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1700267516 第三点就是,这或许会是一个对生命合适的定义。在未来30~50年,我们要么会创造出新的生命形态,要么会发现新的生命,在火星上、在泰坦星上,或其他地方。我希望,我们能够发现完全不同于地球生命的生命,因为这将开启两个问题:第一,到那时一门普遍的生物学将会是什么样的,这一生物学会免于地球生物学的约束吗?第二,是否存在掌管整个宇宙的生物圈的法则?我倾向于认为存在这样的法则。当时,我们不知道其存在。我们甚至不知道主导地球生物圈的法则是什么。但是,我提出了三四个可能的法则,不过还没有定论。
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1700267518 所有这些都指向了一种对组织理论的需求,我们可以通过评论工作,去思考这种理论。如果你问物理学家:“什么是做功?”他会说:“做功是通过一定距离的力的作用。”比如说,当你打曲棍球时,你越加速击打冰球,你作用到它上面的力的增量就越小。这一过程的积分除以冰球运动的距离,就是你所做的功。但这个结果就只是一个数字而已。
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1700267520 但是,在任一具体的做功案例中,都有对这一过程进行数值计算的流程。这让功的一些特征遗失在其数字表征里了。彼得·阿特金斯(Peter Atkins)写的一本关于热力学第二定律的书中,他对做功的定义和我的很契合。他说,做功本身就是一件事情:能量有约束地释放。想想古老的蒸汽机里的汽缸和活塞:蒸汽往下推动活塞,把汽缸顶部的蒸汽随机转化成活塞的直线运动。在这一过程中,很多的自由度被转化成少量的自由度。
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1700267522 很明显,约束就是汽缸和活塞,实际上活塞就在汽缸里面,而且在活塞与汽缸之间还有一些润滑油,这样蒸汽就不会飘出去,活塞上还附着有一些活动杆。但是,这些约束从何而来?实际上在每一个例子中,都需要做功过程去创造约束:有些人要去制造汽缸,有些人要去制造活塞,还有些人把它们组装起来。
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1700267524 所以是做功制造了约束,也是约束进行了做功,这就是一个有趣的循环。但这个想法并没有出现在我们对做功的定义中,但在很多例子里,当然也在有机体里,这个想法在物理学上都是正确的。这就意味着,我们缺乏理论,这也指明了组织进程的重要性。
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1700267526 一个细胞的生命周期非常简单。它会在能量的释放上通过做功去建构约束条件,也还有其他类型的工作。它会构建结构。细胞并不仅只是携带信息,它们还会创造事物,直到一些特别的事情发生:一个细胞完成了一个封闭的工作任务流,创造出自己的复制品。
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1700267528 尽管哲学家康德当时并不知道细胞,但是他在200多年前曾这样说过:“一个有组织的存在能够自我组织进行繁殖整个自身,创造出更多的自身。”尽管细胞也能这样做,但这一事实在我们的物理学中并没有一席之地。它不存在于我们对物质的定义中,不存在于我们对能量的定义中,不存在于我们对信息的定义中,也不存在我们对熵的定义中。它是某种异类。它与组织、组织的繁殖、工作、约束的构建有关。所有这些都要吸纳入某种新的组织理论中。
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1700267530 通过考虑“麦克斯韦精灵”(Maxwell’s demon),我可以进一步推进上面的思考。每个人都知道麦克斯韦精灵:他设想,把一个有分隔的盒子里的快分子和慢分子分开,把快分子放在盒子的一格,通过瓣阀把慢分子放在另一格。假设有一个精灵会构建出温度梯度,并通过一个平衡装置把功从中提取出来。已经有大量的科学研究表明,在平衡状态下,这个假设永远都不会成立。所以,让我们径直走向非平衡装置,去提出新的问题吧。
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1700267532 想象一个有分隔和瓣阀的盒子。在盒子的左边有n个分子,右边有n个分子,但是左边的分子比右边的分子移动得更快。所以盒子的左边更热,可以作为自由能的一个来源。如果你把一个风车放在瓣阀附近,并打开瓣阀,就会在短时间内在盒子里从左到右产生一股风,使得风车朝向瓣阀旋转。这个系统检测到一个自由能的来源,风车背面的叶片就会因为这股风而朝向风车,然后做的功就被提取出来了。物理学家会说,精灵所做的就是一种度量,去检测自由能的来源。我提出的新问题是,精灵怎么知道要进行什么样的度量?
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1700267534 现在精灵做了一个很奇特的实验。精灵利用一个神奇照相机拍了一张照片,来度量盒子左右两边所有分子的位置。但是通过这一实验,精灵并不能推断出,左边的分子比右边的分子速度更快。如果你隔一秒钟拍下两张照片,或者如果你度量转化到盒壁的动能,你才可以做出推断,但只有一幅照片是不能做出推断的。所以,精灵是怎么知道要做什么实验的呢?答案就是,精灵根本就不知道要做什么实验。
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1700267536 让我们回到生物圈。如果一些能检测和利用新的自由能的有机体,出现了一次随机变异,并对这个有机体有益,那么它就会被自然选择机制选中。整个生物圈就是一个庞大的互相连接的工作网络,并通过做功去建造事物,这样阳光会很充分地洒下来,红杉树被创造出来,很多生物也借居于树皮上。生物圈的复杂网络就是一个连接的工作任务、约束建构等的集合。生物圈根据自然选择而运作,它能做麦克斯韦精灵做不到的事情。生物圈是我们所知的宇宙中最复杂的事物之一,这就使得我们需要一种理论,去描述生物圈所做的事情:它是怎么组织起来的?做功是怎么延续的?约束是怎么构建的?还有新的自由能来源是怎么被发现的?当前我们还没有这样的理论,完全没有。
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1700267538 现在,我致力于思考一个重要的问题。我所面对的阻碍在于,不清楚怎么去构建数学理论,所以我不得不谈谈达尔文所谓的“适应性”,然后再谈谈他所谓的“前适应性”(pre-adptation)。
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1700267540 你可以观察一颗心脏问:“它的功能是什么?”达尔文会回答说:“心脏的功能是泵血。”这没错,这也是心脏被自然所选择的原因。但是,你的心脏也会发出声音,这可不是你的心脏的功能。这种回答也导致了一种简单但令人不解的结论:一个有机体的组成部分的功能决定了整体的功能,意思就是,去分析一个有机体的一个部分的功能,你需要了解整个有机体及其环境。这是比较容易的部分。但关于有机体有一种不可分割的整体论就没那么容易了。
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1700267542 还有一个奇怪的部分:达尔文谈到了前适应性,他的意思是说,一个有机体的一部分所引发的结果,也许会在一些有趣的环境中有用,然后就被自然所选择了。那只会飞的松鼠格特鲁德(Gertrude)的童话故事就证明了这一点:大约在6 300万年前,有一只极丑的松鼠,它皮肤的赘肉把手腕和脚踝连在了一起。因为它实在太丑了,以至于同伴们都不愿和它玩耍或约会。有一天,它独自在一棵木兰树上吃午餐。旁边的松树上有一只名叫伯莎(Bertha)的猫头鹰,伯莎看了一眼格特鲁德,想要吃掉它,然后顺着阳光伸出爪子飞下来。格特鲁德受到了惊吓,从木兰树上飞了下来,在惊慌中窜逃了。它摆脱了那个稀里糊涂的伯莎,着陆后,它变成了松鼠家族里的女英雄。一个月后,它和一只帅气的松鼠结婚了,由于皮肤赘肉的基因通过孟德尔式的遗传传给了它的孩子,所以它们的孩子也拥有同样的赘肉。这大致就是我们现在有会飞的松鼠的原因吧。
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1700267544 问题在于,我们可以说格特鲁德的赘肉拥有翅膀一样的功能吗?或者,如果一个细菌里的某些分子发生了变异从而让它获得了钙电流,因此让它可以在周围区域内检测到草履虫,从而躲避草履虫,那我们可以说这些分子变异的功能就像是一个草履虫检测器吗?当然不能!在知道了达尔文的前适应性之后,你认为我们可以事先说出所有可能的前适应有哪些吗?不,我们做不到。这就意味着,我们不知道生物圈的位形空间是什么。
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1700267546 注意到这有多奇怪很重要。在统计力学中,我们从理想气体开始,其中的分子需要前后碰撞6次才能确定每个粒子的位置和动能。实质上就是从描述气体所有可能的位形和动量开始,假定给你一个六维的相空间。然后你把它分割为小小的六维的盒子,再接着开展统计力学的工作。但是,如果你一开始就假定了我们可以说清楚位形空间是什么,那我们还可以在生物圈里这样做吗?
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1700267548 我将尝试作出两个解答。第一个解答是,我们不知道达尔文的前适应性会变成什么,因为这涉及一个时间之箭的问题。经济体同样如此:我们无法在事前说会出现什么样的技术创新。没有人在300年前就能想到互联网。罗马人会用弹弓设施去抛射笨重的石头,但在那时他们一定没有制造巡航导弹的想法。所以,我不认为我们可以在生物圈或经济圈里作统计力学那样的工作。
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1700267550 如果抛开量子力学的话你可以说,这只是一个经典的相空间;你可以说,我们能够规定位形空间,因为它只是一个简单的六维相空间。但是我们不能说出有哪些微观变量,如翅膀、草履虫探测器、大脑、耳朵、听力、飞翔,而所有这些东西都存在于生物圈这个大环境中。
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1700267552 所有这些告诉我,我对自主主体暂定的定义是成功的,因为它引出了所有那些问题。我想,我正在开启一扇新的科学之门。比如说,宇宙是怎么变得复杂的这一问题,在麦克斯韦精灵里被埋藏了;生物圈是怎么变得复杂的这一问题,则被我上面所引述的理论埋藏了。我们没有这些问题的答案,我也不确定怎么去获得答案。虽然我做了如此多的努力却只是得到这样的结果,但是思考这些有意义的问题确实让我感到非常开心。
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1700267554 我开始去想象创造出一个模型,一个能够说明惯性宇宙是怎么变得复杂的模型,但同时,我也感到无能为力,我不知道如何才能事先知道,那些变量是什么。科学始于对位形空间的规定。你知道变量是什么,你也知道有哪些定律,但问题就在于,事物是怎么在这一空间中运作的?如果你无法在事前知道生物圈的变量是什么,比如微观变量,那你要怎么开始整合理论呢?我不知道这要怎么做。我理解古生物学者所做的事情,但他们是在研究历史。我们要以何为起点去谈论生物圈的未来呢?
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1700267556 我想普遍性定律是有可能存在的。我想到了4条定律。其中一条是说,自主主体要活在尽可能复杂的环境中;第二条与生态系统的建构有关;第三条与佩尔·巴克(Per Bak)提出的生态系统中自组织的临界性有关;第四条考虑的是相邻可能的想法。有可能,平均而言各个生物圈都在保持扩张状态并进入相邻可能里。通过这种方式,生物圈会增加接下来发生的事情的多样性。也许,作为一个俗世趋势,各种生物圈会最大化相邻可能性的扩展率。如果它们做得太快,就可能摧毁自己内在的组织,所以它们或许拥有内在的闸门机制。这就是为什么我称之为平均的俗世趋势的原因,因为它们会尽以最快的速度去探索相邻可能。有很多科学工作都在研究这一问题,我也一直在思考。
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1700267558 我考虑的另一个问题是,我称为共生进化组合的条件。为什么共生进化应该有效?为什么它不会在万物相互扭曲的时候扫荡一切?为什么不会摧毁所有有机体的生存方式?同样的问题可以应用到经济体上。人类怎么才能将日渐增加的生活方式的多样性和复杂性集合起来?为什么它能以普遍规则的方式发挥作用?关于共生进化的组合条件,一定有些相当普遍的定律。注意,没有人掌管着普遍规律的进化、生物圈的进化或经济圈的进化。各个系统都在通过某种方式让它们把共生进化组合起来。这个问题甚至没有被写进书里,但这是一个深刻的问题。它没有显而易见的理由要发挥作用。所以,我一筹莫展。
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1700267560 2003年11月9日
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