我的财讯iPhone客户端 | 财经股票网址大全 | 添加到收藏夹

小心迈出每一步:要么创生,要么绝灭

21-03-30 18:12    作者:一只花蛤    相关股票:

文/姚斌

斯图亚特·考夫曼来自圣塔菲研究所,他一生致力于自组织和自催化的研究,追寻复杂性原理。在长达30年的时间里,考夫曼通过思考生物进化论认识到,自然选择固然重要,但自然选择并不是单打独斗,就能创造出生物圈的一切,从细胞到生物体到生态系统这一漂亮的建构。生命还有一个源头,那就是自组织,那才是有序秩序的根源。考夫曼最终得到这样的信念:生物世界的秩序不仅仅是零敲碎打做出来的,而是由于自组织的那些原理自然、自发地生出来的。光有达尔文渐进式进化是不够的,我们今天看到的世界不仅仅起源于自然选择。

复杂性原理自发地产生出自然界的大部分秩序,因此秩序并非完全是偶然的,只是在此后,自然选择才起作用,对已有的形态作进一步的塑造、打磨。即使一些简单的物理系统也会表现出自发的秩序:一小滴油滴在水上,会形成一个圆圈;雪花呈现出轻盈的六重对称。这些并不新鲜,新鲜的是自发秩序的范围远比我们从前想象的大得多。一些巨大的、复杂的、看上去随机的系统中,已经发现存在深层的秩序。这种自然发生的秩序不但是生命起源的基础,而且也是生物界许多秩序的基础。

1

考夫曼的思考从寒武纪生命大爆发开始。地球上生命的最早迹象出现于34.5亿年前,那是地壳冷却到足以支持液态水之后3亿年的事情。形态完好的细胞见之于那一时段的古老岩石。细胞无疑是某种形式的进化——从最早的分子相互作用之网中演化而来——的胜利顶峰。这种形式复杂到足以显示我们称之为生命的品性:能代谢,能繁殖,还能进化。这种单细胞生命形式独力支撑着生物圈达30亿年之久。一直到大约8亿年前,多细胞生物出现。

到了5.5亿年前的寒武纪,生命形式引来了一次大爆炸。进化的创意突然迸发,所有的生物门类一下子都被创生出来。一些物种形成了,而另一些物种绝灭了。形成和绝灭基本上是同来同往。不但物种形成的速率极高,物种灭绝的速率也极高。此后的一亿年里,物种的平衡丰富性增加到某种大致稳定的状态。然后,又发生雪崩般的灭绝。这样的灾变也许是由或大或小的陨星造成的。白垩纪末期的物种灭绝——恐龙全部退场恰好与这一时期相合——可能正是由于尤卡坦附近地区从天而降的大量不幸造成的。

考夫曼要探索的是一种大不相同的可能性。用不着总要由陨石或别的外来灾变来抹去整个的物种。看上去,物种形成和物种灭绝很可能都是生物圈内在的自发运动的反映。整个生物圈可能就是一个集体自动催化的系统,集体地催化着、扩张着我们所见到的有机分子的多样性,有点像链式核反应。在生存斗争中,每个物种都要去适应共同进化中伙伴们的大大小小的改变,这本身就可能驱使一些物种走向灭绝,同时也为其他物种的上场打开了缝隙。如此说来,生命是在永不停息的变化中展开的过程。有多少物种突然形成,又有多少物种突然灭绝,吐故纳新,永无休止。

假如此说是对的,那么生命形式的诞生和死亡都是内在的过程所致,是内原的、自然的。这些横扫生境、纵跨时间的雪崩般的生生灭灭,其形式多多少少是自我组织、集体发生的现象,多多少少是复杂性原理的自然表达,而这些原理正是我们所要探求的。而且,一旦我们理解了这些生灭的形式,我们就必定能更加深入地理解我们全都加入其中的生命游戏,因为我们都在赶着同一个赛会。

这些创造和毁灭的大小雪崩,从自然界的生态系统到技术演进底层的经济系统都可以看到,具有普遍意义。在经济系统里,新的货物和技术出现雪崩,迫使旧的货物和技术走向消亡。大大小小类似雪崩甚至也出现于不断演化的文化系统。对自然界生命史的新的理解,可能让我们对于经济系统有新的、整合的理解,并且以这样的理解更好地认识复杂的经济系统。寒武纪突然增长的丰富性,看起来很像一个经济体系中迅速增长的丰富性。在这种经济体系里,每一种新的货物或服务都给别的货物或服务留下一二缝隙,好让提供者借此谋生。

生物圈内所有复杂的、有适应性的系统,从单个细胞到一个个经济形态,都有个共同的命运——都要演进到一个自然的状态,这个状态介乎秩序和混沌之间,是结构和意外的大妥协。在此,在这种若安若危的状态中,共同进化、变迁的大大小小的雪崩通过系统滚雪球般增值。这是参与者为了生存、在相互竞争、相互协作的过程中,自己做出的一个个小小的最佳选择造成的。因此,考夫曼建议,我们每个参与这个游戏都要在或大或小的范围内尽量把事情做好。可是,我们自己的最佳努力仍有可能造成某种不可预知的后果,最终把我们挤下舞台。

2

生态系统、经济系统等等,都是混沌系统。生命存在于混沌的边缘。混沌理论的中心思想就是“蝴蝶效应”。在混沌系统中,任何微小的改变,都可能导致巨大的和越放越大的效应。初始条件的微小改变,都可能导致一个混沌系统在行为上发生深刻的变化。因此,我们不能预言其长期行为。但是,不能预言,并不意味着不能理解、不能解释。实际上,假如我们确信自己知道制约一个混沌系统的那些方程式,我们就确信自己理解它的行为,包括理解自己何以不能从细节上预言其长期行为。

生物体不是简单的无规则系统,而是高度复杂的、异质的系统,而且经过40亿年的进化到了今天。想要建立关于生物学秩序的深层理论的愿望,其中心就是要发现活生生的复杂系统有哪些关键的生物学性质,这些性质可以不依赖所有细节而存在。探索这些性质正在成为一个基本的研究战略。

物理学家、化学家和生物学家熟悉产生秩序的两种主要形式:第一种形式与低能量平衡系统有关。比如,病毒是一些DNA和RNA分子串组成的复杂分子系统。这些分子串拧成一股绳,在绳子的周围聚集起一些蛋白质分子,形成尾毛和头状结构,还有其他一些特征,在合适的水环境里,分子状态的DNA和RNA以及蛋白质组成的元素里的病毒粒子会自我集结。病毒一旦形成,就不再需要输入能量来维持它的存在。第二种形式需要源源不断地输入质量或能量,或者输入两者,来维持那个有序的结构。这是一个不平衡系统。这种结构被伊利亚·普里戈金称为耗散结构。在耗散系统里,平衡等于死亡,物质和能量必须通过系统的流动才会产生秩序。

生态系统可能具备这两种形式:既是低能量平衡形态,又是不平衡耗散结构。然而,量子理论和混沌理论都不支持。只有计算理论将不平衡系统看作像一个不可化约的计算机规则系统。考夫曼倾向于计算理论。他认为,进化本身就像是一套不可化约的规则体系。不可化约是指,一个系统若是由许多不同但彼此协同的部件所组成才能达到其基本功能,在任意移除其中的某个部件后,会导致系统无法运作。

3

考夫曼深信,生命本身就是一个自发产生的现象。足够复杂的化学混合能自发地成为系统,这些系统能够集体动作,催化化学反应之网,通过这些反应,分子就会自发形成,这就是集体的自催化系统。生命来自于自我催化。如果生命是从某种翻腾不已的化学汤中自然出现的集体自动催化系统,那么我们的历史只能从那里写起。最好不要突然失掉进化的能力。达尔文教导我们,进化的关键动力需要有自我繁衍和遗传变异。一旦形成了这些东西,自然选择就会动手选出那些较适于生存的,删汰那些不太适于生存的。

生命乃是自发产生的整体,并且一旦产生就坚持不懈地保持整体。一组分子要么能够催化自身形成,从某些简单的食物分子复制繁衍,要么就不能。在自发产生、自我复制的整体中,并没有什么生命力或者外来物质存在。但是,那个集体的系统却有着一种令人惊讶的性质,是它的任何部分所不具有的。它能够复制自身并且演化。因此,生物体中的大部分秩序可能根本不是自然选择的结果,而是自组织系统中自发产生的。生命在历史中自然的生出了秩序,自然选择则有权对之采取行动。

在混沌边缘,随着我们的进化,我们的对手也在进化;要保持适应,必须以变应变,对它们的适应性改变回应以适应性改变。技术演进也有一些法则制约着。这些法则与那些制约着生物化学演进和适应性共同进化的法则相类似。生命起源与化学丰富性门槛,个中逻辑,跟经济腾飞来源于货物和服务丰富性门槛的理论如出一辙。一旦越过这个门槛,就要产生出新的物种,新的分子,新的货物和服务,而它们又为更新的品类留出空隙,那些新的品类将要在爆炸般的可能性中被唤醒生命。生物进化和技术演化中的那种适应性步骤驱动着分化和绝灭的雪崩。而不论是新种分化还是旧种灭绝,那个系统都会自我调节到混沌边缘那若危若安的状态。在那里,所有的玩家都尽其可能的把小日子过好,又会终究退下舞台。

共同进化的本质,是达到混沌边缘。在混沌边缘,每一个物种都尽可能兴盛地生活,但没有一个物种能够预知,它们下一步最佳行动会引发什么。在这个不安定的世界里,大大小小的崩塌每时每刻都会无情地扫过整个系统。每一个活物、每走一步,都会引发或大或小的崩塌。这些崩塌也许会吞没下方山坡上别的登山者,也许会与它们擦肩而过,也有可能被自己的脚步所引发的崩塌冲走。因此,它们永远不能预言它们行动的结果展开后会是什么样子。一方面,在这若危若安的状态中崩塌规模的分布自有规律可循,而另一方面,每一个个案中都存在不可预测性。如果一个人永远不知道自己的下一步行动会不会引发雪崩,那他最好每迈出一步都要非常小心。

4

考夫曼深信,生物圈就是超临界的,这个超临界乃是从最早的生命形式装点了大地开始直到今天的分子多样性和复杂性膨胀的最终根本。假如细胞是亚临界的,那么贯穿整个生物圈的超临界爆炸,自从古生代的细胞开始,从第一个细胞开始,从34.5亿年前的细胞开始,就必然一直是保持亚临界的。它们相互作用,形成一些群落,使得整个地球成为超临界,造成了分子多样性。每一个生态系统都处在亚临界—超临界之间,可是不同的生态之间还是会交换物品,共同营造一个超临界的生物圈。这个生物圈别无选择,只能坚定无情地向着更加复杂的境地迈进。

假如生态系统演进到亚临界与超临界之间的边界,那么分子创新分支的概率就应当接近1.0,导致大大小小的分子创新之喷涌或雪崩。临界值上的分支过程产生一种遵守能量分配率的雪崩,就像在普·巴克的沙堆模型中遇见过的情景一样。不过,这些创新的雪崩会像受控核反应一样,最终归于死灭。下一次雪崩,不管是大是小,都将被下一个波动所触发,那个波动会产生新型分子Q。像沙堆上的一粒沙子一样,尽管每一粒都可能触发一场或大或小的雪崩,但那个若危若安的生态系统将会制造大大小小的新分子类型的喷发。但是,像沙堆崩塌一样,行动者永远不会知道自己的下一步结果怎样,是触发一个小小的分子改变,还是一场吞噬一切的大雪崩——那雪崩可能引起大创生,也可能引起大绝灭。每一个生物都在努力进化,却不可避免地为自己的最终灭亡创造着条件。

19世纪的进化论认为,自然选择的规律永远是优胜劣汰,不停地筛选,这样,经过无数的世代,适应的物种的有益变异就会积累得越来越多,发展繁荣起来。但是,到了20世纪40年代,生物学家已经将一个适者生存的生物世界描绘作一种进化地形,最适于生存的物种代表其中的最高峰,而进化的动因,是基因突变、重组、自然选择等,这些因素驱使生物种群努力爬到最高的顶峰。生命的历程就是向更高等级迈进的高地探险。

考夫曼本人也是达尔文主义者,相信自然选择的功效。他认为,没有自然选择,就没有秩序,只有混沌。他努力发展达尔文主义,努力构建一个新的理论框架。在这个框架中,自组织、自然选择和进化史上的意外事件都能找到各自的位置。他认为,自组织在生命进化的历史中占有一席之地。毕竟,滴在水上的油脂会自然形成圆形的薄膜,就像细胞膜一样,并不需要自然选择的作用。

生物学中最重要的假设是“渐变论”,基因的突变会引起生物体性状小幅的变异。然而,这个假设几乎肯定是错误的。渐变论并不总是成立的。在一些复杂的系统中,任何微小的改变都会最终导致整个体系灾难性的变化。自然选择无法创造复杂的系统,这就是自然选择最根本的局限之一。此外,它还有另外一个根本性局限。即使相信渐变论的人认为小的基因突变只会引起小的表型的变化,还是无法推论出自然选择可以成功地把这些小的改进积累起来。相反,在此过程中可能会发生某个“灾难性错误”。试图自我适应的物种所积累起来的,可能是一系列小的错误,而不是小的改进。即使是自然选择有过滤作用,生物的秩序不可避免还会消失。由此可见,自然选择十分有力,但非万能。

5

寒武纪生命的多样性高得难以置信。史蒂芬·古尔德曾经推论,如果历史以另一种方式展开,那么今天的生命将会不同。他把这些随机的突变和偶发的灭绝称为“历史偶然性”。他认为,这些突变和灭绝相辅相成,驱使着生命的演化在不同的路径上行进。在他看来,包括人类在内的每一种动物,其存在都是一个极其罕见的事件;如果倒带回到寒武纪再重来,这些或许都不可能再发生。

但是,另一进化生物学家西蒙·莫里斯认为,随着时间的推移,在自然选择的作用下,生物体将演化出数量有限的适应特征,以应对地球上同样数量有限的生态位。这会让那些没有关联的生物体,都逐渐趋同演化成相似的体态。他说:“生物体必须根据物理、化学和生物世界的现实情况来配置自己。”因为有这些限制,演化如若倒带重来,最终重新产生的生物体也必然和现在的那些相似。他相信,如果人类的祖先没有发展出大体积的脑部和智慧,那可能就会有其他的动物来填补我们现在所占据的生态位。

这两位学者都认可趋同性和历史偶然性同时存在于演化之中。他们不同的观点在于,像人类智慧这样关键的适应特征,是否可重复或者是否独一无二。其他生物学家也参与了这个谜题的解答,并且揭示出趋同性和偶然性是如何相互作用的。理解这两种力量的相互作用,可以让我们知道,到底那一种生物是10亿年链条上机缘巧合的幸运产物,还是如同死亡与税收一样逃不掉的存在。

但是,对于考夫曼而言,进化是一个关于生物体如何通过遗传变异而修正自身、以求改善自己的适应性的故事。考夫曼认同可趋同性和历史偶然性,但更相信自组织的力量是巨大的。只要集合起一些化学物质,其中包含的数量足够的不同种分子,就会有某种代谢从分子当中成形出来。一个活的生物体就是一个有能力催化自身繁衍的化学物质系统。而活着的系统是一些坚持不懈的打破化学平衡的开放型热力学系统。因此,生命的座右铭不是“我们不可能”,而应该是“我们是注定要来的”。


 
声明:本文内容由原作者博客的RSS输出至本站,文中观点和内容版权均归原作者所有,与本站无关。点此查看原文...

我要评论

(200字以内)