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生物进化会是量子态吗?新发现:进化在不同尺度下或采取不同策略

来源:未知 编辑:admin 时间:2019-05-31

  我们以为达尔文的进化论放诸四海而皆准。然而,生物学家又有了新发现:进化在不同尺度下或采取不同策略。对于体形小于1毫米的物种,起作用的可能不是自然选择,而是随机漂变。难道是一种量子效应?

  1859年,英国博物学家查尔斯·达尔文提出了震惊世界的进化论。如今,进化论早已成为生物界众所周知的黄金法则。30多亿年来,生物的发展皆遵循这一法则。自然选择决定了一切生物的存亡,无情地淘汰掉那些缺乏适应能力的生物。众生平等,无一例外。

  然而真是这样吗?根据物理学理论,微观物质与宏观物质并不遵循同样的规则:行星和苹果遵循经典物理规则,而微观世界则被量子力学支配着。量子力学颠覆了人们对日常物质的认识,充满了随机性。

  那么,生物界是否也如此呢?当长颈鹿和燕雀在进化过程中不断经受大自然的严峻考验时,地球上数以亿计的微生物和单细胞生物又经历了些什么呢?实验结果令人难以置信:微观尺度的生物似乎摆脱了自然选择的制约,它们的进化也具有随机性,宏观世界的法则失效了!这难道意味着生物进化在宏观尺度遵循经典的达尔文理论,而在微观尺度则“量子化”了?

  当然,粒子物理与生物进化之间并无直接联系。然而,越来越多的证据表明,生物的体形大小确实能够影响其进化过程。英国贝尔法斯特女王大学生物科学学院物理学家阿克塞尔·罗斯贝格(Axel Rossberg)表示:“我挺喜欢这种与量子物理之间的类比。微小物体表现出的随机性通常比庞大物体来得明显。因此,不妨把量子机制视作概率理论的一种..”

  无所不在的随机现象困扰了英国生物学家约翰·邦那(John Bonner)好多年。他在研究盘基网柄菌(Dictyostelium discoideum,一种单细胞黏菌,在必要的时候,大量黏菌能够聚集在一起形成一个多细胞个体)的过程中,一直在思考为什么这种黏菌会有如此的多样性。这位达尔文学说的忠实拥护者明白,“用自然选择以外的机制来解释这一多样性的念头是万万不能有的”。

  按照经典进化论,我们的每一个特征都是适应自然的结果..所以才会有上万种鸟类,征服并生活在这世上几乎同样多的不同环境中。不过,约翰·邦那研究的微生物尽管生活在极为相似的环境中,却有着千奇百怪的模样:放射虫(一类浮游动物)多达5万种;出现在所有水域的硅藻多达10万种;海洋原生动物中有孔虫有27万种..

  微生物种类之多令人难以想象,仅硅藻类就有约10万种,这种现象难以用“自然选择”进行解释。

  进化是怎么走到这一步的?自然选择在它们身上是如何起作用的?经典理论要怎样才能解释它们的多样性?

  约翰·邦那逐渐感到,微生物千变万化、种类如此之多的主要决定因素是随机漂变,因此他推测,自然选择并未作用于微生物。当然,经典生物学早已承认并接受随机性的存在:基因突变、生命繁殖、生物迁徙..都伴随着随机性。只是,学界认为随机性作用有限:随机性令新事物得以产生,而自然选择负责取舍。

  然而在微生物界全不是这回事。约翰·邦那猜测,一切都取决于发育的时长和复杂程度。例如,大象妊娠期为两年,胚胎发育经历多个步骤,任何一点与当下发育阶段冲突的微小变异都很可能令它无法继续生存。

  微生物则完全不同,它们的繁殖周期可以短至2小时,而且只有很少几个步骤。“随机出现的任何变异都很可能被保留下来,导致微生物从外形到内部组织都发生天翻地覆的变化。”约翰·邦那在其著作中写道,“关键因素是发育的复杂度。如果发育的步骤比较多,那么偶然出现的变异就会被排除;如果发育步骤很少,变异就会被保留,产生可观的效果。”

  无独有偶,在物理学中,也正是因为微观物体和宏观物体与环境交互作用的复杂程度不同,导致它们分别进入量子世界和经典世界。

  其他研究也为这一思考提供了材料,其中包括阿克塞尔·罗斯贝格的研究。约翰·邦那注意到了体形大小的问题,而阿克塞尔·罗斯贝格则明确地给出了一个界限:1毫米。他认为对于长度小于1毫米的生物而言,物种的概念是不存在的。导致他得出这一结论的是微生物界的另一个悖论。一般而言,一个种群的基因多样性越丰富,其拥有的物种数量就越多..然而,对于微生物而言,情况恰恰相反。

  为了弄清这一反常的由来,阿克塞尔·罗斯贝格研究了基因突变率及其对物种的影响。通过分析大量基因数据,他证明微生物的基因突变能力异乎寻常。那么,基因突变率是如何影响物种进化的呢?

  模拟显示,突变率小(大型复杂动物的特点)的生物,它们的相互关系能够以树形进化图(进化树)表示;而突变率很高的微生物,它们的演化图犹如一团迷雾,令人毫无头绪。换句话说,根本无法对它们进行物种分类。

  阿克塞尔·罗斯贝格一看到这样的结果便震惊了,他只期望一件事:同行中有谁能摆脱逻辑偏见来进行同样的尝试。他自己则继续深入研究这个问题:“我寻求用数学方法描述发生在微生物身上的这些现象——我们可以称之为形成物种的‘薛定谔方程’..这样一来,微生物与量子的近似程度就更高了。”解释一下:薛定谔方程是量子物理中用以描述粒子状态随时间演化的方程。

  我们应当怎样看待这一类比呢?这是否只是个思维游戏?两位研究人员承认它的局限性..但是,那些出人意料的发现实在不容忽视:生物根据体形大小和复杂程度的不同,被划分进两个不同的世界;随机性的重要作用;我们早已习惯的某些概念突然变得毫无意义..

  采用这样的新观念是否会帮助我们发现更多生命奥秘? 现代生物学家就像20世纪初的物理学家一样,对微观领域仍然十分陌生,每一个新发现都挑战着他们的旧观念。

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