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第12章 生物演化与物理学的统一

如果说物理定律和生命定律是相同的,没有人会感到惊讶。[1]能量在宇宙中的耗散是一个不可避免的过程,它产生了局部的复杂性,生命是其中的一部分。但是,最终组成生命和星球的物质自身也一定会消散到寒冷的深渊中。[2]在最宏大的尺度上,生命不过是闪烁的光,最终被宇宙的终极物理定律之一——热力学第二定律所熄灭。

我们不愿让冷冰冰的物理学定律逐渐渗透到丰富多彩的生命中,这很容易理解。许多人认为,物理学带来了可怕的还原论,这种冷酷的观点让我们对地球上的生物精打细算,而且淡化了“生命与无生命物质不同”的历史观念。

曾经有好几个世纪,人们认为,有一种力量或物质(被称为“活力”)赋予了生命特有的能量和不可预测性,从本质上在物质世界和生命领域之间建立了一道壁垒。没有这道壁垒,生物和人与无生命物质很可能不会有明确的分界,这被认为是很危险的。在很大程度上,正是这种分界让我们推迟了在物理学原理的背景下理解演化实验。在本书中,我们探讨了这些原理如何在各个层次上限制了生命的存在。物理学原理对生命会产生影响,这一观点应该不会让人震惊。但是,如果我们简要地回顾历史就会发现,人们对生命的观点与对物理学的理解一直是分离的,因此我们也就能更好地理解,为什么人们花了这么长时间才认识到生命物质与无生命的物质一样,都受到无懈可击的定律的牢固掌控。

在好几个世纪的时间里,自然发生说的理念一直被认为是无生命物质和有生命物质之间的核心差异。这种理念认为,非生命要转变为生命,必须通过一种难以捉摸的力量做出某种方式的改变。在同行评议、科学院和科学讨论的环境尚未出现的时代,人们提出了很多怪异的“自然发生”方式。比如扬·巴普蒂斯塔·范·海耳蒙特(Jan Baptista van Helmont),他在1620年发表了一份制作老鼠的详细说明:[3]

将一件沾有汗水的内衣和小麦一起放进广口瓶中,大约21天后,气味会改变,并且从内衣中会流出发酵液,穿透小麦的外皮,将小麦变成老鼠。不平常的是,产生的老鼠有雄性和雌性,可以跟自然出生的老鼠交配生下小老鼠。但是,更不平常的是,从小麦和内衣变来的老鼠并不是小老鼠,甚至不是袖珍的成年老鼠或夭折的老鼠,而是成年老鼠。

也有许多人试图反驳自然发生说。用动物进行实验很容易。17世纪,意大利医生弗朗切斯科·雷迪(Francesco Redi)表示,用纱布覆盖肉类后,肉就不会自发转化为蛆,但纱布本来可以让所谓的“活力”穿过的。[4]下一步就相当容易了,就是证明苍蝇对生成蛆是必要的。

但是,对于这种新出现的科学共识,微生物成了一个难点。在范·列文虎克发现微生物后仅60年,18世纪备受尊敬的科学家约翰·特伯维尔·尼达姆(John Turberville Needham)发表了他的羊肉肉汁实验。[5]他将煮沸的肉汁放到小瓶中,然后塞上塞子,过了一段时间,与外界隔绝的肉汁中就充满了生命。[6]他据此推测,自然发生说已被证实。肉汁中的有机物被注入了营养的生命力而产生了生命。

不过,现在我们知道他的肉汁很可能被微生物污染了。拉扎罗·斯帕兰扎尼(Lazzaro Spallanzani)以青蛙器官再生方面的开创性研究而闻名,他重复了尼达姆的肉汁实验,但更加谨慎。他将浸湿的种子放入小瓶中密封起来,然后加热,杀死瓶中任何可能还活着的东西。[7]在短时间加热的小瓶中,体型较大的微生物(我们现在认为这些生物应该是变形虫)很快死亡。他注意到,较小微生物(可能是细菌)可以忍受几分钟的加热,然后才不再移动。然后,他指出,如果加热小瓶的时间足够长,瓶中可能会变成“绝对的沙漠”。[8]他的实验正好论证了灭菌的概念。

现在,你可能会认为这一系列开创性的实验最终会使自然发生说没有市场,但事实并非如此。支持者很容易辩称,生命无法产生是因为小瓶中的物质缺乏空气。斯帕兰扎尼密封了小瓶,没有给有机物提供空气,而那是活力所必需的条件。

在这个历史背景下,后来成为传奇的法国人路易·巴斯德登场了。他在设计实验方面思路非常清晰。他开创了巴氏灭菌法:对牛奶进行快速而短暂的加热,这样可以杀死微生物,而不会改变口味,并有助于保存。他用一个巧妙而简单的实验回答了这个困扰数百年的问题。他制造了一种鹅颈烧瓶,其锥形末端优雅地向侧面弯曲,呈蜿蜒的S形,既防止微生物直接掉入肉汤中,也给液体提供了氧气。19世纪末,他不但给了自然发生说最后一击,还用实例说明了如何使液体无菌并保持这种状态。

在这段历史中蕴含着一种深刻而强烈的信念,即生命确实有某种不同之处。即使自然发生说早已随着科学的进步而消散,但人们仍然一直感觉,生物学绝不应该被简单地还原为受物理过程驱动的形态和形式。哥白尼革命让我们明白,人类所在的太阳系并不特殊,虽然之后的人们还是很难接受人类起源于猿类的观点,但是至少猿类和我们都属于生命,而不是无生命的物质。达尔文的演化思想可以解释为造物主以演化为手段来达到最终的目的。演化是创世背后的机制,但仍然很特殊。

生物学和物理学的成功结合很难,一方面是因为长期以来我们都在为生命寻找一个舒适的、特殊的起源之地,另一方面是因为两个学科内部的文化和研究方法有差异。我自己是在把大部分职业生涯都花在了生命科学领域之后,又进入了物理系工作。刚进入物理系时,我遇到了一些令人吃惊的事情,让我记忆深刻。在和生物学家坐下来谈合作时,他们要做的第一件事是从头开始讨论(比如微生物)。然后,根据你提出的问题,他们再从较低的层次结构着手去寻找答案。这种习惯可能源于生态系统和生物普遍具有的无限复杂性。试图用构成生物的亚原子粒子来解释鼹鼠的生物学特征似乎是徒劳的。最好先从鼹鼠开始,然后再尝试在下一个层次上回答有关它的基本结构和各个部分的问题。生物学家自上而下工作的倾向是可以理解的。

但如果你喝杯茶,与物理学家开始讨论,你会经常发现相反的情况。他们的本能是从底部开始,试图为感兴趣的过程构建一个简单的模型,也许用方程式来表示。众所周知的“真空中的球形奶牛”就是这样出现的。这个习惯也是可以理解的。这个历史悠久的领域的目的就是研究我们周围世界的物理基础,并用数学关系表达这些特征,他们像盖房子一样,从基本原理开始构建知识大厦。

两种方法都没有错。实际上,这两种方法似乎都非常适合各自的学科。物理学家试图通过自下而上研究来获得确定性,在每个层次结构中,物质块的行为可以用方程式解释。而面对生物圈中非同寻常的多样性和复杂性,生物学家们则采用了自上而下的还原性方法,将研究对象分解为更容易理清的事物来寻求确定性。但是这两种方法的研究对象好像成了两类截然不同的物质。这两个领域似乎很对立。为了更好地理解这些看似截然不同的文化是如何出现的,我们应该简要地探讨一下两组科学家共同努力研究的物质。

如果在物质层次结构的底部搜寻,则其物理性质可能变得难以辨认。正如海森堡揭示的那样,微小的东西是很难捉摸的。想测量亚原子粒子的位置,你就不知道它的动量是多少。想测量其动量,其位置又不明确了。海森堡不确定原理是粒子的基本属性,是微观量子世界的表现。物质的粒子,特别是亚原子粒子,不是固定存在于一个特定位置的离散实体(例如桌子或椅子)。相反,在无限的小尺度上,它们像光一样具有波的属性,这些属性使它们所在的位置是一种概率,而不是确切的值。[9]量子世界还有其他奇怪的特性,以我们通常的经验看似乎是异样和陌生的。

但是在大尺度(比如你我熟悉的宇宙尺度)上,许多不同粒子(例如气体的原子)的变化互相抵消,达到平衡,我们确实可以了解一些关于物体的知识。在更大的视角下,粒子绝对数量的不确定性消失了。我们可以写下一些简单的方程式,例如理想气体定律,通过它预测气体的压力、体积和温度之间的关系:[10]

PV=nRT

其中气体的压力(P)和体积(V)与气体的摩尔数(n)、温度(T)和理想气体常数(R)有关。

无论气体中的单个原子以怎样不确定的方式运动,该方程式都具有一定的确定性。物理学在最小尺度上有不可捉摸之处,但是当我们在更高的层次上观察事物时,不确定性就不那么明显了。这就是为什么物理学家(除了那些研究量子世界的人之外)经常试图通过将层次结构上移来描述现象,在更高的层次上,一个方程式就可以概括物质的一般行为。

现在,我们将这种方法与生物学家对生物的研究方式进行比较。在小尺度上,生物的结构似乎比我们在大尺度上观察到的生物圈要简单得多。细胞机器中充满了可预测性:分子根据热力学原理折叠,遗传密码中的碱基对受到简单的化学驱动以可预测的方式相结合,古老的能量通路也可以通过热力学来解释。[11]与整个生物世界中的多样性和无穷无尽的形式相比,微观过程的不确定性少得多,而且更加可控。在更大的尺度上,生物学似乎是不可预测的。大量演化产物构成了生物圈,无穷无尽的变化使观察者眼花缭乱,它们都是由演化过程中的不同历史和偶然细节造成的。

考虑到这一点,生物学家通过降低观测的层次结构,使所涉及的原理更加易于处理,来避免信息泛滥,就可以理解了。我们可以合理地得出结论,生物学在小尺度上是可以预测的,但在大尺度上却变得古怪而不可预测。相比之下,物理学在小尺度上是难以捉摸的,但是当海森堡的不确定性和量子行为的奇异性不再显现时,在宏观尺度上物理学是可以预测的。生物学与物理学是截然相反的。

尽管这种观点很有道理,但对我而言,还有一个同样令人信服的角度,就是强调两个领域的统一以及研究对象的物质相似性。

在小尺度上,生物学与物理学一样,实际上也有不确定性。尽管遗传密码和由其翻译产生的蛋白质是可以预测的,不会有很大的偶然性,但是在一个重要方面,生物学在小尺度上也有难以捉摸的地方。遗传密码忠实地从一代复制给下一代,但也有可能会发生变化,也就是突变。

这些变化的来源之一就是电离辐射,包括自然背景辐射。太阳发出的紫外线也会破坏DNA。它赋予遗传物质的能量让腺嘌呤碱基两两结合在一起形成“双胞胎”,被称为嘧啶二聚体。当基因复制机器遇到这些卡在一起的碱基时,它会误读并在下一代中引入错误。

化学物质也会破坏DNA,比如香烟中的致癌物就会引起突变。令人惊讶的是,DNA中的突变并不需要辐射或恶性化学作用,它们可以自然发生。某些碱基(腺嘌呤和鸟嘌呤)可能会分解,比如从双螺旋中掉出来。[12]在复制时,遗传密码中的这些“洞”会让新的DNA链出错。

以上事实都告诉我们,与所有机器一样,DNA并不是完美的。暴露在各种各样的环境中、自然化学过程、不完美的复制等因素都将导致遗传密码出现错误。由于我们无法准确预测密码中发生突变的位置(尽管我们可以确定某些分子对不同类型损伤的易感性),因此在原子和分子水平上,不可能预测出密码如何随时间变化。大多数这些不确定性与我在量子世界中谈到的不确定性并不完全相同。它们相当反复无常,产生于不完美的基因机器,且会受到环境里的化学品、辐射或自身固有弱点的意外干扰。

但是,物理学家和生物学家所熟悉的不确定性有时很可能是一回事,这也是两个领域的交集。瑞典科学家佩尔–奥洛夫·勒夫丁(PerOlov Löwdin)提出,DNA的某些突变可能是由量子效应引起的。[13]

DNA链上的一个碱基上的氢(质子)和另一条DNA链上相邻的氧或氮原子结合形成了双螺旋结构。这些氢键将两条双螺旋的DNA链连接在一起。当细胞在分裂过程中要复制DNA或翻译成蛋白质时,上述氢键就会断裂,让DNA解旋。

在这个时候,参与氢键的质子可以交换结合的对象,例如腺嘌呤上的质子会跃迁到DNA的另一条链上,成为胸腺嘧啶的一部分。[14]这种质子交换会带来很大的麻烦,因为随着质子转移到新的分子上,DNA复制机制可能会变得混乱。当它遇到经过修饰的腺嘌呤时,它可能会错误地与胞嘧啶结合,而没有与新合成的DNA链中的胸腺嘧啶配对。于是,突变就这样形成了,密码也出现了错误。

勒夫丁的理论最有趣的部分是这种情况发生的机制。在DNA双螺旋中,要使质子从一个碱基跃迁到另一个碱基上绝非易事。就像你开车翻过一座小山去往超市一样,你需要投入一些能量。你需要踩油门才能将汽车开到山的另一边。在化学上也是如此。质子必须越过一个“山丘”,而这个山丘代表了发生化学变化所需要的能量。所以质子需要一些能量。但是,想象一下,有一个慷慨的邻居在小山里修建了一条隧道。现在,你可以方便地开车穿过隧道到达另一侧,而无须使用燃料越过山坡。

在亚原子粒子所处的奇异量子世界中,恰好会出现这种量子捷径。跳跃的质子可以通过量子隧穿的方式从一个碱基穿越到另一个碱基,不必消耗能量翻过山坡。勒夫丁理论认为,量子效应可能是某些突变的核心。物理学家为这个想法设计了各种模型,但目前它也只是个奇特的想法而已。即使确实发生了量子隧穿,也不一定代表这种情况会普遍发生,或者它起到了重要影响,但我之所以提出这个问题,是因为它表明在小尺度上,生物学和物理学中的某些不确定性可能来自共同的量子源头。[15]确实,整个量子生物学领域都建立在对物理不确定性的研究基础上,这些不确定性普遍存在于所有物质的最小成分的行为中,无论这些物质是气体还是鹅。

就像物理学中的情况一样,当我们把画面拉远,让所有无法预测的突变缩小到不可见的程度时,情况就不同了,我们也可以在更高层次上找到共同的主题。在大尺度上,那些反复无常的突变都可以相互抵消,例如气体容器中原子的无数可能位置和运动。我们最终得到了一个符合大尺度定律的生物,无论在原子或分子水平上发生了什么。一只鼹鼠符合P=F/A这个公式,它那圆筒形的身体和尖尖的脸型有利于它打洞和挖土,从而导致了整个种群的趋同演化。不管在不同鼹鼠的遗传密码上发生了多少无法预测的突变,除非这些变化是致命的,否则它们不会改变大尺度的鼹鼠必须适应与地下生活方式有关的定律的这一事实。

演化生物学和物理学研究的物质在原子尺度上都具有不确定性,而在更大的尺度上这个问题就消失了,物质系统形成了完全可以预测的形式。因此,这两个领域是统一的。

但是,我必须承认,在生物学与物理学之间,即生物与无生命物质之间确实存在区别。生命与非生命之间的一个关键差异,就在于原子和分子尺度上的所有不确定性如何在更大尺度上改变着事物。雅克·莫诺(Jacques Monod)意味深长地指出,在小尺度上,大多数物质的变化往往最终导致恶化和破坏。[16]晶体中的小缺陷可能导致晶体碎裂。金属中的原子位移可能带来弱点,最终导致结构破坏,桥梁建造者对此最了解不过了。[17]晶体会产生缺陷,但有一个问题是:它们通常没法将这种缺陷可靠地传递到下一代的晶体中。[18]如果我们发现了这类方法,我们或许就能知道,在某些情况下,晶体可能如何不断“繁殖”,从而比没有缺陷的晶体保存得更久。因为无生命的物体无法复制,所以我们无法将小片晶体分散到具有不同物理和化学条件的大环境中,去研究缺陷在哪些地方提供了演化优势,并被传递给下一代的晶体,而其他晶体则灰飞烟灭。

然而对于生命来说,DNA中分子水平的那些小突变是其多样性的来源。调皮捣蛋的高能粒子四处游窜,引起了DNA中碱基对的偶然转变,遗传密码的变异就产生了。生命中的密码似乎赋予了它不变的目标:“生命总能找到出路。”但是,这种目标感是一种错觉。生命之所以能够延续,是因为每一代中的密码差异都会产生拥有不一样特质的个体。生命拥有如此多的变体,其中的某些变体可能会在环境中成功生存,使用现有资源尽可能地复制并扩张自己的地盘,而在其他地方,某些变体可能灭亡。这种选择过程给人一种错觉,似乎生命是有特别目的或者不屈不挠的,它的这种决心驱动着它生生不息。生命的这种特性,即从其密码中表现出来的行为,确实赋予了它特殊的功能,但这种特征不能把生命与物理学完全分开。这种特征反倒表明,生命是物理过程(一个编码的过程)的特定体现。

人们习惯于用某种神秘的事物填满生命与非生命之间的鸿沟。在我们探索宇宙其他地方的生命行为的过程中,也许有些人看到了重新抓住古老活力论的机会。有些人可能希望逃避令人讨厌的结论,即生命只是有机化学的一个有趣分支,它是一系列特殊但令人着迷的物理学原理,并通过特殊的分子集合表达出来。可惜,对于那些相信生命与非生命之间存在某种鸿沟的人来说,事实并不如他们所料,生物学与物理学之间的差别并不惊人。

我们在生物学和物理学中能做的最好的事情之一(实际上,这正是本书的目的),就是从蚁巢的社会生物学研究延伸到构成生命的原子研究。可以肯定地说,每个层级的研究都是由不同的人所做的(仔细阅读本书后面的引文,你就会发现这一点)。但是,如果你查阅这些文献,就会发现有一个共同的主题贯穿其中。许多研究组的研究课题似乎都殊途同归,回到相同的目的。看看生命对氨基酸的选择,你就会发现其选择根植于这些分子的物理特性。观察蛋白质的折叠,你会发现无数条氨基酸链其实只能折叠成几种形式。研究生命的结构,你也会发现细胞是普遍出现的。纵览动植物的形态,你将发现它们的形态被一些简单的关系像铆钉一样限制着。我们惊叹于鸟类、蚂蚁和鱼类之间的秩序,而在它们令人迷惑的群落中,简单的规则正在起作用。从生命中最微小的部分到整个种群,物理学原理支配着生命,并限制了生命的可能性。在过去的几十年中,生物学家和物理学家的研究领域发生了交汇,这帮助生物学取得了胜利,减少了其巨大的复杂性和表面上难以理解的多样性,也使生物变得简单多了。

这些科学家小组就像在高层建筑不同楼层上工作的许多实验室一样,各自占据并研究着不同层次的生命结构,却似乎得出了相同的结论。生命受到一些规则的限制,这些规则极其狭窄,甚至到了令人震惊的程度。随着我们对这些规则如何控制生物系统的了解越来越深入,至少在总体上,我们可能可以预测生命的支柱和大梁(虽然可能无法深入细节)。合成生物学家已经迎来了一丝曙光,他们利用自己设计的遗传密码来预测新生命形式能否存在,甚至还开始创造新形式。

如果生物学和物理学这样被统一为一门学科,那么在生命演化史上是否还存在偶然事件的空间,使之前的生命形态产生不可预知的飞跃,进入了生物学的新领域?尽管我认为这些机会相当有限,但其他人也有截然不同的看法。

斯蒂芬·杰伊·古尔德(Stephen Jay Gould)就非常支持这种偶然性,他认为至少在整个有机体的尺度上是这样。[19]对他来说,偶然性就是演化的一切。他承认物理学的基本定律在背后起了作用,但也坚信演化中一切有趣的事物最终都是偶然事件的结果,比如特定动物的体型改变、哺乳动物的崛起或智能的出现。[20]如果换一种情况,这一切可能都不会发生。他的观点来自他对伯吉斯页岩的研究,这片5.08亿年前的化石矿床埋藏在加拿大落基山脉的山坡上。他在《奇妙的生命》(Wonderful Life)一书中详细阐述了这种观点。[21]在这些页岩中,有一些最早的动物的印记,是保存最完好的多细胞复杂生命的早期演化实验之一。这些化石在全球各地的类似结构中反复出现,它们见证了在30多亿年的微生物演化之后发生的生命大爆发。这些动物的分节、腿、触角和附属肢体产生了某些奇怪的排列,似乎暗示了生物学上的偶然性。古尔德认为,从这些陌生的生命形式来看,人类能够生存在地球上是一个偶然事件的结果,就像抛硬币那样。

我毫不怀疑,对于任何花时间分析这些化石的精细解剖细节的科学家来说,这些丰富多彩的样本(这儿有一个分叉的触手,那里有一个奇怪的分节,那边还有一条腿)让人非常吃惊,这是演化中偶然性的一个例子。作为一个局外人,我虽然没有研究过无脊椎动物的复杂性并被它们迷住,但是确实在图书馆里花了4天的时间仔细研究了伯吉斯页岩的复原物,而让我震惊的不是生命发展的无限潜力,而是那种非凡的相似性。在历史上的那一刻,的确存在无数的可能性。这些新奇的动物可以探索和利用的可能性像海洋一样广阔。但是在形式上,它们却有着乏味的相似性。大多数动物像你和我一样,都是两侧对称的。大多数动物的前部都有嘴巴,后部有肛门。[22]这些动物都有自己独有的特征细节和怪异的扭曲形状,但它们之间也有着很多相似之处。它们似乎证明,尽管演化实验拼命试图挣脱束缚,但是当面对流体力学、扩散定律和其他一些物理定律时,它最终却变得如此缺乏想象力。偶然性肯定存在,但并没有到令人震惊的程度。[23]在这个生物大爆发的时刻,伯吉斯页岩中化石的相似性比任何新奇的生命形式都更惊人。的确,自古尔德充分肯定“偶然性”的作用以来,科学家们已经认识到,许多(甚至可能是全部)伯吉斯页岩动物都与现代动物群有关。[24]

我们必须谨慎地描述两件事。生物体的细节中有偶然性:包裹细胞的膜的数量,飞虫翅膀上的图案,恐龙下颌的曲线。如果某些演化特征没有在到达生育年龄之前固定下来,那么一些个体上就会呈现偶然特征。[25]这一事实导致地球上生命彼此之间存在巨大的差异。

对于那些喜欢细节、多样性和生命色彩的人,我承认偶然性就是一切。历史上的细微差别和先天的发育限制在很多细节特征上可能都无法预测演化的确切结果。[26]但是,从更深的生物学层面上,这些微不足道事物的背后,是限制生命的基本物理学原理:细胞膜、集中在动物翅膀下的空气动力、为了压碎食物而形成的下颌结构。

偶然性可能会在另一个领域发挥作用:在生命的主要演化变迁中,巨大的变化对地球上生命的能力产生了明显的影响。这些转变不仅体现在细节上,相反,它们塑造了生命这座大厦。

有些转变似乎是必然的。细胞结构的出现把生物化学过程包裹起来,然后把这些设备齐全的细胞释放到更广阔的世界里。没有这一步,生命将永远不会出现,只能停留在岩石或火山口热液中的几个局部自我复制的分子上。

即使我们可以证明有些转变是不可避免的,它们发生的时机可能也是不确定的。自从6 600万年前,一颗小行星给恐龙王朝带来致命的打击以来,哺乳动物一直在演变,从地鼠变成了能够建造射电望远镜的猿类。然而,在恐龙的时代,虽然恐龙统治了陆地、海洋和天空约1.65亿年,但它们仍然停留在爬行动物的状态中,没有发展出智力,更不用说太空计划了。退一步说,即使这些动物最终建立了恐龙空间机构,出现一些重大演化事件(也许是智力的出现)也可能是偶然的,这是正确的选择压力推动认知向前发展的结果。

在伯吉斯页岩的动物及其化石祖先中,古尔德看到了一个特殊时刻,偶然事件驱动了大规模的转变。他认为,这些新形式的动物,让第一批研究这些动物的古生物学家感到困惑,因为它们推迟了生物产生截然不同演化轨迹的可能性。时光倒流,让我们回到埃迪卡拉纪,这是一段以南澳大利亚一个风景如画的地点命名的地质时期。埃迪卡拉山保存着已知最早的动物遗骸。它们全都是软体动物,大多数都是扁平的叶状、垫状和薄饼状的动物。它们发生“寒武纪大爆炸”之前,保存在伯吉斯页岩中的多种生命形式就是寒武纪的。

为什么当时出现的都是扁平的动物?动物像细胞一样,依靠较大的表面积来吸收营养和食物,并交换气体。在人类中,这项壮举是通过内部器官完成的,肺和肠增加了有效表面积。一个人的肺及其复杂的细管网络覆盖面积约为75平方米。一个人的肠道(包括所有的盘绕和突起)吸收食物的面积达250平方米,大约相当于一个网球场。然而,在埃迪卡拉纪,面对相同的物理学定律,动物满足食物和气体扩散进出需要的方案却有所不同。这些生物采取了扁平化的形态,从而使动物的任何部位都不会远离表面。古尔德断言,如果这些埃迪卡拉纪的动物群占领了地球,战胜了通过扩大体型、利用内部器官将生命物质带入体内的解决方案,那么伯吉斯页岩中的动物帝国可能就会变成扁平化生命的舞会。演化过程到达岔路口时,动物有机会朝着不同的身体构造飞跃,一个偶然事件就可能导致一个截然不同的世界。

我们是否可以说,埃迪卡拉纪动物的形态将给动物的进一步演化带来厄运?会不会早晚有某种动物在体内发生内陷,从而获得摄取食物和收集氧气的能力?表面积增加会给这种形态的动物带来优势,是否会出现更复杂、更具竞争性的动物?[27]

这种猜测很有趣,但是我们没有机会重新进行实验了。历史中的偶然事件会不会永久改变生物形态,比如如果内部器官一直不出现,是否可能使整个生物圈永远变成一张张令人失望的“薄饼”,还是一个悬而未决的问题。[28]

演化发育生物学的科学本身,及其带来的对生命的层次模块性以及发育可以产生根本性变化方面的新发现表明,至少在整个生物体内,可以实现巨大的转变。鲸鱼的盆骨,是其勇敢地放弃陆地生活多年的实验结果并返回海洋的印记,也证明了生命具有非凡的能力,它们可以从海洋冲向陆地,然后又回到海底,利用并适应着生命的方程式。也许薄煎饼最终也会膨胀并突然出现脚。

在第一个自我复制分子和能建造航天器的文明之间,是否还有其他意外情况有能力阻止演化实验往越来越复杂的方向发展?就像鲸活动范围的反复无常一样,遗传密码和代谢途径显然是可变的。[29]越来越多的证据表明,生命的核心过程具有内在的灵活性,可以帮助其避免“冻结的意外”,探索新的可能性,在选择下进行优化和改进,即使发育不全的残余部分依然零星存在于各处。[30]但是,多细胞或复杂生命又是怎么出现的呢?[31]

我们或许可以证明,在生命的故事中存在这种偶然事件,一个或两个重大的转变很可能产生两种完全不同的生物圈,其中一个比另一个更复杂,而且对我而言,这是有趣的,甚至是惊人的时刻。但就算如此,它们也仅仅是偶发事件,是物理定律交响乐中供人消遣的一时半刻。它们的意义在于,如果这些偶然时刻存在,它们可以通过在两条演化路径之间做出选择来决定智慧生命在宇宙中的多寡,其中一条路径可以产生复杂的多细胞生命,最终演化出智慧生命,而另一条则不能。这些偶然性的时刻决定着生命能否超越其微生物起源,以及需要多长时间才能超越,这样的时刻可能很重要,尤其是对于生物圈中不同程度的复杂性及宇宙中相应的生命形式的分布而言,如果在别处存在生命的话。但是,这些替代世界实际上只吸引重视智力的有智慧的围观者,只有智慧生命才会认为这些差异很重要。

我们同样可以观察偶然事件改变了生物圈复杂性,甚至包括它们拥有的智慧生命的现象,就像蝴蝶翅膀的拍动引起了风暴一样。地球上以及其他地方的生命存在无数种可能性,它们代表着宏伟的演化实验,即生命现象。根据我们在本书中介绍的思想,这一系列非同寻常的生命现象不是偶然的。相反,令我们惊叹的是,在我们的地球——已知宇宙里如此微小的一个“气泡”中,物理和化学条件将多种多样的可能性限制到了如此的程度。

欣赏生命的细节令人陶醉,也令人愉悦,但只有理解了生命通道有多狭窄,才能解答无数关于生命的疑问。碳基化学和使用水作为溶剂是不是生物的唯一选择?是什么使新陈代谢途径和遗传密码成为现在这样,它们可能会有所不同吗?为什么细胞成为现在的样子?生命如何适应新的环境,受到了什么限制?为什么动物会变成现在的样子而不是其他样子,例如长出腿而不是轮子?物理极限如何塑造生物圈自身极端的边界?在地球以外,其他生命(如果存在)的外观会类似于地球生命吗?这些问题是无穷无尽的。

在这一系列问题中隐含着的意思是,偶然性是否可以发挥作用。尽管我们不能轻易重复演化并观察偶然性的作用,但我们可以使用科学的观察和实验研究影响生命的因素。[32]今天,我们甚至可以修改遗传密码,并探索其替代方法。也许有一天,在探索遥远的世界时,我们将进行另一项全新的演化实验,获得关于生物学普遍性的更有力的结果。生命的可预测性——它的共同特征、局限性和界限会使我们着迷。

一些研究试图更好地确定物理学对生命的限制程度,及偶然性在其中发挥了怎样的作用,这些研究不仅停留在生命的特定部分,而是贯穿了生命的整个层次结构。这些研究在加强生物学与物理学之间的融合方面具有巨大的潜力。我们可以研究,当信息通过遗传密码被传递到整个有机体(在层级结构中向上流动)时,起作用的物理学原理什么。通过更深入地研究环境因素在层级结构中自上而下施加影响所借助的物理学原理,尤其是对生物体的选择压力以及随之而来的子孙后代遗传密码的改变,我们可以更深入地描述演化。[33]

生物学的不同层次之间不需要有什么联系。我们需要定义在给定尺度上作用于生命的物理学原理,而不受其他尺度属性的影响,以便更精确地预测生命。例如,通过对整个生物体进行自然选择,流体动力学作用产生了海豚梭形、光滑的身体。[34]这些选择压力最终通过细胞水平自上向下组装而起作用,但宏观物理学过程与微观细胞机制是相互独立的。同样,一种虚构的外星鼹鼠样生物也可以挖洞,与我们都熟悉的鼹鼠相似,即使这种假想的动物是由硅基化学物质组装而成的。一个尺度上的偶然事件和必然性与另一个尺度上的是分开的。这种理解可能会大大简化我们预测的过程,或至少确定哪些物理学原理在生物的不同部位起作用。[35]

通过用方程式表达生命中的物理学原理,我们拥有了惊人的能力,能更确定地预测演化产生的结构和结果。随着我们努力将这一活动扩展到更大范围的生物过程中,自我复制、不断演化的物质系统本质的物理轮廓也将变得更加清晰,更易于建模和研究。

对物理学原理的迷恋并不是平淡无奇的还原论。在关于趋同演化的开创性著作的最后一章中,西蒙·康韦–莫里斯(Simon ConwayMorris)感叹,那些不断试图将生物学的复杂结构简化为遗传决定论的思想才是“沉闷的还原论”。[36]

但还原论不一定都是沉闷的。[37]在物理学中,简单就是美。在生命形式里呈现的物理方程式中,难道就没有令人惊叹的优雅甚至魅力?P=F/A是一个呆板但基本的方程式,它反映在鼹鼠抽搐的鼻子和匆忙挖出的土上,而冷冰冰、生硬的浮力的概念,则通过B=ρVg生动鲜活起来,它让鱼有细长形状,能够在水中自由活动。

我们周围的生物圈拥有无限而美妙的细节,但其形式却是最为简单的。我们没有看到可怕的三足动物和五足动物的怪兽,它们有怪异的不规则的形状,轮廓混乱而令人震惊,这是一个可怕的演化实验,偶然性太多了。相反,我们的生物圈是一个对称的生物圈,具有可预测的规模和令人愉悦的比例,这种形式和构造上的模式从生化体系的核心一直延伸到蚂蚁和鸟类的种群中。这是物理学与生命永恒不变的结合。

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