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宇宙间最伟大的创造

选择字号: 大号 中号 发布时间:2018-12-03 16:49 | 作者:三联生活周刊2018年46期/袁越 | 阅读次数:247

生命的诞生
1953年是个神奇的年份,沃森和克里克在《自然》杂志上发表了一篇划时代的论文,提出了DNA分子的双螺旋模型,彻底解开了生物遗传之谜。

因为这个发现太过重要,以至于很多人都忘记了芝加哥大学的两位年轻科学家在那一年所做的另一件大事。斯坦利·米勒(Stanley Miller)和哈罗德·尤里(Harold Urey)在几只玻璃瓶里注入了甲烷、氨气、氢气和水,然后用电极制造人工闪电,模仿生命出现之前的地球环境。一个星期之后,玻璃瓶里检测出了单糖、脂类和氨基酸等有机化合物,其中一只瓶子里甚至找到了组成蛋白质的所有20种氨基酸。

这个发现在当年的学术圈里所引发的轰动一点也不亚于DNA分子的双螺旋模型,两位科学家证明有机物可以在地球环境中自发产生,不需要借助上帝之手。

当然了,有机物还不等于生命,但地球上所有生命都是由有机物构成的,米勒—尤里实验从理论上证明了地球环境足以为生命的出现做好准备。至于说第一个生命到底是如达尔文预言的那样诞生在某个温暖的小池塘里,还是像如今大多数科学家预言的那样出现在海底碱性热液喷口,还需要进一步研究才能知晓。
生命的诞生
有机物的核心成分是碳原子,所有的有机物都是以碳为核心,配以氢、氧、氮、硫、磷等辅助性原子组成的,这就是为什么我们把地球生命归为碳基生命。不少科幻作家曾经设想过硅基生命,认为宇宙间还存在一个以硅为核心的生命世界,但大多数生化学家却认为这是不太可能发生的事情,因为硅原子不具备碳原子的一些关键特征。

从化学角度来分析,不难发现碳原子之所以被大自然选中,原因是碳原子能够和多达4个不同原子相结合,这在元素周期表中是极其罕见的,常见元素中只有硅可以与之相比。这个特性使得碳原子成为所有原子当中最喜欢“交朋友”的原子,有人称其为“超级连接者”。硅原子虽然也可以形成4个化学键,但却无法像碳那样形成二价键甚至三价键,这个特性使得碳原子可以两两结合,形成一条以碳原子为骨架的结构稳定的长链,这条链甚至可以首尾相连形成闭环,这就大大增加了碳基分子的多样性。

碳原子还有一个优点,那就是碳和其他原子相结合所需要的能量比硅原子要小得多,仅仅依靠闪电所提供的能量就足以形成化学键了,这一点在缺乏催化剂的地球“原始汤”中是一个很关键的优势。

正是由于以上这些原因,大自然最终选择了仅占地壳总质量0.05%的碳原子作为组建生命的原材料,而不是含量比碳多100倍的硅。事实上,如果刨去水分,只算干重的话,绝大部分地球生物体重的五分之一都是碳。


产科医生给怀孕患者讲解B超结果
产科医生给怀孕患者讲解B超结果

接下来一个很自然的问题就是:生命为什么一定要有水呢?答案同样和水分子的某些特性有关。液态水是个万能溶剂,大部分有机或者无机分子都可以溶于水中,这就相当于为不同分子提供了一个见面的机会。更重要的是,水的冰点很低,沸点又很高,因此水分子能够在很大的温度范围内(0~100℃)保持液态,这一点是宇宙间绝大部分物质都无法做到的。事实上,按照地球现在的温度,只有水能够长期保持液体状态,如果换成别的分子,要么全部冻成了固体,要么全部化成了蒸汽,海洋就不会存在了。

如果我们把生命看成是宇宙的创造,那么仅从有机物的生成过程就可以看出,这个创造过程需要三个必要条件,缺一不可:首先需要有不同种类的原材料,如果太阳系还像早期宇宙那样只有氢和氦这两种元素,有机物是不可能形成的。其次是需要一个超级连接者,有能力把这些原材料连接到一起,创造出全新的组合,碳原子很好地扮演了这个角色。第三是需要一个液态环境,既能保证不同的分子之间可以随机碰撞,又能让碰撞产生的新组合保持一定程度的稳定性,否则的话,创新是没有办法保留下来并发扬光大的,这就是为什么气态星球上不太可能有生命存在的原因。

简而言之,生命不需要神来创造,只要提供一个能够让不同的原子自由交流的液态环境,就有很大的概率创造出生命。事实上,创造生命的这三个必要条件在解释人类创造力时也都会派上用场,两者在很多地方都是相似的。

看到这里也许有人会问,如果米勒和尤里当初把那个实验继续进行下去,是否能在玻璃瓶里制造出真正的生命呢?答案是否定的,因为甲烷、氨气和氢气之间的碰撞虽然有可能撞出氨基酸,但绝对不可能撞出一朵花来,后者的成分虽然也就是碳、氢、氧、氮、硫、磷等寥寥数种,但其复杂程度比氨基酸大了好几个数量级,不可能一步到位。

为了解释这一现象,美国进化生物学家斯图尔特·考夫曼(Stuart Kauffman)于2002年提出了“相邻可能”(Adjacent Possible)理论,大意是说,任何复杂生命都不可能从简单生命直接进化而来,而是只能一点一点地改变,每一次只能进化到和原来相邻的某个地方,比如从氨基酸只能先进化到多肽,然后才能进化出蛋白质。这就好比说有人想进故宫找皇帝,他只能先跨进午门,再跨过太和门,穿过太和殿,找到乾清门……他不可能从天安门广场一步跨进御花园。

对比一下神创论,不难看出两者最大的不同就是宗教信徒们相信造物主事先拿到了整个故宫的地图,然后造了架飞机,直接从天安门广场飞进了御花园。考夫曼不认为这张地图是存在的,他相信进化本身是没有目的的,而是一个随机变化的过程,每一步都可能走向东南西北任意方向,所以谁也无法预见未来。

美国历史学家史蒂文·约翰逊(Steven Johnson)在《好主意来自何处》(Where Good Ideas Come From)一书中借用了考夫曼的观点,提出人类的创造过程也遵循这一原则,所有伟大创意都是由无数个简单创意一点一点累积而成的,每一个新的想法都和当时已有的旧想法非常相似,每次只能进步那么一点点,不可能一下子跳跃太多。

在约翰逊看来,“相邻可能”理论最有趣的地方在于,它为人类的创新规定了潜力和边界。一方面,该理论证明创造力不是凭空而来的巨大飞跃,而是受到周围环境的严格限制。在任何一个给定的时刻,可能出现的创新都是有限的。另一方面,该理论证明只要这个过程可以不断地继续下去,我们就可以一步一步地创造出任何伟大的东西,因为我们的每一次探索都会扩大领地的外延,可供探索的新领地又会出现。这就好比说一间房子只能开4扇门,你从其中任意一个门走出去,又会进入新的房间,发现4扇新的门……如此这般延展下去,一间房就慢慢变成了宫殿,继而变成了城市和国家,人类就是这样一步一步扩展自己的边界,最终创造出了今天这个崭新的世界。


哥伦比亚猛犸象和野牛漫游北美古老的平原
哥伦比亚猛犸象和野牛漫游北美古老的平原

物种的进化
上面是从化学的角度对进化过程所做的分析,下面我们再从生物学的角度看一看物种进化到底是如何发生的。

有限的化石证据表明,最早的生命出现在35亿年前,那时地球刚刚过完10亿岁生日,地表环境要比现在恶劣得多,但生命居然迫不及待地早早登场了,这就进一步说明,只要满足上述三个条件,生命的出现是一个大概率事件。

地球上的生命也许独立地诞生过很多次,但无数证据表明,如今生活在地球上的所有生命都源于同一个祖先,科学家称之为“卢卡”(Last Universal Common Ancestor,缩写LUCA),其余的那些尝试显然都失败了,没有留下任何后代。

卢卡进化出来之后发生了什么?这个问题目前还有不少争论。根据现有的证据,卢卡很快就分成了相对独立的两支,一支是细菌(Bacteria),另一支叫作古细菌(Archaea)。虽然中文名字里都有“细菌”这两个字,但它们的英文名字是完全不同的,说明两者在很多基本的地方有差别,属于两个不同的界。

这两种细菌一直活到了今天,从进化角度来看应该算是地球上最成功的生物物种了。要知道,在这漫长的35亿年的时间里,地球环境经历过无数变化,甚至连大气主要成分都变了,这两种细菌是如何应对的呢?答案就是基因的突变和交流。基因是生命的图纸,基因突变就是不断更新图纸,总有一款适应新的环境。但光有基因突变还不够,因为突变的速度太慢了,跟不上环境的变化,所幸细菌又进化出了相互交换基因片段的能力,使得基因图纸产生了成千上万种不同的排列组合,这就进一步增加了细菌的多样性,以及适应新环境的能力。

换句话说,细菌是通过不断地更新自己来适应不断变化的环境,这一点恰好就是创造力的核心定义,即通过新的发明创造来使创新者更好地适应新的环境。

但是,在生命诞生后的头15亿年里,无论细菌还是古细菌都没有发生太大的变化,仍然属于体积微小的原核生物。如果外星人在这15亿年里造访地球,他们肯定不会对地球留下太多印象。大约在距今20亿年前,地球上发生了一件看似毫不起眼的事件,一个古细菌把一个细菌吞了进去。其实这样的事情每时每刻都在上演,不过每一次都是以被吞噬的细菌被杀死而告终。但这一次这个细菌活了下来,和宿主形成了一种彼此相互依赖的共生关系。大家千万别小看这件事,那个被吞的细菌逐渐演变成了线粒体,专门负责提供能量,没有了后顾之忧的古细菌则越变越大,体积扩大了上万倍,终于变成了大家十分熟悉的真核细胞。

寒武纪被子植物化石
寒武纪被子植物化石

此后又经历了几亿年缺乏变化的日子,第一个多细胞生物出现了,从此生命的体积加速膨胀,外星人终于可以不用借助显微镜就能看到地球生物了。之后才有了距今约5.5亿年前发生的那次寒武纪物种大爆发,如今地球上绝大部分肉眼可见的生物的原型都是在那次大爆发之后出现在地球上的,其中就包括哺乳动物。

我们不必理会这几次变化的细节,只要从创新的角度审视一下,就不难发现其中的关键所在。原核细胞时代的生命进化源于基因信息的交流,细胞之间仍然是相互为敌的,所以创造力有限,很长时间都没有大的变化;真核细胞的出现源于一次罕见的细胞间合作,结果这次合作开启了一个全新的时代,生命的复杂性陡增;多细胞生物的出现则标志着细胞间合作成为常态,从此进化的速度呈现指数级增长,生命终于迎来了质的飞跃,我们人类就是这次飞跃的产物。

生命的进化过程说明了一个道理,那就是相互合作才是创新的最佳途径。真正伟大的创新,都是由若干个不相干的领域彼此融合后产生的,光靠一个人单打独斗是不行的。

类似的理念在真核生物界被坚持了下来,性就是这一理念所导致的必然结果。虽然无性生殖的速度要比有性生殖快很多,但自然选择显然更加青睐有性生殖,因为有性生殖把基因交流制度化了,这就保证了创造力得以永远延续下去。

神创论者不相信生物仅仅依靠基因突变和重组就能进化出像翅膀这样复杂而又精妙的器官,因为他们认为半个翅膀是没有用处的,所以翅膀一定是事先设计好的,不可能是从无到有一步一步逐渐进化而来的。但事实证明,鸟类的翅膀真的是由恐龙的前肢一步一步进化而来,某些恐龙的前肢进化出了半月形腕骨(Semilunate Carpal),这种结构让它们的前肢变得异常灵活,在捕猎时很有优势。此后,其中一些恐龙为了保暖,又进化出了羽毛。覆盖着羽毛的灵活前肢只要再往前走一步就很容易变成翅膀,鸟类就是这样进化出来的。

换句话说,大自然更像是补锅匠,而不是设计师。进化的过程更像是废物的循环利用,而不是新产品的生产,这就很好地解释了为什么人体的很多器官细究起来都不那么完美的原因。

需要特别指出的是,以上所有这些创新手段,本身都是盲目的。生命只需构建一个信息自由交换的平台,以及一個允许在一定范围内试错的机制就可以了,并不需要事先安排一个设计师。首先认识到这一点的正是达尔文,这就是他最伟大的地方。此前人们看到长颈鹿伸着脖子吃树叶,都会想当然地觉得如此奇妙的创造只能来自于造物主,或者像拉马克猜测的那样,来自于某个神秘的“内在进步动力”。只有达尔文看清了创造力的真相,意识到生物进化就是不断探索“相邻可能”的试错过程,大自然只不过是提供了一个对错误进行适当惩罚的机制而已。

人类的智慧和身体一样,都是大自然的一部分,人类的创造力同样可以用上述法则加以解释。前文提到的简化版的创造力三阶段理论和达尔文提出的自然选择理论本质上是相同的,即先要有很多不同的基因(知识储备),然后这些基因通过突变或者杂交产生出全新的组合(洞悉时刻),最终再由大自然(创造者或者公众)负责筛选,留下好的,淘汰差的。由此看来,希斯赞特米哈伊和达尔文这两个不同时代的智者最终殊途同归。

不过,人类创造力和生命进化在一些细微的地方还是存在很多差异的,下面我们就来逐个探讨一下人类创造力的诸多细节,看看能否揭示出创造力诞生的奥秘。

结语
如果说生命是宇宙最伟大的创造,那么银河系里到底有没有其他智慧生物呢?英国萨塞克斯大学(University of Sussex)天体物理学教授约翰·格里宾(John Gribbin)认为不太可能,因为形成生命的条件极为苛刻,智慧生物的产生条件更是苛刻到近乎为零的程度。

首先,生命的诞生需要很多不同元素的参与,距离银河系太远的星系形成时间过早,几乎全部由氢和氦组成,不太可能出现生命。距离银河系中心太近的星系会受到高能粒子的轰炸,同样不太可能孕育生命。所以在银河系这个圆盘当中只有距离中心2.3万~3万光年远的环形带内具备生命形成的条件,这个“生命带”只相当于银河系半径的7%,内部含有的星系数量只占银河系星系总数量的5%。太阳系距离银河系中心有2.7万光年,正好位于“生命带”的中间,相当幸运。

其次,地球在太阳系里的位置也相当重要,太近太远都不会有液态水,因此也就不会有生命。另外一件概率极低的事件是月球的形成,目前的理论表明月球形成于一次撞击事件,此事导致了两个结果:一是地球中心含有大量液态金属,形成了保护地球的磁场;二是月亮的存在稳定了地球轨道,使得地球的气候相对稳定,否则生命也在劫难逃。

再次,虽然生命在地球形成早期就出现了,但在此后的30亿年时间里一直是以单细胞的形式存在的。具备高级智慧的人类只有不到20万年的历史,这说明高级智慧的生成是一个极小概率事件。事实上,在距今15万年前和7万年前,地球先后经历过两次规模巨大的火山喷发事件,把当时的人类种群数量降到了只有几千人的水平,这个数字放到今天一定会被视为濒危物种的,我们算是侥幸逃过一劫。

换句话说,人类的出现是一件极为幸运的事情,但我们今后不太可能总有这么好的运气,肯定会遇到各种难以预估的极端灾难,人类这个物种到底能否延续下去,就看我们的创造力能否跟得上了。这就是为什么我们必须认真研究人类创造力的产生过程,想尽一切办法将这种天性发挥到极致,帮助我们渡过必将到来的难关。

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