.edu/nberus.html）；
%2.在原始数据集中（xlsx格式存储）新建sheet，自主编码（若有n个贸易国家，则自1到n编码）；

%输入参数：
%file：原始数据集路径+名称，char类型，如：'D:\dataset_NBER-UN\dta\wtf_bilat\NBER-UN_62-00.xlsx'
%savepath：调整后的矩阵存储路径，char类型，如：'D:\dataset_NBER-UN\test\'
%sitc4：产品的Sitc4编码，char类型

%输出参数：
%F：贸易矩阵
%country：原始数据集中的国家地区列表

%读取贸易列表
[data,textdata]=xlsread(file,1);
%读取国家编码
[num,country]=xlsread(file,2);
%提取参与贸易的国家
country=country(2:end,1);
%将当年贸易网络中的国家与编码对应
[tf_exp,index_exp]=ismember(textdata(2:end,5),country);
[tf_imp,index_imp]=ismember(textdata(2:end,3),country);
%按sitc4编码提取产品
for i=1:size(textdata,1)-1
sitc(i,1)=str2num(textdata{i+1,6});
end
re_data=[index_exp,index_imp,sitc,data(:,9)];
sitc4=str2num(sitc4);
[r,c]=find(re_data(:,3)==sitc4);
re_data_sitc4=re_data(r,:);
%将贸易列表调整至贸易矩阵F
F=nan(size(country,1),size(country,1));
for i=1:size(re_data_sitc4,1)
if re_data_sitc4(i,1)~=0&&re_data_sitc4(i,2)~=0
F(re_data_sitc4(i,1),re_data_sitc4(i,2))=re_data_sitc4(i,4);
end
end

%创建并存储贸易矩阵xlsx文档
items={'Country'};%创建数据标题
format='.xlsx';%设置存储格式
sheet = sprintf(num2str(data(1,1))); %创建工作表
xlsxname=[num2str(data(1,1)),'_',num2str(sitc4)];%设置文档名称,以“年份_SITC4码”命名
xlswrite([savepath xlsxname format], items, sheet);%创建xlsx文档
range1 = sprintf('B2:%s%d',[char(double('A')+fix((size(F,2)/26))-1),char(double('A')+mod(size(F,2),26))],size(F,1)+1);%从F中获取贸易矩阵放置范围
xlswrite([savepath xlsxname format], F(:,:), sheet, range1);%写入贸易总额
range2 = sprintf('A2:%s%d','A',char(size(F,1)+1)); %从F中获取出口国的放置范围
xlswrite([savepath xlsxname format], country(:,:), sheet, range2);%写入出口国
range3 = sprintf('B1:%s%d',[char(double('A')+fix((size(F,2)/26))-1),char(double('A')+mod(size(F,2),26))],char(1)); %从F中获取进口国的放置范围
xlswrite([savepath xlsxname format], country(:,:)', sheet, range3);%写入进口国

end

</syntaxhighlight>

调整后的分产品贸易矩阵如下：

[[File:调整后的1962年分产品（SITC4编码：5222）贸易矩阵.JPG|600px]]

===UN Comtrade数据集===
====数据来源及结构====
[https://comtrade.un.org/ UN Comtrade]

[http://pan.baidu.com/s/1miNo2oS total trade in 2000]

联合国商品贸易统计数据库（UN Comtrade Database）提供了一套完整的从1962年到2016年的国际贸易数据集。在每一年的数据中，有将近200个国家的产品双边贸易流量记录。

该数据集的格式如下图所示：

[[File:Trade.png|800px]]

其中year表示年份，reporter和partner分别是贸易信息发布者和其贸易伙伴，trade flow是贸易流动方向，import和export分别是进口和出口，trade value是总贸易额。

例如：上图中第二条数据，Ireland在2002年期间向Afghanistan出口了1674942美元的产品。

====数据预处理====
=====基于comtrade数据库的分产品贸易网络处理=====

基本过程：
分产品贸易流网络模型构建流程：
1.从comtrade数据库中下载，需要的产品数据库
由于comtrade数据库产品分类是海关编码HS，产品HS码查询：http://www.hsbianma.com/
有了HS编码以后就可以在comtrade数据库中下载贸易数据了：
注：选择你需要的年份、reporter，partners（这两个就是进出口国）、填入海关数据编码，就可以了。
2.下载的数据类型是列表的形式，如上表所示
需要注意：1.剔除贸易数据中reporter和partners为空白、world等数据。
2.保留flow标识为1的数据
3.完成1、2步骤以后，只保留reporter code、partners code以及value三列数据
利用代码即可将编列表转换成矩阵的形式：Z=sparse(el(:,1)',el(:,2)',el(:,3)')（其中el是上述保留列表的矩阵名）

=='''构建贸易流动网络方法及代码'''==
===MATLAB代码===
====步骤一、给贸易网络添加源汇====
首先剔除贸易网络外的国家（不与其他任何国家进行进出口贸易），并添加源汇，调整至（m+2）*（m+2）平衡态贸易矩阵（共m个国家地区参与贸易网络，添加源汇各两行两列），保存成*.xlsx格式，并按照“年份_add_ss.xlsx”命名，添加源汇后的平衡贸易矩阵结构如下：

[[File:平衡态F矩阵.JPG|800px]]

<syntaxhighlight lang="matlab">

function [ F_add_ss,country ] = add_source_sink( file,savepath,year )

%此函数用于在贸易矩阵基础上，首先剔除贸易网络外的国家（不与其他任何国家进行进出口贸易），然后添加源汇，调整至（m+2）*（m+2）平衡态贸易矩阵（共m个国家地区参与贸易网络），保存成*.xlsx格式，并按照“年份_add_ss.xlsx”命名

%矩阵结构
%第一列：源+出口国+汇；第一行：源+进口国+汇；单元格数值：出口国-进口国之间的贸易额

%调用此函数前，需首先调用nber2matrix函数，生成n*n贸易矩阵（NBER原始数据集共包含n个国家）

%输入参数：
%file：n*n贸易矩阵路径+名称，char类型，如：'D:\dataset_NBER-UN\test\1962.xlsx'
%savepath：调整后的平衡贸易矩阵存储路径，char类型，如：'D:\dataset_NBER-UN\test\'
%year：年份，double类型

%输出参数：
%F：平衡态贸易矩阵
%country：参与贸易网络的m个国家地区列表

%读取贸易矩阵
[data,textdata]=xlsread(file,2);
%补齐矩阵
if size(data,1)~=(size(textdata,1)-1)
data((size(data,1)+1):(size(textdata,1)-1),:)=nan;
end
if size(data,2)~=(size(textdata,2)-1)
data(:,(size(data,2)+1):(size(textdata,2)-1))=nan;
end
%剔除异常值
for i=1:size(data,1)
for j=1:size(data,2)
if isnan(data(i,j))
data(i,j)=0;
end
end
end
%剔除空行空列（存在空行或空列）
r=find(any(data,2)==0);
c=find(any(data,1)==0);
d=union(r,c);
data(d,:) = [];
data(:,d) = [];
%删除空行空列对应的国家
textdata(d+1,:)=[];
textdata(:,d+1)=[];
data=[zeros(size(data,1),1),data,zeros(size(data,1),1)];
data=[zeros(1,size(data,2));data;zeros(1,size(data,2))];
%添加源汇；
%“源-某国家”=“该国家总出口额”-“该国家总进口额”
%“某国家-汇”=“该国家总进口额”-“该国家总出口额”
for i=2:size(data,1)-1
if sum(data(i,:))>sum(data(:,i))
data(1,i)=sum(data(i,:))-sum(data(:,i));
else
data(i,end)=sum(data(:,i))-sum(data(i,:));
end
end
F_add_ss=data;
%创建并存储贸易矩阵xlsx文档
xlsname=[num2str(year),'_add_ss'];%设置文档名称
sheet= sprintf(num2str(year)); %创建工作表
format='.xlsx';%设置存储格式
items=' country';%创建数据标题
xlswrite([savepath xlsname format], items, sheet);%创建xlsx文档
country=[[cell(1,1),'Source',textdata(1,2:end),'Sink'];[['Source';textdata(2:end,1);'Sink'],cell(size(F_add_ss,1),size(F_add_ss,2))]];%在国家列表中源汇各一行一列
range1 = sprintf('B2:%s%d',[char(double('A')+fix((size(F_add_ss,2)/26))-1),char(double('A')+mod(size(F_add_ss,2),26))],size(F_add_ss,1)+1); %从源文件中获取的贸易额的放置范围
xlswrite([savepath xlsname format], F_add_ss, sheet, range1);%写入贸易额
range2 = sprintf('A1:%s%d','A',size(country,1)); %从源文件中获取的出口国的放置范围
xlswrite([savepath xlsname format], country(:,1), sheet, range2);%写入出口国
range3 = sprintf('A1:%s%d',[char(double('A')+fix((size(F_add_ss,2)/26))-1),char(double('A')+mod(size(F_add_ss,2),26))],1); %从源文件中获取的进口国的放置范围
xlswrite([savepath xlsname format], country(1,:), sheet, range3);%写入进口国

end

</syntaxhighlight>

====步骤二、形成源-国家、国家-汇的首达距离列表L====

在平衡态贸易矩阵基础上，计算各国家地区之间的首达距离，并形成源-国家、国家-汇的首达距离列表L，存储成*.xlsx格式，并按照“年份_L.xlsx”命名，L列表结构如下：

[[File:L列表样例.JPG|800px]]

<syntaxhighlight lang="matlab">

function [ L_all,L,country ] = F2L( file,savepath,year )

%此函数用于：在平衡态贸易矩阵基础上，计算各国家地区之间的首达距离L_all，并形成源-国家、国家-汇的首达距离列表L

%首达距离列表结构
%第一列：国家名称；第二列：源-国家的首达距离；第三列：国家-汇的首达距离

%调用此函数前，需首先调用add_source_sink函数，生成（m+1）*（m+1）平衡态贸易矩阵（共m个国家地区参与进贸易网络）

%输入参数：
%file：（m+1）*（m+1）平衡态贸易矩阵路径+名称，char类型，如：'D:\dataset_NBER-UN\test\1962_ass_ss.xlsx'
%savepath：首达距离列表L存储路径，char类型，如：'D:\dataset_NBER-UN\test\'
%year：年份，double类型

%输出参数：
%L_all：各国家地区之间的首达距离矩阵
%L：源-国家、国家-汇的首达距离列表
%country：参与贸易网络的m个国家地区列表

%读取平衡态贸易矩阵
[data,textdata]=xlsread(file,2);
%计算概率转移矩阵M
F=data;
a=sum(F,2);
for i=1:size(F,1);
for j=1:size(F,2);
if i<size(F,1);
M(i,j)=F(i,j)/a(i,1);
else
M(i,j)=0;
end
end
end
%计算基础矩阵U
U=inv(eye(size(M,1))-M);
M1=M*U^2;
%计算均首达距离矩阵L_all
for i=1:size(U,1)
for j=1:size(U,2)
L_all(i,j)=M1(i,j)/U(i,j)-M1(j,j)/U(j,j);
end
end
%提取源-国家、国家-汇首达距离列表L
L=[L_all(1,2:(size(L_all,2)-1))',L_all(2:(size(L_all,1)-1),end)];
NBER_L{1,1}=num2str(year);
NBER_L{2,1}=textdata(1,3:end-1)';
NBER_L{3,1}=L;
country=NBER_L{2,1};
%创建并存储首达距离列表xlsx文档
xlsname=[num2str(year),'_L'];%设置文档名称
sheet= sprintf(num2str(year));%创建工作表
format='.xlsx';%设置存储格式
items={'country','source to country','country to sink'};%创建数据标题
xlswrite([savepath xlsname format], items, sheet);%创建xlsx文档

xlswrite([savepath xlsname format], NBER_L{2,1} , sheet,'A2'); %在第一列写入国家
range = sprintf('B2:%s%d',char(double('B')+size(NBER_L{3,1},2)-1), size(NBER_L{3,1},1)+1); %从首达距离列表中获取的距离放置位置
xlswrite([savepath xlsname format], NBER_L{3,1}, sheet, range);%写入距离

end

</syntaxhighlight>

====步骤三、计算各国家地区之间C矩阵====

去除贸易网络进出口方向性，进行一步对称处理，得到无向贸易流网络C，存储成*.xlsx格式，并按照“年份_C.xlsx”命名

[[File:C矩阵样例.JPG|800px]]

<syntaxhighlight lang="matlab">

function [ C,country ] = F2C( file,savepath,year )

%此函数用于：在平衡态贸易矩阵基础上，计算各国家地区之间C矩阵

%输入参数：
%file：（m+1）*（m+1）平衡态贸易矩阵路径+名称，char类型，如：'D:\dataset_NBER-UN\test\1962_add_ss.xlsx'
%savepath：首达距离列表L存储路径，char类型，如：'D:\dataset_NBER-UN\test\'
%year：年份，double类型

%输出参数：
%C：对称矩阵C
%country：参与贸易网络的m个国家地区列表

%读取平衡态贸易矩阵
[data,textdata]=xlsread(file,2);
%计算概率转移矩阵M
F=data;
a=sum(F,2);
for i=1:size(F,1);
for j=1:size(F,2);
if i<size(F,1);
M(i,j)=F(i,j)/a(i,1);
else
M(i,j)=0;
end
end
end
%计算基础矩阵U
U=inv(eye(size(M,1))-M);
M1=M*U^2;
%计算均首达距离矩阵L_all
for i=1:size(U,1)
for j=1:size(U,2)
L_all(i,j)=M1(i,j)/U(i,j)-M1(j,j)/U(j,j);
end
end
L_all(:,1)=conj(L_all(1,:));
L_all(size(L_all,1),:)=conj(L_all(:,size(L_all,2)));
%计算C矩阵
for i=1:size(L_all,1)
for j=1:size(L_all,2)
C(i,j)=2*1/(1/L_all(i,j)+1/L_all(j,i));
end
end
%创建并存储首达距离列表xlsx文档
xlsname=[num2str(year),'_C'];%设置文档名称
sheet= num2str(year);%创建工作表
format='.xlsx';%设置存储格式
items=' country';%创建数据标题
xlswrite([savepath xlsname format], items, sheet);%创建xlsx文档
country=textdata;

range1 = sprintf('B2:%s%d',[char(double('A')+fix((size(C,2)/26))-1),char(double('A')+mod(size(C,2),26))],size(C,1)+1); %从源文件中获取的对称矩阵C的放置范围
xlswrite([savepath xlsname format], C, sheet, range1);%写入C矩阵
range2 = sprintf('A1:%s%d','A',size(country,1)); %从源文件中获取的出口国的放置范围
xlswrite([savepath xlsname format], country(:,1), sheet, range2);%写入出口国
range3 = sprintf('A1:%s%d',[char(double('A')+fix((size(C,2)/26))-1),char(double('A')+mod(size(C,2),26))],1); %从源文件中获取的进口国的放置范围
xlswrite([savepath xlsname format], country(1,:), sheet, range3);%写入进口国

end

</syntaxhighlight>

==参考文献==

<references/>

[[category:流网络]]
[[category:国际贸易]]
[[Category:旧词条迁移]]

唐·托斯利 Don Towsley

2020-10-14T13:53:31Z

Thingamabob：创建页面，内容为“==基本信息== 右姓名：Don Towsley（唐·托斯利）出生：1949年国籍：美国母校：德克萨斯…”

==基本信息==
[[File:Don Towsley.jpg|缩略图|右]]

姓名：Don Towsley（唐·托斯利）
出生：1949年
国籍：美国
母校：德克萨斯大学大学
学位：物理学学士学位和博士学位；德克萨斯大学的计算机科学学位
研究方向：网络测量，建模和分析

==博士生导师==

K. Mani Chandy（K.玛尼·昌迪）

==学生==

张志立

== 就职企业、机构或院校 ==

特聘教授在计算机科学系在马萨诸塞大学-阿默斯特，在那里他共同指导[http://gaia.cs.umass.edu/ 网络研究实验室]。

Towsley教授是AT＆T Labs-Research，IBM Research，INRIA，Microsoft Research Cambridge和Paris 6大学的客座科学家。

目前担任IEEE / ACM网络事务主编以及《 ACM 杂志》和《 IEEE通信领域的精选杂志》的编委。他目前是IFIP关于计算机性能测量，建模和分析的7.3工作组主席。他还曾在多个编辑委员会任职，其中包括IEEE Transactions on Communications and Performance Evaluation的编辑委员会。。他多年来一直活跃在众多会议的程序委员会中，包括IEEE Infocom，ACM SIGCOMM，ACM SIGMETRICS和IFIP Performance会议，并曾担任ACM SIGMETRICS和Performance会议的技术程序联席主席。

==成就==

曾获得2007年IEEE小林Keji电脑和通信奖，1999年IEEE通信学会William Bennett奖。，以及多个会议/研讨会最佳论文奖。他还是马萨诸塞州大学总理奖章的获得者和马萨诸塞州大学自然科学与数学学院的杰出研究奖。他是计算机性能基金会的创始人之一。他曾两次获得IBM院士奖学金，并且是IEEE和ACM的院士。

== 主要文章及著作 ==

* [https://dlacm.xilesou.top/citation.cfm?id=285291 Modeling TCP throughput: A simple model and its empirical validation] 《TCP吞吐量建模：一个简单模型及其经验验证》，1998，被引3286次
* [https://dlacm.xilesou.top/citation.cfm?id=347421 Fluid-based analysis of a network of AQM routers supporting TCP flows with an application to RED] 《对支持TCP流的AQM路由器网络基于流体的分析及其RED应用》，2000，被引1868次
* [On designing improved controllers for AQM routers supporting TCP flows https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/916670/ ] 《为支持TCP流的AQM路由器设计改进的控制器时》，2001，引用1447次

== 联系方式 ==

* 地址：Department of Computer Science, University of Massachusetts, Amherst MA 01003 USA, towsley at cs dot umass dot edu
* 电话: 413-545-0207
* 传真: 413-545-1249

== 相关链接 ==

[http://infocom2007.ieee-infocom.org/keynote.html 个人主页]

[https://web.cs.umass.edu/csinfo/announce/towsleyieee.html Towsley获得著名的IEEE奖]

[https://en.wikipedia.org/wiki/Don_Towsley WIKI主页]

[https://scholar.google.com/citations?user=KIFPVWoAAAAJ&hl=zh-CN 谷歌学术]
[[Category:网络科学]]
[[Category:人物]]
[[Category:旧词条迁移]]

用户:史雪松

2020-10-14T13:52:33Z

Thingamabob：创建页面，内容为“==基本信息== 右 ===史雪松简介=== <big>* 英特尔中国研究院高级研究员 * 复旦大学电子工程系博…”

==基本信息==
[[File:史雪松.jpg|400px|缩略图|右]]
===史雪松简介===
<big>* 英特尔中国研究院高级研究员
* 复旦大学电子工程系博士</big>
 
 
==学术背景==
目前研究方向为三维视觉、深度学习和异构计算。参与英特尔中国研究院HERO机器人计算平台设计和优化，主导FAST Mapping稠密建图软件研发，曾于信号处理和机器人学的主流学术会议与期刊上发表文章，拥有多项机器人和人工智能方向的专利申请。
 
 
===研究领域===
* 视觉定位与三维地图构建（SLAM）
* 机器人运动规划算法
* 图信号处理理论与图滤波算法
 
 
==曾授课程==
* 支持向量机
* 图信号处理
* 强化学习
* 卷积神经网络
* 机器人空间智能
[[Category:旧词条迁移]]

参与的2050

2020-10-14T13:51:59Z

Thingamabob：创建页面，内容为“这是一个预测、规划、参与未来的游戏；也是一个多学科相互交叉合作的研究项目。我们的目的就是为了预测、规划、影响205…”

这是一个预测、规划、参与未来的游戏；也是一个多学科相互交叉合作的研究项目。我们的目的就是为了预测、规划、影响2050年人类社会乃至世界的走向。

==项目背景==

2050年的人类社会是什么样子的？在[[走近2050]]这本书中，我们从注意力的角度解读了互联网现象，重新审视了人－机关系，对人类社会进行了畅想。特别是，在书中的最后一个故事中，我们描述了2050年世界的样子。

然而，这种想象还远远不够。首先，如果我们要想真的刻画出2050年人类社会，乃至世界的样子，不能简单地靠拍脑袋来决定。因为，2050年的世界显然是一个非常复杂的巨系统，它会受到人类社会、政治、经济、文化、环境等各个子系统的影响。同时，人类的发展遵循非线性效应，因此，我们不可能从单一方面的外推来考虑整个未来世界的发展。

基于这些考虑，我们有必要把对2050年世界的想象、预测，甚至是干预看作一个系统工程。我们要邀请各个行业的经营共同参与其中，共同规划未来。同时，我们会配合计算机模拟技术，来共同打造一个设计未来的游戏。这就是这个项目的起源。

我们每个人都是2050的参与者，我们有权利根据自己的想象来构建2050的世界。于是，“参与的2050”（Participated 2050）这个项目就诞生了。我们需要大家一起参与进来，共同预测、规划2050年的样子。

===关于未来学===

本项目研究应该属于未来学的范畴。根据维基百科上的定义，所谓的未来学（Futurology）是指一种对可能、偏好的未来进行推测的一种学问。究竟未来学属于人文还是社会科学一直是人们争论的焦点。一般而论，它属于与历史学相平行的社会科学的一个分支。

未来学运用大量的系统科学研究方法，包括动力系统、计算机模拟、头脑风暴法、Delphi方法、层次分析方法等等，来对未来进行预测。

历史上，著名的未来学研究包括“增长的极限”、“奇点临近”、“第三次浪潮”等等。

==项目意义==

无论是社会人文科学还是自然科学，它们的终极目标都是为了更好地预测未来。反过来说，是否能够更加合理、准确地预测未来也是检验我们对科学的掌握程度的最好标准。所以，“参与的2050”这个项目的意义就在于我们可以通过设定一个宏大目标——预测2050年的人类未来，来检验项目参与者所掌握的科学知识和技能。

2050年并不是一个过分遥远的未来。我们相信，几乎每一个本项目的参与者都有机会亲眼看到2050年时候的真正模样。所以，我们的所有研究成果都可以在那个时候得到检验。所以，这更像是一场实验，而不仅仅是一场与现实无关的游戏。

另外一方面，正如我们的标题，我们每个人都显然是2050世界的一部分，都是一个参与者。这也就意味着，我们的所做所为很有可能会真的改变2050年的世界。假如在这个项目中，诞生了非常好玩的创意或者是让人意想不到的预言，那么我们的研究成果是真的会影响未来社会的发展走向的。正如当年罗马俱乐部曾经预测人类社会将出现大危机，从而导致了很多人郁郁而死一样，我们的预言也可能有着同样的震撼效果。

==具体玩法==

我们初步构思是通过一种人－机结合的方式，多学科反复交叉地推演未来世界的走向。在初期，我们会形成一个由多个学科学者共同参与的研讨小组，共同制定一些基本规则。整个系统的模拟需要划分为多个模块，比如气候模块。在这个模块中，气像学专家就可以预测一下未来几十年的气候变化大趋势会怎么样。将气候模块得出来的结论作为一种基本的环境变量设定，再放到其他模块中。例如，可以将气候变化的各种参数设定为全球生态系统演化的条件。之后，生态学家开始根据这些设定推演未来几十年的生态系统变化。

与此类似，我们可以不断地从更宏大的系统独立推演得出参数，然后放置到这个系统能够影响的子系统中。然后推演子系统。当然，有的子系统会反过来影响父系统，因此，整个系统需要反复不停地迭代。具体的流程可以如下图所示：

[[File:2050-couplingofsubsystems.png|150px]]

在每一个推演的环节，我们都需要采用定性与定量相结合、计算机模拟与人类的参与相结合的方式来进行。

从上往下，沿着相互影响箭头每执行一次，就称为一轮仿真。一轮仿真的时间周期可以很长（数月甚至一年）。在每轮结束后可以组织衍生品产出，包括：

* 具体的技术发明
* 科幻小说

在宏大叙事下，展开细节的小发明和小故事，会让人印象深刻。

==成果呈现==

我们的成果将以如下形式体现：

# 不定期的人类发展报告（要用纪实文学的形式、要具体）
# 新环境下的技术发明（应以专利的形式体现）
# 科幻小说若干

==子系统（学科）划分==

在此，我们根据维基百科上的科学的领域划分给出了各个子系统的分级。根据这种划分，人类的科学知识总共分为：人文、社会、自然、形式四大学科。按照和本项目的关系密切程度来做排序，顺序应该是：自然、社会、形式、人文。

在其中，自然科学又分为了：生物、化学、地球科学、物理学、空间科学，以及农业、工程与技术、环境科学、医疗与健康、运动科学这几个专业学科。根据笔者的理解，除去化学、物理学这样的基础学科以外，这些学科从宏观到微观对本项目的影响排序应该是：空间科学、地球科学、环境科学、农业科学、生物、工程与技术、医疗与健康、运动科学。

下面，我们根据这些学科划分，从宏观到微观，详细论述与本项目有关的子学科

===空间科学===

该学科主要探讨与宇宙航行、空间探索有关的学科，它包括如下分支：

# 天体生物学
# 天文学
# 天体物理学
……

===地球科学===

所有与地球、地理相关的学科分支，包括：

# 地质学
# 行星学
# 水力学
# 冰川学
……

===环境科学===

环境科学是一种包含了物理、生物、信息科学的交叉学科领域，它的主要研究对象就是我们的生存环境，解决环境问题是其核心目标。环境科学主要包括：

# 大气科学
# 生态学
# 环境化学
# 地球科学

这四大领域。

===工程与技术===

可以说工程与技术是人类改造地球、改造社会的一种最主要的学科门类，它对我们预测2050年的世界与人类社会起着至关重要的作用。下面我们列出一些可能与本项目研究有关的学科领域。

* 化学工程
*: 材料工程
===工程与技术===

可以说工程与技术是人类改造地球、改造社会的一种最主要的学科门类，它对我们预测2050年的世界与人类社会起着至关重要的作用。下面我们列出一些可能与本项目研究有关的学科领域。

* 化学工程
*: 材料工程
*: 分子工程
*: 纳米技术
* 土木建筑
*: 交通运输工程
*: 环境工程
*: 矿业工程
*: 结构工程
* 电气工程
*: 计算机工程
*: 计算机科学
*: 信息理论
*: 量子计算
*: 机器人
*: 半导体
* 材料科学与工程
*: 生物材料
*: 纳米材料
* 机械工程
* 生物医药工程
* 机器人
* 车辆运输工程

要注意的是，这种人为的分割仅仅是一种权宜之计。事实上，所有这些学科、子系统都是相互耦合的。因此，在模拟的过程中，我们需要综合考虑各种因素。

==实施步骤==

===形成项目筹备委员会===

由3到5个核心成员形成项目筹备委员会，职责是制定游戏的规则，召集活动参与者，负责、保证项目的实施。

===形成专业委员会===

由10-20人组成，来自各个领域的专家。大家通过研讨和交流，形成具体的项目实施方案。

===建立模型进行推演===

根据专业委员会讨论形成的具体方案，建立模型，进行推演。这里的模型是指人－机结合的模型。

Hey, that's powurfel. Thanks for the news.

===形成故事===

根据模拟的结果，招募大量的志愿者，形成在这个设定下的具体故事。希望对未来世界形成更具体、饱满的描述。

==参考资料==

===2050人类大迁徙===
[[File:1ad5ad6eddc451da07216bb8b6fd5266d1163289.jpg|300px]]

罗伦斯·史密斯写的《2050人类大迁徙》是一本与本项目主题最接近的一本书，该书主要从气候、人口全球经济的角度构思、预测了人类社会的未来。但是，本书唯一的不足是作者认为技术的力量并不足矣克服全球气候、人口增长、资源消耗的速度。

然后，从另一个角度说，《2050人类大迁徙》恰恰形成了《[[走近2050]]》的一个补充，因为前者主要从地理、环境、生态的角度探索地球的发展，而后者则主要从人工智能、虚拟现实等技术的角度来外推。
[[Category:旧词条迁移]]

匹配生长模型

2020-10-14T13:50:41Z

Thingamabob：

==模型设定==
===基本规则===

[[File:machingmodelillustration.PNG|300px]]

[[File:Machingmodelrunniing.PNG|缩略图|default]]

在一个d为欧几里德空间中，随机地加入一个点。

==模型分析==
{| class="wikitable"
|-
! 条目 !! 姓名 !! 标题文字
|-
| 1|| 2|| 3
|-
| 示例 || 示例 || 示例
|-
| 示例 || 示例 || 示例
|}

<math>
E\sim N^{\frac{d+2}{d+1}}
</math>

==模型结果==

==实证数据==
[[Category:旧词条迁移]]

利用python的theano库刷kaggle mnist排行榜

2020-10-14T13:50:09Z

Thingamabob：创建页面，内容为“==背景== theano 是一个python语言的库，实现了一些机器学习的方法，最大的特点是可以就像普通的python程序一样透明的使用GPU t…”

==背景==
theano 是一个python语言的库，实现了一些机器学习的方法，最大的特点是可以就像普通的python程序一样透明的使用GPU
theano的主页：http://deeplearning.net/software/theano/index.html
theano 同时也支持符号计算，并且和numpy相容，numpy是一个python的矩阵计算的库，可以让python具备matlab的计算能力，虽然没有matlab方便
numpy的主页：http://www.numpy.org/
MNIST是一个手写数字识别的公开数据集，我以为地球人都知道

http://kaggle2.blob.core.windows.net/competitions/kaggle/3004/logos/front_page.png
mnist主页：http://yann.lecun.com/exdb/mnist/

其他大部分资源位于deeplearning向导的主页：
deeplearning.net向导: http://deeplearning.net/tutorial/

kaggle是一个供大家公开测试各种机器学习算法的平台，包括ICML和KDD cup一类的比赛都在上面进行，其中的入门测试集就是MNIST：
kaggle的MNIST主页：http://www.kaggle.com/c/digit-recognizer

目前发表的最好结果是卷积神经网络方法的0.23%错误率<ref name="mnist homepage">http://yann.lecun.com/exdb/mnist/, mnist homepage
</ref>，kaggle上被认可的最好结果是0.5%。看这个架势，mnist已经基本被大家解决了。不过本着实践出真知和学习threano用法的目的，我觉得用python的theano库对kaggle mnist刷个榜玩玩也不错。

==数据转换与代码修改==
theano的代码位于:
https://github.com/lisa-lab/DeepLearningTutorials
我修改后的代码位于：
https://github.com/chaosconst/DeepLearningTutorials

===输入数据修改===
原来是从cPickle导入：

<syntaxhighlight lang="python">
#############
# LOAD DATA #
#############

# Download the MNIST dataset if it is not present
data_dir, data_file = os.path.split(dataset)
if (not os.path.isfile(dataset)) and data_file == 'mnist.pkl.gz':
import urllib
origin = 'http://www.iro.umontreal.ca/~lisa/deep/data/mnist/mnist.pkl.gz'
print 'Downloading data from %s' % origin
urllib.urlretrieve(origin, dataset)

print '... loading data'

# Load the dataset
f = gzip.open(dataset, 'rb')
train_set, valid_set, test_set = cPickle.load(f)
f.close()
</syntaxhighlight>

更改为读取train.csv和test.csv，先初始化四个list。
<syntaxhighlight lang="python">
print '... loading data'
train_set=list();
valid_set=list();
test_set=list();
predict_set=list();
</syntaxhighlight>
valid_set是用来在SGD迭代过程中，用来验证效果但不参与训练的数据集。每次只有确定在valid_set上更有效，才继续进行目标函数的优化，这样可以防止过拟合。参见early-stopping<ref>http://deeplearning.net/tutorial/gettingstarted.html#early-stopping</ref>。

设定数据集的大小，如果是调试模式则减小数据集。
<syntaxhighlight lang="python">
train_set_size = 36000;
valid_set_size = 5000;
test_set_size = 1000;
predict_set_size = 28000;

debug = "false";
if debug == "true":
train_set_size = 3600;
valid_set_size = 500;
test_set_size = 100;
predict_set_size = 2800;
</syntaxhighlight>
MNIST共有7w条记录，其中6w是训练集，1w是测试集。theano的样例程序就是这么做的，但kaggle把7w的数据分成了两部分，train.csv一共42000行，test.csv一共28000行。实际可用来训练的数据只有42000行（由此估计最后的效果也会有相应的折扣）。theano把6w的训练集分为了5w的test_set和1w的valid_set，我在这里把42000行数据分为36000的train_set、5000行的valid_set和1000行的test_set（训练时用不到）。

另外我建了一个predict_set，用来保存准备提交给kaggle的数据。然后我进行了变量初始化并从文件读取数值，读取的时候把kaggle的int转化成了theano需要的float。
<syntaxhighlight lang="python">

train_set.append(numpy.ndarray(shape=(train_set_size,28*28), dtype=theano.config.floatX));
train_set.append(numpy.ndarray(shape=(train_set_size), dtype=int));
valid_set.append(numpy.ndarray(shape=(valid_set_size,28*28), dtype=theano.config.floatX));
valid_set.append(numpy.ndarray(shape=(valid_set_size), dtype=int));
test_set.append(numpy.ndarray(shape=(test_set_size,28*28), dtype=theano.config.floatX));
test_set.append(numpy.ndarray(shape=(test_set_size), dtype=int));
predict_set.append(numpy.ndarray(shape=(predict_set_size,28*28), dtype=theano.config.floatX));
predict_set.append(numpy.ndarray(shape=(predict_set_size), dtype=int));

#load data from kaggle test set
with open('train.csv', 'rb') as csvfile:
datareader = csv.reader(csvfile, delimiter=',')
index=0;
for row in datareader:
if index<train_set_size :
train_set[1][index] = string.atoi(row[0]);
for pixel_index in xrange(1,28*28+1) :
train_set[0][index][pixel_index-1] = string.atof(row[pixel_index])/255;
elif index < train_set_size + valid_set_size :
valid_set[1][index-train_set_size] = string.atoi(row[0]);
for pixel_index in xrange(1,28*28+1) :
valid_set[0][index-train_set_size][pixel_index-1] = string.atof(row[pixel_index])/255;
else :
test_set[1][index-train_set_size-valid_set_size] = string.atoi(row[0]);
for pixel_index in xrange(1,28*28+1) :
test_set[0][index-train_set_size-valid_set_size][pixel_index-1] = string.atof(row[pixel_index])/255;
index+=1;
if index == train_set_size + valid_set_size + test_set_size :
break;

print '... loading predict dataset'
#load data from kaggle test set
with open('test.csv', 'rb') as csvfile:
datareader = csv.reader(csvfile, delimiter=',')
index=0;
for row in datareader:
for pixel_index in xrange(0,28*28) :
predict_set[0][index][pixel_index] = string.atof(row[pixel_index])/255;
index+=1;
if index == predict_set_size:
break;

train_set = tuple(train_set);
valid_set = tuple(valid_set);
test_set = tuple(test_set);
predict_set = tuple(predict_set);

</syntaxhighlight>

===输出数据修改===
theano的convnet是由两个卷积层，一个hidden layer和一个logistic regression构成的，如图<ref>http://deeplearning.net/tutorial/lenet.html</ref>：
http://deeplearning.net/tutorial/_images/mylenet.png

我们需要的是最后一层的输出，theano的样例程序在最后一层lr给了我们一个符号变量y_pred，定义如下：
<syntaxhighlight lang="python">
# initialize with 0 the weights W as a matrix of shape (n_in, n_out)
self.W = theano.shared(value=numpy.zeros((n_in, n_out),
dtype=theano.config.floatX),
name='W', borrow=True)
# initialize the baises b as a vector of n_out 0s
self.b = theano.shared(value=numpy.zeros((n_out,),
dtype=theano.config.floatX),
name='b', borrow=True)

# compute vector of class-membership probabilities in symbolic form
self.p_y_given_x = T.nnet.softmax(T.dot(input, self.W) + self.b)

# compute prediction as class whose probability is maximal in
# symbolic form
self.y_pred = T.argmax(self.p_y_given_x, axis=1)
</syntaxhighlight>

手册上说可以使用eval()对其进行实例化<ref>http://deeplearning.net/software/theano/tutorial/adding.html#adding-two-scalars</ref>：
<syntaxhighlight lang="python">
predict_results = layer3.y_pred.eval({input:predict_set_x});
</syntaxhighlight>
但是我这样做不行，只好用了很不理想的方案，原谅我
<syntaxhighlight lang="python">
predict_model = theano.function([index], layer3.predict(),
givens={
x: predict_set_x[index * batch_size: (index + 1) * batch_size]})
</syntaxhighlight>
其中predict函数为：
<syntaxhighlight lang="python">
def predict(self):
return T.mul(self.y_pred,1);
</syntaxhighlight>
我对技术不敬畏，对不起各位了。

这样我们就得到可以操作的数组，写入输出文件：
<syntaxhighlight lang="python">
predict_res_array = [predict_model(i) for i in xrange(n_predict_batches)]
print predict_res_array;
f = open("predict_res","w+");
for y_pred_item_array in predict_res_array:
for y_pred_item in y_pred_item_array:
f.write(str(y_pred_item)+'\n');
f.close();
</syntaxhighlight>

===平移数据===
以上可以差不多达到1.0%的误差，和理论值0.5%还有差距，我觉得可能是因为数据不够多，所以我对输入输出数据进行了平移预处理。
输入数据平移：
<syntaxhighlight lang="bash">
#!/bin/bash
awk -F , '{

for (shiftx=-1;shiftx<=1;shiftx++) {
for (shifty=-1;shifty<=1;shifty++) {

printf $1",";

for (y=0;y<28;y++) {
for (x=1;x<=28;x++) {
x_shift = x + shiftx;
y_shift = y + shifty;
if ((x_shift<1) || (x_shift>28) || (y_shift<0) || (y_shift>=28)) {
printf "0,";
} else {
i=y_shift*28+x_shift+1;
printf $i",";
}
}
}

printf"\n"

}}
//g' | sed 's/,$//g'
</syntaxhighlight>

输出的时候让平移后的9个位置进行投票，boost了一把
<syntaxhighlight lang="bash">
#!/bin/bash
awk '{
dist[$0]++;
if (NR%9==0) {
best=1;
for (x in dist) {
if (dist[x]>dist[best]) best=x
}
printf best"\n"
delete dist;
}
}'

</syntaxhighlight>

ok，万事俱备，刷榜吧！

==运行结果==
[http://www.kaggle.com/c/digit-recognizer/leaderboard kaggle传送门]
valid_set_error=0.90 test_set_error=0.68
[[File:kaggle_mnist_rank1.png|800px]]

[[File:kaggle_mnist_rank2.png|800px]]

刷到前10，我感觉可以了，再往上刷10名就要被怀疑作弊了。

==不明觉厉==
simple cell到complex cell是怎么实现的？
# 拿着某一斜率的filter去扫一遍全局的图像
# 把图像分割成nxn份,做pooling（可以是max pooling）
两个二维向量卷积的意思就是扫一遍，类似于你在暗处拿着一个手电筒把一篇文章看一遍。扫的每一帧的具体操作就是相乘（找相似的特征，仅仅是相乘就可以了）。卷积不是目的，扫一遍算相似度才是。

当做polling的时候，时空信息就消失了，本来是28x28维的空间，如果4x4方块做pooling，就只剩下7x7的位置信息了。取而代之的，是feature域的信息。典型的“时空样本变换”，不过这个是98年就做出来的，实在是很赞。

学习方案是构造一个损失函数，然后用SGD求解，因为有很多层，所以损失函数的梯度计算超级复杂，参数也很多很多，不过theano有一个库，可以自动计算梯度。先进行符号计算，然后Sample一些输入数据算梯度。

嗯，大概就是这个样子吧。

==改进==
* 肖达说：“Hinton组的cuda-convnet GPU卷积库确实快，实现同样结构的卷积神经网做MNIST手写体分类，比theano的GPU卷积快5倍多。另一个发现，用sgd优化时，max kernel norm constraint比weight decay好用”。
* cuda-convnet, https://code.google.com/p/cuda-convnet/
* weight decay不知道theano用了没有

==参考==
<references/>
* pylearn2的convnet，http://nbviewer.ipython.org/urls/raw.github.com/lisa-lab/pylearn2/master/pylearn2/scripts/tutorials/convolutional_network.ipynb
* theano是肖达告诉我的，GPU也是借用肖达的工作站的，非常感谢！
* [[深度学习读书会]]
* [[lwta-theano]]

{{reply}}

[[Category:统计学习读书会]]
[[Category:集智俱乐部应用项目]]
[[category:python]]
[[Category:旧词条迁移]]

投入产出流网络

2020-10-14T13:49:08Z

Thingamabob：

投入产出流网络

==投入产出分析==

===投入产出分析的具体方法及意义===
投入产出分析（Input Output Analysis)是由著名经济学家Wassily Leontief提出的，用于量化经济系统中，各部门之间投入及产出相互依赖的关系。相关方法及理论，参见[[投入产出分析]]。

在经济学研究中，投入产出分析方法可以解决产业结构分析、发展政策制定、经济状况预测等一些列热门的经济学问题。投入产出表刻画了各部门间价值的流动，并且将其数量化，提供了线性关系分析的基础框架。我们可以利用其计算中间投入系数、劳动投入系数、技术投入系数等一系列生产指性标，能构建一套完整的指标体系刻画社会经济的生产过程；与此同时投入产出表结合了国家的宏观数据，其中包括了消费、投资、进出口数据，使得我们在讨论生产的同时能够用刻画消费、投资、出口拉动经济增长的作用。并且投出产出将中间生产过程纳入整个核算体系，使得学者能够充分讨论部门间供求关系的相互影响，这是探讨产业结构的基础。

===数据来源===

投入产出表是经济分析中一种强有力的分析工具，因此各国、各地区都会进行投入产出数据的统计和核算工作，下面我们主要介绍一下中国、美国以及OECD组织发布的可得的投入产出表。

====中国====
每逢2和逢7的年份，中国国家统计局、国家发展和改革委员会、财政部会联合发文，布置并组织开展全国投入产出调查，编制投入产出基本表，目前中国官方编制的投入产出表共有6张，分别是1978年、1992年、1997年、2002年、2007年、2012年。每一年统计部门都会进一步的细化部门分类，因此每一年的部门数量不尽相同，越新的数据对应更细致的部门划分，更合理的核算数据衔接。相关数据都能够在中国投入产出协会官网中下载。（http://www.cioa.org.cn/）

====美国====
相对于中国提供的官方数据，美国商务部官方网站提供了美国自1947-2014年的投出产出表。同样的，美国的投入产出表不同年份的部门分类也有一定差异，并且采用不同的价格标准进行投入产出表的绘制，所有的数据都能在商务部网站中下载。（https://bea.gov/industry/io_annual.htm）

====OECD====
尽管各国都有官方都有投入产出的详细数据，但是它们存在一些问题：一是各国提供的投入产出表的年份不同；二是尽管能够克服年份不同的问题，各国核算编制过程中也采用了不同的产业分类。这两点会一定程度影响研究的可比性，为了克服这个问题，我们在研究过程中采用了OECD组织统一编制的投入产出表，该数据能够在OECD统计网站中下载。（http://stats.oecd.org/）

OECD组织官方统计提供了1997-2012年，共计62个国家和地区34个产业之间的投入产出数据，具体见图片OECD国家编码以及OCED产业编码。

[[File:国家编码.PNG|200px|thumb|OCED国家编码]]
[[File:产业编码.PNG|200px|thumb|OECD产业编码]]

====WIOD====
OECD网站提供了各国分年份的国内投入产出系数表，而WIOD（World Input-Output Database）数据库再次基础之上提供了跨区域的投入产出数据，它包含了40个经济体35个产业之间的跨地区的投入产出数据，时间区间同样是1995年至2011年。其中有23个欧盟国家和13个其余经济体，其余经济体主要是东亚和北美的国家。跨区域数据的好处在于，不仅能够观察到各国国内投入产出的结构还能够探测跨国的、跨区域的投出产出状况，进一步将全球价值链量化。WIOD的产业分类同OECD的产业分类相同，国家数量相对OECD有所减少（见图WIOD国家）。值得注意的是，OECD和WIOD都提供了以区域计算的投入产出数据，主要的区域经济体是EU欧盟、NAFTA北美自由贸易区，EASTASIAN东亚。

数据下载请转至WIOD官网[//http://www.wiod.org/new_site/database/wiots.htm]。

==流动网络==

===什么是流动网络===
流动网络是用来表示某种事物的流动，根据系统中流量总量的变化，流动可以分为守恒流动和不守恒流动，分别对应平衡流网络和非平衡的流网络，更多流动网络的分析细节请参考[[流动网络]]。

===为什么用流网络模型研究投入产出问题===
前面提到投入产出分析能够帮助研究社会经济现象，包括产业结构、经济增长等一些列核心经济问题。但是值得注意的是，投入产出分析是基于线性计算的分析方法，能够刻画的是产业间、生产和消费间的线性关系，但是经济系统中很多相互影响并不是线性的，投入产出分析无法解释或者不能很好地解释社会经济系统中的非线性关系。介于社会经济系统本身就是一个巨大的复杂网络，所以将复杂网络分析和投入产出分析结合起来也是一个自然的想法。并且投入产出分析是基于一般均衡模型发展而来的研究方法，并且强调了实物流和价值流，这两个要点使得投入产出模型成为一个标准的开放型流网络。

当然将复杂网络的思想运用到投入产出模型中并不是一件新奇的事情，传统的复杂网络分析也能够解决产业（部门）结构划分的问题，也能够个给出一系列中心度指标和网络指标，而运用流动网络的方法的优势在于，它能够从不同的角度回答投入产出系统中两个重要的问题：

:一、如何定量地度量各产业之间投入产出的经济与技术联系？主流的分析方法延续了Hirschman（1958）提出的将前向／后向关联（FL／BL）效应的方法，最具有代表性的有中间投入率与中间产出率，影响力系数与感应度系数以及总关联系数、纯关联系数等（Cai和Leung，2004；Miller和Blair，2009）。这些指标通常是直接基于流量计算的，且只能反映产业间的一种联系，但是基于流量的方法虽然可以刻画出不同部门之间的直接或间接盈缺，却无法对不同国家的整体投入产出结构进行纵向比较，也无法对同一个国家不同时期的投入产出结构进行比较，这是因为所有的基于流量的指标都会受到国家经济总规模的影响，因此我们难以在不同的投入产出网之间进行有效的横向比较。
:二、如何刻画国家的产业关联结构？一个可行的方案是引入图论与网络科学理论，例如Schnabl创立的最小流分析方法（Minimal Flow Analysis，MFA），Hioki、Hewings对中国地区产业结构的实证分析，Mcnemey，Fath和Silverberg对产业间流量结构的刻画等。但是传统的网络研究方法在探究近乎全连通的投入产出网的拓扑结构时捉襟见肘，人们不得不忽略连边方向性的考虑，甚至在破坏网络总体结构的情况下套用网络分析方法，这不仅难以全面地探究网络的拓扑性质，更难以综合考虑流量的影响。

===如何建立投入产出的流网络===
投入产出流网络的构建要基于投入产出表，一般的投入产出表（图3）纵向表示表示投入，横向表示产出，之前我们提到过，投入产出理论是基于一般均衡模型提出的，因此有总投入=总产出。根据国民生产总值（GDP）的定义，''GDP=Y1''，在这里投入产出表告诉我们GDP统计的生产总值只针对最终产品，而社会的总产出还要包括中间产品。注意，增加值是劳动者报酬、固定资产折旧、生产税净额以及营业盈余的总和，又可以成为最初投入。根据投入产出表能够推出如下等式成立（''N''为部门数）：
[[File:公式1.png]]

[[File:投入产出表.png|500px|图3：投入产出表]]

之前我们提到投入产出表反映了部门之间产品的流动，而产品的流动可以表示成两种形式，一种是实物的流动，一种是价值的流动，这两种流动的方向是相反的，这一点不难理解，假设部门1生产了产品1，最终产品1进入了部门2的生产线，那么对于产品1是从部门1流向部门2，同时部门2将与产品等价的资金付给部门1，因此资金流和实物流的流向是刚好相反的，理解这一点能够帮助我们构建投入产出的流动网络。通常来讲，投入产出表都是刻画的资金流，我们想要研究的系统是部门之间社会的生产系统，也就是中间产品转移的系统，因此最终产品的消费（最终需求）和初始产品的吸收（增加值）就是系统外的环境。开放型的流动网络保证系统和环境的连通需要设置两个节点，一个是源节点，一个是汇节点。源节点只允许事物流入，汇节点只允许事物流出。对于用资金流衡量的投入产出系统，流入系统的是最终消费形成的资金（重新注入生产部门），流出系统的是增加值，因此我们可以根据投入产出表建立如下流网络矩阵''F''（图4）注意这个''Z'' 矩阵是原投入产出表的转置矩阵。

[[File:流矩阵.png|200px|图4：流矩阵]]

==流距离的计算==
流距离的相关计算方法及严格数学推导请参考[[基于马尔可夫链的流网络分析|基于马尔可夫链的流网络分析]]

==结果展示==

===产业流距离和流量的关系===
[[File:D of VD new.png|500px|缩略图|居中|产业流距离和流量对比图]]
上图展示了基于流量计算的流距离大小与流量大小的关系，横坐标是产业间资金流量的对数大小，纵坐标是流距离的长短。整体上，流距离大小和流量的多少呈负相关，产业间流量越大，产业间的流距离越小，意味着一定程度上，流距离吸收了产业间流量的信息，能够一定程度上反应产业间资金来往的密集程度。但是，流距离和流量是完全两种不同的指标，流距离除了考虑流量因素外，还考虑了网络中两个节点之间的拓扑关系。

图中我们发现有些产业之间的资金往来很小，但是流距离却比一些流量更大的产业对的流距离更小，比如中国的金融业和木制品制造业，美国的水电气供应业和木制品制造业，他们几乎是产业间资金流最小的产业对，但是流距离却不是大的。这说明这两个产业对之间的联系很紧密，但并不是靠流量信息体现的，而是拓扑结构。它们之间存在很短的路径。这再次说明流距离包含信息的丰富性和可对比性。

===中美两国产业结构对比===
下图是2011年中美两国的产业结构图，右图中节点代表产业，节点大小正比于该产业的总产出；节点的颜色代表产业的分类，共五类；横坐标表示产业的从源距离，纵坐标代表产业到汇距离，为了方便比较产业两类特征距离的大小，我们添加了y=x的蓝色辅助线；我们用平均从源距离和平均到汇距离，即竖直灰色辅助线和水平灰色辅助线，把产业结构图分为A、B、C、D四个区域，方便以后的讨论。在右侧产业结构图中，有些产业位置相近重叠在了一起，为了更好的体现他们的相对位置，我们在左侧小图中放大了这些重叠在一起的产业节点。
[[File:SS USA new1.png|500px|framed|居中|美国源汇图]]
[[File:SS CHN new1.png|500px|framed|居中|中国源汇图]]

从源距离和倒汇距离反映的是产业与最终需求与增加值的靠近程度，这种靠近既可以是由相互作用的强度（权重信息）引起的，也可以是由生产链上下游关系（拓扑连边）决定的。
# 从源距离小，一方面可能是产业最终需求大，或者说产业的创造的国内生产总值高；另一方面可能是因为产业离投资、消费市场更接近，消费、投资的资金流更倾向于直接进入这些产业。
# 到汇距离小，一方面可能是产业创造的增加值高。另一方面从与货币流对偶的商品流看来，一个产业到货币流的汇靠近就是产业距离商品流的源越靠近，所以该产业越依赖于原始生产材料。

从图中看：
* C区域的产业拥有较小的从源距离和到汇距离，该区域主要包含大部分盈利性服务业和非盈利性的服务业，比如健康医疗、教育行业等，这些产业创造的增加值高，拥有加大的最终需求，并且直接面向消费着，消费者会直接购买这些企业提供的服务。
*与C区域刚好相反，B区域中产业的两类特征距离比较大，主要以基础工业和部分重工业为主。这些产业创造的增加值低，创在的GDP相对较低，并且距离消费市场很远，产业生产的产品通常会作为其他产业的中间投入，不太可能被消费者直接购买。
*加工制造业主要集中在A区域，从源距离小，到汇距离大。通常是一些劳动密集型的产业，比如纺织业、汽车及相关制造业。这些产业创造的附加值不高，吸收的最终需求也不高，但是这些产业生产的产品通常是一些生活必需品，比如服装、食品，它们天生靠近消费市场，因此从源距离小。
*D区域则主要包含了部分商业服务业，比如运输业，同大多数服务业一样，这些产业创造的增加值高，到汇距离小；但相比其他服务业离消费者更远，比如研发业，消费者不太可能直接消费该产业的服务。在这个区域，会有一些资源型的产业，比如采矿业和炼油业，它们之所以拥有较小的到汇距离是因为它们是依赖于生产材料的。

中美不同的是：
#整体上看，美国两类特征距离的均值都小于中国，意味着整体上美国生产系统的运转更有效，一方面流量上，美国生产系统创造的国内生产总值和增加值到高于中国（2011年美国GDP十万亿级，中国GDP万亿级）；另一方面产业链上下游的关系更紧密。
#中美有很多产业在整体结构中拥有完全不同的生态位，比如计算机及电子设备制造业(CompE)，中国的计算机相关制造业处于A区域，而美国处D区域，中国该产业增加值占生产总值的比例远小于美国，这象征在该产业的全球价值价值链中中美完全不同的地位。中国只是一个加工者，在产业的生产过程中贡献的价值极低；反观美国，是一个研发者、创造者，有着巨大的技术优势，掌握了大部分的收益。

===从整体产业变迁挖掘特殊产业演化===
我们利用特征距离，不仅可以实现不同国家产业结构的对比，还可以利用时间序列数据，刻画一国产业结构的变迁轨迹，并以此为对照，发现与整体演化趋势相异的产业，进而观察这些特殊产业的演化特征。上图是中国房地产业与整个生产系统演化轨迹的对比图，我们删掉了一些年份的数据，使得两者的演化趋势更平滑；横坐标是从源距离，纵坐标是到汇距离，左图是房地产业的演化轨迹，右图是将33个产业抽象为一个整体的生产系统，用它们的平均从源距离和到平均汇距离作为特征距离表示的生产系统整体的变迁轨迹。

[[File:Evo of real CHN new.png|500px|缩略图|居中|中国房地产业的演化]]

从图中我们发现，房地产业的演化轨迹与整体生产系统的变迁轨迹大不相同，也就说明在中国产业结构的演化中，房地产业是一个极为特殊的产业，有别于大部分产业的发展。从图中看
中国房地产业主要经历了3个阶段：
{| class="wikitable"
|-
! 演化阶段 !! 主要趋势 !! 相关事件
|-
| 1995-2005年 || 从源距离大幅度的增加，吸引了大量的投资消费，产业发展迅发展；到汇距离在逐渐增大，增加值创造速率比不上资金流入速率，形成市场泡沫。 || 邓小平南巡之后，南方掀起了一股炒房风波；2000之后，福利分房制度被货币分房制度所替代，刺激了商品房的市场化。
|-
| 2005-2007年 || 从源距离有小幅度增加，资金进入房地产业的流量和速率在减缓；倒汇距离大幅度减小，创造增加值的能力有所回升。 || 2005年之后新旧《国八条》的颁布，从价格、税收、信息监管和供应结构等多方面调整了房地业的产品结构，增加了普通商品房和经济适用房的供应，同时持续的加息与紧缩的信贷政策，限制了非理性炒房资金的进入。
|-
| 2007-2011年 || 从源距离几乎不变，房地产业资金流入量被严格控制；到汇距离的增加，商品房成交量的下降，房地业营业额减低，创造的增加值降低。 || 2007年后中国实行了全面的宏观政策调控，持续紧缩的信贷政策控制了房价的升温，加上2008年收到全球性金融危机的影响，房产市场受冷。
|}
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分析句法的结构

2020-10-14T13:48:18Z

Thingamabob：创建页面，内容为“==句子的构成== 对于使用比较短句子的文本，使用n-gram token(n个词构成的部分)的词频等统计信息就可以描述文本的特征。但对…”

==句子的构成==

对于使用比较短句子的文本，使用n-gram token(n个词构成的部分)的词频等统计信息就可以描述文本的特征。但对于较长句子，我们需要分析句法的结构和词的词性来进行更精确的分析。例如，下面是一张词性对照表：

Symbol Meaning Example
S sentence the man walked
NP noun phrase a dog
VP verb phrase saw a park
PP prepositional phrase with a telescope
Det determiner the
N noun dog
V verb walked
P preposition in

==语法分析及其可视化==

为了把句子拆开，展示句子的结构，我们可以使用nltk包如下
<syntaxhighlight lang="python">
import nltk

grammar1 = nltk.parse_cfg("""
S -> NP VP
VP -> V NP | V NP PP
PP -> P NP
V -> "saw" | "ate" | "walked"
NP -> "John" | "Mary" | "Bob" | Det N | Det N PP
Det -> "a" | "an" | "the" | "my"
N -> "man" | "dog" | "cat" | "telescope" | "park"
P -> "in" | "on" | "by" | "with"
""")

sent = "the man saw Bob with the telescope".split()

rd_parser = nltk.RecursiveDescentParser(grammar1)

for tree in rd_parser.nbest_parse(sent):
print tree

tree1 = nltk.Tree('S', [nltk.Tree('NP', [nltk.Tree('Det', ['the']),
nltk.Tree('N', ['man'])]), nltk.Tree('VP', [nltk.Tree('V', ['saw']),
nltk.Tree('NP', ['Bob']), nltk.Tree('PP', [nltk.Tree('P', ['with']),
nltk.Tree('NP', [nltk.Tree('Det', ['the']), nltk.Tree('N', ['telescope'])])])])])

tree1.draw()
</syntaxhighlight>

最后可以得到这张图

[[File:grammar_tree_1.png|500px]]
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投入产出流网络

2020-10-14T13:47:35Z

Thingamabob：清空页面

凯瑟琳·卡利 Kathleen M. Carley

2020-10-14T13:47:12Z

Thingamabob：创建页面，内容为“==基本信息== 右姓名：Kathleen M. Carley（凯瑟琳·卡利）出生：1956年，科罗拉多普韦布洛…”

==基本信息==
[[File:Carley Kathleen.jpg|缩略图|右]]

姓名：Kathleen M. Carley（凯瑟琳·卡利）
出生：1956年，科罗拉多普韦布洛
国籍：美国人
母校：哈佛大学（1984）；麻省理工学院（1978）
学位：社会计算博士
领域：社交网络分析，计算社会学，电信政策，生物安全
机构：卡内基·梅隆大学

==博士生导师==

Harrison White（哈里森·怀特）

== 研究领域 ==

凯瑟琳 · 卡利的研究结合了认知科学、社交网络和计算机科学，以解决复杂的社会和组织问题。她的具体研究领域是动态网络分析、计算社会和组织理论、适应和进化、文本挖掘，电信技术和政策对群体内和群体间（尤其是在灾难或危机情况下）的通信、信息传播、疾病传染和反应的影响。她和她的实验室开发了用于分析大规模动态网络和各种多主体仿真系统的基础设施工具。基础架构工具包括 ORA，用于分析和可视化多维网络的统计工具包。 ORA 的结果被组织成可以满足各种需求的报告，例如管理报告、心理模型报告和情报报告。另一个工具是 AutoMap，这是一种文本挖掘系统，用于从文本中提取语义网络，然后使用组织本体将其交叉分类为底层的社会、知识、资源和任务网络。她的模拟使用网络动力学和经验数据对融合多智能体技术进行建模。她和 CASOS 小组在反恐领域开发了三个大型多代理网络模型：BioWar 基于城市规模的基于动态网络代理的模型，用于了解由于自然流行，化学泄漏和武器化生物袭击造成的疾病和疾病传播；DyNet 是在信息不确定性不同的情况下自然地并响应攻击而隐蔽网络变化的模型；RTE 是一种模型，用于检查在红色，蓝色和绿色部队内部及其之间发生变化时，国家的失败以及城市，州，国家和国际上冲突的升级。

== 就职企业、机构或院校 ==

===[http://www.casos.cs.cmu.edu/ 社会和组织系统计算分析（CASOS）]===

凯瑟琳 · 卡利任社会和组织系统计算分析（CASOS）中心的主任，这是一个结合网络分析、计算机科学和组织科学的大学范围跨学科中心。该中心有25名余成员，包括学生，博士后，研究人员和教职员工。

===其他机构===

任卡内基梅隆大学软件研究所软件学院的教授。同时礼任以下职位：

* [http://www.epp.cmu.edu/people/bios/carley.html 工程与公共政策生物学]
* [http://www.heinz.cmu.edu/bio/faculty/carley.html Heinz School Bio]
* 电气与计算机工程
* [http://public.tepper.cmu.edu/facultydirectory/FacultyDirectoryProfile.aspx?id=151&S=1 GSIA Bio]

==主要文章及著作==

===文章===

* [http://wendynorris.com/wp-content/uploads/2018/08/Weick-et-al-2008-Organizing-for-High-Reliability-Processes-of-Collective-Mindfulness.pdf.pdf VOLUME III] 《第三卷》，1999，被引2693次
* [https://www.jstor.org/stable/2096108 A theory of group stability] 《群体稳定性理论》，1991，被引987次

=== 著作 ===

* 凯瑟琳·卡利（Kathleen M. Carley）等人，《行为建模与仿真，从个人到社会》，2008年，格雷格·L·扎卡里亚斯，让·麦克米伦和苏珊·范·赫梅尔，国家科学院出版社，华盛顿特区，编辑
* 凯瑟琳·卡利（Kathleen M. Carley）等人，2006年，《大流行性流感的社区遏制建模：来信报告》，华盛顿特区：国家科学院出版社。
* Sallie Keller-McNulty，Kirstie L.Bellman，Kathleen M.Carley等人，2006年，《国防建模，模拟和分析：应对挑战》，华盛顿特区：国家科学院出版社。

== 联系方式 ==

* 办公室：Wean Hall 5130
* 电话：（412）268-6016
* 传真：（412）268-1744

== 相关链接 ==

=== 视频 ===

[http://youtu.be/SP6KLQLFAZ0 社会计算博士课程-研究资料视频]

=== 更多信息 ===

[http://www.casos.cs.cmu.edu/bios/carley/carley.html 个人主页]

[http://www.casos.cs.cmu.edu/bios/carley/KCvita2016_v4web.pdf CV]

[http://en.wikipedia.org/wiki/Kathleen_Carley 维基主页]

[[Category:网络科学]]
[[Category:人物]]
[[Category:旧词条迁移]]

投入产出流网络

2020-10-14T13:46:19Z

Thingamabob：创建页面，内容为“投入产出流网络 ==投入产出分析== ===投入产出分析的具体方法及意义=== 投入产出分析（Input Output Analysis)是由著名经济学家Wa…”

手写识别试验

2020-10-14T13:44:02Z

Thingamabob：创建页面，内容为“{{#seo: |keywords=神经网络, 手写识别 |description=神经网络, 手写识别 }} * 名称：手写识别试验 * 作者：nay0648 * 源代码：Media:Jav…”

{{#seo:
|keywords=神经网络, 手写识别
|description=神经网络, 手写识别
}}

* 名称：手写识别试验
* 作者：nay0648
* 源代码：[[Media:Java_pwriter.zip|pwriter.zip]]

<html>
<iframe width=350 height=400 frameborder=1 scrolling=no src="http://www.swarma.org/javaclass/classes/PDWriter/PWriter2.htm">
</iframe>
</html>

=运行方法=

首先，在面板上写好字母点input键后，程序把面板上的图象信息转换为一个二进制向量，即按从左到右，从上到下的顺序检查面板，如果该位置被写过则对应1，如果没被写过则对应0。然后对该二进制向量进行单位化，单位化的目的是使得各种输入向量都有相等的长度，以便在第一层神经元中实现公平竞争。单位化了的向量送入神经网络进行计算。

=运行原理=

PWriter2所用的神经网络共两层，结构如图下图所示，注意图中大写粗体字母表示矩阵，小写粗体字母表示向量，小写细体字母表示标量。

网络的第一层有256个输入，26个神经元，每个输入都和各个神经元相连，即每个神经元都能接收这256个输入。每个神经元有256个权值，是字母的标准写法，即每个神经元都储存着一个标准模式，26个大写字母的标准写法分别由对应的这26个神经元储存。每个神经元的权值向量也是单位化的，同样是为了实现公平竞争。该层的传输函数为竞争函数。所谓竞争函数即每个神经元互相竞争，净输入最大者获胜，输出为1，其余净输入较小的神经元竞争失败，输出为0，以竞争函数为传输函数的神经元层每次只有净输入最大的那个神经元输出为1，其余都为0（不考虑净输入相等的情况）。

[[File:Ins.jpg|center]]

单神经元净输入的计算方法是输入向量的各个分量和权值向量的对应分量相乘，然后相加，再加上偏置值，即输入向量和权值向量的内积加上过竞争函数，该神经元输出1，其余输出0，这样一来就得到了一个26维向量，该向量进入第二层神经元继续计算。

第二层有26个输入，8个神经元，26个字母的ASCII码由这8个神经元的权值共同记录着，即每个神经元权值向量的第一个分量记录“A”的ASCII码，以二进制表示，第二个分量记录“B”……这层的传输函数为hardlim函数，该函数当净输入大于等于0时输出1，小于0时输出0。先前得到的向量进入该层后，由于只有一个分量为1，所以每个神经元只有该位置的数据为原来的数，其余分量位置上的数据都为0。再加上-0.5的偏置，使原来

为1的量为0.5，原来为0的量为-0.5，通过hardlim函数后所得的向量就为对应字母的ASCII码，再通过程序转换后就可输出该字母。

这个程序的问题还很多。由于第一层神经元记录的标准模式连字母在面板中的位置也记录了，所以即使当输入已经非常象一个标准模式，但位置偏了，所得的向量仍与标准向量差别较大，所以仍会认不准。而且，由于使用了竞争函数，所以即使人看来输入不象其中任何一个字母时，还是总会有一个标准向量与输入的内积最大，所以还是会认定一个错误的字母

==相关wiki==
*[[SVM支持向量机]]
*[[Nsod2]]
*[[手写识别体]]

[[category:旧网站]]
[[category:旧网站-虚拟世界]]
[[category:模拟程序]]
[[category:神经网络]]
[[Category:旧词条迁移]]

当概率成为复数——量子概率简介

2020-10-14T13:40:49Z

Thingamabob：

{{#seo:
|keywords=人工生命,生命之流,人工智能,量子概率
|description=人工生命,生命之流,人工智能
}}

* 作者：[[jake]]
* 时间：2008-04

== 当概率成为复数——量子概率简介 ==

== 介绍 ==

与其说量子力学是一门物理，还不如说它是一种数学。数学关心的是符号之间抽象的关系与结构，而不关心符号对应的实物。这门诞生于量子物理的抽象数学被人们称为量子概率。量子概率不一定非得描述微观粒子，而可以描述更一般的宏观系统，例如人类的认知现象。注意，这种应用并不是把人类认知还原为大量的微观粒子，而是将认知主体作为一个完整的系统，而运用量子概率去描述。正如随机过程作为一个独立的数学分支可以脱离它的原始物理背景而应用到包括金融、生物等更广阔的系统中一样，量子概率也必将可以作为一套与经典概率不同的数学分支应用到各种领域之中。

本文绕开了那些繁杂的量子物理试验以及算符、波函数等量子力学的标准讲法，而是从概率幅可以取复数这个特点切入到量子概率的理论体系中。从这个角度看，量子概率可以说是将经典概率扩展到复数域之后的数学产物，因此整个量子概率体系的各种结论都可以自然得到。然而一个疑问是：究竟这样一种纯数学游戏般的概率扩充有什么实际意义呢？本文试图指出：量子概率——经典概率在复数域的扩充其实刻画的是观察者对于外界信息的不确定性情况下的描述，这种不确定性要比经典概率不确定更不确定：一个是量子概率考虑到了观察对观测系统的影响（当然，这是按照经典的哥本哈根解释，我们仅将观测对系统影响作为一种唯像的数学刻画，至于如何影响及其背后原理，包括比较新的退相干解释，我们不做过多讨论，这不是本文的重点），另一个是考虑到观察者处理信息能力的极限。

本文首先沿着将概率复数化的思路引入复数概率（即量子物理中的概率幅）的概念，之后为了看到将经典概率与复数概率的不同，我们从几何表示到不兼容属性对，再从不兼容属性对到复合系统到纠缠态再到贝尔不等式一路下来，其主要的目的就是展示复数概率与经典概率的区别。然而，这样做的代价是大家对复数概率的整个框架不甚了解。于是，我们在第四章，又重新用相对正规的数学定义出发，重新介绍了量子概率的体系框架。最后，我们将把量子概率体系如何应用到人类认知现象作了简单介绍。并进一步针对不兼容属性对以及纠缠和贝尔不等式的拓广进行了讨论。

== 如果概率可以取复数 ==

=== 当 i 进入物理学 ===

所谓的复数就是形如下式所表示的数：

<math>a+bi</math>

其中a和b都是普通的实数，而i则表示<math>\sqrt{-1}</math>，又称为虚数单位。i最早进入数学完全是偶然。在费罗的三次方程的求根公式中，i会以计算的中间步骤出现，但是又消失在最终的计算中（参见《[http://book.douban.com/subject/3535356/ ''虚数的故事'']》）。因为人们无法想象一个平方等于-1的数会是什么样子的，因此人们给它起了一个非常有诗意的名字：虚数（Imaginary number）。

虚数，故名思义，它只存在于人们想象之中，而无法找到任何现实对应。所以，长期以来，虚数从未真正进入过物理学（尤其是20世纪以前的经典物理学）领域，因为虚数不可能表达'''实实在在'''的物理量。即使在交流电路分析中，工程师、物理学家们用复数来表示电流和电压，但那也仅仅是一种“数学技巧”罢了。也就是说，如果我们不用复数，也能完成所有的运算，而这样只不过会让计算稍稍复杂一些罢了。

20世纪以后的物理学开始变得让人匪夷所思了。先是爱因斯坦的相对论打破了人们旧有的时空观念，接下来量子理论又开始挑战人们头脑中的实在观念。有趣的是，这两个革命性理论的建立都与虚数i在物理学中的应用分不开。

首先，在相对论中，虚数i连带着时间t和光速c构成了一个可以与空间相提并论的四维闵可夫斯基空间，在这个奇妙的四维空间里，物体的匀速运动被转化成了绕原点的旋转。更有意思的是，与空间等价的坐标系不是时间t，而是一个乘上了虚数i的虚时间。

如果说将i引入相对论中也不过是一种数学技巧（爱因斯坦建立的狭义相对论并不依赖于四维时空，因此也没有虚数i）。那么，在量子力学这个更让人费解的物理学理论中引入虚数i则是一种不可避免的事情。虚数i对应的是量子状态的相位，虽然相位仍然不可测量，但是它却是使得量子系统表现为区别于经典系统的主要原因。进一步，量子力学中虚数i的引入，还使得人们对概率的认识过渡到了对'''概率幅'''这一可以取复数的类概率量（之所以称之为类概率量，是因为概率幅的运算法则与经典概率的运算法则完全一致）的阶段。这篇文章则是从复数概率幅这个角度来介绍量子概率理论的。

=== 将概率复数化 ===

当我们抛一枚硬币出去，那么该硬币就会以概率p(1)出现正面，以概率p(0)出现反面，并且p(1)+p(0)=1。这句话的意思是，如果我抛掷硬币N次，出现正面的次数是n次，那么p(1)就解释为n/N，而p(0)就是(N-n)/N。显然，如果我直接将概率p(1)取为复数值，则没有任何意义，因为我们不再可能将p(1)解释为出现正面的次数占总的抛掷硬币次数的比例。

然而，经典概率论存在着一个致命的漏洞。在通常情况下，事件的概率并不是一个可观测的量。在每次抛硬币的过程中，我们实际上只能观测到正面或者反面，而无法观测概率p(1)。只有当我们进行了大量的实验，并且能够保证这些实验都是对同一个随机事件（例如在同一个条件下抛掷同一枚硬币），我们才能渐进地观测到某一个事件出现的概率。然而，在更多的无法进行重复试验的场合下（例如明天是否会下雨），我们仍然可以定义概率，但是这里的概率就是一个彻头彻尾不可观测的量。

正是概率的这种不可直接观测性，使我们有机可乘，从而可以将概率变成复数。我们并不是直接把硬币出现正面的概率p(1)定义为复数a+bi，而是定义一种叫做'''概率幅'''（在本文中又称为'''复数概率'''）的新量，即：

<math>\psi =a+bi</math>

并且，我们规定这个复数概率ψ可以按照下述规则转变为经典概率：

<math>p=|\psi {{|}^{2}}=\psi *\psi =(a-bi)(a+bi)={{a}^{2}}+{{b}^{2}}</math>

|ψ|表示求复数ψ的模，ψ*表示ψ的共轭复数，也就是说ψ乘以它自己的共轭就得到了ψ的模。当然，如果要求p表示经典概率，那么必须要求<math>{{a}^{2}}+{{b}^{2}}\in [0,1]</math>。正是因为在一次抛硬币随机试验中，我们原则上只能得到正面（1）或者反面（0）的观测，而不能得到关于概率p的任何信息。所以，我们不妨在这个'''观测过程'''上面做文章，我们假设每一次观测会发生3件事：

首先，在观测前，假设硬币正面朝上可以用一个复数概率来表示，例如：

<math>\psi (1)=\frac{1}{2}+\frac{1}{2}i</math>

然后，在测量的瞬间，我们定义复数概率会自动转变成概率，即按照如下原则得到正面朝上的概率：

<math>p(1)=|\psi (1){{|}^{2}}={{\left( \frac{1}{2} \right)}^{2}}+{{\left( \frac{1}{2} \right)}^{2}}=\frac{1}{2}</math>

最后，硬币会按照这个概率p(1)随机地出现正面或者反面。我们看到，如果进行大量的实验，我们仍然可以得到出现正面的频率是1/2。

总之，我们假设硬币出现正面这个随机事件不仅可以用概率p(1)来描述，而且还可以用复数概率ψ(1)进行描述。并且对一次随机试验的观测实际上是先从复数概率转变为经典概率，再由经典概率支配出现某一个观测值的比例。

因此，我们可以假设在概率背后还有一个更基本的复数概率制约着概率本身。正是因为概率本身并不是一个可以被直接观测到的量，所以我们再做一层复数概率的假设就不会引起实质的困难。尽管我们增加了理论的复杂性，但是我们终于可以成功地将概率复数化了。其实量子力学就是这么干的！

我们知道，某一个事件X的经典概率与该事件的复数概率存在着对应关系：

<math>P(X)=|\psi (X){{|}^{2}}</math>

然而，这个关系却不是对称的。从复数概率到经典概率的映射是一个多对一的映射。也就是说针对一个具体的概率值P(X)，存在着无穷多个复数概率与其对应，可以证明这群复数概率满足：

<math>\psi (X)=\sqrt{P(X)}(\operatorname{Cos}\theta +i\ \operatorname{Sin}\theta )=\sqrt{P(X)}\exp (i\theta )</math>

其中θ为任意实数。这群复数落到了以原点为圆心，以<math>\sqrt{P(X)}</math>为半径的圆上。这种多对一的关系使得复数概率完全可以涵盖经典概率的内容，甚至可以包含更丰富的信息。另一方面，复数概率具有更深的不可观测性，因为即使你对事件X进行了大量的测量，也仅仅能够得到复数概率的模的信息，而不可能确定它的相角θ，这就为我们估算复数概率带来了挑战。正是因为这个相角的存在，复数概率和经典概率表现出了本质的区别。

=== 分布与向量表示 ===

在经典概率中，一个随机变量可以取多个不同的值，这些取值构成了两两互斥的随机事件。我们假设随机变量X的可能取值为：{x1,x2,…,xn}，那么我们可以定义n个概率：

<math>p({{x}_{i}})=P\{X={{x}_{i}}\text{ }\!\!\}\!\!\text{ , for i}=\text{1,2,}\cdots \text{,n}</math>

并且这些概率满足归一化条件：

<math>\sum\limits_{i=1}^{n}{p({{x}_{i}})}=1</math>

那么这一组概率p(xi)就构成了X的一个概率分布。为了方便讨论，我们不妨将这一组概率写成一个向量的形式：

<math>F(X)={{p}_{1}}\left| {{x}_{1}} \right\rangle +{{p}_{2}}\left| {{x}_{2}} \right\rangle +\cdots +{{p}_{n}}\left| {{x}_{m}} \right\rangle </math>

其中pi=p(xi)，pi|xi>表示对应的X在取值为xi的时候概率为p(xi)。我们知道，F(X)这个向量相当于n维空间中的向量(p1,p2,..,pn)，其中pi就是该向量在第i个维度上的坐标。这样，|xi>就相当于是这n维空间中的第i个基向量。所以F(X)又可以写成坐标乘以相应的基向量再求和的形式。

按照前面的将概率复数化的思想，我们也可以为每个随机事件X=xi定义复数概率，这样n个复数概率也可以写成向量的形式：

<math>\Psi (X)={{\psi }_{1}}\left| {{x}_{1}} \right\rangle +{{\psi }_{2}}\left| {{x}_{2}} \right\rangle +\cdots +{{\psi }_{n}}\left| {{x}_{n}} \right\rangle </math>

并且变量X取值xi的经典概率就是：

<math>P\{X={{x}_{i}}\}={{\left| {{\psi }_{i}} \right|}^{2}}</math>

并且要求：

<math>\sum\limits_{i=1}^{n}{|{{\psi }_{i}}{{|}^{2}}}=1</math>

在经典概率中，如果我们给定了随机变量X在各种可能值上的概率，也就是给定了向量F(X)，那么系统的状态就给定了。因为，系统的任何性质都可以从概率分布中得到。同样的道理，在复数概率中，给定了向量Ψ(X)，也就给定了系统的状态，因为系统的一切性质都可以从这个向量中导出。

在量子力学中向量Ψ(X)称之为一个量子系统的'''叠加态'''。这个状态与经典概率的分布F(X)还是很不一样的。在经典概率中，如果一个系统的概率分布是F(X)，那么我们可以说变量X以p1的概率取值x1，以p2的概率出现x2，…。但是在状态为Ψ(X)的量子系统中，我们不能说系统以|ψ1|2的概率处于|x1>状态，以|ψ2|2的概率处于|x2>状态，……。这是因为这些状态之间会发生相互干涉影响，我们将在下一节中继续讨论这个区别。

由于概率是不可直接测量的量，因此，我们完全可以用复数概率来描述系统从而达到用经典概率描述等同的效果。例如，我们可以用经典概率分布：

<math>F(X)=\frac{1}{2}\left| 0 \right\rangle +\frac{1}{2}\left| 1 \right\rangle </math>

来表示一枚硬币处于正面（状态|1>）和反面（状态|0>）的概率各是0.5。同样，我们也可以假设这枚硬币处于一个可以用复数概率描述的量子叠加态：

<math>\Psi (X)=\left( \frac{1}{2}+\frac{1}{2}i \right)\left| 0 \right\rangle +\left( \frac{1}{2}+\frac{1}{2}i \right)\left| 1 \right\rangle </math>

或者：

<math>\Psi (X)=\frac{1}{\sqrt{2}}\left| 0 \right\rangle +\frac{1}{\sqrt{2}}\left| 1 \right\rangle </math>

那么，按照从复数概率到经典概率的转换，这两种描述不会产生任何可观测到的区别。进一步，我们可以在复数概率体系下定义随机变量的均值，这里不详述了，参加附录1。

== 多则不同 ==

到此为止，量子概率和经典概率没有任何的不同之处。然而当我们考察两个以上事件或随机变量的时候，量子概率和经典概率才能表现出非常不同的特性。

=== 事件与希尔伯特空间 ===

我们知道，事件这个概念是概率论的基础。在量子概率体系中，事件不再对应经典的集合，而是对应于线性空间（线性代数没学好的读者，建议先补休一下线性代数），这个空间又称为希尔伯特空间。

仍然以抛硬币为例，我们知道一个硬币在具体的测量之前可以处于一种用复数概率描写的量子力学叠加态：

<math>\Psi (X)=\frac{1}{\sqrt{2}}\left| 0 \right\rangle +\frac{1}{\sqrt{2}}\left| 1 \right\rangle </math>

这个状态可以恰好用一个二维的线性空间表达：

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图1 复数概率的向量表示

在图中，绿色的向量和红色的向量分别表示单位向量|0>和|1>

我们知道，在实验中，0表示的是抛掷硬币得到反面，1表示得到正面。出现正面或者反面实际上都是基本的事件。而在复数概率的向量表示中，这两个基本事件则变成了两个相互垂直，交于一点O的单位向量|0>和|1>。

这是一个非常关键的区别，在经典概率中，任何原子事件都可以用一个单元素的集合来表示，例如硬币正面朝上的事件可以用{1}这个集合来表示，集合中的元素只有一个1。但是，在复数概率中，这个原子事件则变成了向量|1>。读者一定会质疑，我们用向量表示原子事件又有什么好处呢？这与概率取复数值又有什么关系呢？答案就在于，只有这样扩展量子概率，我们才能表达不兼容属性。

=== 不兼容属性 ===

==== 不兼容性的复数概率表示 ====

不兼容属性（incompatible property）是量子概率——将概率论扩充到复数域的最特别的概念，也是区别复数概率和经典概率的本质所在。

所谓的一对不兼容属性就是指一个客观物体所具备的两种属性，这两种属性不能'''同时'''得到确切的测量值。当你知道了属性A的确切值之后，你就不能获知B的确切值了。我们知道，量子力学中有很多不确定（uncertain）对，这些不确定对，例如同一个粒子的位置和动量，或者是能量和时间就是不兼容属性对。

我们先从抽象的数学形式上考察复数概率是如何可以很好地表征不兼容属性以及不确定性原理的（Uncertainty Principle）。假设某一个系统具有属性A，属性A的取值可以有{U,D}（即上、下）两种可能。另外，该系统还具有属性B，B的取值可以由{L,R}（即左、右）两种可能。这样，我们就可以构成4组不同的原子事件{A属性为U,A属性为D, B属性为L和B属性为R}。我们知道，每个事件都可以用线性空间中的向量来表示。由于A属性要么取U要么取D，所以前两个事件就可以用两个相互垂直的向量来表示。同样的道理，后两个事件（B为L或者B为R）也可以用两个相互垂直的向量表示。显然，前两个事件张成了一个平面，后两个事件又张成了另一张平面，问题的关键是，当这两张平面重合在了一起会如何呢？如下图所示：

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图2 同一个状态向量在两组不同基下面的表示

如图所示前两个事件（属性A取U或者D两个属性）的两个基向量是黑色的坐标系（|U>和|D>）。而后两个事件（属性B取L或者R两个属性）对应的基向量则用蓝色的坐标系（|L>和|R>）表示。这两个坐标系重合在了同一张平面上，只不过它们之间存在了一个夹角θ（在更一般的情况下该夹角可以取复数）。对于同一个向量，例如对图中的粗箭头来说，它在第一个坐标系下可以表示为：

<math>{{\psi }_{A}}=x\left| U \right\rangle +y\left| D \right\rangle </math>

那么，在第二个坐标系下（|L>和|R>构成的坐标系）的坐标就是：

<math>\left( \begin{matrix}

x' \\

y' \\

\end{matrix} \right)=\left( \begin{matrix}

\cos \theta & \sin \theta \\

-\sin \theta & \cos \theta \\

\end{matrix} \right)\cdot \left( \begin{matrix}

x \\

y \\

\end{matrix} \right)=\left( \begin{matrix}

x\cos \theta +y\sin \theta \\

-x\sin \theta +y\cos \theta \\

\end{matrix} \right)</math> （*）

因此，同样的向量可以表示为：

<math>{{\psi }_{B}}=x'\left| L \right\rangle +y'\left| R \right\rangle </math>

因此，ψA和ψB是同一个向量在不同坐标系下的表示。回想该向量的物理意义表达的是发生A取值U事件的概率是|x|2，取值D事件的概率是|y|2。而ψB则表达的是B属性取值L事件的概率是|x’|2，取值R的概率是|y’|2。然而，由于x’,y’与x,y存在着联系（*）式，所以A属性上面的概率分布就会对B属性造成影响，反之亦然。因此，A和B两个属性之间存在着一种强烈的联系。它们是不兼容性，即不能同时测准。这是因为，如果你确定地知道了A属性的取值就不可能完全知道B属性的取值了。

比如，假设我们确定地知道A属性的取值为U，即发生U事件的概率为1，则：

<math>{{\psi }_{A}}=1\left| U \right\rangle +0\left| D \right\rangle </math>

这样根据坐标变换（*）式，同样的状态反映在B属性上就成了：

<math>\left( \begin{matrix}

x' \\

y' \\

\end{matrix} \right)=\left( \begin{matrix}

\cos \theta & \sin \theta \\

-\sin \theta & \cos \theta \\

\end{matrix} \right)\cdot \left( \begin{matrix}

1 \\

0 \\

\end{matrix} \right)=\left( \begin{matrix}

\cos \theta \\

-\sin \theta \\

\end{matrix} \right)</math>

这样，只要θ不是0或者90度的整数倍，则我们必然得到B属性值是不确定的，它会以cos2θ的概率取值L，而以sin2θ的概率取值R。因此，我们说A和B是一对不兼容的属性，因为它们不能同时被测准。其实，在数学上存在着对L或者R发生的概率更简洁的运算方法，我们不在正文详述，具体请参见附录2。

总体来说，所谓的不兼容属性对实际上就是两组处于同一个平面的坐标系，它表达的是两个随机变量分布之间的一种深刻的联系。也就是说只要确定了两个不兼容属性，那么它们之间的夹角θ就确定下来，因此给定属性A上的复数概率分布，就必然会确定一组B上的复数概率分布。

==== 为什么一定要复数概率？ ====

也许读者会争辩说，在经典概率中，我们也可以引入上述这些坐标系转换的概念。例如我们可以画出类似的图2的那种图。我们也可以把经典概率表达成向量：

<math>F(X)=\frac{1}{2}\left| 0 \right\rangle +\frac{1}{2}\left| 1 \right\rangle </math>

然后，同样把这个向量投影到蓝色的坐标系下，得到新的向量表示：

<math>\left( \begin{matrix}

x' \\

y' \\

\end{matrix} \right)=\left( \begin{matrix}

\cos \theta & \sin \theta \\

-\sin \theta & \cos \theta \\

\end{matrix} \right)\cdot \left( \begin{matrix}

1/2 \\

1/2 \\

\end{matrix} \right)=\frac{1}{2}\left( \begin{matrix}

\cos \theta +\sin \theta \\

-\sin \theta +\cos \theta \\

\end{matrix} \right)</math>

然而，不幸的是，这种坐标转换后得到的新“概率分布”却不总能满足概率分布的要求。比如我们设θ=π/4，那么|L>的概率就是<math>\sqrt{2}/2</math>,|R>的概率则是0。所以这对数不能构成一个合格的概率分布。

只有当考虑复数概率的时候，才能引入坐标转换的概念，这是因为，坐标转换本质上来讲就是一种旋转操作，而旋转操作会保持向量的模（即向量长度）不改变。所以对于任何一个复数概率分布所对应的状态向量<math>{{\psi }_{A}}=x\left| U \right\rangle +y\left| D \right\rangle </math>来说，由于它的模必须是1，所以无论你转换到哪一个坐标系，它都保持长度不变，也就能保证新的向量所对应的经典概率分布是一个良定义的概率分布，即各个分量上面的概率求和为1。正是因为概率幅而非概率具有这种旋转模不变的性质，所以我们只能对复数概率进行坐标变换的定义。

==== 盒子中的萤火虫 ====

下面我们用一个宏观系统的例子来说明不兼容属性对。这个例子最早是由Cohen（参见：Cohen,D.W., An introduction to Hilbert space and quantum logic, Springer, New York,1989）引入来说明量子概率与经典概率区别的。我们引入这个例子的目的仅仅是说明复数概率的运算法则，有趣的是，如果你真的做出来这样一个萤火虫系统，你是不会观察到复数概率预测的那些古怪性质的。因此，不要误把萤火虫系统看作是符合复数概率的量子系统看待。

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图3 盒子中的萤火虫

假设在一个黑盒子中放了只萤火虫，萤火虫可以随机地分别穿梭于左上、右上、左下、右下四个方格中的某一个。然而，盒子上仅开了两个洞，洞A在盒子的右侧，另一个洞B在盒子的上侧。这样，观察者'''仅仅能够通过这两个洞的某一个'''来观测盒子中的萤火虫。当观察者通过右侧的A洞来观察的时候，他（她）仅仅能得出萤火虫是在上U或者下D的结论，并且概率分别是1/2和1/2。当他通过上方的B洞来观察萤火虫的时候，他仅仅能够得到左L或者右R的结论，并且概率分别是3/8和5/8。但是，上、下的观测以及左、右的观测不能同时精确地做出。这样通过A,B两个洞来观测萤火虫就是一对不兼容的属性。

我们可以很好地用刚才讲述的复数概率运算法则来描述这个例子。假设观察者先从A洞观察萤火虫，这个时候，我们可以用一对复数概率来表示这种状态：

<math>{{\psi }_{A}}=\frac{1}{\sqrt{2}}\left| U \right\rangle +\frac{1}{\sqrt{2}}\left| D \right\rangle </math>

这可以表示为二维平面上的一个向量，如图3所示，只不过这个时候的x,y都取值1/sqrt(2)，它们表示萤火虫处于上、下两个状态的概率分别是1/2。

下面我们再考虑从B洞观测萤火虫的观察者。我们知道尽管观察者变换了观察系统的视角，但是萤火虫本身并没有改变状态，因此萤火虫的状态表达不能改变。那么如何来表达观察者从B洞观测萤火虫的情况呢？我们知道，每一个属性值其实都是线性空间中的一个向量，这样具有两个不同值的属性就构成了一对相互垂直的单位向量。所以从B洞观测这个属性就可以表示为两个相互垂直的的向量|L>和|R>，如图2表示。

因此，根据（*）式，同样的向量在新基向量|L>和|R>下的坐标就是：

<math>\left( \begin{matrix}

x' \\

y' \\

\end{matrix} \right)=\left( \begin{matrix}

\cos \theta & \sin \theta \\

-\sin \theta & \cos \theta \\

\end{matrix} \right)\cdot \left( \begin{matrix}

\frac{1}{\sqrt{2}} \\

\frac{1}{\sqrt{2}} \\

\end{matrix} \right)=\left( \begin{matrix}

\cos \theta +\sin \theta \\

-\sin \theta +\cos \theta \\

\end{matrix} \right)\frac{1}{\sqrt{2}}</math>

这样，只要我们取

<math>\theta =\arccos (\frac{\sqrt{3}-\sqrt{5}}{4})</math>

就能使得新坐标是<math>(\sqrt{\frac{3}{8}},\sqrt{\frac{5}{8}})</math>，所以同样的状态向量也可以在新基B下表示为：

<math>{{\psi }_{A}}=\sqrt{\frac{3}{8}}\left| L \right\rangle +\sqrt{\frac{5}{8}}\left| R \right\rangle </math>

按照对复数概率的解释，我们就能以3/8的概率从B孔观测到萤火虫出现在左侧盒子，以5/8的概率出现在右侧的盒子。所以，我们就用复数概率很好地表达了盒子中的萤火虫这个例子。

仅仅用复数概率来表示萤火虫的例子还不能说明什么，更重要的是，给定了观察的属性对A,B两个孔后，那么θ值就是固定的数了。假如我们让萤火虫在U，D上面的复数概率分布发生改变，例如新的状态是：

<math>{{\psi }_{A}}=\frac{i}{2}\left| U \right\rangle +\frac{\sqrt{3}}{2}\left| D \right\rangle </math>

那么，我们必然会得到L和R上的复数概率分布会发生改变为：

<math>\frac{1}{8}((\sqrt{3}-\sqrt{5})i+\sqrt{6(4+\sqrt{15}})\left| L \right\rangle +\frac{1}{8}(3-\sqrt{15}-i\sqrt{2(4+\sqrt{15}})\left| R \right\rangle </math>

对应的概率就是0.742在L和0.258在R。所以两个概率分布必然存在着一种制约关系。这才是不兼容属性对的本质。

假设在盒子中有一个小妖精，它可以精确地知道萤火虫到底处于LU,RU,LD,RD之中的某一个的概率。比如说，萤火虫会以(1/8,3/8,1/4,1/4)的概率分别处于LU,RU,LD,RD之中。这样，根据边际概率公式，我们就可以求出萤火虫处于U的概率是1/8+3/8=1/2，处于D的概率是1/4+1/4=1/2，处于L的概率是1/8+1/4=3/8，处于R的概率是3/8+1/4=5/8，刚好与我们上例中从A孔观察和B孔观察得到的概率相等。这样，我们用不着什么复数概率，只要通过联合概率(1/8,3/8,1/4,1/4)就可以对这个问题进行完整的描述了。实际上，我们给出了属性A的概率分布和B的概率分布，我们总能给出一组联合概率分布数值满足要求。因此，在这一点上看，经典概率也可以模拟不兼容属性对的复数概率行为。

但不同的地方在于，我们的游戏规则规定了观察者只能从A或者B这两个孔的任何一个观察系统，而不能两个同时来做。

可是，凭什么不能同时测量A,B两个属性呢？我们完全可以这样来做：让张三盯住A孔看，李四盯住B孔看。这样每次测量张三能够知道萤火虫在上还是下，李四则知道萤火虫在左还是由，只要把它们的测量结果综合到一起，不就可以获得该系统任意两个属性组合的概率了吗？

但是，仔细想想就会发现，其实能够让两个观察者对不兼容属性对观测的时候有一个前提，这就是要保证张三看到的萤火虫系统和李四看到的萤火虫系统是同一个系统。但是我们也可以这样说，当两个观察者同时观测一个系统的时候，系统就呈现出了两份拷贝，一份呈现在张三眼里，一份呈现在李四眼里，并且这两份拷贝还呈现高度相关，当第一只萤火虫在上的时候第二只也必然在上。那么实际上这种情况与两个观察者看同一个系统是无法分辨的。因此，我们便可以通过研究两个相互纠缠的系统来研究同时测量两个不相容的属性的时候会发生什么。

实际上，这种将不相容测量对归结为一种更底层的联合概率分布的想法就是量子力学中著名的隐变量理论。而让两个人同时测量一个系统的不兼容属性对，并且可以用两个相互纠缠的系统来隐含实现的想法正是著名的EPR试验的本质。但是，历史的发展告诉我们，不管是隐变量理论还是EPR试验都不能将复数概率行为归结为经典概率行为。

下面我们先引入如何将两个不同的系统复合成一个更大的系统，接下来，我们将介绍纠缠态、贝尔不等式等最能区别复数概率与经典概率不同之处的概念。

=== 复合系统 ===

所谓的复合系统就是指由两个系统组成的新系统。例如，在刚才的萤火虫的例子中，如果我们考察两个盒子中的两只萤火虫，那么这两只萤火虫就构成了一个复合的系统。假如每只萤火虫在各自的盒子中都有|U>,|D>两种状态，那么两只萤火虫的组合就有|UU>, |UD>, |DU>和|DD>这四种状态分别表示两只萤火虫都在上，一只上一只下，一只下一只上和两只都在下这四种不同的事件。所以，我们要指定这两个萤火虫系统的状态，就必须要给定一个四维的空间的向量，分别表示两只萤火虫都在上、一只上一只下，一只下一只上和两只都在下的复数概率。

假如两只萤火虫的状态都是：

<math></math><math>\psi =\alpha \left| U \right\rangle +\beta \left| D \right\rangle </math>

表示萤火虫以（|α|）2的概率处于上，而以(|β|)2的概率处于下方。那么两只处于该状态的萤火虫所构成的复合系统就对应状态：

<math>\begin{align}

& \psi \otimes \psi =(\alpha \left| U \right\rangle +\beta \left| D \right\rangle )\otimes (\alpha \left| U \right\rangle +\beta \left| D \right\rangle )=\alpha \left| U \right\rangle \otimes (\alpha \left| U \right\rangle +\beta \left| D \right\rangle )+\beta \left| D \right\rangle \otimes (\alpha \left| U \right\rangle +\beta \left| D \right\rangle ) \\

& \quad \quad \quad ={{\alpha }^{2}}\left| U \right\rangle \otimes \left| U \right\rangle +\alpha \beta \left| U \right\rangle \otimes \left| D \right\rangle +\beta \alpha \left| D \right\rangle \otimes \left| U \right\rangle +{{\beta }^{2}}\left| D \right\rangle \otimes \left| D \right\rangle \\

& \quad \quad \quad ={{\alpha }^{2}}\left| UU \right\rangle +\alpha \beta \left| UD \right\rangle +\beta \alpha \left| DU \right\rangle +{{\beta }^{2}}\left| DD \right\rangle \\

\end{align}</math> 注意，我们这里定义了一个直积运算<math>\otimes </math>，它的作用就是将两个系统粘合成一个新的复合系统，也就是把两个二维向量粘合成一个新的四维向量。它的运算规则符合分配率，并且该运算作用到复数上就是计算这两个复数的乘积。如果该运算作用到向量上，则表示将这两个向量组合在一起形成新的向量。因此<math>\left| U \right\rangle \otimes \left| D \right\rangle =\left| UD \right\rangle </math>。

新向量是一个四维空间中的向量，这个四维空间的基向量分别是|UU>,|UD>,|DU>,|DD>。我们看到，按照直积运算得到的新向量<math>\psi \otimes \psi </math>就是两个<math>\psi </math>向量复合出来的系统状态。它表示以（|α|）4的概率两只萤火虫都在上面，以（|α|）2(|β|)2的概率一只在上一只在下……。我们看到这个计算是符合经典概率运算准则的。在经典概率中，如果一个萤火虫以|α|2的概率在上，|β|2的概率在下，则两只都在上的概率就是（|α|）4，一只上一只下的概率就是（|α|）2(|β|)2。

同样的，对于萤火虫在左侧|L>这个事件来说，我们也可以计算两只萤火虫都在左侧的概率。首先，我们需要计算两个|L>向量的直积：

<math>\begin{align}

& \left| L \right\rangle \otimes \left| L \right\rangle =(\cos \theta \left| U \right\rangle +\sin \theta \left| D \right\rangle )\otimes (\cos \theta \left| U \right\rangle +\sin \theta \left| D \right\rangle ) \\

& ={{\cos }^{2}}\theta \left| UU \right\rangle +\cos \theta \sin \theta \left| UD \right\rangle +\cos \theta \sin \theta \left| DU \right\rangle +{{\sin }^{2}}\theta \left| DD \right\rangle \\

\end{align}</math>

它是四维空间中的一个向量。那么对于任何一个系统状态<math>\psi \otimes \psi </math>来说，它在这个四维向量上的投影向量是：

<math>\begin{align}

& (\psi \otimes \psi )\cdot (\left| L \right\rangle \otimes \left| L \right\rangle )\left| L \right\rangle \otimes \left| L \right\rangle ={{({{\alpha }^{2}},\alpha \beta ,\beta \alpha ,{{\beta }^{2}})}^{*}}({{\cos }^{2}}\theta ,\cos \theta \sin \theta ,\cos \theta \sin \theta ,{{\sin }^{2}}\theta )\left| L \right\rangle \otimes \left| L \right\rangle \\

& =({{\alpha }^{*2}}{{\cos }^{2}}\theta +2{{\alpha }^{*}}{{\beta }^{*}}\sin \theta \cos \theta +{{\beta }^{*2}}{{\sin }^{2}}\theta )\left| L \right\rangle \otimes \left| L \right\rangle ={{({{\alpha }^{*}}\cos \theta +{{\beta }^{*}}\sin \theta )}^{2}}\left| L \right\rangle \otimes \left| L \right\rangle \\

& ={{({{\alpha }^{*}}\cos \theta +{{\beta }^{*}}\sin \theta )}^{2}}({{\cos }^{2}}\theta \left| UU \right\rangle +\cos \theta \sin \theta \left| UD \right\rangle +\cos \theta \sin \theta \left| DU \right\rangle +{{\sin }^{2}}\theta \left| DD \right\rangle ) \\

\end{align}</math>(**)

因此两个萤火虫都在左侧这个事件的发生概率就是上述向量的模平方。利用投影矩阵的方法，我们可以同样计算出这个向量，这里不再赘述，请参见附录3。总之，有了直积运算，我们就可以把多个系统粘合成一个大系统了。

=== 纠缠态 ===

下面，我们研究一类特殊的状态，它就是大名鼎鼎的纠缠态(entangled state)。让我们还是以那只可怜的萤火虫为例来说明。假设我们制备了两个萤火虫系统，只不过这两个系统之间存在着微妙的联系。如下图：

[[File:概览变成复数-图4.png|800px]]

图4 一个处于纠缠态的两个萤火虫系统

显然这是两个萤火虫系统，然而，这两个系统却存在着微妙的联系，也就是左右两只萤火虫会存在着联动。当我们从左面的A孔观察萤火虫的时候，如果左侧那个盒子中的萤火虫在上侧，那么右盒的萤火虫也在上面；反之毅然。那么处于这种纠缠态的萤火虫系统如何用复数概率表示呢？它是一种特殊的状态，可以表示为：

<math>\xi =\alpha \left| UU \right\rangle +\beta \left| DD \right\rangle </math>

首先，由于纠缠态是两个系统所表现出来的性质，因此我们必须在复合系统中来表示这种状态。其次，我们考察ξ状态的含义，按照复数概率到经典概率的映射，我们知道，系统将会以|α|2的概率处于状态|UU>之中，即两只萤火虫都处于上侧的概率是|α|2。另外，我们知道在复合系统的中，任何一个向量都有4个基，然而上式仅仅出现了两个，这说明|UD>和|DU>两个状态对应的复数概率都为0。也就是说系统不可能出现一只在上一只在下的状态。

我们知道，对于任何两个萤火虫系统组成的复合系统的状态都可以写成：

<math>({{\alpha }_{1}}\left| U \right\rangle +{{\beta }_{1}}\left| D \right\rangle )\otimes ({{\alpha }_{2}}\left| U \right\rangle +{{\beta }_{2}}\left| D \right\rangle )={{\alpha }_{1}}{{\alpha }_{2}}\left| UU \right\rangle +{{\alpha }_{1}}{{\beta }_{2}}\left| UD \right\rangle +{{\alpha }_{2}}{{\beta }_{1}}\left| DU \right\rangle +{{\beta }_{1}}{{\beta }_{2}}\left| DD \right\rangle </math> 那么，假如纠缠态ξ就是两个特殊状态的复合的话，那么就要有：

<math>\left\{ \begin{matrix}

{{\alpha }_{1}}{{\beta }_{2}}=0 \\

{{\alpha }_{2}}{{\beta }_{1}}=0 \\

{{\alpha }_{1}}{{\alpha }_{2}}=\alpha \\

{{\beta }_{1}}{{\beta }_{2}}=\beta \\

\end{matrix} \right.</math>

同时成立。但我们知道这是不可能的，除非所有的系数都等于0。所以，我们知道纠缠态是不能通过将两个单独的状态通过符合得到的。事实上，在量子力学中，人们就将'''纠缠态定义为不能表示成两个状态的复合的状态'''。

纠缠态被认为是量子系统中的一种与能量、信息同等重要的资源，这正是因为纠缠态的出现，才使得经典概率与复数概率发生了质的不同。下面我们举一个例子来说明。假设两萤火虫系统处于纠缠态：

<math>\xi =\frac{1}{\sqrt{2}}\left| UU \right\rangle +\frac{1}{\sqrt{2}}\left| DD \right\rangle </math>

即两只萤火虫会以1/2概率同时出现在上侧，并以1/2的概率同时出现在下侧。下面再定义从B孔观察萤火虫得出L,R性质的测量与水平轴成角是60度。这样，根据直积运算，我们可以计算出来左盒的萤火虫处于上（下）侧、右盒的萤火虫处于上（下）侧，左盒的萤火虫处于左（右）侧，右盒的萤火虫处于左（右）侧的概率都是1/2。同时，还可以计算出来左盒的萤火虫处于上侧，而右盒的萤火虫处于左侧的概率是1/8（参见附录4）。

同样的道理，我们按照相似的方法计算出来从A孔观察左侧萤火虫，从B孔观察右侧萤火虫的各种组合的概率如下表：

表1. 复数概率计算得到的伪联合概率分布

{|
!

! U(左盒)
! D(左盒)
|-
| L(右盒)
| 1/8
| 3/8
|-
| R(右盒)
| 1/8
| 3/8
|}

大家注意，这个表得出来的正是对上一节讨论的对同一个系统的两个不兼容属性由两个观察者同时测量的对应物。只不过，在这里我们把同一个系统换成了两个相互纠缠的萤火虫系统了。这样左盒对应的就是左侧观察者看到的系统，右盒就是右侧观察者看到的系统。我们认为，实际上两个观察者无法分辨究竟他们同时测量的萤火虫系统是同一个系统，还是两个不同的系统，但发生着相互纠缠。因此我们便可把对不兼容属性对同时测量的问题归结为对两个相互纠缠系统的测量问题。

表1相当于一个联合概率分布。然而这个联合分布是通过测量左侧萤火虫的A属性，同时测量右侧萤火虫的B属性得到的。根据这个联合分布，我们就能计算出单一属性的边际概率，我们知道萤火虫在左侧的概率就是1/8+3/8=1/2，在右侧的概率也是1/2。而萤火虫在上侧的概率是1/4，在下侧的概率是3/4。然而，之前我们已经计算出了萤火虫单独处于上侧的概率是1/2，而非1/4。出现了矛盾！

这个矛盾说明，我们不能将表1当作一个联合概率分布，也不能从它反过来构造某一个属性的边际概率分布，我们已经看出了复数概率系统与经典概率系统计算的差异。换句话说，一个复数概率系统中的不兼容属性对本质上是不能归结为背后的一种经典的联合概率分布模型的。

=== 贝尔不等式——真正的破坏 ===

然而，最本质地表征量子概率与经典概率的不同之处的还是贝尔不等式。贝尔不等式是科学家约翰.贝尔首先发现的经典概率系统中的一组不等式。然而，当采用复数概率的方法进行同样的计算的时候，这一不等式却被打破了，这说明复数概率法则存在着经典概率无法模仿的一面，从而证明了不存在经典的隐变量理论。进一步，人们实施了各种试验观察到电子的行为的确会破坏贝尔不等式，也就是说电子的行为不能够用隐含的经典概率来解释，而必须采用复数概率。

虽然原始的贝尔不等式非常复杂，但是我们可以简化它。一组最简单的贝尔不等式<ref>严格来说，该不等式不能叫贝尔不等式，它是贝尔不等式的极其简化的版本。但为了叙述方便，我们仍称它叫作贝尔不等式。
</ref>（参见：[http://www.mtnmath.com/whatth/node60.html ''http://www.mtnmath.com/whatth/node60.html'']，原始的贝尔不等式讨论的是两个变量之间的相关性质，简化的贝尔不等式则集中到概率的性质，参见：[http://www.amazon.com/Quantum-Probability-Quantum-Logic-Lecture-Physics/dp/0387506799 ''Quantum Probability-Quantum Logic'']）就是下式：

<math>1\ge P(A)+P(B)-P(A\cap B)\ge 0</math> (***)

有A，B两个事件，那么A事件的概率加上B事件的概率减去A,B两事件同时发生的概率必须在[0,1]之间，我们用集合文式图可以很清楚地表达出来这个不等式的含义：

[[File:概览变成复数-图5.png|800px]]

图5 贝尔不等式的文氏图

如图所示，假设集合的面积对应的就是该事件的概率。全集的面积为1。这样P(A∩B)表示的就是图中方格阴影部分的面积，而P(A)+P(B)-P(A∩B)就是斜影部分的面积。很显然当A和B完全重合的时候这部分面积最小为0。当A和B完全不重合并且A∪B为全集的时候这部分面积为最大为1。所以对于任意给定的两个事件A和B，这两个不等式必然成立。

然而，如果采用从复数概率出发得到的经典概率却有可能打破这两个不等式。让我们还是用萤火虫系统来说明。假设有两个黑箱子，它们分别关了两只萤火虫。并且这两只萤火虫是反关联的。也就是当左侧的萤火虫在上面，右侧的萤火虫就在下面，反之亦然。如下图式：

[[File:概览变成复数-图6.png|800px]]

图6 破坏贝尔不等式的量子纠缠态

这样，我们可以用一个纠缠态来表述这两个萤火虫构成的系统：

<math>\xi =\frac{1}{\sqrt{2}}\left| UD \right\rangle -\frac{1}{\sqrt{2}}\left| DU \right\rangle </math>

进一步，我们假设观察者在箱子上凿了三个小孔，透过这些孔可以观察到萤火虫是处于孔的左侧还是右侧。假设从其中任意一个孔观察萤火虫得到左或者右分别可以用下列的投影矩阵表示<ref>在原例中，是从0,45度，90度这三个不同的角度测量电子的自旋，为了隐去问题的物理含义，我们采用盒子上面开了三个不同的小孔来比喻
</ref>：

<math>{{M}_{\theta }}(L)=\frac{1}{2}\left( \begin{matrix}

1 & {{e}^{-i\theta }} \\

{{e}^{i\theta }} & 1 \\

\end{matrix} \right),\quad {{M}_{\theta }}(R)=\frac{1}{2}\left( \begin{matrix}

1 & -{{e}^{-i\theta }} \\

-{{e}^{i\theta }} & 1 \\

\end{matrix} \right)</math>

其中θ表示从不同的孔观察的参数。我们设这三个不同的孔对应的参数分别为0, Pi/4, Pi/2。下面，我们来考察三个事件：

事件1：从第1个孔看到左盒的萤火虫在左侧，并且从第2个孔看它在右侧；

事件2：从第2个孔看到左盒的萤火虫在左侧，并且从第3个孔看它在右侧；

事件3：从第1个孔看到左盒的萤火虫在左侧，并且从第3个孔看它在右侧。

我们记事件Ai为从第i个孔看萤火虫在左侧，且用Ai上面加一横杠表示从第i个孔看萤火虫在右侧。那么，前面的三个事件就可以写作公式：

事件1：<math>{{A}_{1}}\cap \overline{{{A}_{2}}}</math>，事件2：<math>{{A}_{2}}\cap \overline{{{A}_{3}}}</math>，事件3：<math>{{A}_{1}}\cap \overline{{{A}_{3}}}</math>

这样事件1和2的交就是事件3，所以应该符合下列概率不等式：

<math>0\le P(1)+P(2)-P(3)\le 1</math>

另一方面，由于我们的设定，我们不能同时从两个孔看同一只萤火虫，但是我们可以利用两只萤火虫互相纠缠的性质，第一个观察者从第一个孔看左侧的萤火虫，第二个观察者在第2个孔看右侧的萤火虫。由于萤火虫反关联的性质，上面的三个事件又等价于：

事件1’：从第1个孔看到左盒的萤火虫在左侧，并且从第2个孔看到右盒的萤火虫在左侧；

事件2’：从第2个孔看到左盒的萤火虫在左侧，并且从第3个孔看右盒的萤火虫在左侧；

事件3’：从第1个孔看到左盒的萤火虫在左侧，并且从第3个孔看右盒的萤火虫在左侧。

因而我们可以定义这三个事件的投影矩阵，从而计算它们的概率，例如事件1’对应的投影矩阵是：

<math>{{M}_{0}}(L)\otimes {{M}_{\pi /4}}(L)=\frac{1}{2}\left( \begin{matrix}

1 & {{e}^{-i0}} \\

{{e}^{i0}} & 1 \\

\end{matrix} \right),\otimes \frac{1}{2}\left( \begin{matrix}

1 & {{e}^{-i\pi /4}} \\

{{e}^{i\pi /4}} & 1 \\

\end{matrix} \right),=\frac{1}{4}\left( \begin{matrix}

1 & {{e}^{-i\pi /4}} & 1 & {{e}^{-i\pi /4}} \\

{{e}^{i\pi /4}} & 1 & {{e}^{i\pi /4}} & 1 \\

1 & {{e}^{-i\pi /4}} & 1 & {{e}^{-i\pi /4}} \\

{{e}^{i\pi /4}} & 1 & {{e}^{i\pi /4}} & {} \\

\end{matrix} \right)</math> 将该矩阵乘以纠缠态的状态向量<math>(\frac{1}{\sqrt{2}},0,0,\frac{1}{\sqrt{2}})</math>，再求所得向量的模平方就得到事件1’的概率是<math>{{\sin }^{2}}(\pi /8)/2\approx 0.0732</math>。采用同样的方法可以计算出事件2’的概率是<math>{{\sin }^{2}}(\pi /8)/2\approx 0.0732</math>，事件3’的概率是<math>{{\sin }^{2}}(\pi /4)/2\approx 0.25</math>。这样这三件事的概率就不满足不等式：

<math>P(1')+P(2')-P(3')\ge 0</math>

从而破坏了这个最简单版本的贝尔不等式。这个例子说明，采用复数概率运算的纠缠系统是不符合经典概率法则的。

到此为止，我们才算真正领教了复数概率的威力，它在一些实例中能够破坏经典概率必须满足的贝尔不等式，这才是复数概率与经典概率最大的差别所在。我们看到，要想真正地破坏经典概率法则，纠缠态和不兼容的测量对都是必不可少的。在本例中，两个相互纠缠的萤火虫系统构成了测量对，而从三个不同的孔洞对萤火虫进行观察则构成了三个两两不相兼容的测量对，正是在这两个条件都具备的前提下才能真正破坏贝尔不等式。

假如你真的找来一只萤火虫，把它关进黑盒子里，再钻三个孔对它进行左、右的划分。你是否能看到按照复数概率法则运算得到的破坏贝尔不等式的情况呢？答案是否定的，我敢肯定，如果你做这样的试验，你肯定能够得到经典概率的结果。原因在于对于一切'''实存'''的系统来说，贝尔不等式(***)都必须成立。而量子则是一类波、粒二象性共存的非实存系统。换句话说，如果你能找到一个破坏该不等式的例子，那么你就找到了一类非实存系统。你可以尝试构造这样的例子，你会发现，要真的打破该不等式是非常困难的。

== 量子概率体系 ==

前面我们按照一种纯粹启发式的思路，也就是如何将经典的实数概率扩展到复数概率的角度论述了整个一套新的概率体系，在文献中这套新的概率体系就被称为量子概率。这种思路的好处在于能够让读者较快地接触到复数概率这套理论最核心的概念，以及它与经典概率的不同之处。然而，这种方法的弱点在于叙述过于零乱，而且不能保证数学的清晰性。为了弥补这个不足，我们特意从较粗糙的公理化角度浅显地论述整个量子概率公理体系，这套公理化体系主要是由von Neumann在他的名著《[http://books.google.com.hk/books?id=JLyCo3RO4qUC&dq=Mathematical+Foundations+of+Quantum+Mechanics&printsec=frontcover&source=bn&hl=zh-CN&ei=q7lbTJ6CPILfcbG4pYcC&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=4&ved=0CBkQ6AEwAw#v=onepage&q&f=false ''Mathematical Foundations of Quantum Mechanics'']》建立起来的。读者可以参考[http://mypage.iu.edu/~jbusemey/quantum/Quantum%20Probability.pdf ''这篇文章'']获得更清晰的描述。

=== 基本概念 ===

==== 事件 ====

在经典概率论中，我们用集合表示事件，用集合的交、并、补等运算来组合出更多的事件。同时，我们定义了两个特殊的事件，一个是不可能事件对应集合空集，另外一种事件为必然发生事件，它对应集合全集。

在量子概率中，我们用复线性空间（希尔伯特空间）H作为基本事件的集合。任意一个事件都是该线性空间中的一个子空间（直线、平面或者超平面）。在量子概率中，不可能事件对应着0向量，即0维的线性空间。必然事件则对应着整个线性空间H。

正如经典逻辑可以使用否、与、或等运算组合出各种新的事件一样。在量子概率中，我们也可以定义这三种运算。

'''定义1（否运算）'''：设事件A对应的子空间为LA，那么~A事件则对应着垂直于LA的子空间记做<math>L_{A}^{\bot }</math>。

例如，事件A对应的子空间LA为三维空间中的一条直线l，那么非A这个事件对应的子空间就是垂直于l的整个平面。

'''定义2（与运算）'''：设事件A对应的子空间LA，事件B对应的子空间LB，那么事件A且B对应的子空间就是这两个线性子空间的交集，即

<math>{{L}_{A\cap B}}={{L}_{A}}\wedge {{L}_{B}}</math>

例如LA和LB都是三维空间中的两张平面，那么<math>{{L}_{A\cap B}}</math>就是这两张平面的交线。如果LA和LB都是三维空间中的直线，则它们的交<math>{{L}_{A\cap B}}</math>必然是一个点，这个点就是0维线性空间，因此是不可能事件。

'''定义3（或运算）'''：设事件A对应的子空间LA，事件B对应的子空间LB，那么事件A或B对应的子空间就是由这两个空间所张成的更大空间。即：

<math>{{L}_{A\cup B}}=Span({{L}_{A}},{{L}_{B}})</math>

注意，量子概率中的或运算与经典概率中事件的或运算是本质不同的，它不是两个子空间的并集，而是线性扩展Span。例如假如LA和LB分别是两条相交于一点直线，那么<math>{{L}_{A\cup B}}</math>就是这两条直线所张成的平面。

量子概率的运算性质大多与经典事件的运算性质相同，但有一个本质的区别，这就在于量子概率中的事件运算不一定满足分配率。即：

<math>{{L}_{A}}\wedge ({{L}_{B}}\vee {{L}_{C}})\ne ({{L}_{A}}\wedge {{L}_{B}})\vee ({{L}_{A}}\wedge {{L}_{C}})</math>

但我们知道集合的运算是满足这个性质的。那么量子事件的运算是如何打破分配率的呢？让我们来看一个例子，如图：

[[File:概览变成复数-图7.png|800px]]

图7 破坏分配律法则的量子事件运算

如图中所示的空间中有三条同在一个平面内的直线LA,LB,LC分别对应事件A,B,C，则LB∨LC就是整个平面，而<math>{{L}_{A}}\wedge ({{L}_{B}}\vee {{L}_{C}})</math>就是LA这根直线。但反过来，由于<math>{{L}_{A}}\wedge {{L}_{B}}</math>和<math>{{L}_{A}}\wedge {{L}_{C}}</math>都是点，所以<math>({{L}_{A}}\wedge {{L}_{B}})\vee ({{L}_{A}}\wedge {{L}_{C}})</math>还是点，即不可能事件。所以量子事件不一定满足分配律。

==== 互斥事件 ====

一枚硬币要么朝上，要么朝下，不可能同时发生，每抛掷一次必然有一个发生，那么这两个事件构成了互斥事件。从数学上我们可以表达成：

'''定义4（互斥事件）'''给定一组事件A1,A2,…,An，它们分别对应子空间L1,L2,…,Ln，则这些子空间满足：

<math>{{L}_{i}}\wedge {{L}_{j}}=O,and\quad {{L}_{i}}\bot {{L}_{j}},\ for\ \forall i,j</math>，

并且：

<math>Span({{L}_{1}},L{}_{2},\cdots {{L}_{n}})=H</math>

我们称这组事件互斥。

一组互斥事件往往对应同一个属性取不同的属性值。例如硬币只有正反两个可能取值。有趣的是，在经典概率中，我们通常可以用一条线上的不同点对应不同取值，例如一个人的身高有多种可能取值，这样所有的身高可以表示为一条直线。但是，在量子概率中，每一个属性值都对应着一条直线，这样n组属性值就对应着n条直线，并且这些属性值都是两两互斥的，也就是说这些直线两两垂直，而且所有这些可能的直线张成了一个n维希尔伯特空间。如下图，经典事件和量子事件表示的区别：

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图8 经典概率与量子概率在互斥事件上表示的不同

==== 概率与测量 ====

在量子概率理论中，我们可以采用三个步骤来计算任意一个事件的概率。首先，我们要确定一个状态来表示系统所处的环境和条件。我们用|z>来表示该状态，它是希尔伯特空间H中的一个向量，并且这个向量的长度必须是1。即：

<math><z|z>=1</math>

这里，<z|表示向量|z>的共轭，而<z|z>则表示向量<z|和|z>的内积。例如如果|z>=(1+i,2-i)，则<z|=(1-i,2+i)，那么<z|z>=(1+i)(1-i)+(2-i)(2+i)=2+5=7。这是量子力学中的狄拉克符号记法。

其次，我们需要定义投影算子的概念。

'''定义5：（投影算子）'''每个事件A都对应了一个投影算子PA，我们可以把状态向量|z>通过PA的作用投射到事件A对应的子空间LA上，因此，利用数学语言，投影算子可以表达为：

<math>{{P}_{A}}:H\to {{L}_{A}}</math>

在几何上，投影算子就是求向量|z>到子空间LA上的投影向量，因此，这个投影就构成了一个向量：

<math>{{P}_{A}}\left| z \right\rangle </math>

这个概念可以用下列图形清晰地表达：

[[File:概览变成复数-图9.png|800px]]

图9. 向量的投影

在图中，原向量为|z>，投影空间LA为一个平面，则|z>在其上的投影为红色向量。

如果我们给H选定了一组基向量，并且|z>也用基向量表示，那么投影算子PA就对应了一个矩阵称之为投影矩阵（参见附录2），这个矩阵满足性质：

<math>{{P}_{A}}{{P}_{A}}={{P}_{A}}</math>

从几何意义上很容易理解这个性质：任何一个向量往事件A对应的线性子空间上投影之后得到的向量再往A上投影则必然保持不变。

最后，我们计算该投影向量（红色向量）的模平方即为事件A的发生概率：

<math>\Pr (A)=|{{P}_{A}}\left| z \right\rangle {{|}^{2}}=\left\langle z \right|{{P}_{A}}\left| z \right\rangle </math>

这里介绍的计算事件概率的算法与前面讲到的复数概率到经典概率的映射相同。在量子概率中，测量是一个十分重要的过程，它不仅仅决定了一个事件发生的概率，而且也改变了系统的状态。也就是说，如果我们测量过状态是z的量子系统，并且得到事件A发生的结果，那么该量子系统的状态将变成：

<math>z'=\frac{{{P}_{A}}z}{|{{P}_{A}}z|}</math>

也就是说，我们将用A事件的概率|PAz|去重新归一化向量PAz，这样测量之后的状态z’又是一个长度为1的单位向量了。假如我们对状态z’再进行一次完全相同的测量，就会得到：

<math>\Pr (A)=|{{P}_{A}}z'{{|}^{2}}=|{{P}_{A}}\frac{{{P}_{A}}z}{|{{P}_{A}}z|}{{|}^{2}}=\frac{|{{P}_{A}}{{P}_{A}}z{{|}^{2}}}{|{{P}_{A}}z{{|}^{2}}}=\frac{|{{P}_{A}}z{{|}^{2}}}{|{{P}_{A}}z{{|}^{2}}}=1</math>

所以，一旦测量PA得到A发生的概率之后，系统将会一直呈现出A事件保持不变。有趣的是，在量子概率中，我们将测量与投影算子密切地联系起来。一次测量，就是将某一个投影算子作用到一个状态向量上，测量的结果是让观察者得到一个确定的事件，同时也会让被测向量完成一次投影，形成一个新的向量。

我们可以将量子概率的运算法则应用到一组互斥事件上，这就相当于将一个高维空间中的向量|z>分别向一组相互垂直的直线投影，这样，可以验证量子概率满足测度的性质，即如果C=A∨B，并且A∧B=O，那么Pr(C)=Pr(A)+Pr(B)。

==== 不相容属性对 ====

我们说过，量子概率与经典概率最大的不同就是存在着相互不相容的属性对，也就是不能同时进行测量的两个属性。下面，我们给出不相容属性对的定义：

'''定义6：（不相容属性对）'''假设属性M有m个不同的属性值{M1,M2,…,Mm}，这些属性值张成了m维线性空间H，并且每两个属性对所对应的子空间彼此垂直。另有一个属性N，它也有m个属性值{N1,N2,…,Nm}，这些属性值对应的子空间也张成一个m维的线性空间H'，如果H=H’，则称M和N这两个属性不相容。

我们仍然从图形的角度来理解这个概念，假设m=2，这样M这个属性的两个属性值就张成了一个平面H。那么N这个属性的两个属性值张成的二维空间H’也是H，这就意味着，N对应的是H中的另外一个坐标系。如图10所示，黑色的坐标系就表示M属性，蓝色的坐标系表示N属性。

[[File:概览变成复数-图10.png|800px]]

图10 不兼容属性对的测量

下面我们考虑两组不同的测量，第一组是先测量事件M1是否发生，再测量事件N1是否发生，第二组测量是先测量N1，再测量M1。按照前面定义的测量规则，第一组测量相当于把向量|z>先投影到M1直线上，然后将M1上的单位向量投影到x’上。这两种结果最终得到的系统状态是完全不同的，第一组测量最终得到的是|N1>上的单位向量，而第二组测量将得到|M1>上的单位向量。这不同的测量顺序导致不同的结果也会体现在投影算符上，即存在不等式：

<math>{{P}_{Ni}}{{P}_{Mj}}\ne {{P}_{Mj}}{{P}_{Ni}}</math>

我们看到，不同的测量顺序会导致不同的测量结果，这正是量子概率不兼容属性的一种特别的性质之一。

==== 相容属性对 ====

如果两个属性M和N可以被同时测量，则它们就构成了相容的属性对。在数学上，相容的属性对可以用复合系统来表示。

'''定义7（相容属性对）'''：假设属性M有m个不同的属性值{M1,M2,…,Mm}，另有一个属性N，它有n个属性值{N1,N2,…,Nn}，那么如果这两组属性值可以张成m*n维空间H，并且每两个属性对的复合，即：

<math>{{M}_{i}}\otimes {{N}_{j}}</math>, for any i,j

都构成了m*n维空间H中的一组基，那么这两个属性值就是相互兼容的。

所以，这m*n维的希尔伯特空间就可以写成：

<math>H=Span(...,{{M}_{i}}\otimes {{N}_{j}},...),\forall i<m,j<n</math>

下面，我们来研究一下相容属性对的测量。假设我有两个相容属性对，每个属性都具有2个可能的属性值（我们都用01来表示）。这样，全空间H就可以写成这两个属性对每两个属性值的组合张成的空间。

<math>H=Span(\left| 00 \right\rangle ,\left| 01 \right\rangle ,\left| 10 \right\rangle ,\left| 11 \right\rangle )</math>

在这些基中，写在左侧的表示第一个属性值。下面我们对第一个属性值=0进行测量，而当第一个属性=0，第二个属性还有0和1两种可能，因此剩下的属性就张成了一个二维的线性空间，并且|00>和|01>构成了这个二维子空间的基向量。所以，对第一个属性值测量就相当于把一个四维空间中的向量投影到一个二维的平面上。

相容属性对的测量是不区分顺序的。比如我们先对第一个属性值=0进行测量，这样就把4维投影到|00>和|01>构成的二维平面上，然后再对第二个属性值是否为0进行测量，这样就把响量投影到|00>这个向量上面。反过来，如果先对第二个属性值是否为0进行测量，就把4维向量投影到|00>,|10>这个平面上，然后再对第一个属性值是否为0进行测量，就把向量又投影到|00>直线上，所以，这两种不同顺序的测量是完全相同的。也就是说兼容的属性对是不区分顺序的。

实际上，假如我们用n个不兼容属性对构成了一个庞大的系统，那么对这些属性的测量就是一个降维的过程，我们会把一个2n维中的向量逐渐压缩到一条直线上。然而，对不兼容属性的测量则不会产生降维的现象。如图10所示，我们将一条二维空间中的直线投影到不兼容属性值的某一条直线上，则这个向量仍然在二维空间中，并且这个投影还可以再次投影到这个空间中的另外一个不兼容属性上。

=== 与经典概率的区别 ===

我们看到，量子概率无非提供了另外一套不同于经典概率的概率运算法则。那么究竟量子概率与经典概率有什么区别和联系呢？

首先，针对一个属性的测量来说，量子概率和经典概率会得到完全相同的结果。进一步，对于兼容的属性对来说，量子概率与经典概率仍然没有区别。换句话说，量子概率中的兼容属性运算已经能够涵盖所有经典概率论的内容。

但是，针对不兼容属性对来说，很多经典概率的运算法则都不再成立。同时量子概率还预言了一些新的性质是经典概率中没有的。我们列出下表来表示这些区别和联系。

{|
! 性质
! 经典概率运算
! 不兼容属性的事件A和B的量子概率运算
|-
| 联合概率：Pr(A∧B)
| Pr(A∧B)=Pr(B∧A)
| 无定义
|-
| 条件概率：Pr(A|B)
| Pr(A|B)=Pr(A∧B)/P(B)
| <math>\frac{|{{P}_{A}}{{P}_{B}}\left| z \right\rangle {{|}^{2}}}{|{{P}_{B}}\left| z \right\rangle {{|}^{2}}}</math>
|-
| 条件概率：Pr(B|A)
| Pr(B|A)=Pr(A∧B)/P(A)
| <math>\frac{|{{P}_{B}}{{P}_{A}}\left| z \right\rangle {{|}^{2}}}{|{{P}_{A}}\left| z \right\rangle {{|}^{2}}}</math>
|-
| 全概率公式
| <math>\Pr (A)=\sum\limits_{i}^{{}}{\Pr (A|{{B}_{i}})\Pr ({{B}_{i}})}</math>
| 不成立
|-
|
条件概率的互易性：

Pr(A|B)=Pr(B|A)
| 不满足
| 满足
|-
|
双向随机性

<math>\sum\limits_{i}{\Pr ({{A}_{i}}|{{B}_{j}})}=\sum\limits_{j}{\Pr ({{A}_{i}}|{{B}_{j}})}=1</math>
| 不满足
| 满足
|}

既然经典概率系统的性质都可以在量子概率的兼容属性测量中找到对应，但是反过来，量子概率中的不兼容属性对具备的性质则具有特殊性，所以可以说量子概率是比经典概率蕴含了更多东西的概率运算系统。

== 应用与展望 ==

==== 量子认知 ====

我们知道，量子概率中一个重要的性质就是测量在整个运算过程中的应用。测量是将量子的虚幻世界转变为现实世界的一条重要途径。深刻理解这个测量过程会发现，它与我们人类的自由意志存在着某种深刻的联系(参见：Stapp H.P. Mindful Universe: Quantum Mechanics and the Participating Observer. Springer, 2007).。因为，人类的意识本身就是在将各种不同的可能性转变成现实。这就使得很多大科学家和哲学家认为量子概率不仅能够描述微观粒子世界，也能够描述人类的意识、认知行为(例如彭罗斯所著的《皇帝新脑》)。虽然早期的应用充满了各种哲学思辨，但是最近，人们已经将量子概率应用到认知行为的解释方面做出了一些工作。

比如，J. R. Busemeyer 和Z. Wang就发现人类的决策就是一种类量子行为（请参看[http://mypage.iu.edu/~jbusemey/quantum/QIP_Tutorial_Prob.pdf ''这个PPT'']），即可以用量子概率描述的宏观系统。他们设计了一组人类行为学试验，让人类被试作出决策。

首先，他们让每个人类被试观察下列一组头像图片：

[[File:概览变成复数-图11.png|800px]]

图11 Busemeyer和Wang的试验

然后让被试在两组不同的实验条件下完成判断：是否会把这个人当做自己的朋友。在第一组实验中，试验者要求被试直接作出判断，会不会把这张脸当作自己的朋友。第二组试验则要求被试先把所有的脸归为两类：好人或者坏人，然后再根据这个归类的结果判断是否把这人当作自己的朋友。

下面我们考虑用量子概率的方法来对人类的决策行为进行建模。首先，我们利用是否是朋友这个属性作为基向量建立一个二维的线性空间，如下图：

[[File:概览变成复数-图12.png|800px]]

图12 人类行为试验的量子概率表示

其次，我们假设被试初始的状态可以用向量|z>来表示。那么判断这张脸是属于好人还是坏人则是一个与是否为朋友这个属性的不兼容的属性，用蓝色的坐标系表示。

第一组试验要求被试直接做出朋友或者不是朋友的选择，而不管被试是把这张脸分类成好人还是坏人。这就相当于直接把向量|z>往|F>上进行投影，假设这个投影的长度也就是判断这张脸是朋友的概率为P(F)。

在第二组情况下，试验员相当于进行了两次连续的测量，首先让被试做出分类为好人还是坏人的测量，之后再作出是否把此人当作朋友的测量。这就相当于将向量|z>先投影到|G>或者|B>上，然后再将它投影到|F>上面，我们设在这种情况下测得的朋友概率是P’(F)。根据投影测量的性质，我们知道，P(F)是不等于P’(F)的，并且究竟哪一个概率大，需要由|z>以及两个坐标轴夹角决定。

假如人类的决策是按照经典概率运算的法则，那么P(F)就应该等于P’(F)。但是J. R. Busemeyer 和Z. Wang却发现试验结果是P(F)>P’(F)。因此，人类决策行为的这种对测量的敏感性可以很好的用量子概率来解释。(参考[http://mypage.iu.edu/~jbusemey/quantum/Quantum%20Probability.pdf ''此文''])。

我们知道，行为学家们告诉我们，人类的决策行为有很多反常规的特性，这些特性被称为人类决策的悖论（参见著名经济学家Kanneman的相关研究工作）。近年来，有些人将量子概率用于解释这些决策悖论取得了较好的效果。

然而，笔者认为，要验证人类认知、决策行为是否符合量子概率法则的一个重要因素就是考察贝尔不等式（***）是否能够被打破。如果我们在人类决策的例子中的确找到了打破贝尔不等式的例子，那么就有十分充足的理由说人类的决策行为不可以用经典概率描述。这里的困难之处在于，我们如何去构造类似纠缠态这样的人类行为状态呢？这里还有很长的路要走，我们将另写文章评述。

==== 展望 ====

当我们领教了复数概率以及量子概率体系的威力之后，冷静地思考，其实最核心的内容就在于不兼容属性对。我们能否将量子概率应用宏观体系中的关键就在于是否能够在宏观世界中找到不兼容的属性对。

然而，一旦我们试图去寻找，就会发现这实际上非常困难。有什么系统的性质会展现出类似电子那样速度和位置的不能同时被测准的性质呢？

也许在寻找这种不兼容属性对之前，应该深入理解不确定原理的含义。我们说A和B这两个属性是不兼容的，实际上是说A这个属性上各种值的概率分布与B属性的概率分布存在着紧密的联系。注意这种联系并不是说A和B两个属性的直接联系，而是说它们概率分布的间接联系。也就是说，如果我们说A表示人的身高，并且B表示此人的腿长，那么A和B通常会是正比关系，这两个属性就不是不兼容属性。用数学语言来说，不兼容属性对描述的是p(B)=f(p(A))这种关系，而非B=f(A)的关系，也就是一种对两个属性概率分布关系的间接描述。

更进一步，这种间接联系描述的是一种不确定性的制衡。按照不确定原理（Uncertainty Principle），我们对A属性知道的越多，对B属性知道得越少。这种知道的多和少既可以用误差ΔA来表示，也可以用熵S(p(A))来表示。所以，也有人证明了不兼容属性对之间也存在用熵来表达的不确定原理，形如：S(A)+S(B)>const（请参见：[http://arxiv.org/abs/1001.4668 ''http://arxiv.org/abs/1001.4668'']）。

对概率的理解可以用客观频率法和主观概率法两种手段。如果从客观频率法的角度来理解不兼容属性对的确非常困难，那么我们不妨从主观概率的角度来理解。按照主观学派，我们对某事件的发生概率的解释不是该事件的频率，而是主观认为的对该事件发生的信念程度。按照这种理解，不确定原理在说什么呢？它其实在说，我们对两个属性A和B的认识存在着局限性，如果我们对A取某个特定值的信念程度越高，我们对B取值的看法就会变得非常模糊不清。

从这个角度看，不确定原理就会变得非常容易理解。由于我们人类的观察、信息处理能力非常有限，所以，在某一个特定时刻，我们掌握了A属性的性质，也就必然会伴随着对B属性的不掌握。例如，我们看到了月球的正面，就必然看不到月球的反面。因此，正反面就构成了一对不兼容的属性，它们会呈现出不确定的关系。

也许你会争论说，不对，虽然我不能同时看到正反两面，但是当我看正面的时候，反面也必然同时在那里啊，因为它是一个客观存在的事物啊！问题就出在这里，的确，如果坚持事物的客观实在性，我们便发现不兼容属性对似乎只能在量子那里找到答案。

但如果我们反过来看，认为世界的本原就不是唯物的，当我们看不到月亮背面的时候它就什么都不是，那么我们就会发现，几乎任何两个我们不能同时观察的属性或者事物都会呈现出不兼容的性质。

正如文章[http://www.swarmagents.cn/bs/files/jake201027213421.pdf ''《系统中的观察者》'']提到的，笔者正在试图将观察者作为第一性的事物出发，重新构筑公理体系。在物质世界中，量子系统中的不确定原理和不兼容属性对是隶属于物质世界的一种蹩脚的性质，但也许它恰恰构成了精神世界中，万事万物的起点：观察者的一种第一原理（First principle）。换句话说，本来所有的属性都是不兼容的，都会呈现出测不准性质，而所谓的兼容恰恰是一种特例。其原因是，人类观察的性质就是在任意一个时间点，只能处理有限的信息。所以，在任意一个时刻，只可能有一个我存在，在每个时刻，我只能打下一个汉字，你也只能阅读一个单词，在任何一场球赛中只能有一个冠军。因此不确定关系：S(A)+S(B)>const就是一个必然的要求。

另外，在观察者体系中一个十分重要的问题就是如何从多个不同的观察者眼中看到一个完全相同的客观世界。在[http://www.swarmagents.cn/bs/files/jake201027213421.pdf ''《系统中的观察者》'']一文中，我们把这个问题归结为一个通讯问题，也就是说只要多个观察者可以找到一种公共媒介，那么从他们的沟通之中就能构造出来一个共同的“客观世界”出来。

也许你已经看到了，其实这个问题和我们前面讲到的纠缠态存在着深刻的联系。纠缠态解决的恰恰就是不同的观察者对两个处于相互纠缠的系统进行观察并保持通信的能力。换句话说，如果我们能够真正构造出两个相互纠缠的虚拟世界呈现给不同的观察者，那么他们将会“误认为”他们看到的是一个客观世界！如果相互纠缠系统牵扯的属性全部是兼容的属性对，那么这种“客观世界”的伪装会不成问题。但是，一旦把不兼容属性对融入其中，就会发现致命的漏洞：对贝尔不等式的破坏！所以纠缠和不兼容属性对放在一起才是量子概率体系中最宝贵的资源。

冯诺依曼曾说，概率论中存在着一个漏洞（loophole），生命正是利用了这个漏洞而完成了自我复制。现在，我非常怀疑这个漏洞跟贝尔不等式有着深刻的联系。

=== 附录1 用复数概率计算数学期望 ===

在经典概率中，一种非常重要的运算操作就是求某一个函数的数学期望，假设X是一个随机变量，它的分布由F(X)刻画，f(x)是任意一个函数，那么随机变量f(X)的数学期望是：

<math>E(f(X))=\sum\limits_{i=1}^{i=n}{f({{x}_{i}})p({{x}_{i}})}=U(X)\cdot F(X)</math>

其中后一个表达式采用向量内积的方式书写，U(X)=(f(x1),f(x2),…f(xn))。同样的道理，我们也可以为复数概率定义数学期望。假设一个随机变量X，它可以用复数概率向量Ψ(X)来描述，f(x)是任意一个函数，那么f(X)的数学期望就是：

<math>E(f(X))=\sum\limits_{i=1}^{i=n}{f({{x}_{i}})|\psi ({{x}_{i}}){{|}^{2}}}</math>

当然，我们也可以把它写成两个向量内积的形式：

<math>E(f(X))=U(X)\cdot (|{{\psi }_{1}}{{|}^{2}},|{{\psi }_{2}}{{|}^{2}},\cdots ,|{{\psi }_{n}}{{|}^{2}})</math>

然而，我们知道

<math>|{{\psi }_{i}}{{|}^{2}}={{\psi }_{i}}{{\psi }_{i}}^{*}</math>

所以数学期望的后半部分又可写作一对共轭复数向量内积的形式。

<math>E(f(X))=U(X)\cdot (\Psi (X)\cdot \Psi *(X))</math>

这让我们联想到了线性代数中的二次型，也就是说，我们完全可以把上式改写成：

<math>E(f(X))=\Psi \cdot A\cdot {{\Psi }^{*T}}</math>

其中

<math>{{\Psi }^{*T}}={{({{\psi }_{1}}*,{{\psi }_{2}}*,\cdots ,{{\psi }_{n}}*)}^{T}}=\left( \begin{matrix}

{{\psi }_{1}}* \\

{{\psi }_{2}}* \\

\vdots \\

{{\psi }_{n}}* \\

\end{matrix} \right)</math>

即原始向量Ψ的转置共轭矩阵。

<math>A=\left( \begin{matrix}

f({{x}_{1}}) & 0 & \cdots & 0 \\

0 & f({{x}_{2}}) & 0 & 0 \\

\vdots & 0 & \ddots & \vdots \\

0 & 0 & \cdots & f({{x}_{n}}) \\

\end{matrix} \right)</math>

即A是一个对角阵，对角线元素分别为f(x1),f(x2),…,f(xn)，可以验证采用矩阵和向量相乘的方法同样可以计算出随机变量f(X)的平均值。

=== 附录2 投影矩阵 ===

仍然以图2为例，我们看到，在几何上，发生|L>事件的概率就相当于是原始向量ψA在|L>这个向量上的投影值x’的模的平方|x’|2。对于任何一个基向量|V>：

<math>\left| V \right\rangle =a\left| U \right\rangle +b\left| D \right\rangle </math>

我们都可以构造出一个称之为'''投影矩阵'''的矩阵：

<math>\left| V \right\rangle \left\langle V \right|=\left( \begin{matrix}

{{a}^{*}}a & a{{b}^{*}} \\

{{a}^{*}}b & {{b}^{*}}b \\

\end{matrix} \right)</math>

其中|V><V|是量子力学中的记法，表示从向量|V>构造的投影矩阵。这样该矩阵与原始向量的乘积就是原向量在|V>上面的投影向量：

<math>M=\left| V \right\rangle \left\langle V \right|\cdot {{\psi }_{A}}=\left( \begin{matrix}

{{a}^{*}}a & a{{b}^{*}} \\

{{a}^{*}}b & {{b}^{*}}b \\

\end{matrix} \right)\cdot \left( \begin{matrix}

x \\

y \\

\end{matrix} \right)=\left( \begin{matrix}

{{a}^{*}}ax+a{{b}^{*}}y \\

{{a}^{*}}bx+{{b}^{*}}by \\

\end{matrix} \right)</math>

<math></math>该向量的模平方就是发生|V>事件的概率。大家可以将a=Cosθ,b=Sinθ代入进行验证。因此，我们看到，只要我们知道了投影矩阵，我们便能计算投影矩阵对应的事件的概率。因此，在复数概率中，我们可以用投影矩阵来表示某一个确定的事件。

=== 附录3 投影矩阵的复合 ===

我们知道，每一个事件都对应了一个投影矩阵，那么|L>这个事件的投影矩阵（在|U>,|D>坐标下）是：

<math>\left| L \right\rangle \left\langle L \right|=\left( \begin{matrix}

{{\cos }^{2}}\theta & \sin \theta \cos \theta \\

\sin \theta \cos \theta & {{\sin }^{2}}\theta \\

\end{matrix} \right)</math>

那么两只萤火虫都在左侧这个事件的投影矩阵（在四维的基向量组|UU>,|UD>,|DU>,|DD>下表示）就是：

<math>\begin{align}

& \left| L \right\rangle \left\langle L \right|\otimes \left| L \right\rangle \left\langle L \right|=\left( \begin{matrix}

{{\cos }^{2}}\theta \left| L \right\rangle \left\langle L \right| & \sin \theta \cos \theta \left| L \right\rangle \left\langle L \right| \\

\sin \theta \cos \theta \left| L \right\rangle \left\langle L \right| & {{\sin }^{2}}\theta \left| L \right\rangle \left\langle L \right| \\

\end{matrix} \right) \\

& =\left( \begin{matrix}

{{\cos }^{2}}\theta \left( \begin{matrix}

{{\cos }^{2}}\theta & \sin \theta \cos \theta \\

\sin \theta \cos \theta & {{\sin }^{2}}\theta \\

\end{matrix} \right) & \sin \theta \cos \theta \left( \begin{matrix}

{{\cos }^{2}}\theta & \sin \theta \cos \theta \\

\sin \theta \cos \theta & {{\sin }^{2}}\theta \\

\end{matrix} \right) \\

\sin \theta \cos \theta \left( \begin{matrix}

{{\cos }^{2}}\theta & \sin \theta \cos \theta \\

\sin \theta \cos \theta & {{\sin }^{2}}\theta \\

\end{matrix} \right) & {{\sin }^{2}}\theta \left( \begin{matrix}

{{\cos }^{2}}\theta & \sin \theta \cos \theta \\

\sin \theta \cos \theta & {{\sin }^{2}}\theta \\

\end{matrix} \right) \\

\end{matrix} \right) \\

& =\left( \begin{matrix}

{{\cos }^{4}}\theta & \sin \theta {{\cos }^{3}}\theta & \sin \theta {{\cos }^{3}}\theta & {{\sin }^{2}}\theta {{\cos }^{2}}\theta \\

\sin \theta {{\cos }^{3}}\theta & {{\sin }^{2}}\theta {{\cos }^{2}}\theta & {{\sin }^{2}}\theta {{\cos }^{2}}\theta & {{\sin }^{3}}\theta \cos \theta \\

\sin \theta {{\cos }^{3}}\theta & {{\sin }^{2}}\theta {{\cos }^{2}}\theta & {{\sin }^{2}}\theta {{\cos }^{2}}\theta & {{\sin }^{3}}\theta \cos \theta \\

{{\sin }^{2}}\theta {{\cos }^{2}}\theta & {{\sin }^{3}}\theta \cos \theta & {{\sin }^{3}}\theta \cos \theta & {{\sin }^{4}}\theta \\

\end{matrix} \right) \\

\end{align}</math>

运算法则是先将右侧的矩阵分块放到左侧矩阵中的每一个元素上，然后再用左侧矩阵的每一个元素相乘，最后合并成一个4*4的矩阵。那么状态<math>\psi \otimes \psi </math>在这个新矩阵上的投影就是：

<math>\begin{align}

& \left| L \right\rangle \left\langle L \right|\otimes \left| L \right\rangle \left\langle L \right|\cdot (\psi \otimes \psi )=\left( \begin{matrix}

{{\cos }^{4}}\theta & \sin \theta {{\cos }^{3}}\theta & \sin \theta {{\cos }^{3}}\theta & {{\sin }^{2}}\theta {{\cos }^{2}}\theta \\

\sin \theta {{\cos }^{3}}\theta & {{\sin }^{2}}\theta {{\cos }^{2}}\theta & {{\sin }^{2}}\theta {{\cos }^{2}}\theta & {{\sin }^{3}}\theta \cos \theta \\

\sin \theta {{\cos }^{3}}\theta & {{\sin }^{2}}\theta {{\cos }^{2}}\theta & {{\sin }^{2}}\theta {{\cos }^{2}}\theta & {{\sin }^{3}}\theta \cos \theta \\

{{\sin }^{2}}\theta {{\cos }^{2}}\theta & {{\sin }^{3}}\theta \cos \theta & {{\sin }^{3}}\theta \cos \theta & {{\sin }^{4}}\theta \\

\end{matrix} \right)\left( \begin{matrix}

{{\alpha }^{2}} \\

\alpha \beta \\

\alpha \beta \\

{{\beta }^{2}} \\

\end{matrix} \right) \\

& =\left( \begin{matrix}

{{\alpha }^{2}}{{\cos }^{4}}\theta +2\alpha \beta \sin \theta {{\cos }^{3}}\theta +{{\beta }^{2}}{{\sin }^{2}}\theta {{\cos }^{2}}\theta \\

{{\alpha }^{2}}\sin \theta {{\cos }^{3}}\theta +2\alpha \beta {{\sin }^{2}}\theta {{\cos }^{2}}\theta +{{\beta }^{2}}{{\sin }^{3}}\theta \cos \theta \\

{{\alpha }^{2}}\sin \theta {{\cos }^{3}}\theta +2\alpha \beta {{\sin }^{2}}\theta {{\cos }^{2}}\theta +{{\beta }^{2}}{{\sin }^{3}}\theta \cos \theta \\

{{\alpha }^{2}}{{\sin }^{2}}\theta {{\cos }^{2}}\theta +2\alpha \beta {{\sin }^{3}}\theta \cos \theta +{{\beta }^{2}}{{\sin }^{4}}\theta \\

\end{matrix} \right)=\left( \begin{matrix}

{{\cos }^{2}}\theta {{(\alpha \cos \theta +\beta \sin \theta )}^{2}} \\

\sin \theta \cos \theta {{(\alpha \cos \theta +\beta \sin \theta )}^{2}} \\

\sin \theta \cos \theta {{(\alpha \cos \theta +\beta \sin \theta )}^{2}} \\

{{\sin }^{2}}\theta {{(\alpha \cos \theta +\beta \sin \theta )}^{2}} \\

\end{matrix} \right) \\

\end{align}</math> 因此，这个向量的模平方就是发生LL事件的概率。我们看到这个计算结果与**的计算结果是一致的。所以采用矩阵的方法完全可以完成同样的运算。当我们将两个系统做成复合系统的时候，所有的状态向量、矩阵也都可以进行同样的扩充。

=== 附录4 利用投影矩阵计算两盒子中萤火虫处于各种状态的概率 ===

萤火虫处于左侧这个事件对应的投影矩阵（参见附录2）就是：

<math>\left| L \right\rangle \left\langle L \right|=\left( \begin{matrix}

{{\cos }^{2}}\pi /3 & \sin \pi /3\cos \pi /3 \\

\sin \pi /3\cos \pi /3 & {{\sin }^{2}}\pi /3 \\

\end{matrix} \right)=\left( \begin{matrix}

1/4 & \sqrt{3}/4 \\

\sqrt{3}/4 & 3/4 \\

\end{matrix} \right)</math>

当两个系统复合成一个更大的系统之后，我们可以在复合系统中执行下面的测量，仅观察左侧系统中的萤火虫处于左还是右，而无论右侧萤火虫的状态如何，这相当于执行如下投影矩阵所表示的测量：

<math>\left| L \right\rangle \left\langle L \right|\otimes I=\left( \begin{matrix}

1/4 & \sqrt{3}/4 \\

\sqrt{3}/4 & 3/4 \\

\end{matrix} \right)\otimes \left( \begin{matrix}

1 & 0 \\

0 & 1 \\

\end{matrix} \right)=\left( \begin{matrix}

1/4 & 0 & \sqrt{3}/4 & 0 \\

0 & 1/4 & 0 & \sqrt{3}/4 \\

\sqrt{3}/4 & 0 & 3/4 & 0 \\

0 & \sqrt{3}/4 & 0 & 3/4 \\

\end{matrix} \right)</math>

通过把这个矩阵和纠缠态向量<math>\xi =\frac{1}{\sqrt{2}}\left| UU \right\rangle +\frac{1}{\sqrt{2}}\left| DD \right\rangle </math>相乘，再计算模的平方能计算出测量得到左侧萤火虫处于左室的概率是1/2。

类似地，我们还可以计算出左盒的萤火虫处于上（下）侧、右盒的萤火虫处于上（下）侧，左盒的萤火虫处于左（右）侧，右盒的萤火虫处于左（右）侧的概率都是1/2。

下面，我们计算观察到左盒的萤火虫在上侧，同时右盒的萤火虫在左侧舱室中的概率。这相当于求状态向量在下列投影矩阵上的投影长度：

<math>(\left| U \right\rangle \left\langle U \right|)\otimes (\left| L \right\rangle \left\langle L \right|=\left( \begin{matrix}

1 & 0 \\

0 & 0 \\

\end{matrix} \right)\otimes \left( \begin{matrix}

1/4 & \sqrt{3}/4 \\

\sqrt{3}/4 & 3/4 \\

\end{matrix} \right)=\left( \begin{matrix}

1/4 & \sqrt{3}/4 & 0 & 0 \\

\sqrt{3}/4 & 3/4 & 0 & 0 \\

0 & 0 & 0 & 0 \\

0 & 0 & 0 & 0 \\

\end{matrix} \right)</math>

从而得到投影的模平方即经典概率是1/8。也就是说左盒的萤火虫在上，同时右盒的萤火虫在左的概率就是1/8。

<references />

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愿望树

2020-10-14T13:40:02Z

Thingamabob：创建页面，内容为“在走近2050一书中，集智俱乐部提出了愿望树这一构想。于是，“愿望树”也就成为了集智未来网站的一个构想。这是一…”

在[[走近2050]]一书中，[[集智俱乐部]]提出了愿望树这一构想。于是，“愿望树”也就成为了集智未来网站的一个构想。这是一种新型的问答系统，用户通过付出注意力来实现对问题以及回答，还包括参与者的评价。

==背景==

注意力经济是发展于20世纪90年代后期的一种新型学科，早期由Goldharbor创建，后来经Davenport等人进行了大力的推广。然而，后来的注意力经济发展更多地朝向互联网广告、眼球经济发展。到了，2006年，Doc Searls又提出了意愿经济（Intention economy），从而大大改善了这种局面。与注意力经济最大的不同之处在于，注意力经济的立场是站在厂家的角度，而意愿经济则站在客户的角度。即用户可以通过发布愿望，从而让厂商进行招标。

从[[占意理论]]的角度来看，注意力是对外在事物的关注，而意愿则是对人们内在需求的关注，这两者都体现为一种广义的注意，即人类心智被某种东西所占据。对比注意和意愿，这两者构成两种不同的力量。一方面，注意力可以理解为一种推力，而意愿则体现为某种拉力。一个是解决当下的认知资源分配问题，另一个则是认知资源投入的未来目标。

基于这些认识，现代的互联网更多的体现为注意力经济，即依靠商家的力量吸引注意力，从而推动互联网的发展。但是，很多人已经意识到，未来的互联网将会朝向意愿经济的方向发展，即客户的意愿本身将会被放大，从而拉动互联网的演化。愿望树就是对这一新型的意愿经济模式的探讨。

==基本构思==

初步的基本构思还是一个问答系统，系统中的元素包括问题、回答、用户这三种东西。我们可以将问题比喻成愿望，将回答比喻成满足愿望，将回答问题的人比喻成大神。

每个用户登出一个愿望后可以不断地打磨这个愿望，可以将这个愿望进行分解，也可以反复编辑这个愿望，将它变得更加具体、切实可行。整个打磨这个愿望的过程就可以用用户付出的注意力来度量。而注意力的度量则体现为用户在这个愿望上留下的浏览痕迹，我们需要制定一套具体的度量方法。

其次，系统中的所有数字资源都是一个依赖注意力滋养，同时也在不断地消耗注意力的单元。具体来讲，愿望、回答等等所有数据资源都应该包括一个总注意力量属性。用户在使用、更改、激活这个资源的时候，就会往这个数字资源注入注意力。同时，随着时间的推移，每个数字资源的注意力数值也会以一个常数速率（或者与它的尺度大小相关的速率）在耗散，当注意力耗散光了，其实这个数字资源也就死了（具体是否删除这个数字资源可以再考虑）。

而对于每个用户来说，我们通过关联它发布、参与讨论的数字资源，可以计算两个量，一个是此人付出的注意力（即发帖、回答问题、编辑等等）；另一个是此人接收到的注意力（例如自己的问题被别人回答，自己的回答被某个用户认可、采纳，等等）。付出＋接收到的注意力总量就等于它的总财富，它可以将这笔财富支付给别人。

总之，整个系统通过注意力实现了一种可度量的资源。

==具体设计==

==可能的问题==
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彭中康 Chung-Kang Peng

2020-10-14T13:39:12Z

Thingamabob：创建页面，内容为“== 基本信息 == 右 === 姓名 === 彭中康 === 出生日期 === 1957年 === 学位 === 物理学博士 === 研究领域 =…”

== 基本信息 ==
[[File:Chung-Kang Peng.png|缩略图|右]]
=== 姓名 ===
彭中康
=== 出生日期 ===
1957年
=== 学位 ===
物理学博士
=== 研究领域 ===
统计物理学
=== 主要职位及荣誉 ===
* 2012-2014年期间，任台湾中大健康科学与技术学院创院院长；
* 任贝斯以色列女执事医疗中心以及哈佛医学院动态生物标记研究中心的主任；
* 台湾国立交通大学的客座教授，以及中医科学院的客座教授;
* 他于2013年获得了BIDMC的十年（2002-2012）创新者奖；
* 于2015年获得了NCTU的杰出校友奖。
== 研究成果 ==
=== 生物标志物的开发 ===
彭博士在统计物理及其在生理测量研究中的应用方面具有丰富的专业知识。与其他合作者一起，他在这个领域开发了许多新技术，包括：
* 去趋势波动分析(DFA)是基于统计物理学原理，测量生理信号的分形特性(被引用6500次以上）；
* 多尺度熵(MSE)用于度量生理时间序列的复杂性(被引用次数超过2600次)；
* 一种基于信息论和统计物理学的算法，用于符号序列的语言分析。它已应用于生物医学信号，人类语言和DNA序列。彭教授也因在应用算法分析莎士比亚著作权问题方面的贡献而于2004年获得加尔文和罗斯·霍夫曼奖（Calvin & Rose G. Hoffman Prize）；
* 基于心电图的心肺耦合分析用于研究睡眠。该算法已在美国和欧洲获得专利；一种基于心率变异性来检测睡眠呼吸障碍的改进算法，已在美国、中国获得FDA批准；
* 动态脑自动调节的指标。
=== 生物医学设备的开发 ===
Peng与HTC Corporation共同领导了一个由医师、科学家和工程师组成的团队，称为动态生物标记物小组（DBG），以参加有史以来最大的生物医学奖Qualcomm Tricorder XPRIZE国际竞赛。自2012年发布以来，这款XPRIZE吸引了全球300多个团队的关注。竞赛的目的是为最终患者开发一种移动解决方案，以诊断其健康状况并监测其生命体征。Tricorder名称基于《星际迷航》成名的医疗诊断设备。经过4年的比赛和数轮淘汰后，DBG是晋级决赛的前两支球队之一，并于2017年4月获得100万美元的奖金。
=== PhysioNet ===
除这些科研成果之外，他还是PhysioNet资源的创始成员之一。 PhysioNet提供免费的Web访问，以访问大量记录的生理信号和相关的开源软件。 PhysioNet拥有超过一百万的访问者，每年下载的数据超过200 TB。
== 发表著作 ==
彭教授h指数73，累计被引次数37,000次。
* [https://www.ahajournals.org/doi/pdf/10.1161/01.CIR.101.23.e215 《PhysioBank, PhysioToolkit, and PhysioNet: components of a new research resource for complex physiologic signals》]circulation，Pages：e215-e220（2000/6/13，引用次数：8170）
* [https://link.aps.org/pdf/10.1103/PhysRevE.49.1685 《Mosaic organization of DNA nucleotides》]Physical review e，Pages：1685（1994/2/1，引用次数：4378）
* [http://havlin.biu.ac.il/PS/Quantification%20of%20scaling%20exponents%20and%20crossover%20phenomena%20in%20nonstationary%20heartbeat%20time%20series.pdf 《Quantification of scaling exponents and crossover phenomena in nonstationary heartbeat time series》]Chaos: an interdisciplinary journal of nonlinear science，Pages：82-87（1995/3，引用次数：3560）
* [http://dbiom.org/files/publications/Peng_MultiscaleEntropyAnalysisComplexPhysiologicTimeSeries.pdf 《Multiscale entropy analysis of complex physiologic time series》]Physical review letters，Pages：068102（2002/7/19，引用次数：2213）

== 相关链接 ==

1、[https://en.wikipedia.org/wiki/Chung-Kang_Peng 维基词条]

2、[https://scholar.google.com/citations?user=Z0fBt9oAAAAJ&hl=en#d=gs_md_cita-d&u=%2Fcitations%3Fview_op%3Dview_citation%26hl%3Den%26user%3DZ0fBt9oAAAAJ%26citation_for_view%3DZ0fBt9oAAAAJ%3AUeHWp8X0CEIC%26tzom%3D-480 谷歌学术主页]

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