新研究發現“缺失的自然法則”

150多年前，人類就開始提出描述和解釋自然界中常見現象的宏觀自然法則，而最新發表的一篇論文提出了一種新的宏觀自然法則——進化是自然世界復雜系統的共同特征。

　　進化無處不在？宇宙越來越復雜？

　　北京時間10月17日凌晨3時許，國際學術期刊《美國國家科學院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）在線發表一篇論文，稱發現了“缺失的自然法則”，首次認識到自然世界運作中的一個重要規范——“功能信息增加定律”（Law of Increasing Functional Information）。

　　只有生命會進化？

　　“查爾斯·達爾文雄辯地闡明了植物和動物通過自然選擇進化的方式，”前述研究的領導者、卡耐基科學研究所地球物理實驗室的高級科學家羅伯特·M·哈森(Robert M. Hazen)說，“我們認為，達爾文理論只是一個更大的自然現象中一個非常特殊、非常重要的例子。功能選擇驅動進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。”

　　前述論文的第一作者、卡耐基科學研究所的天體生物學家（研究生命起源與演化等問題，在宇宙空間尋找生命痕跡的科學家）和行星科學家邁克爾·黃（Michael L. Wong）博士說：“在這篇新論文中，我們從最廣泛的意義上考慮進化論……包括基于‘改良后裔’的達爾文進化論。”“宇宙會產生原子、分子、細胞等的新穎組合。那些穩定且可以繼續產生更多新奇事物的組合將繼續進化。這就是生命成為進化的最引人注目的例子的原因。但進化無處不在。”

　　該論文的9位作者分別來自美國卡耐基科學研究所、加州理工學院和康奈爾大學等機構，其中包括科學哲學家、天體生物學家、數據科學家、礦物學家和理論物理學家。

　　研究人員認為，無論系統是有生命的還是無生命的，一種新穎的配置如果運行良好，并且功能得到改進時，進化就發生了。復雜的自然系統會演變成更加模式化、多樣性和復雜性的狀態。

　　換句話說，進化不僅限于地球上的生命，它也發生在從行星和恒星到原子、礦物等等其他大規模復雜的系統中。“功能信息增加定律”指出，如果一個系統的許多不同配置經歷了一種或多種功能的選擇，那么系統就會進化，系統的功能信息就會增加。

　　生命的進化史充滿了新奇之處：當單細胞“學會”利用光能時，光合作用“進化”了。當細胞與細胞學會“合作”時，多細胞生命“進化”了。而物種的進化得益于游泳、行走、飛行和思考等許多有利的新行為。

　　同樣的演變也發生在礦物王國中。最早的礦物代表了特別穩定的原子排列。這些原始礦物為下一代礦物奠定了基礎，同時也參與了生命的起源。生命的進化和礦物是交織在一起的，因為生命利用礦物質來制造貝殼、牙齒和骨骼。

　　菊石。隨著地球的形成，新的地質過程催生了1500多種新礦物。光合作用開始，鐵與含氧礦物質的相互作用改變了古代生命。生物多樣性導致礦物多樣性，反之亦然。

　　事實上，地球上的礦物在太陽系誕生之初只有大約20種，但由于45億年來復雜的物理、化學以及最終的生物過程，如今已知的礦物數量已接近6000種。

　　前述最新發表的論文稱，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。最早的恒星使用氫和氦來制造大約20種較重的化學元素。下一代恒星以前述多樣性為基礎，產生了近100種以上的元素。

　　宏觀自然法則

　　宏觀自然法則被用于描述和解釋自然界中常見的現象。比如，與力和運動、重力、電磁力和能量相關的自然法則早在150多年前就已被描述。而前述最新發表的論文提出了一種現代補充——進化是自然世界復雜系統的共同特征。而研究團隊認為，其特征包括：

　　它們由許多不同的成分組成，例如原子、分子或細胞，可以反復排列和重新排列；

　　受到自然過程的影響，導致形成無數不同的排列；

　　所有這些配置中只有一小部分能夠在被稱為“功能選擇”的過程中“幸存”下來。

　　黃博士表示，這個新提出來的自然法則的一個重要組成部分是“功能選擇”的想法。

　　就生物學而言，達爾文將“功能”主要等同于“生存”——活得足夠長，以產生可育后代的能力。

　　最新發表的研究擴展了達爾文的前述觀點，指出自然界中至少存在三種“功能”：最基本的功能是穩定性——選擇原子或分子的穩定排列；同樣能持續存在的是具有持續能源供應的動態系統；第三個，也是最有趣的功能是“新穎性”——進化中的系統有探索新結構的趨勢，這有時會導致驚人的新行為或新特征。

　　而前述“靜態持久性”、“動態持久性”和“新穎性的產生”，是“功能選擇”的基本來源。前述論文還提出了一個時間不對稱定律，即當系統的功能信息受到功能選擇時，其功能信息將隨著時間的推移而增加。

　　前述最新發表的理論被認為是補充了熱力學第二定律——孤立系統的熵（無序）隨著時間的推移而增加（熱量總是從較熱的物體流向較冷的物體）。

　　此外，前述論文提出了許多新想法，比如，如果生命與非生命存在與“功能選擇”有關的分界線，我們能否確定“生命規則”，從而在天體生物學的研究中區分生物分界線？這或將幫助人類尋找地外生命。