一项最新研究描述“缺失的自然法则”

这是在厄瓜多尔加拉帕戈斯群岛的圣克鲁斯岛上拍摄的蓝脚鲣鸟和海鬣蜥。由于动植物种类极其丰富，加拉帕戈斯群岛有“活的生物进化博物馆和陈列室”之称（资料图片）。
新华社记者
许睿摄

【今日视点】

　　本报记者 张梦然

　　一篇描述“缺失的自然法则”的论文，带领人们首次认识到自然世界运作中的一个重要法则。

　　从本质上讲，新法则指出复杂的自然系统会演变成更加模式化、多样性和复杂性的状态。换句话说，进化不仅限于地球上的生命，它也发生在其他大规模复杂的系统中，从行星和恒星到原子、矿物等等。

　　这篇论文发表于最新一期《美国国家科学院院刊》，由包括来自卡内基科学研究所、加州理工学院、康奈尔大学和科罗拉多大学的顶尖科学家撰写。合著者代表了独特的多学科结构：三位科学哲学家、两位天体生物学家、一位数据科学家、一位矿物学家和一位理论物理学家。

　　需要什么契机，系统才会进化

　　人们熟悉的宏观自然法则，描述和解释了自然界中日常经历的现象。像力和运动、重力、电磁力、能量相关的自然法则，早在150多年前就已被描述。

　　新研究则对其进行了补充，它承认进化是自然世界复杂系统的共同特征的宏观法则，其特征如下：它们由许多不同的成分组成，例如原子、分子或细胞，可反复排列和重新排列；受到自然过程的影响，导致形成无数不同的排列；所有这些配置中只有一小部分能在“功能选择”的过程中幸存下来。

　　但无论系统是有生命的还是无生命的，当一种新颖的配置运行良好并且功能得到改进时，就会发生进化。

　　论文提出的“功能信息增加定律”指出，如果系统的许多不同配置经历了一种或多种功能的选择，系统就会进化。就生物学而言，达尔文将功能主要等同于生存，活得足够长以产生可育后代的能力。

　　这项新研究扩展了这一观点，并指出自然界中至少存在3种功能——最基本的功能是稳定性，选择原子或分子的稳定排列来延续；同样还有选择持续存在的、具有持续能源供应的动态性；而最有趣的功能是“新颖性”，不断发展的、探索新配置的趋势，有时会导致令人惊讶的新行为或特征。

　　天上地下，同样神奇

　　生命的进化史充满了新奇之处。当单细胞学会利用光能时，光合作用进化了；当细胞学会合作时，多细胞生命进化了；物种进化正是得益于游泳、行走、飞行和思考等有利的新行为。

　　同样的演变其实也发生在矿物王国中。最早的矿物代表了特别稳定的原子排列。这些原始矿物为下一代矿物奠定了基础，这些矿物参与了生命的起源。生命的进化和矿物质是交织在一起的，因为生命利用矿物质来制造贝壳、牙齿和骨骼。

　　事实上，由于45亿年来更加复杂的物理、化学和最终的生物过程，地球上的矿物由太阳系诞生之初的只有约20种，发展到如今已知矿物数量接近6000种。

　　除了脚下的矿物，还有天上的繁星。论文指出，就恒星而言只有两种主要元素——氢和氦，在大爆炸后不久形成了第一批恒星。那些最早的恒星使用氢和氦来制造大约20种较重的化学元素。下一代恒星以这种多样性为基础，产生了100种以上的元素。

　　研究人员表示，达尔文雄辩地阐明了植物和动物通过自然选择进化的方式，个体具有许多变异和特征以及许多不同的配置。但达尔文理论只是更大的自然现象中一个非常特殊、非常重要的例子。功能选择驱动进化的概念同样适用于恒星、原子、矿物和许多其他概念上等效的情况，其中许多配置都受到选择压力。

　　新论文从最广泛的意义上考虑进化论。这也意味着，宇宙会用原子、分子、细胞等产生新颖组合，那些稳定且可继续产生更多新奇事物的组合也将继续进化。

　　总而言之，进化无处不在。

　　进化，不是生物学所特有的

　　这一新研究通过理解过去，开辟了未来的研究。美国西雅图系统生物学研究所斯图尔特·考夫曼评论说，这是一篇出色的、大胆的、广泛的、变革性的文章，作者正在探讨不断演化的宇宙复杂性丰富这一根本问题，目的是寻找与已知法则相一致的“缺失法则”。人们对这些想法的触碰，就像19世纪中叶人们开始理解能量和熵一样，现在进行公开的广泛讨论至关重要。

　　英国牛津大学人类未来研究所的米兰·瑟科维奇表示，新研究就像一阵新鲜空气吹过天体生物学、系统科学和进化论三重交汇处的困难地形。其中心思想，即“功能信息增加定律”的表述，简单、微妙但意义非凡。

　　美国罗格斯大学海洋与海岸科学系科黛·塞尔登认为，人类今天所认识的自然法则，还无法解释人类宇宙的一个令人震惊的特征——自然系统“进化”的倾向。正如这项研究所证明的那样，复杂性和功能随着时间的推移而增加的趋势，并不是生物学所特有的，而是在整个宇宙中观察到的一个基本属性。新研究提炼出的一套原则，为不断发展的系统的跨学科讨论奠定了基础，将促进对自然世界中自组织和新兴复杂性的研究。