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【佛学与科学】达尔文学说中的一个矛盾  

2017-06-08 08:52:20|  分类: 佛学与科学 |  标签: |举报 |字号 订阅

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【佛学与科学】达尔文学说中的一个矛盾
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如今,借助物理学,我们能预测出从大爆炸后十亿万分之一秒时的宇宙状态一直到宇宙现在的样子,但是却没人能够想象地球上第一个原始细胞的出现竟预示着人类的诞生。物理学法则似乎并不能指示演化的过程。

演化生物学家恩斯特·迈尔(Ernst Mayr)表示,生物学这门科学独一无二的特性,就来自于它的目的论和历史偶然性。而这两种特性可能都来源于它唯一遵循的指导原则——演化。演化取决于偶然性和随机性,但自然选择却令其表现出意图和目的。动物接近水源并不是受某种磁力吸引,而是出于它们内在的生存渴望。而我们之所以会长两条腿,其目的之一就是为了帮助我们走向水源。

迈尔认为,这些特性令生物学非比寻常——生物学本身就是一项定律。但是,近期,非平衡态物理学、复杂系统科学和信息理论的近期发展正在向这种观点发起冲击。

一旦我们把生物看做一种“计算机”,不断收集并存储关于不可预知环境的信息,那么繁殖、适应、能动性、目的和意义就可以被理解为物理学定律的必然结果,而不再是演化的即兴创作。换言之,物理学定律一直参与其中,并且还在不断发展。“目的性”和“意图”原先被我们认为是生命系统的本质特征,但现在看来,它可以在热力学和统计力学定律的作用下自然而然地诞生。

去年11月,物理学家、数学家、计算机科学家与演化及分子生物学家们在美国圣塔菲研究所(Santa Fe Institute)的一场研讨会上就这些问题进行了共同讨论,这里正是复杂系统科学研究的胜地。他们讨论的内容在本质上就是这一个问题:生物学特殊在何处?

当然啦,科学家们无法就此达成共识,这不足为怪。但有一条非常清晰的信息是,如果生物学的目的论和能动性背后的确有物理学原理,那么同样的概念也应存在于基础物理学的核心内容之中——那就是信息。

薛定谔认为,生物体通过捕捉和储存信息实现了这一过程。其中一部分信息就编码在生物体的基因中并且世代传递——这一套指令能帮助他们收获负熵。薛定谔并不知道这些信息储存在哪里或者是如何编码的,但他凭直觉猜测,这些信息编写在某种“非周期性晶体”(aperiodic crystal)中,这一概念令物理学家弗朗西斯·克里克(Francis Crick)和詹姆斯·沃森(James Watson)获得了灵感,他们最终在1953年发现了遗传信息在DNA分子结构中的编码形式。

在某种程度上来说,基因组就是生物体祖祖辈辈赖以存活的有用信息的一套记录——至少是一部分记录。根据圣塔菲研究所数学家、物理学家,也是研讨会召集者戴维·沃尔珀特(David Wolpert)及其同事阿特米·科尔钦斯基(Artemy Kolchinsky)的说法,这其中的关键点在于,生物体超强的适应力与环境息息相关。如果细菌能够可靠地朝食物来源的方向游动,那它就更具适应性,因此比随机游动、仅靠运气获取食物的细菌生长得更加旺盛。生物体状态及生物体生活环境之间的联系表明,二者能够共享信息。沃尔珀特和科尔钦斯基认为,正是这些信息帮助生物体躲避了死气沉沉的平衡态——正如麦克斯韦的妖精一样,生物体因为了解信息才能调整自己的行为,从周边环境的涨落中获取有用功。如果生物体无法知晓这些信息,它们便会逐渐趋于平衡态——死亡。

这样看来,生命可以被视为一种计算过程——它的目标就是最大化地实现有意义信息的储存和利用。事实上,这正是生物体极其擅长的事情。兰道尔针对麦克斯韦恶魔难题所给出的答案,为有限记忆计算所需的能量值设置了绝对下限,也就是信息消除的能量损失。当今最好的计算机的能量消耗要远比这个数值大得多,通常而言,计算机的能量消耗和耗散值是这一数值的100万倍以上。但据沃尔珀特所说,对单个细胞总计算量的热力学效率的保守估计,细胞消除信息的能量消耗仅仅是兰道尔极限的十倍左右。

他表示,这意味着,自然选择与实现计算的热力学消耗最小化高度有关,即自然选择会尽其所能来降低细胞必需工作的总计算量。换言之,生物学似乎不太在意生存问题(可能人类是个特例),他认为,到目前为止,生物学着重考虑的应该是生命计算过程的利益与代价问题。


因此,我们可以从一个新的角度来理解生物体:它们利用信息来适应环境并收集能量、逃避平衡态。这听起来可能有些拗口,而且要注意到,这其中完全没有提及基因和演化,那可是迈尔等大多数生物学家认为生物学目的和意图所依赖的根本。

那么,这种设想会给我们带来什么影响呢?自然选择所依赖的基因无疑是生物学的核心。自然选择驱动的演化过程会不会只是纯粹的物质宇宙中一系列更普遍指令中的一个特例呢?事实似乎如此。

长久以来,适应性一直是达尔文进化论的标志。但是,麻省理工学院的杰里米·英格兰(Jeremy England)却认为,复杂的非生物系统也能产生对环境的适应性。

这里所说的“适应性”的含义要比通常达尔文学说中对适于生存的有机体的描述要更加具体。达尔文学说中的一个矛盾在于,在不回顾过去的情况下,你根本无法界定某种生物的适应性。“适者”是那些最终更善于生存和繁衍的生物,但你无法提前预测什么才是适应性所需要的特质。鲸鱼和浮游生物都适应海洋生活,但二者的关联性恐怕少得可怜。

英格兰对于“适应”的定义与与薛定谔更为相近,从本质上与麦克斯韦如出一辙,即具有“适应性”的实体能够从不可预测的涨落环境中有效地吸收能量。这就像一个人能够在摇摆的船上站稳而其他人都从船上跌落了,这是因为这个人擅长根据甲板的摇动而进行调整。利用非平衡态统计力学中的概念和方法,英格兰及其同事,认为这些适应性强的系统能够吸收并耗散环境的能量,同时在这一过程中产生熵。

复杂系统能够轻而易举地进入这些适应性强的状态,英格兰说道:“热涨落的物质通常会自发地形成某种形状,以此从随时间变化的环境中获取有用功。”

这一过程完全不涉及达尔文学说所包含的在复制、突变和特征遗传机制中逐渐适应环境的过程,它甚至根本不包括复制。“让我们感到兴奋的是,这意味着,一种看似具有适应性的结构并不非得拥有通常生物学意义上的双亲,”英格兰说道,“因此,即使不存在自我复制,达尔文学说的逻辑无效,但我们可以用热力学来解释演化的适应性——只要这个问题中的系统足够复杂、足够普遍化,且敏感到能够响应所处环境的涨落。”


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