生物演化史上的“黑洞”，可能需要物理学来填补丨展卷
科学之精要在于能够提供规律 ， 比如物理学中最迫切的问题在于 ， 为什么物理定律是这样的？使用什么样的基本规律才能推演出宇宙中已知的各种物理特性？生物学的规律性远弱于物理学 ， 尽管生物学规律不需要像物理定律那样严密普适 ， 演化生物学的预言能力还是弱得令人汗颜 。 关于演化的分子生物机制和地球的生命历史 ， 我们已经积累了海量的知识 ， 但对其中的规律性仍然知之甚少 。 在生命的历史中 ， 哪些部分是出于偶然 ， 哪些部分又有物理定律和约束条件决定？
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《复杂生命的起源》（贵州大学出版社 ， 2020年10月） 。 前往“返朴”点击“在看”并发表您的感想至留言区 ， 截至2020年12月20日中午12点 ， 我们会选出3条留言 ， 每人送书一本 。
撰文 | Nick Lane
译者 | 严曦
在生物学的核心地带 ， 存在着一个未知的黑洞 。 坦白说 ， 我们不知道生命为什么是现在这样 。 地球上所有的复杂生命拥有一个共同祖先 ， 它从简单的细菌演化而来 ， 在40亿年的漫长岁月中只出现了一次 。 这究竟是一个反常的孤立事件 ， 还是因为其他的复杂生命演化“实验”都失败了？我们不知道 。 已知的是 ， 这个共同祖先一出场 ， 就已经是一个非常复杂的细胞 。 它的复杂程度 ， 与你身上的细胞不相上下 。 这份复杂性遗产传给了你我 ， 也传给了其他所有后代 ， 从树木到蜜蜂 。 你可以试试在显微镜下观察自己的细胞 ， 并和蘑菇细胞比较 。 二者几乎无从分辨 。 我们与蘑菇的生命显然天差地远 ， 那么 ， 为什么我们的细胞却如此相似？而且并不只是外观相似 ， 所有复杂生命都有同一套细胞特征 ， 从有性生殖到细胞衰老再到细胞凋亡 ， 其机制之精巧复杂 ， 与物种间的相似程度同样惊人 。 为什么这些特征会在我们的共同祖先身上积聚？为什么在细菌身上却找不到这些特征独立演化的痕迹？如果这些特征是通过自然选择微步演化而来 ， 每一小步都带来一点点优势 ， 那么为什么类似的特征没有出现在各类细菌中？对这些问题的探讨可谓众说纷纭 ， 但学界至今没有给出令人信服的解释 。
这些问题反映了地球生命奇特的演化轨迹 。 生命在地球形成约5亿年后就已出现 ， 距今大约40亿年 。 然而 ， 此后的20多亿年中 ， 也就是地球历史一半的时间 ， 生命一直停滞在细菌水平 。 直到40亿年后的今天 ， 细菌仍然保持简单的形态 ， 虽然它们发展出丰富的生物化学代谢能力 。 所有形态复杂的生物 ， 包括植物、动物、真菌、藻类和阿米巴原虫等单细胞原生生物 ， 与细菌形成了鲜明的对比 。 它们是同一个祖先的后代 ， 这个祖先大约于20亿~15亿年前出现 ， 从外形到内在都是一种“现代”细胞 ， 拥有精细的内部结构和空前的能量代谢水平 。 所有这些新特征 ， 都由一套复杂的蛋白纳米机器驱动 ， 由数以千计的新基因编码 ， 而这些基因在细菌身上几乎从未发现 。 在复杂生命的共同祖先与细菌之间 ， 没有现存的演化中间型 ， 没有“缺失环节”来揭示为什么这些复杂的特征会出现 ， 以及它们是如何演化的 。 在细菌的简单与其他一切生命令人敬畏的复杂之间 ， 只有一片无法解释的空白 。 一个演化的黑洞 。
人类为什么会遭到各种疾病的侵袭 ， 这是一系列复杂到无法想象的问题 。 为了寻求答案 ， 人类每年都会在生物医学研究上投入巨额的金钱 。 我们现在对基因和蛋白质的关系、对生物调节系统之间的反馈互动 ， 都掌握了海量的细节 。 我们建立了精密的数学模型 ， 设计了计算机模拟程序 ， 以信息化的方式来重建这些生物过程 。 然而我们仍然不知道 ， 所有这些生物组件都是如何演化而来的！如果我们不知道细胞为什么是这样运行的 ， 又如何能指望理解疾病呢？不了解历史 ， 我们就不可能理解一个社会；不了解细胞的演化史 ， 我们就不可能理解细胞的运作方式 。 这些问题不仅有重要的实用意义 ， 它们本身也是人类要面对的终极问题：我们为什么会存在？是什么样的法则创生了宇宙、恒星、太阳、地球 ， 以及生命本身？同样的法则是否也在宇宙中的其他地方创造了生命？外星生命是否和我们相似？诸如此类的形而上之问 ， 关乎我们何以为人的核心 。 然而 ， 自人类发现细胞350年之后 ， 我们仍然不知道地球生命为什么会是这样 。
读者你可能还没注意到人类在这方面的无知 ， 这不是你的错 。 各种教科书和学术刊物上满载科学信息 ， 但绝大多数都不会探究这种“幼稚”的问题 。 我们被互联网上各式各样、良莠不齐的信息淹没 ， 难以辨别它们的真伪与用途 。 但这不仅仅是信息过载的后果 ， 就连生物学家自己 ， 对这个专业领域中心的黑洞 ， 也没有多少清醒的认识 。 绝大多数生物学家忙于研究其他问题 。 大多数学者研究大型生物、特定的动物或植物 ， 少数人研究微生物 ， 更少数的人研究细胞的早期演化 。 另外 ， 生物学界还要担心神创论者和智慧设计论的攻击 。 他们担心：承认科学家不知道所有的答案 ， 也许会让反演化论者乘虚而入 ， 让他们嘲笑自己对演化实际上一无所知 。 这种担心其实毫无必要 ， 我们对已经掌握的知识很有信心 。 生命起源和早期细胞演化理论能够解释海量的事实 ， 与其他科学知识严密符合 ， 能对未知的生物学关系进行预测 ， 并且经得起实证检验 。 我们对自然选择机制 ， 对另一些塑造基因组的随机过程都理解得非常充分 。 所有这些事实 ， 都能与细胞的演化理论互相印证 。 然而 ， 我们对事实的高度掌握恰恰凸显了一个问题：我们不知道为什么生命会以如此奇特的路径演化 。
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