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拓展进化论的“自然法则”提案获得支持
对于卡内基科学研究所的矿物学家Robert Hazen而言，查尔斯·达尔文的视野还不够开阔。他说：“看看窗外。”你会看到花朵，看到树木，看到我们建造的所有建筑，甚至语言本身。究竟是什么原因，能够解释地球上的万物——不仅限于生物——在时间的流逝中变得愈加丰富和复杂？去年，Hazen和卡内基的天体生物学家Michael Wong领导的团队在PNAS上发表了一篇论文，提出了一个答案。他们认为，有一种缺失的“自然法则”可以拓展进化的概念，不仅推动生命的复杂性提升，也促进了矿物学、化学乃至恒星内部运作系统的复杂化。上周，Wong和Hazen迎来了近百位来自微生物学、神经科学等领域的科学家，齐聚一堂，探讨复杂性如何产生和演化。这次研讨会也成为了对他们大胆提议的验证。Wong在演讲中表示，他们的提案是“一个解释整个物理系统如何进化的框架，涵盖但不限于生物学。”
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▲M.L. Wong, C.E. Cleland, ... , R.M. Hazen, On the roles of function and selection in evolving systems, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 120 (43) e2310223120, https://doi.org/10.1073/pnas.2310223120 (2023).
简单来说，这篇论文描述了一种现象：由各种相互作用的成分组成的系统，在某些配置能比其他配置更好地适应环境的情况下，将不可避免地趋向“功能信息不断增加”的状态。也就是说，随着时间推移，系统会通过一种类似自然选择的过程逐步多样化和复杂化，以便增强其生存所需的功能。生物的进化——通过 DNA 的变异和自然选择来创造并维持适应环境的构型——仅是这一更广泛规律的一个分支。佐治亚理工学院研究生命起源的生物化学家Loren Williams参加了这次研讨会，他认为这是一个极具吸引力的观点。他说：“在我看来，生物学之外也存在进化，这一点非常明显。”以多肽骨架为例，这是一种构成所有氨基酸主链的分子链。“生物进化并不会改变这一结构，对吗？所有生物都是一样的，从未改变。但我确信，它是进化的产物。”他补充道，只不过这种进化发生在生命出现之前。因此，当Hazen和他的合著者提出他们的总体理论时，Williams表示，“这引起了我的共鸣。”Hazen花了近20年的时间记录矿物——即岩石中晶体成分——的演变过程，这正是他这一思想的源泉。地球历史中，矿物从最初的几十种逐渐演化为如今的数千种。例如，地球上最早的方解石是通过陨石的水蚀作用形成的；而在25亿年前，微生物开始构建其他形式的方解石，直到1亿年前，蜗牛和蛤蜊才开始创造新的组合。
▲图 | 随着时间的推移，方解石逐渐演变出多种形态，可以在不同的自然环境中看到它们的存在，例如洞穴中、微生物化石堆积体（称为叠层石）中，以及浮游植物的壳体中。2008年，当Hazen首次提出这一想法时，许多同事持怀疑态度。“这听起来像是一个故弄玄虚的故事。”他说。然而，自那以来，将数千种矿物与其首次出现在地质记录中的时间相联系的研究证实，这些矿物形成了一个随时间不断分支的“进化树”，类似于生物学中的系统发育树。Hazen说，这门学科现在已经能够精确地标定某些珍稀或关键矿物的出现时间和地点以及所在的岩石类型——采矿业并未忽视这一成果。“有句话是这么说的：‘金子在哪找到的，就在哪’。”他解释道，“而现在我们可以说，哪里我们的机器学习算法预测有金子，那里就可能有金子。”矿物也成为了Hazen和Wong新理论的最佳案例研究。在今年7月发表于PNAS Nexus的一篇论文中，他们回顾了矿物演化的各个阶段，计算了可能的矿物化学构型的数量，并显示出随着时间推移，这些矿物中持续存在的种类不断增加——即矿物总体功能信息的增长。一些科学家接受了Hazen和Wong的观点，但不确定它是否真的能成为新的自然法则。维也纳大学系统生物学家Johannes Jäger表示：“我不会称它为新的物理定律，只是不想惹恼物理学家。”还有人认为，这一理论难以产生可检验的假设。应用分子进化基金会的天体生物学家Elisa Biondi说：“我们还不能真正应用这个理论，”尽管她明确表示自己喜欢这个想法，并强调说，这并不是因为其试图涵盖的普遍性。尽管如此，Hazen和Wong似乎正逐步赢得其他领域的支持者。蒙彼利埃大学研究肿瘤生长的进化生物学家Frédéric Thomas说：“当我第一次看到这篇论文时，我连续两个晚上都失眠了。”与构成肿瘤的细胞及被肿瘤破坏的宿主不同，肿瘤本身并不遵循传统的达尔文进化论：肿瘤不追求繁殖，也通常不与器官中的其他肿瘤竞争。Thomas表示：“但我们知道某些肿瘤会进化，变得更加复杂和精密。”他和同事们在今年9月发表于Evolution, Medicine, & Public Health杂志的一项研究中，借鉴了Hazen和Wong对肿瘤进化的描述。他们的理论同样被微生物生态学领域所接受。今年早些时候，两位菌根生态学家——北亚利桑那大学的Nancy Johnson和圣托马斯大学的César Marín——在EcoEvoRxiv上发布的一篇预印本中，调整了该理论，提出“功能性群体选择”概念，以解释本地植物及其根系如何逐年选择不同的土壤微生物和真菌组合，以增强其对环境干扰的恢复力。Johnson说：“这一法则确实是必要的。在我的领域——微生物生态学中——它非常有用。”谷歌公司技术与社会首席技术官Blaise Agüera y Arcas表示，在人工生命的计算机科学研究中，这种想法的影子同样显现。他说：“我完全认同这一观点。只要有东西能够持久存在，它就会存在。”在研讨会上，Agüera y Arcas介绍了他的团队在虚拟环境中利用极简编程语言生成随机计算机指令序列的研究成果，这项工作已于今年八月在arXiv上发布了预印本。在每一轮中，两个代码序列被组合、执行后再分裂。没有加入突变，环境中也不存在适应性压力。起初，结果只是运行时出现错误的代码组合。然而，经过数百万次循环后，复杂的代码逐渐出现——仿佛自然进化法则在起作用。他表示，这些复杂的循环代码片段具体在执行什么任务难以理解，“但可以确定的是，它们在执行的就是复制。”
论文信息
标题：Life evolves. So do minerals. How about everything else?
期刊：Science
类型：News
作者：Paul Voosen
时间：2024-11-01
DOI：https://doi.org/10.1126/science.z29f0x5
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