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演化有方向性吗?

Ent 发表于  2018-02-13 21:42

答案几乎肯定会让你失望:既不是“有”,也不是“没有”。

当然,我们很容易说演化没有某些具体的方向,比如没有“进步”和“倒退”——因为进和退根本就没有良好定义,总不能说通向人类就是进步、远离人类就是倒退;也没有明显的“变大”和“变小”——大象远小于恐龙,可蓝鲸就是地球历史上最大的生物。

但不限定具体方向的话,谈论这个问题就很难了。因为演化作为一个历史事件实在太漫长,在不同的时间尺度上,会表现出不同的行为。

譬如说,你每天的移动有方向吗?假设只看工作日早晨八点钟,那么你可能正在高速前往公司,方向正西;但晚上六点钟,则可能反过来高速前往家里。一天平均下来,虽然发生了移动,但并没有方向。

现在说的不是你一个人,而是这个星球38亿年来每一个曾经生活过的生命;讨论的也不是一目了然的物理移动,而是从发育构架到内脏到外貌的全方位指标。可以想象这个问题有多难。

虽然难,但也可以拆分成几个不那么难的问题来说。这里,我会按照时间来划分。

(A) 1微秒:没有,因为没动

在1微秒的时间尺度上,演化当然没方向,因为这么短的时间里它基本上就是静止的。

再长一些呢?

(B)1分钟:没有,因为突变随机

这时候演化就不是静止了,但依然没有方向,因为突变是“随机”的,意外也是随机的。

这里的随机不是平时说的数学随机概念,而是说,“遗传物质发生了什么变化,和这个变化身处什么环境里、能产生什么效果,二者没有联系。”

在19世纪初,几乎所有人都认为遗传作用的方式就是“用进废退”:哪个器官用的多,它在后代里也就长得好。虽然今天我们会把它称之为拉马克主义,但拉马克没有发明用进废退的想法,只是他先用这个想法来解释演化而已。而今天的科学已经否认了这个观点:无论是外界环境还是生物体的使用,都不能指定遗传物质要怎么变。在这个时间尺度上,自然选择没有发挥作用, 所以演化还是没有方向的。(对,哪怕是表观遗传学也没有推翻这个观点,但这件事情又很复杂,此处暂时没法讨论……)

除了突变之外,还有各种各样意外的环境事故可以死人,从而改变一个物种的遗传构成。但在短时间尺度上,这些事故也是随机的。

要是再长一些呢?

(C)1000年:有,取决于环境

等到自然选择能发挥作用的时候,情况就发生了变化。和随机的突变不同,自然选择是有方向的。

但是这个方向并不是更高更快更强,而是朝着“更适应环境”的方向走。它和我们平常理解的方向概念就有微妙的差异。

自然界和人类社会一样,做任何事情都需要成本——只不过这个成本不是钱,而是能量、营养物质和时间之类。如果变高的收益抵不过成本,那生物就会变矮。如果变聪明消耗的能量太多,那生物就会变笨。哪怕同一个环境下,不同生物也会有不同的收支状况,并产生不同的改变。但至少,理论上我们只要知道一个环境的面貌,知道一个生物此刻的状态,就能大致预测它短期内会往哪个方向变化;而现实中,这种预测也有很多成功的案例。演化生物学能够做出预测并接受事实检验,所以它确实是科学。

需要说的是1000年这个时间是很约略的说法,因为不同生物的一代时间相差很大,细菌理想情况只要20分钟,而人类需要20年。(所以细菌抗药性是个很严重的问题,细菌演化比我们快得多——人还没过完半辈子,细菌已经可以从十分敏感演化到刀枪不入了。)曾经有一个广为流传的旧观点说演化速度很慢,万年才能看到;这个观点并不对。演化的速度取决于一代有多长、环境压力有多大。假如你给细菌99.9%的选择压,那一天就能看到明显演化;给麻雀5%的选择压,四五年能看到可测量的演化;而如果给人类0.0001%的选择压,那当然就几百年也看不出大差别了。毕竟,我们和最初的农业定居人类距离不过五百代,这对细菌而言只是一个星期的事儿。

另外值得一提的是,单凭环境不足以决定生物的面貌,必须考虑现有生命的历史和现状,稍长期一点的话还得考虑偶然性。很多人都注意到了“趋同演化”现象——比如澳洲的有袋类和其他大陆哺乳类各自演化出了一批相似的物种,所以有人用这个论证演化是有方向性的,数学家西蒙·康威·莫里斯就据此认为地球上必然诞生智慧生命。但现实中,没有被占的坑恐怕比被占的坑更多。新大陆的猴子有抓握尾,旧大陆却没有;澳洲有袋狼袋獾,可是没有袋蝙蝠、袋长颈鹿、袋大象和袋灵长类。趋同演化是个十分有趣的现象,但远远谈不上普遍规律,自然也无力规定整个演化的方向性。

(也因此, “演化的方向就是适应”这样的说法并不合适, 脱离具体环境和物种谈适应是没意义的。)

但再长一些呢?

(D)100万年:好像没有,因为环境会变

环境是自然选择的标杆,环境变了演化方向也得变。1代的尺度上我们通常还不用考虑环境改变(人类除外,人类改变环境的能力太奇葩),100万年就不行了。 

而在这个尺度上,环境的变化十分麻烦。

一方面,环境变化有一定周期性。冰川期就是一个典型例子:过去100万年里,地球正处在大概10万年遭遇一次冰期的循环状态中,上一次在1万多年前结束, 下一次可能会在约5万年后到来。

决定这个循环的主要因素似乎是地球轨道。地球绕太阳运行虽说一年一圈,但其实每圈并非一成不变,轨道偏心率、轨道倾角、地轴倾角等等会发生微小的变化,而这个变化也是有周期的,通常在几万年左右。所以,1万年前也许生物在变得适应温暖环境,但5万年后又要开始适应寒冷环境,几个周期下来,就谈不上有什么方向了。

另一方面,百万年时间尺度,也是地球级灾难开始登场的尺度。比如,3200立方千米岩浆级别的超级火山差不多就100万年一次。这种灾难给环境带来影响太偶然了,实在难以预测。

无论是周期性也好,还是偶然性也好,都谈不上有什么方向。虽然自然选择还在发挥作用,但它的目标不停地变,导致生物演化也失去了明显的方向。

如果再长一些呢?

(E)10亿年:不知道

这可能是宏演化领域最坑人的一个问题了。

如果回顾一下过去10亿年地球的生命历史,几乎所有人都会产生这样的印象:生命在从简单变复杂。毕竟10亿年前只有极为简单的多细胞动物,而5亿年就有了寒武纪大爆发,4亿年动物登陆,2亿年恐龙诞生,5000万年哺乳动物称霸,20万年有了智人。这么显而易见的趋势,难道不是方向性?

不是。因为从古至今,地球上压倒性多数的生物始终是各色各样的细菌啊。

好吧,就算只有一小撮在变得更复杂,但我们至少可以说生命的复杂性上限在增加,这至少也可以算方向性吧?

不一定。因为没有方向没有偏好的随机事件,也可以产生“看起来”的方向性。

古尔德举过一个著名的例子。夜晚的大街上走着一个醉鬼,街的左边是一堵墙,右边是一道水沟。醉鬼烂醉如泥,他的走路方向完全是随机的,没有任何趋势。第二天人们会在哪里找到他? 水沟里。他会掉进水沟,并不是因为他有喜欢水沟的趋势,而是因为墙挡住了他的路,不能再往左边走了。如果没有水沟,那么这个夜晚越是漫长,醉鬼和墙的平均距离就越远;而不管水沟离墙有多远,只要让醉鬼一直这么走下去,他最后掉进水沟的概率一定是1。

而如果去掉水沟,任凭一大群醉鬼随便漫游,我们会发现他们的轨迹铺满了一大片区域——有的醉鬼离墙近,有的离墙远。一开始所有醉鬼离墙都很近,最后有些醉鬼走到了很远的地方。夜晚越是漫长,走得最远的那批醉鬼,和墙的距离就越远。而我们人类,暂时就是走得最远的醉鬼之一。

当然也可能是醉鬼其实稍微有一点讨厌墙,每往左边走一百步就往右边走一百零一步,这是肉眼无法分辨的,需要统计学——但我们的数据不够。因此,我们只能说“不知道”。

还要再长一些呢?

(F)100亿年:有,我们要么飞向群星,要么都死了

这一条反而是最简单的,因为太阳作为主序星的寿命只剩下50亿年。那之后,太阳会先变成红巨星,亮度急剧增加,吃掉水星和金星,然后要么把地球烤熟、要么直接吞掉烧化。然后,太阳会变成白矮星,地球(如果还存在)陷入冰冷长夜。应该没有什么生命能扛过这一劫,除非它掌握了先进技术文明。

再长的话……那就不是生物演化的问题了。


历史上Evolution一词在文化界长期和进步的概念联系在一起,导致它在中国被翻译成了“进化”。但达尔文曾经在笔记上写过“千万别说什么最高级、最低级”,今天的生物学家也已经基本达成共识:生命历史没有那么显而易见的方向性,无法用进退来概括。在这个意义上,“演化”是比“进化”更好的用词。

但是,没有简单进退,并不等于没有任何方向。它的方向问题是一个庞然大坑,无法给出“是”或者“不是”这样简单漂亮的回答。很遗憾的是,在生物界,几乎所有的大问题都是这个面貌。毕竟,和永恒不易的物理定律不同,生命是历史的产物,而历史必定是复杂的——有了人的参与之后,就更加如此了。

(编辑:moogee)
 

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全部评论(19)
  • 1楼
    2018-02-13 22:20 费脑神

    蓝鲸就是地球历史上最大的生物?动物?

    [1] 评论
  • 2楼
    2018-02-13 23:46 在雨夜
    引用文章内容:因为从古至今,地球上压倒性多数的生物始终是各色各样的细菌啊。

    然而从细菌身上看不到生命的意义。

    [0] 评论
  • 3楼
    2018-02-14 02:16 地球上的裸猿

    一切都是物质构成的,一切都是随机事件?

    [0] 评论
  • 4楼
    2018-02-14 02:20 地球上的裸猿

    费米悖论(Fermiparadox,又称费米谬论)?

    [0] 评论
  • 5楼
    2018-02-14 15:53 天降龙虾
    引用文章内容:我们要么飞向群星,要么都死了

    你确定以人类的德性,有能耐飞向群星?????就算真飞出去了,那也早已不是人类了吧?

    其实演化的问题,应该从形而上学的方向上处理。。演化进程受到自然法则支配,所以肯定是有方向性的,但因为自然的意志不可揣摩,所以此方向不可预知。。。嗯,具体的论证细节,请跟斯宾诺莎去撕吧。。。

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  • 6楼
    2018-02-14 15:54 天降龙虾
    引用@5美金 的话:生或死,这就是一个方向啊。

    那不是方向,那是布朗运动。。。。。

    [0] 评论
  • 7楼
    2018-02-14 16:17 地球上的裸猿

    意义和符号

    自在的自然界是没有“意义”的,“意义”是人将世界人化的结果。也就是说,意义是人类创造出来的东西,并不是一个客观实存。所以从严谨的角度说,我们不能“追寻世界的意义”,因为世界本来是无意义的,只能用一套叙事去赋予它意义。而这个意义也不是世界本身“潜在的东西”,仅仅是这个叙事所承载的意义而已。而传递,表达,承载意义的东西,就是符号。赵毅衡为符号作出的经典定义是:“符号是携带着意义的感知”,这句定义可谓精确。一块石头,作为自然界自在的物来说,它没有意义,也不是符号。但你把它当做一个路标,或者这个石头形状独特,你把它想象成一个什么东西,那这块石头就被赋予了意义,也就成了一个符号。

    纯粹的“无”能不能成为符号呢?是可以的。比方说,你的老师今天上课迟到了,八点钟他还没有来,你这时候可能就会想:他为什么没有来?可能是堵车,也可能是睡太死了,等等。老师的不在场就传达了一个意义。又比如话剧之中会出现一个角色沉默的表演,这个时候虽然没有台词,但角色的沉默同样传达了某种意义。这也是符号。

    [0] 评论
  • 8楼
    2018-02-14 18:07 Unnamed者

    这里应该会有一个名为怪兽的用户出现才对

    [0] 评论
  • 9楼
    2018-02-14 20:10 西泽.贝叶斯
    引用@在雨夜 的话:然而从细菌身上看不到生命的意义。

    但是生命本身就没有意义啊,究其根本只是一种自发过程。

    [0] 评论
  • 10楼
    2018-02-15 22:51 字符与标点
    引用@在雨夜 的话:然而从细菌身上看不到生命的意义。

    “意义”是个人为概念,至少目前水平下自然科学的了解中,进化是一个没有任何足以意识到“意义”这种概念的意志参与的自然过程。而我们在讨论的正是这个过程的方向性问题,并不涉及到“生命的意义”的问题。既然细菌这一类群在演化史上一直保持着生物量上的绝对优势,那么就不能否认演化过程倾向于保留这类构造简单却又适应性极强的生命体。

    [0] 评论
  • 11楼
    2018-02-17 15:22 upc001

    随机演化,适者生存,难道不是这样的吗?

    [0] 评论
  • 12楼
    2018-02-18 15:05 官明彦
    引用@天降龙虾 的话:你确定以人类的德性,有能耐飞向群星?????就算真飞出去了,那也早已不是人类了吧?其实演化的问题,应该从形而上学的方向上处理。。演化进程受到自然法则支配,所以肯定是有方向性的,但因为自然的意志不可揣摩...

    其实,把月球算上,已经算能飞向群星了。不过大规模的迁移还不行。

    [1] 评论
  • 13楼
    2018-02-19 16:54 天降龙虾
    引用@官明彦 的话:其实,把月球算上,已经算能飞向群星了。不过大规模的迁移还不行。

    “星”非“群星”。。。。毕竟地球是不用“飞向”的。。。先在至少两个地外星球上立足站稳了再说吧。。。

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  • 14楼
    2018-02-19 19:46 逍遥药师

    挺好的文章,我的问题是,世界上最长寿的生物是什么?最长寿的动物是什么?

    [0] 评论
  • 15楼
    2018-02-20 09:54 Roadrunner

    突变随机,选择有方向

    [0] 评论
  • 16楼
    2018-02-20 10:50 幼发拉底

    关于醉鬼那个解释有点不满意,喝醉了的人难道不是扶墙走的吗,最后也应该是倒在墙根下的吧。

    [1] 评论
  • 17楼
    2018-02-20 19:09 伽岚

    请解出醉鬼的概率密度分布

    [0] 评论
  • 18楼
    2018-02-22 11:42 完美宝石

    这里不得不感叹一句。宇宙的目的是什么。

    [0] 评论
  • 19楼
    2018-07-19 21:23 Re-Ecology

    偶然发现恩特,瞬间成为恩特粉,今天看了好多你的文章,圈粉,受教,感动。不过感觉评论区好多就不懂乱评论

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