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演化有方向性吗?Comments>>

发表于 2018-02-22 07:01 | Tags 标签:, , ,

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答案几乎肯定会让你失望:既不是“有”,也不是“没有”。

当然,我们很容易说演化没有某些具体的方向,比如没有“进步”和“倒退”——因为进和退根本就没有良好定义,总不能说通向人类就是进步、远离人类就是倒退;也没有明显的“变大”和“变小”——大象远小于恐龙,可蓝鲸就是地球历史上最大的生物。

但不限定具体方向的话,谈论这个问题就很难了。因为演化作为一个历史事件实在太漫长,在不同的时间尺度上,会表现出不同的行为。

譬如说,你每天的移动有方向吗?假设只看工作日早晨八点钟,那么你可能正在高速前往公司,方向正西;但晚上六点钟,则可能反过来高速前往家里。一天平均下来,虽然发生了移动,但并没有方向。

现在说的不是你一个人,而是这个星球38亿年来每一个曾经生活过的生命;讨论的也不是一目了然的物理移动,而是从发育构架到内脏到外貌的全方位指标。可以想象这个问题有多难。

虽然难,但也可以拆分成几个不那么难的问题来说。这里,我会按照时间来划分。

1微秒:没有,因为没动

在1微秒的时间尺度上,演化当然没方向,因为这么短的时间里它基本上就是静止的。

再长一些呢?

1分钟:没有,因为突变随机

这时候演化就不是静止了,但依然没有方向,因为突变是“随机”的,意外也是随机的。

这里的随机不是平时说的数学随机概念,而是说,“遗传物质发生了什么变化,和这个变化身处什么环境里、能产生什么效果,二者没有联系。”

在19世纪初,几乎所有人都认为遗传作用的方式就是“用进废退”:哪个器官用的多,它在后代里也就长得好。虽然今天我们会把它称之为拉马克主义,但拉马克没有发明用进废退的想法,只是他先用这个想法来解释演化而已。而今天的科学已经否认了这个观点:无论是外界环境还是生物体的使用,都不能指定遗传物质要怎么变。在这个时间尺度上,自然选择没有发挥作用, 所以演化还是没有方向的。(对,哪怕是表观遗传学也没有推翻这个观点,但这件事情又很复杂,此处暂时没法讨论……)

除了突变之外,还有各种各样意外的环境事故可以死人,从而改变一个物种的遗传构成。但在短时间尺度上,这些事故也是随机的。

要是再长一些呢?

1000年:有,取决于环境

等到自然选择能发挥作用的时候,情况就发生了变化。和随机的突变不同,自然选择是有方向的。

但是这个方向并不是更高更快更强,而是朝着“更适应环境”的方向走。它和我们平常理解的方向概念就有微妙的差异。

自然界和人类社会一样,做任何事情都需要成本——只不过这个成本不是钱,而是能量、营养物质和时间之类。如果变高的收益抵不过成本,那生物就会变矮。如果变聪明消耗的能量太多,那生物就会变笨。哪怕同一个环境下,不同生物也会有不同的收支状况,并产生不同的改变。但至少,理论上我们只要知道一个环境的面貌,知道一个生物此刻的状态,就能大致预测它短期内会往哪个方向变化;而现实中,这种预测也有很多成功的案例。演化生物学能够做出预测并接受事实检验,所以它确实是科学。

需要说的是1000年这个时间是很约略的说法,因为不同生物的一代时间相差很大,细菌理想情况只要20分钟,而人类需要20年。(所以细菌抗药性是个很严重的问题,细菌演化比我们快得多——人还没过完半辈子,细菌已经可以从十分敏感演化到刀枪不入了。)曾经有一个广为流传的旧观点说演化速度很慢,万年才能看到;这个观点并不对。演化的速度取决于一代有多长、环境压力有多大。假如你给细菌99.9%的选择压,那一天就能看到明显演化;给麻雀5%的选择压,四五年能看到可测量的演化;而如果给人类0.0001%的选择压,那当然就几百年也看不出大差别了。毕竟,我们和最初的农业定居人类距离不过五百代,这对细菌而言只是一个星期的事儿。

另外值得一提的是,单凭环境不足以决定生物的面貌,必须考虑现有生命的历史和现状,稍长期一点的话还得考虑偶然性。很多人都注意到了“趋同演化”现象——比如澳洲的有袋类和其他大陆哺乳类各自演化出了一批相似的物种,所以有人用这个论证演化是有方向性的,数学家西蒙·康威·莫里斯就据此认为地球上必然诞生智慧生命。但现实中,没有被占的坑恐怕比被占的坑更多。新大陆的猴子有抓握尾,旧大陆却没有;澳洲有袋狼袋獾,可是没有袋蝙蝠、袋长颈鹿、袋大象和袋灵长类。趋同演化是个十分有趣的现象,但远远谈不上普遍规律,自然也无力规定整个演化的方向性。

演化的另一个例子,图片来自pixabay

演化的另一个例子,图片来自pixabay

(也因此, “演化的方向就是适应”这样的说法并不合适, 脱离具体环境和物种谈适应是没意义的。)

但再长一些呢?

100万年:好像没有,因为环境会变

环境是自然选择的标杆,环境变了演化方向也得变。1代的尺度上我们通常还不用考虑环境改变(人类除外,人类改变环境的能力太奇葩),100万年就不行了。

而在这个尺度上,环境的变化十分麻烦。

一方面,环境变化有一定周期性。冰川期就是一个典型例子:过去100万年里,地球正处在大概10万年遭遇一次冰期的循环状态中,上一次在1万多年前结束, 下一次可能会在约5万年后到来。

决定这个循环的主要因素似乎是地球轨道。地球绕太阳运行虽说一年一圈,但其实每圈并非一成不变,轨道偏心率、轨道倾角、地轴倾角等等会发生微小的变化,而这个变化也是有周期的,通常在几万年左右。所以,1万年前也许生物在变得适应温暖环境,但5万年后又要开始适应寒冷环境,几个周期下来,就谈不上有什么方向了。

另一方面,百万年时间尺度,也是地球级灾难开始登场的尺度。比如,3200立方千米岩浆级别的超级火山差不多就100万年一次。这种灾难给环境带来影响太偶然了,实在难以预测。

无论是周期性也好,还是偶然性也好,都谈不上有什么方向。虽然自然选择还在发挥作用,但它的目标不停地变,导致生物演化也失去了明显的方向。

图片来自pixabay

图片来自pixabay

如果再长一些呢?

10亿年:不知道

这可能是宏演化领域最坑人的一个问题了。

如果回顾一下过去10亿年地球的生命历史,几乎所有人都会产生这样的印象:生命在从简单变复杂。毕竟10亿年前只有极为简单的多细胞动物,而5亿年就有了寒武纪大爆发,4亿年动物登陆,2亿年恐龙诞生,5000万年哺乳动物称霸,20万年有了智人。这么显而易见的趋势,难道不是方向性?

不是。因为从古至今,地球上压倒性多数的生物始终是各色各样的细菌啊。

好吧,就算只有一小撮在变得更复杂,但我们至少可以说生命的复杂性上限在增加,这至少也可以算方向性吧?

不一定。因为没有方向没有偏好的随机事件,也可以产生“看起来”的方向性。

古尔德举过一个著名的例子。夜晚的大街上走着一个醉鬼,街的左边是一堵墙,右边是一道水沟。醉鬼烂醉如泥,他的走路方向完全是随机的,没有任何趋势。第二天人们会在哪里找到他? 水沟里。他会掉进水沟,并不是因为他有喜欢水沟的趋势,而是因为墙挡住了他的路,不能再往左边走了。如果没有水沟,那么这个夜晚越是漫长,醉鬼和墙的平均距离就越远;而不管水沟离墙有多远,只要让醉鬼一直这么走下去,他最后掉进水沟的概率一定是1。

而如果去掉水沟,任凭一大群醉鬼随便漫游,我们会发现他们的轨迹铺满了一大片区域——有的醉鬼离墙近,有的离墙远。一开始所有醉鬼离墙都很近,最后有些醉鬼走到了很远的地方。夜晚越是漫长,走得最远的那批醉鬼,和墙的距离就越远。而我们人类,暂时就是走得最远的醉鬼之一。

当然也可能是醉鬼其实稍微有一点讨厌墙,每往左边走一百步就往右边走一百零一步,这是肉眼无法分辨的,需要统计学——但我们的数据不够。因此,我们只能说“不知道”。

还要再长一些呢?

100亿年:有,我们要么飞向群星,要么都死了

这一条反而是最简单的,因为太阳作为主序星的寿命只剩下50亿年。那之后,太阳会先变成红巨星,亮度急剧增加,吃掉水星和金星,然后要么把地球烤熟、要么直接吞掉烧化。然后,太阳会变成白矮星,地球(如果还存在)陷入冰冷长夜。应该没有什么生命能扛过这一劫,除非它掌握了先进技术文明。

再长的话……那就不是生物演化的问题了。

图片来自NASA

图片来自NASA

 


 

历史上Evolution一词在文化界长期和进步的概念联系在一起,导致它在中国被翻译成了“进化”。但达尔文曾经在笔记上写过“千万别说什么最高级、最低级”,今天的生物学家也已经基本达成共识:生命历史没有那么显而易见的方向性,无法用进退来概括。在这个意义上,“演化”是比“进化”更好的用词。

但是,没有简单进退,并不等于没有任何方向。它的方向问题是一个庞然大坑,无法给出“是”或者“不是”这样简单漂亮的回答。很遗憾的是,在生物界,几乎所有的大问题都是这个面貌。毕竟,和永恒不易的物理定律不同,生命是历史的产物,而历史必定是复杂的——有了人的参与之后,就更加如此了。

(编辑:moogee)

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4 Responses to “演化有方向性吗?”

  1. zizi说道:

    发人深省。

  2. 匿名说道:

    现在考察的不是随机过程,而是结果。有了水沟,事件发展当然有方向了。

  3. 匿名说道:

    可以设计一个震荡盘:1个盘是平坦的,1个盘有随机深浅的坑,1个盘离中心越远的坑越深。
    在盘的圆心放一把豆子,震荡起来,最后看看3个盘的豆子的分布情况。

  4. 匿名说道:

    我认为是有方向 所以我偏向进化 但它不包含进步的意思

    首先人类是没有方向的反例 因为人类拥有最顶端的优势 有传续生命的欲望 并且有极强的创造力

    对比一下这个死寂一片的宇宙 联系起人类的活力 想起什么了吗? 方向就是把活力传遍这个宇宙

    宏观10亿年是个佐证 从无机到有机到极度有机 到人类 到宇宙的探索 不管是生物的复杂性 还是数字化的出现 都隐约指向同一个方向!

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