21.3 超进化的七个趋势

提请注意:我观察到,生物进化在时时刻刻的艰苦努力中,已经发展出7个主要趋势。而众所周知,这七个趋势也将伴随人工进化漫长旅程的左右。它们是:不可逆性、复杂性的递增、多样性的递增、个体数量的递增、专属性的递增、相互依存的递增、进化性的递增。

不可逆性。进化不可倒退(即著名的多洛氏不可逆法则)。当然,这个也有一些例外。比如说鲸在某种意义上倒退回来又成为一条鱼。而正是这些例外验证了这一法则。一般来说,今天生命的种种表现并非回侵过去的生态位。

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要放弃来之不易的属性并不容易。这是一个文明演进的公理:已经发明的技术就再也不能当作从未发明过。某个活系统一旦进化出了语言或者记忆,就再也不会放弃它。

同样,生命出现了就不会再隐退。我注意到,没有任何一个地质域会在有机生命渗入之后重归寂静。生命一旦在某种环境中安顿下来,就会顽强地维持着某种程度的存在,无论那里是滚烫的温泉、高山裸岩、还是机器人的金属表面。生命利用无机物质世界,不顾一切地将其转化为有机物质。正如沃尔纳德斯基所写道,「原子一旦卷入生命物质的洪流,就别妄想能轻易离开。」

生命出现之前的地球在理论上是一个贫瘠荒凉的行星。现在人们普遍承认,虽然当时地球一片荒凉,却在慢慢熬制着生命所须的配料。实际上,地球是一个等待接种的球形培养基。你可以想象,有一个方圆8000英里的大碗,装满了经过高温灭菌的鸡汤。某一天你将一个细胞滴落其中,第二天,细胞便以指数级的增长布满这个海量的巨碗。几十年间,各种变异的细胞就拱入了每个角落。即使它要用上百年的时光,也不过是地质年代的一个瞬间。生命诞生了,就在一瞬间!生命势不可挡。

同样,人造生命一经渗入计算机,就永远留在计算机的某处,永远不会消失。

复杂性的递增。每当我问朋友,进化是否有方向?总是得到这样的答案(如果有回答):「它朝越来越复杂的方向发展」。

尽管几乎每个人都清楚地知道进化朝着更加复杂的方向发展,但是我们手头真正言之有物的有关复杂性的定义却少之又少。而当代生物学家却质疑生命趋向复杂化的观点。史蒂文·杰·古尔德就曾经断然地对我说:「日趋复杂化的幻觉是人为的现象。因为你必须先建立一些简单的东西,如此一来,随后产生的自然就是复杂的东西了。」

然而,有许多简单的事情大自然从未做过。如果没有某种朝向复杂性的驱动力,大自然为什么不停留在细菌时代,发展出数百万各种各样的单细胞物种?它又为何不停留在鱼类阶段,尽可能创造出所有能够创造的鱼类形式?为什么要把事情搞得更复杂?就此而言,生命为什么要以简单的形态开始呢?据我们所知,并没有一个相关的规则说明事情必须越变越复杂。

如果复杂化是一个真正的趋势,那么一定有某种事物推动了它。在过去的百年里,科学家们提出了多种理论来解释这种复杂化的现象。我们可以把这些理论和主要的观点摘要叠加,按照假设提出的时间顺序排列如下:

失控复制和构件复制导致复杂性(1871)。

真实环境的苛刻导致构件的分化,分化集合成为复杂性(1890)。

复杂性更具热力学效率(1960)

复杂性只是(自然)选择其它属性时偶然产生的副产品(1960)。

复杂的有机体建立一个生态位以聚集周围更多的复杂性;因此复杂性是一个自身不断放大的正反馈循环(1969年)。

相对而言,一个系统增加一个构件比减少一个构件容易,因此复杂性是累积的(1976年)。

非均衡系统在熵消散或热消耗时积累复杂性(1972)。

意外本身产生复杂性(1986)

无休止的军备竞赛逐步增强复杂性(1986)

由于对复杂性的定义目前仍然含糊不清,而且很不科学,因此迄今为止尚未有人系统地研究化石记录,以确定能测量的复杂性是否随着时间的推移而增加。人们已经针对特定短谱系生物进行了一些研究(采用了各种不同的方法来测量复杂性)。研究证明这些生物某些方面的复杂性有时候确实增强了,但有时候并没有增强。简而言之,我们并不清楚随着生物显而易见的复杂化究竟发生了什么。

多样性的递增。这一点需要认真地说明。著名的软体动物化石群,加拿大的伯吉斯页岩化石群,正迫使我们重新思考究竟什么才是我们所谓的「多样性」。正如古尔德在《奇妙的生命》一书中所说,伯吉斯页岩展现了寒武纪生命大爆发时期一系列令人瞩目的新生物的出现和蓬勃发展。这些奇妙的生物群体,其基本类型要比我们的先祖生物的基本类型更富有多样性。古尔德争辩说,我们看到,自伯吉斯页岩之后的生物底图都是多样性的递减,以及小花样的大量递增。

举例来说,生命折腾着数百万种昆虫,将其修整得更加美不胜收,却没有再发展出更多诸如昆虫的新物种。三叶虫的变体无穷无尽,却没有诸如三叶虫的新种类。伯吉斯页岩化石展现出来的林林总总的生物结构底图大拼盘,超过了如今生命在同一地区显现出的微不足道的底图,有人可能会争辩,那种认为多样性始于微小的变化,并随着时间的推移而膨胀的传统观念,也许是本末倒置的。

如果你将差异视为显著的多样性,那么差异正在缩小。一些古生物学者把这种更为本质的底层图样的多样性称为「差异」,使之有别于普通的物种多样性。锤子和锯子之间,存在着根本差异,而台式电锯和电动圆锯之间的差异,或者当下生产的数千种千奇百怪的电器用具之间的差异,则没有那么显著。古尔德这样解释:「三只不同种类的盲鼠构不成一个多样的生态地理动物群落,而一头大象、一棵树加一只蚂蚁就可以构成这样的群落——尽管这一个组合只包含了三个物种。」在认识到很难构想出真正创新的基本生物底图的时候,我们才更重视明显不同的逻辑的基本原则(试着想出一副通用的管状内部结构替代物看看!) 。

因为通用的基本底图非常罕见,所以经历了寒武纪大灭绝之后,大多数物种的底图便再也无可替代,这可谓特大消息。它引发了古尔德的感慨:「生命史的惊人事实——醒目地记载了多样性的锐减,以及继之而来的在少数幸存物种中激增的多样性」。取其十种,弃其九种,而剩下的第十种确实产生了巨量的变异,例如甲虫。因此,以物种多样性的标准来理解这种令我们联想起寒武纪之后进化的「日益多样化的圆锥」更为合适,因为当今世界上生活着的物种类型比以往任何时候都多。

个体数量的递增。与十亿年前,甚或一百万年前相比,今天世界上生物体的总数也有了巨大的增长。假设生命只有一次起源,那么这世界上就一度只有孤零零的生命始祖存在。而现在,生命种群不计其数。

生物实体数目的陡增还有另外一种形式。超群和子群以分层的方式形成特殊的个体。蜜蜂群集成为一个群体,这样一来,特殊个体的数量加上单只蜜蜂的数量就构成了一个超个体。人也是这样一个生命超个体,由数以百万计的个体细胞组成。而这些细胞也可以被视作增加了个体生命总数的特殊个体。此外,这些细胞都可能存在寄生,这样来看个体的数量就更多了。个体的观念可以以多种交错重叠的方式在同一个有限的空间与其它个体嵌套。因此,在一定容积里,连同所有细胞、螨虫、以及病毒感染物在内的蜂群的个体总数可能大大超过同等容积中充满的细菌个体的总数。正如斯坦利·塞尔斯在《进化出层级架构》[1]中所描述的:「如果个体可以相互嵌套,那么在一个有限的世界里,就有可能存在不计其数的独一无二的生命个体,世界的范围也因此被扩展了。」

专属性的递增。生命开始时如同一道可以完成许多工作的通用工序。随着时间的过去,单一的生命分化成许多做更专业性事情的个体。正如一个普通的卵细胞经过渐成发育分化成众多不同的专属细胞,动植物为了适应更狭窄的生态位,在进化中也分化成更多不同的种类。实际上,「进化」这个词,最初只是用来表示一个卵细胞分裂扩展成一个胚胎生物的过程。直到1862年,赫伯特·斯宾塞才第一次利用这个术语表述随着时间的推移发生的器质性变化。他把进化定义为「通过不断的分化和整合,从不明确、不连贯的同质性状态转变成明确、连贯的异质形态的变化过程。」

将前面列出的趋势与递增的专属性归拢在一起,就可以创作出一幅概括的画面:生命以一种简单的、不明确的、未定型的创意开始,随着时间的推移,渐渐稳定形成一大群精确的、稳固的、机器般的结构。细胞系一旦分化,就难得回归更一般的状态,动物系列一旦专属化,也极难得回归更一般的状态。随着时间的推移,专属性生物体的比例加大了,种类增加了,程度也提高了。进化也朝着更细化的方向迈进。

相互依存的递增。生物学家已经注意到,原始生物直接依赖于自然环境。有些细菌生活在岩石之中;有些地衣以石头为食。这些生物体的自然栖息地稍有扰动就会对其产生强大的冲击(正是因为这样的原因可以将地衣用作酸雨污染的天然监测器)。随着演变,生命逐渐解脱无机物的束缚,而更多地与有机物相互影响。植物直接扎根于土地,把依赖于植物的动物从土地中解放出来,使之更自由。两栖类和爬行类动物一般产出受精卵,之后便将卵交于自然环境;而鸟类和哺乳类动物则抚养它们的后代,因此它们从出生之时起就与生命的接触更密切。随着时间的推移,它们与大地和矿物质的亲密关系逐渐被对其它生物的依赖所取代。舒适地生活在动物温暖的消化系统里的寄生虫,可能永远没有机会接触有机生物外部的环境。社会性生物也是如此:虽然蚂蚁可以生活在地下,但是它们的个体生命更依赖的是其它蚂蚁而不是周围的土壤。社会化的加深正是生命递增的相依共生关系的另一种形式。人类正是一个越来越依赖生命而不是非生物的极端例子。

只要有可能,进化就努力地牵引生命远离惰性与自己更紧密地结合,从无到有创造出令人满意的东西。

进化性的递增。1987年,来自剑桥的动物学家理查德·道金斯在第一届人工生命研讨会上发表了一篇题为《进化性的进化》[2]的论文,文中他仔细研究了进化的自身进化的可行性和有利条件。差不多在同一时间,克里斯·托弗威尔斯在《基因的智慧》[3]一书中,也公布了关于基因如何控制自己的进化性的推断。

道金斯打算在生物形态领域创造人为进化的企图激发了他思考的灵感。他意识到,在扮演上帝时少有的某种创新不但会给个体提供直接进步的机会,而且作为「进化型孕育」,也放宽了对后代变异能力的限制。他拿现实生命进化中第一级分支的动物作实例,他称之为「一个怪物……而不是一个显著成功的个体。」而有关动物分支的重大事件是生命进化的一个分水岭,由此分化出的一系列后裔也就成了进化的赢家。

道金斯提出了更高层次的自然选择的主张,「它所偏爱的,不仅仅是成功适应的显型,而且是一个朝着既定方向进化的趋势,或者根本就只是一个进化的趋势。」换言之,进化不仅为生存力而选择,也为进化性而选择。

进化的能力并非静止地呆在某个单一的特征或者功能之中——例如突变率——像突变率这样的功能在生物体的进化性中也起着一定的作用。一个物种如果不能产生必要的变异,就不能进化。物种改变自身的能力与其行为的可塑性一样,在它的进化性中占有一席之地。而基因组的适应性是至关重要的。总的来说,一个物种的进化性就是一个系统的特征,它不会偏安一隅,正如一个生物的生存力并非偏安一隅一样。

像进化所选择的所有特性一样,进化性必须是可以累积的。一个缺乏竞争力的创新一旦被接受,就能够作为一个产生竞争力更强的创新的平台。薄弱的进化性以这样的方式为进化性的进一步崛起建立了一个前进的基地。在一个很长的时期内,进化性都是生存力的一个必不可少的组成部分。因此,一个生物家族连同为提高进化性而联系起来的基因就将累积成进化的决定性能力及优势。如此等等永无止境。

进化之进化就像是许了一个阿拉丁神灯不会让你实现的愿望:即获得另外三个愿望的愿望。这是一股合法改变游戏规则的力量。马文·明斯基注意到在儿童心智的发育中存在着「类似对改变其自身的规则做出改变的力量」。明斯基认为:「仅仅依靠不断地积累越来越多的新知识,心智不能真正很好地成长。它还必须开发出更新更好的运用已有知识的方法。」这就是派普特原理:「心理发育过程中的一些最关键的步骤,不仅仅建立于获取新技能的基础之上,而且建立于获取运用已知知识的新的应用方法的基础之上。」

改变了变化的进程是进化的更大目标。尽管它能促使突变率的进化成为必要,但是进化之进化并不仅仅引发突变率的进化。实际上,长期以来,突变率不仅贯穿有机界,而且贯穿机器界和超生命界,始终如一地引人注目。(突变率超越几个百分点或是跌出一百个百分点都是非常罕见的情况。大约十分之一个百分点的波动看来比较理想。这意味着一千个荒谬狂野的想法中只有一个是保持事物进化所需要的。当然,某些情况下千分之一也是一个很疯狂的比例。)

自然选择有维持一个突变率以获取进化性最大化的倾向。但是为了同样的利益,自然选择会将系统的所有参数都移至最优点以利进一步的自然选择发生。尽管如此,这个进化性的最优点是一个移动的目标,伸手去够,它就飘移。在某种意义上,一个进化系统是稳定的,因为它会不断自我回归到最佳进化性的偏好状态。但是因为这个最优点是变化的——就像镜子上变色龙的颜色——这个系统又是永远处在非均衡状态的。

进化系统的本质,是一种产生永恒变化的机制。永恒的变化并非重复出现的周期变化,不像街角万花筒那样缺乏想象力,被视为持续永久的变化。那是真正永恒的活力。永恒的变化意味着持续的不平衡,永远处在即将跌落的状态。它意味着变化经历着自身的变化。结果将形成一个系统,总是处在为了生存而改变自己的边缘。

或者说,进入生存状态。进化的能力必须自我进化。那么进化最早又是从什么地方开始的呢?

如果我们接受这样一个理论:即生命进化起源于某些类型的非生命,或者说原生命,那么进化必然早于生命。自然选择是一个非生命的后续过程;在原生物群体中也能起到很好的作用。一旦进化的基本变异运作起来,形式的复杂性所允许的更复杂的变异就加入进来。我们在地球生物化石记录中所看到的,是不同类型的简单进化逐步累积、最终形成一个有机整体的过程,我们如今称之为进化。进化是许多过程的综合,这些过程形成一个进化的群体。进化随着时间的推移而进行,因此进化本身的多样性、复杂性和进化性也增长了。正所谓,变自生变。

《进化出层级架构》:Evolving Hierarchical Systems

《进化性的进化》:The Evolution of Evolvability

《基因的智慧》:Wisdom of the Genes