顶尖科学家们《PNAS》发现了自然界缺失的进化规律

著名的《美国国家科学院院刊》(proceedings of the National Academy of science)今天发表的一篇论文描述了“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。

　　

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。

“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。

作者的“law of increasing functional information（增加功能信息定律，生物通注）”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。

这项研究的第一作者、卡内基天体生物学家Michael L. Wong博士说:“这个自然法则的一个重要组成部分是‘选择功能’的概念。”

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。

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。”

共同作者本身代表了一个独特的多学科配置:三位科学哲学家，两位天体生物学家，一位数据科学家，一位矿物学家和一位理论物理学家。

Wong博士说:“在这篇新论文中，我们从最广泛的意义上考虑进化——随着时间的推移而变化——这包含了基于‘遗传变异’细节的达尔文进化论。”

宇宙产生了原子、分子、细胞等的新组合。那些稳定的组合，可以继续产生更多的新奇，将继续发展。这就是为什么生命是进化中最显著的例子，但进化无处不在。”

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(参见https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsif.2022.0810)。

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?(参见https://conta.cc/3LwLRYS，“火星上有生命吗?”其他行星吗?在人工智能的帮助下，我们可能很快就会知道。”)

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“law of increasing functional information”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)。

文章评论 

“这是一篇极好的、大胆的、广泛的、变革性的文章. ...两位作者正在探讨宇宙演化过程中复杂性增加的基本问题。其目的是寻找与已知定律一致的“缺失定律”。

“在这些思想发展的这个阶段，就像19世纪中期开始理解‘能量’和‘熵’的早期概念一样，现在公开广泛的讨论是必不可少的。”

Stuart Kauffman

系统生物学研究所，华盛顿州西雅图

Wong等人的研究就像一股清新的微风，吹过天体生物学、系统科学和进化理论的三重交汇处的艰难地形。它追随欧文Schr?dinger、伊利亚·普里高津、弗里曼·戴森和詹姆斯·洛夫洛克等巨头的脚步。特别是，是Schr?dinger提出了这个长期存在的难题:复杂性是如何增加的——而且是急剧增加的!——在生命系统中，而它们仍然受热力学第二定律的约束?在过去80年里解决这一难题的大量尝试中，Wong等人提供了可能是迄今为止最好的解决方案。”

他们的中心思想，即增加功能信息定律的表述，简单而微妙:如果系统及时生成的各种配置被选择用于一个或多个功能，则系统将表现出功能信息的增加。作者声称，这就是有争议的复杂性“缺失法则”，他们提供了一堆极好的例子。从我公认的非常主观的角度来看，最有趣的是那些生活在像泰坦这样完全不同的栖息地的生命，或者是那些以多种特征的期望导致复杂性急剧增加为特征的进化轨迹。Schr?dinger问题的正确答案在这个方向吗?只有时间会告诉我们答案，但奇怪的是，我的头脑和直觉都对这一点持肯定态度。最后，这项研究的另一个巨大优点值得指出:在这个反启蒙运动猖獗的时代，以及对思想和言论自由的无情攻击，我们当然需要更多像这样毫不掩饰的多学科和多文化项目。”

米兰Cirkovic

塞尔维亚贝尔格莱德天文台;牛津大学人类未来研究所

我们今天所认识的自然法则还不能解释我们宇宙的一个惊人特征——自然系统的“进化”倾向。正如这项研究的作者所证明的那样，随着时间的推移，复杂性和功能的增加并不是生物学所特有的，而是在整个宇宙中观察到的一种基本特性。Wong和他的同事提炼出了一套原则，为关于进化系统的跨学科讨论奠定了基础。这样做，他们的工作将促进对自然世界中自组织和涌现复杂性的研究。

Corday Selden

罗格斯大学海洋与海岸科学系

这篇题为“在进化系统中的功能和选择的角色”的论文为复杂系统的进化提供了一个创新的、引人注目的、健全的理论框架，包括生命系统和非生命系统。这个新定律的关键是功能信息，它定量地捕捉系统必须执行功能的可能性。由于某些功能确实对生物体的生存至关重要，因此该理论解决了进化的核心问题，并可以进行定量评估。我相信这篇文章还有一个优点，那就是可以与不同的科学界对话，从而找到一个共同的基础，就复杂性和进化问题进行公开而富有成效的讨论。