另外一个重要因素 - 生命的复杂度 - 也影响着遗传漂变。
我们知道,演化的动力是自然选择。自然选择为什么会推动生命变得越来越复杂,这是一个深刻的问题。我试图从一个本质的视角出发给出简单的解释。
让我们回到最初的开端 - 热力学第二定理,也就是熵增定律上来。
热力学第二定律是所有物理定律中唯一能够区分过去和现在的定律,它定义了时间的方向。它也是一个不能被任何其他定律所推导的定律,它纯属经验所得。
第二定律这么独特,导致一些物理学家对它不以为然,其中就包括大物理学家麦克斯韦。麦克提出了麦克斯韦方程组,完美确立了电磁领域的数学规律。在1871年的《论热能》一书中,麦克斯韦提出一个问题来诘难第二定律,他举了一个例子:
一个箱子中间被一块垂直的板子隔开,板子上有一个活门,活门由一个小妖怪看守。小妖怪的任务是,观察要穿越小门的气体分子。它看到左边来的分子,如果速度慢就放行,如果速度快就不放行。对于右边来的气体分子,如果速度快就放行,如果速度慢就不放行。这样,箱子左边的气体分子的速度就会保持在高位,而箱子右边的气体分子就会保持在低位。一段时间后,整个箱子中的气体的熵值就变低了。这是不是违背了热力学第二定律呢?
按照第二定律,要降低封闭系统的熵值,就必须做功。但是,此处的小妖怪只是负责开门关门,这种动作的功率可以小到忽略不计,为此麦克斯韦还专门提供了活门的可行设计。
麦克斯韦在书中总结说:
热系统左边变得更热,右边变得更冷,然而却没有做功,只有一个眼光犀利、手脚麻利的智能生物在工作。
没有做功而熵值降低,多么美好啊。
麦克斯韦的小妖难到了不少当时的杰出头脑。许多物理学家都坚持说热力学第二定律没错,猫腻出在那个小妖身上,但是他们又说不出个所以然来。
直到1929年,这个问题才被解决。匈牙利物理学家西拉德提出,做功的是小妖的智能,更精确地说,是通过测量获取信息的行为。西拉德是第一个将熵与信息联系起来的人。
小妖的测量 - 回答是与否的过程 - 是需要消耗能量的,这些能量就是熵增,它与箱子中气体的熵减可以互相抵消。这样,箱子、气体、小妖组成的整个系统仍然符合第二定律。
到了1960年前后,物理学家兰道又发现,在小妖的判断过程中,既要存储信息,也要擦除信息,而擦除信息也是需要增加熵值的。
这样,经过了近一百年,兴风作浪的麦克斯韦小妖终于被平定了。
那么,我们此时为什么要谈麦克斯韦小妖?
因为,在演化中无数变异的个体中挑选可以存活的少数,自然选择同样是在进行测量和判断,它就是麦克斯韦小妖。自然选择会说,这只生物奔跑快,可以去左边。那只生物的视力不好,反应不够快,呆在右边吧。左边的延续,右边的绝嗣。
自然选择的做功必然导致生命这个系统,熵值降低,趋于复杂而有序。
为了保持负熵,在内部进行新陈代谢,生命体必须要有边界,将自己与环境区分开来。
让我们看一看生命体内的各种 膜 吧。细胞膜、羊膜、表皮、胎盘、基底膜等等。这些膜的一个共性,就是选择性透过。一些分子,比如水、氧气和葡萄糖可以透过,而另一些分子,比如病毒或者异种蛋白质,则不能透过。通过这些选择,生命体维持了自己的秩序,保持了负熵。这些膜,就是生命体内部的麦克斯韦小妖的各种化身,也是边界。
演化中的自然选择当然也消耗能量,它消耗的是一代代被淘汰的无数生物个体,以及随着这些个体的毁灭而耗散的能量。当然,这些能量不会被平白浪费,而是被其他活着的生物再次利用,作为食物或者有机质来源。换句话说,自然选择以无数生物个体的生命为代价,推动着整个生命之树向着有序复杂的方向生长。
约翰霍兰德 - 也是遗传算法之父 - 的经典之作《隐秩序:适应性造就复杂性》就专门阐述这个主题。
自然选择就是我们前述的 宇宙的创造性 在生命上的直接体现。
由于生物对于环境的适应性带来其复杂性,那么复杂性的来源就从生物本身转移到了环境上来。为什么环境是复杂的?这里面有两个主要原因。
其一,物理规律的内在本质 导致了生物的生活环境的差异。地球上有海洋、大陆与岛屿,有寒带、温带和热带,有季风、洋流、冰川和各种气候,有沙漠、草原、荒原和森林等等地形。这些环境的差异都会影响生物种群的生活,驱动它们朝向不同的适应性而演化。
其二,生物适应环境则趋向多样性。为了适应具体的生存环境,生物会强化某些能力,而牺牲一些其他的能力,这种变化称为特异化。比如洞穴生物就不需要视力,而强化了嗅觉和听力。天上的飞禽则无需嗅觉,强化了视力。人类先祖作为一种在非洲草原上的直立生物,开阔的视野特别重要,所以人类的头脑特别强化了视觉处理,而弱化了同为兽类所擅长的嗅觉。
自然选择驱使个体之间的差异扩大,导致生物多样性。多个物种的竞争,加上环境本身的变化,环境中生态位的分化,这些复杂性将驱使物种继续朝向新的特异性发展,产生更多物种。多样性导致复杂性,复杂性导致多样性,这是无止境的互相强化的过程。
如果继续沿用小妖这个类比,我们可以认为,不同的环境就像不同的盒子,每个盒子里面都有一个自然选择扮演的小妖在做功。地球上,无数差异的环境中,都有无数个自然选择的程序在运行,它们就是无数个看门的小妖。它们的共同作用下,地球上的物种体现出丰富的多样性,欣欣向荣,枝繁叶茂。