【今日视点】

    ◎本报记者 张梦然

    一篇描述“缺失的自然法则”的论文，带领人们首次认识到自然世界运作中的一个重要法则。

    从本质上讲，新法则指出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，它也发生在其他大规模复杂的系统中，从行星和恒星到原子、矿物等等。

    这篇论文发表于最新一期《美国国家科学院院刊》，由包括来自卡内基科学研究所、加州理工学院、康奈尔大学和科罗拉多大学的顶尖科学家撰写。合著者代表了独特的多学科结构：三位科学哲学家、两位天体生物学家、一位数据科学家、一位矿物学家和一位理论物理学家。

    需要什么契机，系统才会进化

    人们熟悉的宏观自然法则，描述和解释了自然界中日常经历的现象。像力和运动、重力、电磁力、能量相关的自然法则，早在150多年前就已被描述。

    新研究则对其进行了补充，它承认进化是自然世界复杂系统的共同特征的宏观法则，其特征如下：它们由许多不同的成分组成，例如原子、分子或细胞，可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在“功能选择”的过程中幸存下来。

    但无论系统是有生命的还是无生命的，当一种新颖的配置运行良好并且功能得到改进时，就会发生进化。

    论文提出的“功能信息增加定律”指出，如果系统的许多不同配置经历了一种或多种功能的选择，系统就会进化。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。

    这项新研究扩展了这一观点，并指出自然界中至少存在3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来延续；同样还有选择持续存在的、具有持续能源供应的动态性；而最有趣的功能是“新颖性”，不断发展的、探索新配置的趋势，有时会导致令人惊讶的新行为或特征。

    天上地下，同样神奇

    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；当细胞学会合作时，多细胞生命进化了；物种进化正是得益于游泳、行走、飞行和思考等有利的新行为。

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

    事实上，由于45亿年来更加复杂的物理、化学和最终的生物过程，地球上的矿物由太阳系诞生之初的只有约20种，发展到如今已知矿物数量接近6000种。

    除了脚下的矿物，还有天上的繁星。论文指出，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。那些最早的恒星使用氢和氦来制造大约20种较重的化学元素。下一代恒星以这种多样性为基础，产生了100种以上的元素。

    研究人员表示，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，个体具有许多变异和特征以及许多不同的配置。但达尔文理论只是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。

    新论文从最广泛的意义上考虑进化论。这也意味着，宇宙会用原子、分子、细胞等产生新颖组合，那些稳定且可继续产生更多新奇事物的组合也将继续进化。

    总而言之，进化无处不在。

    进化，不是生物学所特有的

    这一新研究通过理解过去，开辟了未来的研究。美国西雅图系统生物学研究所斯图尔特·考夫曼评论说，这是一篇出色的、大胆的、广泛的、变革性的文章，作者正在探讨不断演化的宇宙复杂性丰富这一根本问题，目的是寻找与已知法则相一致的“缺失法则”。人们对这些想法的触碰，就像19世纪中叶人们开始理解能量和熵一样，现在进行公开的广泛讨论至关重要。

    英国牛津大学人类未来研究所的米兰·瑟科维奇表示，新研究就像一阵新鲜空气吹过天体生物学、系统科学和进化论三重交汇处的困难地形。其中心思想，即“功能信息增加定律”的表述，简单、微妙但意义非凡。

    美国罗格斯大学海洋与海岸科学系科黛·塞尔登认为，人类今天所认识的自然法则，还无法解释人类宇宙的一个令人震惊的特征——自然系统“进化”的倾向。正如这项研究所证明的那样，复杂性和功能随着时间的推移而增加的趋势，并不是生物学所特有的，而是在整个宇宙中观察到的一个基本属性。新研究提炼出的一套原则，为不断发展的系统的跨学科讨论奠定了基础，将促进对自然世界中自组织和新兴复杂性的研究。