超越生物学:科学家发现了一个普遍的“缺失的进化规律”

一项新的“功能信息增加定律”揭示了复杂的自然系统，不仅仅是地球上的生命，还会向更高的复杂性进化。这一发现扩展了传统的进化论，提供了从宇宙学到天体生物学的见解。

　　

今天发表在著名的《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上的一篇论文描述了“一条缺失的自然法则”，首次承认了自然界运作中的一个重要规范。从本质上讲，新定律表明，复杂的自然系统进化到更大的模式、多样性和复杂性的状态。换句话说，进化并不局限于地球上的生命，它也发生在其他大规模复杂的系统中，从行星、恒星到原子、矿物等等。

该研究由卡内基科学研究所、加州理工学院和康奈尔大学的主要科学家以及科罗拉多大学的哲学家组成的九人小组撰写，由约翰邓普顿基金会资助。

随着地球的形成，新的地质过程，特别是与火成岩活动和板块构造期间热流体与岩石的相互作用有关的地质过程，产生了1500多种新的矿物(45.5亿至25亿年前)。25亿年前，出现的生物将氧气引入大气。这是一个关键的变化时期，光合作用开始，铁与含氧矿物的相互作用改变了古代生命，为我们未来的进化提供了蓝图，连同矿物质。随着生命从单细胞生物向多细胞生物进化的进程和生态系统的形成，地球表面的矿物学变得更加复杂。由此产生的矿物多样性从根本上改变了进化的方向和可能性。生物多样性导致矿物多样性，反之亦然。这两个系统，生物和矿物，相互作用，创造了我们今天所知道的生命。

新定律揭示自然系统向更高复杂性进化

新研究发现，复杂的自然系统不仅限于地球上的生命，还会向更高的复杂性进化。这一发现扩展了传统的进化论，提供了从宇宙学到天体生物学的见解。这项研究由九位科学家完成，他们来自卡内基科学研究所、加州理工学院和康奈尔大学，以及科罗拉多大学的哲学家，研究得到了约翰邓普顿基金会的资助。

这项新的“功能信息增加定律”表明，复杂的自然系统进化到更大的模式、多样性和复杂性的状态。换句话说，进化并不局限于地球上的生命，它也发生在其他大规模复杂的系统中，从行星、恒星到原子、矿物等等。这一发现为我们理解宇宙的演化提供了重要的新视角。

“这是一个非常重要的发现，”研究的主要作者、卡内基天体生物学家Michael L. Wong博士说，“它改变了我们对自然系统进化的理解，并揭示了进化是如何在宇宙的各个层次上发生的。”

这项研究的合著者、卡内基科学的Robert M. Hazen补充说：“达尔文的理论描述了植物和动物如何通过自然选择进化，但我们的研究发现，这一原理同样适用于恒星、原子、矿物和其他许多概念上等效的情况。”

这项新研究提出了“功能选择”的概念，即当一个新的配置工作良好，功能得到改善时，进化就会发生。这一概念不仅适用于生物系统，也适用于非生物系统，如矿物和恒星。

这项研究为我们理解宇宙的演化提供了重要的新视角，揭示了自然系统如何向更高的复杂性进化。这一发现可能会对许多科学领域产生深远影响，包括天体物理学、地质学和生物学。

历史背景和现代增建

“宏观”的自然规律描述和解释了自然界中日常经历的现象。例如，与力和运动、重力、电磁学和能源有关的自然法则，早在150多年前就被描述出来了。

新的工作提出了一个现代的补充-一个宏观规律承认进化是自然界复杂系统的共同特征，其特征如下:

• 它们由许多不同的成分组成，如原子、分子或细胞，这些成分可以反复排列和重新排列

• 受自然过程的影响，形成无数不同的排列

• 所有这些配置中只有一小部分在一个称为“功能选择”的过程中存活下来。

不管系统是活的还是非活的，当一个新的配置工作良好，功能得到改善时，进化就会发生。

“这是一篇极好的、大胆的、广泛的、具有变革性的文章。作者们正在研究宇宙演化的复杂性增加这一基本问题。其目的是寻找与已知定律一致的“缺失定律”。

增加功能信息的规律

作者的“增加功能信息定律”指出，“如果系统的许多不同配置经历了一个或多个功能的选择”，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，指出自然界中至少有三种功能。最基本的功能是稳定性——原子或分子的稳定排列被选择继续下去。选择持续存在的还有具有持续能量供应的动态系统。第三个也是最有趣的功能是“新颖性”——进化系统探索新结构的趋势，有时会导致令人吃惊的新行为或新特征。生命的进化史充满了新奇的事物——光合作用是单细胞学会利用光能时进化出来的，多细胞生命是细胞学会合作时进化出来的，而物种则是由于游泳、行走、飞行和思考等有利的新行为而进化出来的。

超越生命的进化

同样的进化也发生在矿物王国。最早的矿物表现出特别稳定的原子排列。这些原始矿物为下一代矿物提供了基础，下一代矿物参与了生命的起源。生命和矿物质的进化是交织在一起的，因为生命用矿物质来制造外壳、牙齿和骨骼。

事实上，地球上的矿物质，在太阳系诞生之初只有大约20种，经过45亿年更加复杂的物理、化学和最终的生物过程，现在已经有近6000种了。

以恒星为例，论文指出，在大爆炸后不久，只有两种主要元素——氢和氦——形成了第一批恒星。这些最早的恒星利用氢和氦制造了大约20种较重的化学元素。下一代恒星在这种多样性的基础上产生了近100种元素。

“查尔斯·达尔文雄辩地阐述了植物和动物通过自然选择进化的方式，有许多个体的变异和特征，以及许多不同的结构，”卡内基科学的合著者Robert M. Hazen说，他是这项研究的领导者。

“我们认为，达尔文的理论只是一个非常特殊、非常重要的案例，在一个更大的自然现象中。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，在这些情况下，许多结构都受到选择压力。”

启示与见解

在许多启示中，该论文提出:

1. 了解不同的系统如何拥有不同的程度，从而使它们能够继续进化。“潜在复杂性”或“未来复杂性”已经被提出作为一个进化系统可能变得多复杂的度量标准

2. 深入了解某些系统的进化速度如何受到人为影响。功能信息的概念表明，至少可以通过三种方式提高系统的进化速度:(1)通过增加相互作用主体的数量和/或多样性，(2)通过增加系统不同配置的数量;和/或3)通过提高系统的选择压力(例如，在化学系统中通过更频繁的加热/冷却或润湿/干燥循环)。

3. 更深入地了解宇宙中复杂现象的产生和存在背后的生成力量，以及信息在描述这些现象中的作用。

4. 在其他复杂进化系统的背景下理解生命。生命与其他复杂的进化系统在某些概念上有相同之处，但作者指出了未来的研究方向，即生命如何处理功能信息是否有不同之处。

5. 帮助寻找其他地方的生命:如果生命和非生命之间有一条与功能选择有关的界限，我们能否确定“生命规则”，使我们能够在天体生物学研究中区分生物分界线？

6. 在不断发展的人工智能系统日益受到关注的时候，描述自然系统和符号系统如何演变的信息预测定律特别受欢迎

自然定律——运动、重力、电磁学、热力学等——编纂了各种宏观自然系统跨越空间和时间的一般行为。

今天发表的“增加功能信息定律”是对热力学第二定律的补充。热力学第二定律指出，孤立系统的熵(无序)随着时间的推移而增加(热量总是从较热的物体流向较冷的物体)。

参考文献:On the roles of function and selection in evolving systems