科学家提出新的自然法则,拓展了达尔文的进化论

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  • 该自然法则指出,复杂的自然系统会朝着模式性更强、多样性更高、复杂度更大的状态演化。

  • 演化中的系统会受到对有用功能的选择。

  • 该法则适用于范围广泛的系统,从原子和恒星到矿物和生物有机体。

  • 生物系统中新特性产生的例子包括游泳、行走、飞行和思考的能力。

英国博物学家查尔斯·达尔文在1859年出版的《物种起源》一书中阐述了其进化论,提出生物物种会通过获得有利于生存和繁殖的特征而随时间发生变化,这引发了科学思想的一场革命。

时隔164年,九位科学家与哲学家于周一提出一项新的自然法则。该法则将达尔文所描述的生物进化纳入其中,视其为一个更为广泛现象的生动范例,而这一现象同样出现在原子、矿物、行星大气层、行星、恒星等层面。

该法则认为,复杂的自然系统会朝着模式性更强、多样性更高、复杂度更大的状态演化。

“我们认为演化是一个普遍过程,它适用于众多系统,无论是生命系统还是非生命系统,这些系统都会随时间推移而在多样性和模式性上不断增强,”卡内基科学研究所矿物学家兼天体生物学家、描述该法则的科学论文合著者罗伯特·黑曾(Robert Hazen)表示。该论文发表于期刊《美国国家科学院院刊》》。

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该法则题为“功能信息递增定律”,认为演化系统无论是生物的还是非生物的,总是由原子或细胞等大量相互作用的构件形成,并且存在某些过程(如细胞突变)会产生众多不同的构型。该法则认为,当这些不同构型受到对有用功能的选择时,演化便会发生。

“我们已经有许多记录完善的定律,用以描述力、运动、重力、电与磁以及能量等日常现象,”黑曾表示,“但这些定律无论单独还是综合起来,都无法描述或解释,为何在原子、分子、矿物等尺度上,宇宙会持续变得更加多样和复杂。”

例如,在恒星中,氢和氦这两种元素是约138亿年前大爆炸之后、开启宇宙的第一代恒星的主要组成成分。

第一代恒星在其核心的热核聚变“熔炉”中,合成了约20种较重元素,如碳、氮和氧,这些元素在恒星生命周期末期爆炸时被抛入太空。随后由前一代残余物形成的新一代恒星,同样又合成了近100种元素。

在地球上,生命有机体的复杂度不断提高,其中包括多细胞生命出现的关键时刻。

“试想一个由原子或分子构成的系统,它可以存在无数万亿种不同的排列或构型,”黑曾表示,“只有其中一小部分构型能够‘发挥作用’,也就是说,它们会具备某种有用的功能程度。因此,自然界恰恰偏好那些具有功能的构型。”

黑曾补充说,“功能”可能意味着一群原子形成了能够持久存在的稳定矿物晶体,或者意味着一颗恒星维持其动态结构,又或者意味着“一种生命形式学会了一种新的‘窍门’,使其比邻近生物更具竞争力”。

作者提出了三个普遍适用的选择概念:基本的存续能力;可能促成演化的活跃过程的持续性;以及作为对环境适应而出现的新特征。

这种“新特性产生”的生物学例子包括生物体发展出游泳、行走、飞行和思考的能力。人类谱系与黑猩猩谱系分化后,我们的物种得以出现,并获得了一系列特征,包括直立行走和大脑体积增大。

“我认为这篇论文很重要,因为它描述了一种以功能为根基的宇宙观,”论文第一作者、卡内基科学研究所天体生物学家兼行星科学家迈克尔·黄(Michael Wong)表示。

“提出这样一项法则的意义在于,它为理解构成宇宙的各种系统为何以当前方式演化提供了新视角,并可能使我们预测那些不熟悉的系统如何随时间发展,例如土星卫星土卫六上的有机化学,”合著者、康奈尔大学天文学系主任乔纳森·卢尼内(Jonathan Lunine)补充道,他所指的是一个正在被审视是否存在外星生命可能性的天体。

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