Algorithmic bottlenecks in evolution: Genetic code, symbolic language, and the Great Filter hypothesis

基本信息

arXiv ID: 2605.04498v1
作者: Mikhail Prokopenko, Nihat Ay, Angelica Breviario et al.
发布日期: 2026-05-06
分类: q-bio.PE
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摘要

English

The Great Filter hypothesis proposes that the emergence of technological societies capable of interstellar travel depends on a small number of exceptionally hard and highly improbable steps. Traditional versions of this hypothesis enumerate such “hard steps” along the trajectory from inanimate matter to complex technological societies, but diverge in their explanations for why these particular steps should be so improbable. The theory of Major Evolutionary Transitions also faces challenges in identifying which steps should be considered universally “hard” across different evolutionary pathways. In contrast, we argue that two deeply structural obstacles dominate the evolutionary landscape: the coding threshold associated with the origin of the genetic code, and the language threshold associated with the emergence of symbolic communication. We examine the developmental precursors of both transitions and analyze the underlying algorithmic bottlenecks: points at which evolving systems separate code from function, while entangling them within information hierarchies. Using a game-theoretic analysis of coupled signaling and coordination dynamics, we then argue that the corresponding multichannel games exhibit unstable equilibria that render the transitions intrinsically difficult. We conjecture that the so-called Great Filter is best understood not as a sequence of isolated improbable events, but as a nested structure of tangled information hierarchies. Under this interpretation, the rarity of advanced societies follows from the difficulty of crossing these coding thresholds in a competitive noisy environment. This perspective reframes the Great Filter as an algorithmic property of evolving systems, highlighting why only a vanishingly small fraction of life may ever traverse the path toward technological societies capable of interstellar travel.

中文

大过滤假说提出，能够进行星际旅行的技术社会的出现取决于少数异常困难且极不可能的步骤。这一假设的传统版本列举了从无生命物质到复杂技术社会的轨迹上的“艰难步骤”，但对于为什么这些特定步骤如此不可能的解释存在分歧。主要进化转变理论还面临着确定哪些步骤应该被认为在不同进化路径中普遍“困难”的挑战。相比之下，我们认为两个深层的结构性障碍主导着进化景观：与遗传密码的起源相关的编码阈值，以及与符号交流的出现相关的语言阈值。我们研究了这两种转变的发展前兆，并分析了潜在的算法瓶颈：不断发展的系统将代码与功能分开的点，同时将它们纠缠在信息层次结构中。通过对耦合信号和协调动力学的博弈论分析，我们认为相应的多通道博弈表现出不稳定的平衡，导致转变本质上很困难。我们推测，所谓的大过滤器最好不要理解为一系列孤立的不可能事件，而是理解为错综复杂的信息层次结构的嵌套结构。根据这种解释，先进社会的稀有性源于在竞争激烈的环境中跨越这些编码阈值的困难。这种观点将大过滤器重新定义为进化系统的算法属性，强调了为什么只有极少数生命可能走上通往能够星际旅行的技术社会的道路。

核心贡献

本文提出了一种对大过滤假说的全新解释：宇宙中技术文明的极度稀有性不应理解为一系列孤立的不可能事件，而应理解为进化系统的算法属性。作者识别出两个深层的结构性障碍——编码阈值（coding threshold）（遗传密码的起源）和语言阈值（language threshold）（符号交流的出现）。两者都涉及”缠结的信息层次结构（tangled information hierarchies）”：编码系统将代码与其解释器分离，同时又通过自指涉（self-referential）关系将它们纠缠在一起，形成”奇异循环”（strange loops）。作者通过耦合信号与协调动力学的博弈论分析证明，对应的多通道博弈表现出的不稳定均衡使这两个转变本质上是困难的。

方法概述

(1) 系统回顾大过滤假说的历史形态（Carter 的”硬步骤”→Hanson 的九步→Mills 等的批判重评）和主要进化转变（METs）理论；(2) 分离出两个贯穿 METs 和”生命代码”列表的独特转变：遗传密码和人类语言；(3) 引入”缠结层次结构”和”算法瓶颈”的概念框架——信息管理系统在”代码-解释器-反馈回路”必须同时对齐的自模型化问题；(4) 用进化博弈论分析多通道信号-协调博弈的不稳定均衡；(5) 对遗传密码和语言两个瓶颈分别进行详细的发展前兆分析（RNA 世界、共同社群→密码汇聚；前语言交流→符号爆炸）。

实验结果

理论论证：遗传密码的起源涉及”硬件→软件”的跃迁——从局部化学力到全局编码功能信息传输，面临代码-解释器相互定义的”自举”问题。密码的”创新共享协议”功能在共同社群中选择性地驱动了密码趋同。
语言阈值的算法瓶颈：符号语言将压缩功能信息转化为可执行控制流（”程序”），创造了跨个体、跨代的认知软件-硬件缠结。多通道信号博弈在竞争性嘈杂环境中表现出内在的稳定困境。
与 Carter 的对齐：Carter 的原始猜想提及的两个”硬步骤”恰好是遗传密码和大脑发展（语言），而本文为这个对齐提供了信息论和博弈论的统一阐释。
猜想：大过滤是嵌套的缠结信息层次结构——”代码阈”越难跨越，进化出技术文明的可能性就越微小。

局限性与注意点

全文为理论/概念论文，无定量模型或数值实验。博弈论分析是定性的，未给出具体的适应度景观或动力学方程。
对”编码阈值”作为算法瓶颈的定义高度抽象，缺乏可被经验检验的定量预测。
在遗传密码和语言之外，是否还有其他”编码阈值”存在未深入讨论（文中承认了信号传导密码、剪接密码等其他”生命代码”但未分析）。
语言阈值的演化前兆分析依赖古人类学和考古学证据，这些证据本身存在争议和解释多样性。
论文未与 Carter/Mills 等针对硬步骤的定量推测（如概率估计、贝叶斯分析）进行直接对接。