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重新认识拉马克进化

发表时间:2020-03-04 08:25:00  来源:野望文存  浏览:次   【】【】【
——我读凯文·凯利(三)
文/姚斌



进化论中的“学习”,指的是通过改变行为来不断探索种种可能的适应性。科学研究显示,会学习的生物族群,要比那些不会学习的生物族群更快地进化;能够将学习和进化融为一体的生物,要比那些只学习或只进化的生物更能成功,它们会繁育出更有适应力的族群。行为和学习都是遗传进化的动因之一。

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在这个问题上,凯文·凯利最推崇的并非是达尔文进化,而是拉马克进化论。拉马克是第一个提出生物进化理论的科学家,他肯定了生物的变异和进化,认为进化具有方向性,环境对生物进化具有关键作用。他提出了两个法则:一是用进废退,一是获得性遗传。然而,在达尔文的《物种起源》出版后,拉马克学说因为不能得到生物学证据支撑而逐渐被达尔文学说所取代。

凯文·凯利也指出拉马克系统的缺陷,这个缺陷在于,对于任何一个有利的变化,都需要回溯到胚胎发育期的基因构成,生物学上的拉马克进化受困于一条严格的数学定律:求多个质数的乘积极其容易分解,但分解质因素则异常困难。拉马克学说之所以没有在生物界中真正存在过,就在于它需要一种不可能存在的生物解密方案。

可是,在计算机的人工世界里,拉马克进化是有效的。在拉马克模式中,当改良了的躯体代码的幸运儿被选中进行交配时,它能使用后天获得改良代码,作为其交配的基础,这就好比铁匠能将自己粗壮的胳膊传给后代一样。就考量的复杂问题而言,拉马克系统的解决方案要比达尔文系统强上两倍,最聪明的拉马克个体比最聪明的达尔文个体聪明得多。拉马克进化的特点在于,它可以把种群中的“白痴”非常迅速地排挤出去。

从数学意义上来说,拉马克进化注入了一点学习的要素。学习被定义为个体在活着时的适应性。在经典的达尔文进化中,个体的学习并不重要,而拉马克进化在允许个体在世时所获得的信息(包括如何增强肌肉、如何解方程)可以与进化这个长期的、愚钝的学习结合在一起。拉马克进化能够产生更聪明的答案,因为它是更聪明的搜索方法。

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意大利米兰的科学家们将自己的搜索方法称为蚁群算法。他们看到,一个蚁群包含了百万只工蚁和数百只蚁后。它们能建起一座城市,尽管每个个体只是模模糊糊地感觉到其他个体的存在。它们能接成群结队的穿过田野,找到上佳食物;能排成协调的并行行列,穿行在草木之间;知道如何调节温度,并共同使其巢穴保持恒温。

蚁群智愚而不可测量,视短而不及远望,却能够迅速找到穿越崎岖地面的最短路径。这种计算正是对进化搜索的完美映射:一群无知而短视的个体们在数学意义上崎岖不平的地形中同时作业,试图找出一条最优路径。这种算法正是拉马克搜索的一种形式。

当某只蚂蚁偶然发现一条短路径,这个信息通过信息素的气味间接地传播给其他蚂蚁。这样,单只蚂蚁毕生的学习所得就间接地成为整个蚁群信息遗产的一部分。蚂蚁个体把它学习到的知识有效地传播给自己的群体。与文化教导一样,传播也是拉马克搜索的一部分。生态的相互作用就是并行的最优化技术,进化能够想出我们穷尽一生也无法想清楚的并行编程。人类就应该只做自己最擅长的工作:那些小而灵的、快而精的系统。让自然进化去做那些杂乱无章的大事。

真实的世界是一个充满风云莫测的世界,是一个千变万化的世界。生存在这个世界里需要一点模糊、松弛、更多的适应力和更少精确度的态度。小而专且正确的程序就像蚂蚁,对身处的世界茫然无知,而反应灵敏的程序往往是失控的庞然大物。与其正确,不如灵活和耐久。

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在一个复杂的系统中,生存变得越来越重要,同时也越来越困难。要想在日复一日的复杂系统中存活下来,就意味着必须能够适应和进化,而这需要做更多的工作。进化能使我们超越自身的规划能力,能雕琢出我们做不出来的东西,能达到更完美的境界,能看护我们无法看护的世界。但是,进化的代价就是“失控”,这也是凯文·凯利《失控》这部巨著的含义。唯有进化能应付复杂性,但进化却不受我们节制。因此,必须放弃某种控制。

大自然之所以能产生令人震惊的多样性,是因为它在本质上是开放的,生命最早的发现之一是如何创造新的基因、更多的基因、可变的基因,以及一个更大的基因库。生命的特征之一是它不断的拓宽自身的生存空间。进化不在于它有没有意义,而在于它管不管用。进化不仅仅是优化,它能够超越优化并创造新事物来加以优化。

进化作为一种工具,特别适合于三件事:如何到达你想去又找不到路的领域;如何到达你无法想象的领域;如何开辟全新领域。真正的优化是要闯出一片未知的新天地,而不是仅仅在感兴趣的变异中打转。进化是随着时间推移而递增的变化,我们周围几乎所有的变化都是递增的。灾难性巨变很少见,长期持续性的灾难性变化更是闻所未闻。

在此情况下,拉马克进化优势巨大。当羚羊需要跑得更快以逃脱狮口时,它可以利用身体到基因的交流方式引导基因制作快腿肌肉,再把更新后的基因传递给后代。这样一来,进化的过程将大大加快。拉马克是生物学十有八九需要一种高度复杂形式——一种智能,而多数生物的复杂性都达不到这个水平。在复杂性富足到可以产生智能的地方,比如人类和人类组织,拉马克进化不仅是可能的,而且很有益。

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达尔文进化论认为,新的物种是通过不间断的、渐进的、独立的和随机变异的线性过程形成的。然而,一些科学家认为,达尔文进化论中具有显而易见的不完整性。达尔文理论的错误,在于它忽视了一些东西,又错误地强调了另外一些东西。因为生命所包含的东西,不仅仅是达尔文主义所说的那些东西。达尔文主义者并不排斥达尔文所贡献的理论,他们想要做的,只是要超越达尔文已经做过的东西。事实上,仅凭达尔文学说来解释我们的所见,已经不敷应用。

达尔文并没有提供某种具体的机制来解释自己提出的自然选择是如何发生的。当然,他对那时刚出现的遗传因子研究一无所知。直到基因和后来的DNA概念被发现确立,达尔文的理论才真正站稳了主导地位。实际上,对于达尔文理论的弱点,没有人比达尔文更清楚。达尔文曾经主动提供一个事例来说明他的理论所遇到的困难,那就是高度复杂的人眼。

我们在驯养繁育的过程中,已经看到了微进化式的变化——那些具有特别大的豆荚的豆子会繁育出具有更大豆荚的豆子,或者,比较矮的马会生出更矮的马。如果我们把这些因为人工选择而造成的微小变化推广到数百万年长的尺度上,那么当我们把所有这些细微的差异累加起来的时候,我们看到的就是一个根本性的变化。这种变化,达尔文说,就是让细菌变成珊瑚礁和犰狳的变化,也就是累进的微小变化。而新达尔文主义想要我们做的,就是把这种微小变化的逻辑合理性进行扩展,一直扩展到能够适用于地球和自然史这样一个尺度的空间和时间的地步。

达尔文的进化论,即自然选择可以扩展到解释所有生物,是基于逻辑推断。但是,凯文·凯利指出,合乎逻辑的东西未必是实情。合乎逻辑只不过是成真的必要条件,但并不是成真的充分条件。科学哲学家卡尔·波普认为,因为不能证伪,所以新达尔文主义根本不是什么科学。

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达尔文进化作为一个学习过程,不仅缓慢而且愚钝。它的问题在于要有足够的进化时间,可是谁能等上100万年?科学家们在将人工进化注入到制造系统的实验中发现,要加快事物的进化速度,一个办法就是向其中加入学习。学习加上进化,正是文化的一剂配方。通过学习和行为将信息传递给基因,是遗传同化;反之,由基因将信息传递给学习和行为,就是文化同化。人类历史就是一个文化传承的过程。随着社会的发展,人类的学习与传授技能与生物学意义上继承的记忆与能力是遥相呼应的。

基因和文化的耦合是如此紧密,以至于基因和文化不可分离的连为一体。任何一个发生变化都将不可避免的迫使另一个也发生变化。文化进化能塑造基因组,但也可以说基因对文化存在必然的影响。基因变化是文化演变的先决条件。如果基因的灵活性不足以适应文化的变迁,就无法在文化中长期生根。而没有了文化,人类也就失去了独有的天赋。一个不那么恰当的证据是,我们无法把由动物养大的狼孩培养成有创造力的成年人。文化和生物行为互惠互利、互为依存,如同所有的共同进化一样,它也遵循了正反馈和收益递增的法则。

在文化引导下的生物,从生物本质上更适于从事学习、生产和适应等工作,而且是以文化而非生物的方式。这意味着,我们之所以拥有能创造文化的大脑,是因为文化需要并产生出这样的大脑。从学习和知识积累的角度看,文化是一种自组织行为,它以生物性为代价来做大自己,正如生命无情地侵入物质并将其据为己有一样,文化也将生物性据为己有。

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由此,凯文·凯利宣称,文化修改了我们的基因。他的证据是从史蒂文·古尔德那里得到的。古尔德说,人类自25000年前克鲁马努人以来,就没有发生任何形态上的变化。另一方面,生物退化的速度之快却令人咂舌。栖息在全黑洞穴里的蜥蜴和老鼠据说随时都可能丧失它们的视觉功能。

当我们仔细查阅历史记录时,未见有野外进化出新物种的记录。而且,最值得注意的是,人类在对动物的驯养过程中也未见到任何新的物种出现。在这其中,在对数亿代果蝇的研究中从未见有新种果蝇出现,而人们为了诱发新果蝇物种的形成,已经有意对果蝇种群软硬兼施地添加了环境压力。

尽管一些化石记录已经无可争辩地展示了达尔文的重要论断——久而久之,性状变化会累积到后代的身上,但却未能证明这些变化可纯粹归功于自然选择,甚至没有证明变化应主要归功于自然选择。古尔德认为是进化那令人难以置信的瞬时性将确切的变化阶段从我们眼中的化石记录移走了。不管他的理论正确与否,证据表明,存在某种自然的制约因素,阻碍了微小变化的原则。

法国进化学者埃尔·格拉斯说,变异是一回事,进化完全是另外一回事。两者之间的差异怎么强调都不过分。变异提供了变化,但不是进步。所以,尽管自然选择也许形成了微变,但却没有人能担保它可以形成宏变,即向着日益发展的复杂性自由地创造出无法预料的新形态和进程。

1988年,哈佛大学遗传学家约翰·凯恩斯和他的同事发表了大肠杆菌受环境影响诱发突变的证据。他们断言,在某些特定的条件下,这些细菌会自发产生所需的突变来直接响应环境压力。凯恩斯认为,不管是什么导致了这种定向突变,实际上都提供了一种获得性遗传机制。而这恰恰就是拉马克进化论的观点。而另外一位分子生物学家拜瑞·豪尔印证了凯恩斯的发现。豪尔所培养的大肠杆菌不仅能产生所需的突变,而且其变异的速率与按照随机理论统计得出的预期值相比要高约一亿倍。有一些定向变异很复杂,以至于需要同时在两个基因上发生突变。他把这种称为“极小可能发生事件中的极不可能”。这些奇迹般的变化,不应该是自然选择下的一系列随机累积的结果。

拉马克进化的优势是如此显著,以至于大自然找到使其发生的方式。在达尔文进化中,进化无时无刻不在细察这个世界,不仅仅是为了找到更适合的生物体,更是为了找到提升自身能力的途径。它每时每刻都在寻求在适应性上有所寸进。这种不断的自我鞭策形成了一个巨大的压力,迫使其提高自身的适应能力。进化搜寻的行星表面,寻找让自己加快速度的方法,使其更具灵活性和进化性。这并非出自它的主观努力,而是因为不断加速的适应性就是失控了的轨道,它行驶向上,身不由己。

随着动物不断进化出复杂行为,进化开始从达尔文的枷锁中挣脱出来。动物们能对外界刺激作出反应作出选择,还能够迁徙到新环境和适应环境的变化,这些都为拉马克进化创造了条件,随着人脑的进化,人类创造了文化,文化又催生了真正具备获得性遗传的拉马克进化。


责任编辑:廖金声