自然选择的背后有什么数学原理?

当爱因斯坦被问及,宇宙中最强大的力量是什么?这位最能代表“天才”二字的思想巨人说:“复利”。

复利是一种很简单数学原理,现在初中学生都已经开始演算此类习题,每个去过银行与存款打过交道的人都接触过。某人开始存入银行一笔钱,即使利率不太高,只要经过足够的时间——这段时间往往比人们想象的要短很多。这笔钱就会因为“利滚利”而变得庞大,比如你在最初存入1000元本金,按年利率3.25%计算,靠着这笔存款你只需要再活217岁就会成为百万富翁;如果按年利率7%来算,当你点燃104根生日蜡烛时,不用许愿,天上就会飘落下一张百万存单。对了,所谓复利就是利滚利,它也是自然界变化最根本的数学关系之一。大到宇宙变迁,小到原子裂变;简单像黄世仁、夏洛克们高利贷者的账本;复杂如生命演化,无一不是遵从复利之利滚利法则而形成的。

“自然选择”也是复利这一简单的数学原理在起作用,对于拥有某种特定优势性状的个体而言,这种对生存有一定优势的特定性状就是那“不太高的利率”,在这个优势性状作用下,只要过一段比人们一般认为还要短的时间(世代),个体就能繁衍出巨大的数量。这种优势不但给它们争取了种间斗争的生存空间,而且也压制了种内其他同类的生存、繁衍机会,使那些没有“小的利率”的个体将随着世代繁衍而减少甚至消失。这些“小利率”拥有者会在同类中迅速成为主流。一般来说,这个变化不会超过几百代,在地质年代意义下,这点时间不过是“一眨眼”。

生物的繁殖能力很多时候是出人意料的,具有按照几何级数增加的趋势。达尔文《物种起源》中就记述了生物学家林奈曾计算过,如果一棵一年生的植物,每年只结两颗种子(实际不存在这样低产的植物),其幼苗次年再各结两颗种子,以此类推,那么20年内就会有100万株这种植物生长着。达尔文自己也曾计算过:繁殖速度很慢的大象,按其自然增长率的最低限度,即活到100岁,其间从30岁到90岁是繁殖期,产6仔,如果幼仔都能成活的话,那么,在740-750年后,一对大象就会繁衍出1900万头后代。所以说,只要条件允许,动植物都会依靠繁殖而迅速挤占满整个适合生存的空间,同时也挤压了同类的生存空间。

一方面,具有那么一点点优势性状的个体得以保留繁衍;另一方面,无用的性状也会在自然条件下由于基因变异按固有频率发生,且具有无序性而退化或者消失。生命舞台就是在“复利累积”策划下,在生命演化的地球大舞台上出演了一幕幕精彩绝伦、多姿多彩的生物进化活剧。每个生命个体、每个物种都是进化舞台上的演员。很自然,一出出“你方唱罢我登场”的悲喜剧也会随剧情发展而跌宕起伏,令观众连声称妙。有点遗憾,能对着这幕精彩进化舞台剧报以理解而会心微笑或拍案惊奇的观众很少,只有人类。更确切地说,只有被达尔文、华莱士这样的敲钟人唤醒的人们,才能真正领略到生命进化舞台剧表面精彩后所隐藏的内在逻辑。当然,人类也能“跳出三界外”,他们即是观众,也是演员。

一个小插曲或许能让读者对“精彩之后的逻辑”有更深入的了解——

1928年,挪威籍探险船“挪威号”在南大西洋靠近南极的布韦岛(Bouvet Island)登陆,为给海难者准备给养储备建立海难补给站。船上的动物学学生吕斯塔捉到一条奇怪的鱼,它的身体几乎是透明的。吕斯塔叫这些鱼为“白鳄鱼”,仔细观察发现,这些鱼的血液没有颜色!这与教科书是相违背的,因为,教科书上说,所有脊椎动物,包括鱼类、两栖类、爬行类、鸟类、哺乳类,它们的红细胞都有血红蛋白用来携带氧,而红色的血液是因为血红蛋白中存在血红素。怎么可能存在透明鱼呢?后来人们把这种鱼叫“冰鱼”,冰鱼大约只有15种。吕斯塔的同学鲁德在研究了40年后,通过DNA知识终于为我们呈献出了疑问的答案:

冰鱼

一般来说,有两个基因与血红蛋白的合成有关,冰鱼身上的这两个基因早已经没有或没用了。其中一珠蛋白基因已经完全消失得不留痕迹,另一个基因变成了“化石基因”,仅仅以残骸片段的形式存在于DNA长链中,完全失去了效用,并且还正在渐渐消失。经过计算,在5亿年前,这两个基因还存在于冰鱼的祖先身上并发挥着作用。发生了什么事,使冰鱼产生了如此变化?

大约5500万年前,由于地壳板块运动,大陆漂移,大约到3400-3300万年前,南极洲完全脱离南美洲而四面环海,洋流也随之发生改变,使气候剧变,南极海域的温度急剧下降,某些地方的温度从20℃降到了-1℃(海水的冰点较低)以下。使生活在这一地区的鱼类面临迁徙与改变的抉择,否则其命运必将在地球大舞台上提前谢幕。迁徙看似简单,实则不易,因为每个生存空间都早已经挤满了各类生物种群,种间的生存竞争残酷程度不亚于种内的生存斗争。很多种类的鱼消失了,但其中有一小部分留守者却适应了艰难的环境,进化出了自己的生存策略。

在极地的低温环境下,如果生物体内的的血液还是如从前那么黏稠,则会流动困难。大多数南极生活的鱼类为了适应这一挑战,以降低血液中红细胞的比容来克服粘稠问题。人类的血细胞比容大约是45%,而南极鱼类则降低为15%-18%。好在低温下的水,含氧量要高很多。冰鱼则在进化之路上走得更远,将降低血液粘稠度的本领发挥到了极致。它们将产生血红蛋白的基因通过突变完全退化掉,这些鱼体内的血细胞只有1%,而且都是白细胞——它们的血管里流动的是冰水!冰鱼还为自己装备了很大的腮;失去了鳞片的外皮布满了粗大的毛细血管,拥有了更大的心脏和血液量(实际是冰水),它们成套升级了血液循环系统。这样,冰鱼就能在寒冷的南极海域生存了。为了活下去,冰鱼甚至每个细胞都必须改变。例如,生物细胞内的微管,它是重要的细胞“骨架”,一般哺乳动物如果体温降到10℃以下,微管结构就会不稳定。幸好南极鱼类的细胞微管在低温下仍然能保持正常。小小的微管改变,在基因层面上来说可是惊人的巨变,因为这牵扯到南极鱼类体内编码微管生成的基因,需要发生一系列变化。这些鱼还进化出了“抗冻”蛋白,这种蛋白结构倒是很简单,由3种氨基酸重复排列4-55次。

讲冰鱼故事的肖恩·卡罗尔做了个形象的比喻:奇迹就这样发生了,就像一台高速疾驰的赛车,冰鱼在生存赛道上的跑动过程中发明了抗冻剂;提升了汽油等级,使粘稠度大幅度降低;升级了油泵(心脏);并且一边跑着还一边丢弃那些不需要的零件——那些它们祖先传给他们的、已经运作了5亿年的基因。进化与退化都是逐步进行的,并非一蹴而就。这就是复利的力量!

“我们确实不需要重新发明轮子”。现代人可以直接学习前人留给后人的丰富科学知识,我们无需再自己从头开始做起。现在,获取知识的途径大多靠着前人著作、发达的互联网以及公共图书馆系统。学习的层次与需求不同,对知识点的诉求也有所侧重。一个人只要能保持好奇心和对知识的渴望,他自然会渐渐地随着学习的深入而不满足于网络快餐式百科,会逐步将自己的目光移向书本。——“读一读原著,它会告诉你很多。”可是,由于语言习惯、表述方式、符号使用等随着社会变化已经发生了变迁,像《物种起源》这样的至今读来仍觉兴趣盎然、口留余香的元典毕竟很少。退而求其次,人们可以通过一些科普书籍来涉猎自然与社会知识。不过,现在出版物也存在质量问题和思想导向问题,所以,“我读到的书本知识靠谱吗?”这个疑问总会萦绕于读者。“学而不思则罔,思而不学则殆” ,培养对众多出版物的基本分辨力也不存在什么捷径与守则,只有不断的“学与思”才能升级、纠错和进步。

2012年4月,一本被分类于“科普”的书《深埋的真相——人类起源、历史、前途及命运的再思考》(Deep Truth-Igniting the Memory of Our Origin History Destiny and Fate.Gregg Braden)出现在图书市场。这本书的书名和推荐语很有吸引力:“《纽约时报》畅销书作者,……其著作被翻译成27种语言,在30多个国家出版”。读完这本书颇具煽动性的引言后,翻开它的正文……

第6页有如下一段话:

……那就是尽管达尔文的研究十分缜密,文献详实,以科学方法为准则,但目前越来越多的科学证据却证明,进化论并不能解释人类的起源,也无法证明人类就是进化的结果。当然这并不是说进化并不存在或从未发生过。进化确实存在,化石记录证明,对于一些物种而言确实存在着进化过过程,但问题是当我们把从动植物身上观察到的进化过程放在人类身上时,科学事实却不支持进化论。

……

如果考虑到科学发现,进化论已经越来越无法解释人类生命的复杂性了。换言之,我们所看到的自然界中的进化过程不适用于人类。

……

然后,作者开始宣扬近年来在西方一部分人中重新流行的“智慧设计论”。不过有一点不同古希腊设计论者的地方,作者列举了很多“科学证据”和“科学家观点”,全书充斥着道金斯、达尔文、克里克、沃森、利基这些科学家的名字。凭心而论,这本书的知识点还是很丰富的,但要命的是,它披着科学的外衣对这些“知识点”极尽歪曲,摘取片段“证据”做出断章取义、以偏概全、着意曲解,发反科学之声,弹智慧设计论的老调;其迷惑性非常强,尤其合那些求有点“叛逆精神和另类思想”之人的口味。所以,之后有家长让我推荐科普书,我经常在结尾加上一句,“这本书坚决不能买。”因为一个阅读量和知识点水平没达到一定高度的中学生根本无法分辨其伪科学性,如若中毒,负作用将会持续很长时间。

敲钟人达尔文由一只蜂否定了上帝——“我不能说服自己,仁慈和万能的上帝会特意创造姬蜂(ichneumon ),并表明意图,让它们在活毛虫体内取得食物。”这当然是为了简洁而高度省略的表述。一位现代社会的美国部长从另一只黄蜂身上却看到了上帝。道金斯曾讲过一件趣事——美国原本是无神论者的某位部长给道金斯写了一封信,这位部长在读了《国家地理》杂志中的一篇文章后,改变了他的无神论观点。他读到的文章大意是,某种兰花为了成功繁殖,进化出一种“计谋”用来欺骗雄黄蜂。这种花不但长得与雌蜂相似,甚至在适当的位置也有个“生殖孔”引诱雄蜂交配,使雄蜂生殖器上沾染花粉;当这只雄蜂再与其他花“交配”时,就完成了异花授粉。部长先生读完这篇文章后大为吃惊,他认为,为了使这一“进化计谋”发挥作用,某个“方案”必须一开始就设计得完美,靠一点点累积的渐进式进化是不可能达到如此完美的地步的。于是部长幡然醒悟,一定是某种上帝创造了这个完美。进而得出结论,大洪水之前的神话确实存在。这位无神论部长从此就变成了上帝的信徒。非常遗憾,这位部长在彻底改变自己世界观之前,没有再去看一看相关研究论文,不能了解兰花——这种达尔文所钟爱的花卉,是如何一步步走向“完美伪装”的。实际上,兰花的伪装并不是一开始就完美,也无需彻底完美,它只需要骗过黄蜂的视觉即可。欺骗感官在生物界的例子比比皆是,只要强化某几个刺激感官信号就能实现完美欺骗。例如,有些鸟对“大而圆”卵的视觉追求,甚至令人睹之发笑,它趴在一个与自己身体不成比例的大而圆的石头上“孵化”,而置自己的亲生子女于不顾。人类也不见得比一只黄蜂难“骗”,很多人会对着一段色情文字或几笔勾勒出的裸体而勃起,完全不顾他所面对的无非是纸张与文字信息或是线条而已。

潜鸟经常分不清蛋与石头

“沙漠中的钟表”经常被智慧设计论者拿出来难一难科学宣讲人。“你们不是说根据热力学第二定律,事物总是向无序方向发展的吗?如果你在沙漠里捡到一块钟表,你一定会认为是某人遗留下来的,而不会认为是原子靠随机组合就能组装出一台钟表。变异不是随机的吗?你认为如此复杂和精美的人体是靠随机变异出来的?肯定有什么冥冥之中设计了人体,只是你不知道罢了。”这些智慧设计论者用忽略条件来设计提问陷阱,他们提到热力学第二定律时,有意不提“孤立系统”这个条件;在谈“随机变异”时对“自然选择”视而不见。

对于传统的宗教徒那些关于伊甸园之类的观点,用一般的中学生物知识就很容易作出驳斥,情形犹如用气锤砸花生。但当我们面对智慧设计论者的疑问时,一般性反驳就不见得那么有力了。如何回答呢?也就是说,即使不能说服那些让先入为主观念深深影响的智慧设计论者,也应该有理有据地向希望看到真相的旁观者展示进化论与现代科学研究。

作者:七是