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一篇描述“缺失的自然法則”的論文，帶領(lǐng)人們首次認(rèn)識到自然世界運(yùn)作中的一個重要法則。
從本質(zhì)上講，新法則指出復(fù)雜的自然系統(tǒng)會演變成更加模式化、多樣性和復(fù)雜性的狀態(tài)。換句話說，進(jìn)化不僅限于地球上的生命，它也發(fā)生在其他大規(guī)模復(fù)雜的系統(tǒng)中，從行星和恒星到原子、礦物等等。
這篇論文發(fā)表于最新一期《美國國家科學(xué)院院刊》，由包括來自卡內(nèi)基科學(xué)研究所、加州理工學(xué)院、康奈爾大學(xué)和科羅拉多大學(xué)的頂尖科學(xué)家撰寫。合著者代表了獨(dú)特的多學(xué)科結(jié)構(gòu)：三位科學(xué)哲學(xué)家、兩位天體生物學(xué)家、一位數(shù)據(jù)科學(xué)家、一位礦物學(xué)家和一位理論物理學(xué)家。
需要什么契機(jī)，系統(tǒng)才會進(jìn)化
人們熟悉的宏觀自然法則，描述和解釋了自然界中日常經(jīng)歷的現(xiàn)象。像力和運(yùn)動、重力、電磁力、能量相關(guān)的自然法則，早在 150 多年前就已被描述。
新研究則對其進(jìn)行了補(bǔ)充，它承認(rèn)進(jìn)化是自然世界復(fù)雜系統(tǒng)的共同特征的宏觀法則，其特征如下：它們由許多不同的成分組成，例如原子、分子或細(xì)胞，可反復(fù)排列和重新排列;受到自然過程的影響，導(dǎo)致形成無數(shù)不同的排列;所有這些配置中只有一小部分能在“功能選擇”的過程中幸存下來。
但無論系統(tǒng)是有生命的還是無生命的，當(dāng)一種新穎的配置運(yùn)行良好并且功能得到改進(jìn)時，就會發(fā)生進(jìn)化。
論文提出的“功能信息增加定律”指出，如果系統(tǒng)的許多不同配置經(jīng)歷了一種或多種功能的選擇，系統(tǒng)就會進(jìn)化。就生物學(xué)而言，達(dá)爾文將功能主要等同于生存，活得足夠長以產(chǎn)生可育后代的能力。
這項新研究擴(kuò)展了這一觀點(diǎn)，并指出自然界中至少存在 3 種功能——最基本的功能是穩(wěn)定性，選擇原子或分子的穩(wěn)定排列來延續(xù);同樣還有選擇持續(xù)存在的、具有持續(xù)能源供應(yīng)的動態(tài)性;而最有趣的功能是“新穎性”，不斷發(fā)展的、探索新配置的趨勢，有時會導(dǎo)致令人驚訝的新行為或特征。
天上地下，同樣神奇
生命的進(jìn)化史充滿了新奇之處。當(dāng)單細(xì)胞學(xué)會利用光能時，光合作用進(jìn)化了;當(dāng)細(xì)胞學(xué)會合作時，多細(xì)胞生命進(jìn)化了;物種進(jìn)化正是得益于游泳、行走、飛行和思考等有利的新行為。
同樣的演變其實也發(fā)生在礦物王國中。最早的礦物代表了特別穩(wěn)定的原子排列。這些原始礦物為下一代礦物奠定了基礎(chǔ)，這些礦物參與了生命的起源。生命的進(jìn)化和礦物質(zhì)是交織在一起的，因為生命利用礦物質(zhì)來制造貝殼、牙齒和骨骼。
事實上，由于 45 億年來更加復(fù)雜的物理、化學(xué)和最終的生物過程，地球上的礦物由太陽系誕生之初的只有約 20 種，發(fā)展到如今已知礦物數(shù)量接近 6000 種。
除了腳下的礦物，還有天上的繁星。論文指出，就恒星而言只有兩種主要元素——氫和氦，在大爆炸后不久形成了第一批恒星。那些最早的恒星使用氫和氦來制造大約 20 種較重的化學(xué)元素。下一代恒星以這種多樣性為基礎(chǔ)，產(chǎn)生了 100 種以上的元素。
研究人員表示，達(dá)爾文雄辯地闡明了植物和動物通過自然選擇進(jìn)化的方式，個體具有許多變異和特征以及許多不同的配置。但達(dá)爾文理論只是更大的自然現(xiàn)象中一個非常特殊、非常重要的例子。功能選擇驅(qū)動進(jìn)化的概念同樣適用于恒星、原子、礦物和許多其他概念上等效的情況，其中許多配置都受到選擇壓力。
新論文從最廣泛的意義上考慮進(jìn)化論。這也意味著，宇宙會用原子、分子、細(xì)胞等產(chǎn)生新穎組合，那些穩(wěn)定且可繼續(xù)產(chǎn)生更多新奇事物的組合也將繼續(xù)進(jìn)化。
總而言之，進(jìn)化無處不在。
進(jìn)化，不是生物學(xué)所特有的
這一新研究通過理解過去，開辟了未來的研究。美國西雅圖系統(tǒng)生物學(xué)研究所斯圖爾特·考夫曼評論說，這是一篇出色的、大膽的、廣泛的、變革性的文章，作者正在探討不斷演化的宇宙復(fù)雜性豐富這一根本問題，目的是尋找與已知法則相一致的“缺失法則”。人們對這些想法的觸碰，就像 19 世紀(jì)中葉人們開始理解能量和熵一樣，現(xiàn)在進(jìn)行公開的廣泛討論至關(guān)重要。
英國牛津大學(xué)人類未來研究所的米蘭·瑟科維奇表示，新研究就像一陣新鮮空氣吹過天體生物學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)和進(jìn)化論三重交匯處的困難地形。其中心思想，即“功能信息增加定律”的表述，簡單、微妙但意義非凡。
美國羅格斯大學(xué)海洋與海岸科學(xué)系科黛·塞爾登認(rèn)為，人類今天所認(rèn)識的自然法則，還無法解釋人類宇宙的一個令人震驚的特征——自然系統(tǒng)“進(jìn)化”的傾向。正如這項研究所證明的那樣，復(fù)雜性和功能隨著時間的推移而增加的趨勢，并不是生物學(xué)所特有的，而是在整個宇宙中觀察到的一個基本屬性。新研究提煉出的一套原則，為不斷發(fā)展的系統(tǒng)的跨學(xué)科討論奠定了基礎(chǔ)，將促進(jìn)對自然世界中自組織和新興復(fù)雜性的研究。
