一些思想是由簡單的思想組合而成，我稱此為複雜；比如美、感激、人、軍隊、宇宙等。

——洛克（John Locke），《人類理解論》（A，Essay Concerning Human Understanding）

巴西：亞馬遜雨林

幾十萬只行軍蟻（army ant）在行進。沒有誰掌控這支軍隊，不存在指揮官。單個螞蟻幾乎沒有什麼視力，也沒有多少智慧，但是這些行進中的螞蟻聚集在一起組成了扇形的蟻團，一路風捲殘雲，吃掉遇到的一切獵物。不能馬上吃掉的就會被蟻群帶走。在行進了一天並摧毀了足球場大小的濃密雨林中一切食物後，螞蟻會修築夜間庇護所—由工蟻連在一起組成的球體，將幼蟻和蟻后圍在中間保護起來。天亮後，蟻球又會散成一隻只螞蟻，各就各位進行白天的行軍。

專門研究螞蟻習性的生物學家弗蘭克斯（Nigel Franks）寫道，"單隻行軍蟻是已知的行為最簡單的生物"，"如果將100只行軍蟻放在一個平面上，它們會不斷往外繞圈直到體力耗盡死去"。然而，如果將上百萬只放到一起，群體就會組成一個整體，形成具有所謂"集體智慧（collective intelligence）"的"超生物（superorganism）"。

這究竟是怎麼回事呢？雖然科學家們已經很熟悉蟻群的習性，但集體智慧的產生機制依然是個謎。就像弗蘭克斯所說，"我研究了布氏遊蟻（E.burchdli，一種常見的行軍蟻）很多年，我發現，對它們的社會結構瞭解得越多，對其社會組織的疑問就會越多。"

行軍蟻是許多我們認為"複雜"的自然和社會系統的縮影。螞蟻、白蟻以及人類這樣的社會生物會聚集在一起，共同形成複雜的社會結構，從而增加種群整體的生存機會，目前還沒有人確切地知道其背後的機理。類似的還有，免疫系統如何抵抗疾病，細胞如何自組織成眼睛和大腦，經濟系統中自利的個體如何形成結構複雜的全球市場。最為神秘的是，所謂的"智慧"和"意識"是如何從不具有智慧和意識的物質中湧現出來的。

這些正是複雜系統所關注的問題。複雜系統試圖解釋，在不存在中央控制的情況下，大量簡單個體如何自行組織成能夠產生模式、處理資訊甚至能夠進化和學習的整體。這是一個交叉學科研究領域。複雜一詞源自拉丁詞根plectere，意為編織、纏繞。在複雜系統中，大量簡單成分相互纏繞糾結，而複雜性研究本身也是由許多研究領域交織而成。複雜系統專家認為，自然界中的各種複雜系統——比如昆蟲群落、免疫系統、大腦和經濟——之間，具有許多共性。下面我們來一一瞭解。

昆蟲群落

社會性昆蟲群落提供了極為豐富而神奇的複雜系統範例。例如，一個蟻群可能由數百隻乃至上百萬只螞蟻組成，單隻螞蟻其實都相對簡單，它們受遺傳天性驅使尋找食物，對蟻群中其他螞蟻釋放的化學訊號作出簡單反應，抵抗入侵者，等等。然而，任何一個在野外觀察過蟻群的人都會意識到，雖然單隻螞蟻的行為很簡單，整個蟻群一起構造出的結構卻複雜得驚人，而且這種結構明顯對群體的生存極為重要。它們使用泥土、樹葉和小樹枝建造出極為穩固的巢穴，巢穴中有宏大的通道網路，育嬰室溫暖而乾爽，溫度由腐爛的巢穴材料和螞蟻自身的身體控制。一些種類的螞蟻還會將它們的身體相互連在一起組成很長的橋，從而可以跨越很長的距離（對它們來說很長），透過樹幹轉移到另一蟻穴（圖1.1）。科學家們對螞蟻及其社會結構進行了細緻的研究，但現在仍然無法徹底弄清它們的個體和群體行為：螞蟻的個體行為如何形成龐大而複雜的結構，螞蟻之間如何相互通訊，蟻群作為整體如何適應環境變化（比如天氣變化和受到攻擊）。生物進化又是如何產生出個體如此簡單、整體上卻如此複雜的生物？

圖1.1　螞蟻用身體建造出一座橋，讓蟻群能迅速透過溝壑（圖片由Carl Rettenmeyer提供）

大腦認知科學家侯世達在《哥德爾、艾舍爾、巴赫》一書中對蟻群和大腦進行了比較，兩者都是由相對簡單的個體組成，個體之間只進行有限的通訊，整體上卻表現出極為複雜的系統（"全域性"）行為。在大腦中，簡單個體是神經元。除了神經元，大腦中還有許多不同的細胞，但絕大多數腦科學家都認為是神經元的活動以及神經元群的連線模式決定了感知、思維、情感、意識等重要的宏觀大腦活動。

圖1.2（上圖）就是神經元的影象。神經元主要由三部分組成：細胞體，接收其他神經元訊號的分支（樹突），以及向其他神經元傳送訊號的主幹（軸突）。大致上，神經元可以處於活躍狀態（激發）或非活躍狀態（未激發）。當神經元透過樹突從其他神經元接收到足夠強的訊號時，它就會激發。激發時會透過軸突傳出電訊號，然後釋放出神經遞質轉換成化學訊號，化學訊號又會作用於其他神經元的樹突對其進行觸發。神經元的激發頻率和產生的化學輸出訊號會根據輸入和最近的激發狀況隨時間變化。

圖1.2　上圖：神經元著色顯微影象。 下圖：人類大腦。

這與蟻群很類似：個體（神經元或螞蟻）之間相互傳遞訊號，訊號的總強度達到一定程度時，會導致個體以特定的方式動作，從而再次產生訊號。總體上會產生非常複雜的效果。前面說過對螞蟻及其社會結構尚未完全瞭解；同樣，對於單個神經元的行為和龐大的神經網路如何產生出大腦的宏觀行為（圖1.2，下圖），科學家們也沒有弄清楚。他們不知道神經元訊號的意義，不知道大量神經元如何一起協作產生出整體上的認知行為，也不知道它們是怎樣讓大腦能夠思維和學習新事物。同樣，最讓人迷惑的也許就是，如此精巧、整體能力如此強大的訊號系統是怎樣進化出來的。