新研究发现“缺失的自然法则”

150多年前，人类就开始提出描述和解释自然界中常见现象的宏观自然法则，而最新发表的一篇论文提出了一种新的宏观自然法则——进化是自然世界复杂系统的共同特征。

　　进化无处不在？宇宙越来越复杂？

　　北京时间10月17日凌晨3时许，国际学术期刊《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）在线发表一篇论文，称发现了“缺失的自然法则”，首次认识到自然世界运作中的一个重要规范——“功能信息增加定律”（Law of Increasing Functional Information）。

　　只有生命会进化？

　　“查尔斯·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，”前述研究的领导者、卡耐基科学研究所地球物理实验室的高级科学家罗伯特·M·哈森(Robert M. Hazen)说，“我们认为，达尔文理论只是一个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。”

　　前述论文的第一作者、卡耐基科学研究所的天体生物学家（研究生命起源与演化等问题，在宇宙空间寻找生命痕迹的科学家）和行星科学家迈克尔·黄（Michael L. Wong）博士说：“在这篇新论文中，我们从最广泛的意义上考虑进化论……包括基于‘改良后裔’的达尔文进化论。”“宇宙会产生原子、分子、细胞等的新颖组合。那些稳定且可以继续产生更多新奇事物的组合将继续进化。这就是生命成为进化的最引人注目的例子的原因。但进化无处不在。”

　　该论文的9位作者分别来自美国卡耐基科学研究所、加州理工学院和康奈尔大学等机构，其中包括科学哲学家、天体生物学家、数据科学家、矿物学家和理论物理学家。

　　研究人员认为，无论系统是有生命的还是无生命的，一种新颖的配置如果运行良好，并且功能得到改进时，进化就发生了。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，它也发生在从行星和恒星到原子、矿物等等其他大规模复杂的系统中。“功能信息增加定律”指出，如果一个系统的许多不同配置经历了一种或多种功能的选择，那么系统就会进化，系统的功能信息就会增加。

　　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。当细胞与细胞学会“合作”时，多细胞生命“进化”了。而物种的进化得益于游泳、行走、飞行和思考等许多有利的新行为。

　　同样的演变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，同时也参与了生命的起源。生命的进化和矿物是交织在一起的，因为生命利用矿物质来制造贝壳、牙齿和骨骼。

　　菊石。随着地球的形成，新的地质过程催生了1500多种新矿物。光合作用开始，铁与含氧矿物质的相互作用改变了古代生命。生物多样性导致矿物多样性，反之亦然。

　　事实上，地球上的矿物在太阳系诞生之初只有大约20种，但由于45亿年来复杂的物理、化学以及最终的生物过程，如今已知的矿物数量已接近6000种。

　　前述最新发表的论文称，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。最早的恒星使用氢和氦来制造大约20种较重的化学元素。下一代恒星以前述多样性为基础，产生了近100种以上的元素。

　　宏观自然法则

　　宏观自然法则被用于描述和解释自然界中常见的现象。比如，与力和运动、重力、电磁力和能量相关的自然法则早在150多年前就已被描述。而前述最新发表的论文提出了一种现代补充——进化是自然世界复杂系统的共同特征。而研究团队认为，其特征包括：

　　它们由许多不同的成分组成，例如原子、分子或细胞，可以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够在被称为“功能选择”的过程中“幸存”下来。

　　黄博士表示，这个新提出来的自然法则的一个重要组成部分是“功能选择”的想法。

　　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。

　　最新发表的研究扩展了达尔文的前述观点，指出自然界中至少存在三种“功能”：最基本的功能是稳定性——选择原子或分子的稳定排列；同样能持续存在的是具有持续能源供应的动态系统；第三个，也是最有趣的功能是“新颖性”——进化中的系统有探索新结构的趋势，这有时会导致惊人的新行为或新特征。

　　而前述“静态持久性”、“动态持久性”和“新颖性的产生”，是“功能选择”的基本来源。前述论文还提出了一个时间不对称定律，即当系统的功能信息受到功能选择时，其功能信息将随着时间的推移而增加。

　　前述最新发表的理论被认为是补充了热力学第二定律——孤立系统的熵（无序）随着时间的推移而增加（热量总是从较热的物体流向较冷的物体）。

　　此外，前述论文提出了许多新想法，比如，如果生命与非生命存在与“功能选择”有关的分界线，我们能否确定“生命规则”，从而在天体生物学的研究中区分生物分界线？这或将帮助人类寻找地外生命。