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从引力到生物演化:献给自然选择的赞歌

发布时间:2019-02-12 16:08:24 来源:新浪科技 责任编辑:caobo

北京时间2月12日消息,物理学家会谈论构成宇宙的物质之间的4种基本相互作用——常称为宇宙基本力。这4种力中最强的是强相互作用,又称强核力,可以抵抗质子之间强大的电磁力(质子的正电荷会互相排斥),保持原子核的稳定。

第二种基本相互作用便是电磁力,比强核力弱137倍,但它能使具有相反电荷的物质相互吸引,带相同电荷的物质相互排斥,这就造就了原子、分子甚至组成细胞的基础构件——蛋白质——具有独特的三维结构。第三种基本相互作用是弱核力,大小只有强核力的百万分之一,可以改变夸克的“味”,并使核聚变反应成为可能。

弱核力或许配得上更好的名字,因为最弱的力并不是它,而是引力。引力只相当于强核力的6/1,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,它对质子、夸克和其他亚原子粒子相互作用的影响接近于零。当你用冰箱贴把桌面上的钥匙圈吸起来时,磁铁的磁力可以很轻松地克服地球引力。在亚原子尺度上,引力的作用可以忽略不计。

然而,引力与其他基本作用力相比如此微弱的唯一原因,其实是我们还没有放大到能够揭示引力真正作用的质量和距离。我们需要使用望远镜,而不是粒子加速器,才能感受到引力引导物质间相互作用的实际能力。当我们研究微小物体间的相互作用时,它们之间的距离非常短,此时引力就成为唯一无关紧要的基本相互作用。但是,当我们研究的是距离遥远且质量较大的物体时,引力便是它们之间唯一的相互作用。

每当物体的质量增加100倍时,引力对其粒子的影响就会增加10倍。因为像行星和恒星这样庞大的物体没有净电荷(它们所有组成部分的电荷差不多都相互抵消了),因此能在遥远距离上起作用——总是吸引,从不排斥——的引力就导致了它们的相互作用。当一个物体变得足够大(大约100倍木星的体积)时,作用于构成该物体原子的引力可以使物体的粒子保持为球形,即使当这些粒子间的弱核力已经使物体中心变成了一个核聚变反应堆。在宇宙中,引力使物质聚集而形成天体,同时也让天体之间相互吸引,形成按轨道运转的天体系统。

自然选择是生物演化的基本过程之一,与引力有一些共同之处:一个公共关系问题。在某种程度上,自然选择就像引力一样,看起来很“木讷”。当你近距离观察造就人类的微小组分(组成人类基因组的DNA序列)以及它们如何以自己的方式排列时,自然选择似乎做不了什么。其他演化过程,比如突变、迁移和漂移,似乎对人类的基因组产生了更为强大的影响。就此而言,明显的非演化事件——一次性的饥荒、寒潮、洪水和大火等——可以在任何给定的时间点对物种命运产生比自然选择更强大的影响。

然而,当你从更高的角度来审视生命演化时,自然选择却是唯一起作用的演化力量。这是因为自然选择是唯一可以产生设计的演化力量。和引力一样,自然选择的作用均匀而持续。在漫长的时间中,自然选择根据一种不可违逆的标准来筛选基因:它使那些擅长提高自身增殖率的基因变得更加流行,使不擅长提高增殖率的基因没那么流行。

正如英国生物学家兼科学传播作家理查德·道金斯(Richard Dawkins)多次以不同方式描述的那样,基因通过将自己隐藏在各种非常酷的特征和诡计——线粒体、核糖体、特化细胞、手臂、腿、眼睛、耳朵、神经元、大脑、信仰、欲望——之中,来改变自己的增殖率,进而逐渐改变了这个世界。那些提高基因复制率的特征会得到保护并愈发复杂精细,而那些降低复制率的特征则被逐渐消除。基因筛选过程只根据一个标准——该基因能否产生促进其在种群中增殖,或者减缓其增殖的表型效应?通过这一过程,生物体不断积累着设计。

其他任何演化力量都无法产生这种复杂的功能设计。自然选择的这种基因筛选的结果就是,各种生物最终看起来就像是“生存天才”,在它们适应的环境中蓬勃发展。细菌、鸟类、蜜蜂、蝙蝠、熊、蟒蛇等等,都是自然界中的天才。

作者简介:迈克尔·麦卡洛(Michael McCullough)是迈阿密大学的心理学家,负责管理演化与人类行为实验室,主要研究人类社会行为的认知基础。本文节选自他即将出版的书《我们为什么在乎:陌生人世界中的慷慨之谜》(Why We Give a Damn: The Enigma of Generosity in a World of Strangers)。