水到渠成:熵与博大精深、同心致远

时间:2024-06-27 02:26:03

约翰·托比(John Tooby):进化生理学奠基人,加州大学圣巴巴拉分校进化心理学主任。

水到渠成:熵与博大精深、同心致远

在我早期的科研生涯当中,最为两难的选择便是,是否要放弃研究量子力学、非定域性和宇宙学那些美妙的谜题,转而选择同样吸引人的学科:通过逆向工程,解开自然选择在我们物种的电路架构上所编写的程序。在1970年,席卷全球的文化热潮和地缘政治,让我们迈出了第一步,以面向非意识形态和计算性方式,来理解我们进化的设计,“人性”,这种趋势似乎尤为迫切。近期,计算机科学和控制论的兴起,使其看上去大有可能。由行为和社会学家们所把控的进化生物学会对其持几乎完全回避,甚至是旗帜鲜明地反对态度,势必会成为一种必然。

最终引领我的是自然选择理论,它是一台超级优雅的“推理发动机”。戴上它的理论透镜,犹如获得一条永恒的启迪,大脑里就会涌现出很多的推理,这些推理争先恐后地出现,就像过饱和溶液中析出的晶体一般。更胜一筹的是,其由第一原理,譬如集合论和物理学开始演绎推导,自然选择理论的大部分内容是不可选择的。

即便这样,从物理学的角度来看,自然选择理论仍然留有一个需要解释的深刻问题:物理学为我们的宇宙所构建的世界从来都是荒凉的。当这个宇宙不再燃烧我们,或于无形之中研磨我们的细胞和大分子直至我们消亡时,这个宇宙便会爆炸。它会彻底摧毁行星、我们的栖息地、我们的劳动成果、我们所爱的一切还有我们自己,γ射线爆发会彻底摧毁整个银河系区域;超新星、小行星撞击、超级火山与冰河时代会摧毁生态系统并灭绝一切物种。流行病、中风、钝力外伤、氧化性损伤、蛋白质交叉耦合、热噪声扰频DNA,所有这些随机的运动,都将从我们评估的严密组织状态转为日益增长的无序状态。热力学第二定律认为,物理系统倾向于转换到概率更大的状态,这样做会远离概率较小的状态或组织,就如坐上失去方向的雪橇,冲向最大的无序状态一样。

接下来,熵提出了一道难题:生物如何能够完全融入由熵所支配的物理世界,而这个熵,在长期的自然选择过程中,是如何引领万物实现其功能组织的?世间万物呈现出完全偏离物理法则的常态,比如地球的金属地核、月球表面的陨石坑,或太阳风。所有生物体都有其特别之处,尽管看起来它们都是盘根错节地交织在一起的,并且它们的生命的设计过程也是跌跌撞撞,彼此之间也不像有那种得到过精细校准的各种相互关系,但其实这是一种具有高功能性的高度有序现象。然而,就如高度有序的物理系统一般,生物体应该倾向于快速回到最大无序状态或最大概率状态。物理学家薛定谔曾说过:“正是因为避开了快速衰减到‘平衡’的惰性状态,生物体的出现才会如此神秘莫测”。

通常如此三言两语就可以将神灵论者打发了,迄今为止,这个答案算是正确但还远远不够全面:地球不是一个与世隔绝的系统;生物体也并非封闭系统,所以熵依然在全面增长,这与热力学第二定律一致,但有时在生物体中熵会有局部的降低。这种情况会在高层次生命的组织形态中出现,但原因还未知。然而,自然选择理论能够正确无误地阐释生物体的有序状态,包括熵的延迟适应性,这能够避免我们被氧化而化为灰烬。

相对于倾向失去而非增长功能组织的物理系统而言,自然选择是唯一已知的平衡力量,也是唯一能够推动生物体上升进入更高功能秩序的自发物理过程。但它是如何精确地做到的呢?

伴随着熵和自然选择学说的发展,真正优雅的科学思想三重奏中的第三个概念可以用于回答伽利略那才华洋溢的、用来阐明运动物理学的参照系概念。

最初,熵的概念是用来研究热和能量的,如果唯一一种真正的熵是热力学能量扩散的熵,那我们的生命将没有存在的可能。但因为有了伽利略的贡献,我们可以考虑多种秩序(不大可能是物理安排),每一种秩序都是遵照截然不同的参照系而被定义的。

一般来说,有多少种有意义的参照系,就会有多少种熵。生物体被定义为自我复制的物理系统。这为定义促进系统因果关系的秩序创建了一个参照标准,这并非是复制热力学中的秩序。事实上,生物体必须经过物理设计来捕捉集中的能量,就如利用水力发电的水库,利用瀑布来驱动涡轮机,生物体是利用热力学的熵流来驱动自身的复制的,以此来广泛散播自己的多个副本。

某些时候,熵会引入错误复制到复制品当中,但在复制系统中引入错误,则是一种自我修正行为。通过定义,组织结构较差的生物体不擅长复制自己,所以会被群体淘汰。与此相反,增加功能秩序的错误复制会越来越常见。在复制品中像这样不可避免的齿轮效应,便是自然选择。

生物体以多种多样和妙不可言的方式,来配置不同的熵参照系,但以下的重点是,在一个物理范围里,为一个参照系自然地增加无序(朝向最大可能的状态),可以减少另一个相对参照系的无序。自然选择精选并连接不同的熵领域,比如细胞、器官、薄膜,每个都会局部增加自己的专有熵参照系。当正确的熵相互连接起来时,它们会利用各种增加熵的方式来减少其他种类的熵,以此来进行复制工作,从而对生物体大有益处。举例来说,氧由肺部扩散到血液中,再从血液中进入到细胞中,这就是一种化学混合的熵,趋向于可能性更高的高熵状态,而从复制的角度上看,则是增加了秩序。

熵让万物凋零,但生命灵巧地扭转着战局,于是在那一刻,万物同心致远、水到渠成。