150多年前，人類就開始提出描述和解釋自然界中常見現(xiàn)象的宏觀自然法則，而最新發(fā)表的一篇論文提出了一種新的宏觀自然法則——進化是自然世界復(fù)雜系統(tǒng)的共同特征。

進化無處不在？宇宙越來越復(fù)雜？

北京時間10月17日凌晨3時許，國際學(xué)術(shù)期刊《美國國家科學(xué)院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）在線發(fā)表一篇論文，稱發(fā)現(xiàn)了“缺失的自然法則”，首次認識到自然世界運作中的一個重要規(guī)范——“功能信息增加定律”（Law of Increasing Functional Information）。

只有生命會進化？

“查爾斯·達爾文雄辯地闡明了植物和動物通過自然選擇進化的方式，”前述研究的領(lǐng)導(dǎo)者、卡耐基科學(xué)研究所地球物理實驗室的高級科學(xué)家羅伯特·M·哈森(Robert M. Hazen)說，“我們認為，達爾文理論只是一個更大的自然現(xiàn)象中一個非常特殊、非常重要的例子。功能選擇驅(qū)動進化的概念同樣適用于恒星、原子、礦物和許多其他概念上等效的情況，其中許多配置都受到選擇壓力?！?/p>

前述論文的第一作者、卡耐基科學(xué)研究所的天體生物學(xué)家（研究生命起源與演化等問題，在宇宙空間尋找生命痕跡的科學(xué)家）和行星科學(xué)家邁克爾·黃（Michael L. Wong）博士說：“在這篇新論文中，我們從最廣泛的意義上考慮進化論……包括基于‘改良后裔’的達爾文進化論?！薄坝钪鏁a(chǎn)生原子、分子、細胞等的新穎組合。那些穩(wěn)定且可以繼續(xù)產(chǎn)生更多新奇事物的組合將繼續(xù)進化。這就是生命成為進化的最引人注目的例子的原因。但進化無處不在?！?/p>

該論文的9位作者分別來自美國卡耐基科學(xué)研究所、加州理工學(xué)院和康奈爾大學(xué)等機構(gòu)，其中包括科學(xué)哲學(xué)家、天體生物學(xué)家、數(shù)據(jù)科學(xué)家、礦物學(xué)家和理論物理學(xué)家。

研究人員認為，無論系統(tǒng)是有生命的還是無生命的，一種新穎的配置如果運行良好，并且功能得到改進時，進化就發(fā)生了。復(fù)雜的自然系統(tǒng)會演變成更加模式化、多樣性和復(fù)雜性的狀態(tài)。

換句話說，進化不僅限于地球上的生命，它也發(fā)生在從行星和恒星到原子、礦物等等其他大規(guī)模復(fù)雜的系統(tǒng)中。“功能信息增加定律”指出，如果一個系統(tǒng)的許多不同配置經(jīng)歷了一種或多種功能的選擇，那么系統(tǒng)就會進化，系統(tǒng)的功能信息就會增加。

生命的進化史充滿了新奇之處：當單細胞“學(xué)會”利用光能時，光合作用“進化”了。當細胞與細胞學(xué)會“合作”時，多細胞生命“進化”了。而物種的進化得益于游泳、行走、飛行和思考等許多有利的新行為。 

同樣的演變也發(fā)生在礦物王國中。最早的礦物代表了特別穩(wěn)定的原子排列。這些原始礦物為下一代礦物奠定了基礎(chǔ)，同時也參與了生命的起源。生命的進化和礦物是交織在一起的，因為生命利用礦物質(zhì)來制造貝殼、牙齒和骨骼。

菊石。隨著地球的形成，新的地質(zhì)過程催生了1500多種新礦物。光合作用開始，鐵與含氧礦物質(zhì)的相互作用改變了古代生命。生物多樣性導(dǎo)致礦物多樣性，反之亦然。

事實上，地球上的礦物在太陽系誕生之初只有大約20種，但由于45億年來復(fù)雜的物理、化學(xué)以及最終的生物過程，如今已知的礦物數(shù)量已接近6000種。 

前述最新發(fā)表的論文稱，就恒星而言，只有兩種主要元素——氫和氦——在大爆炸后不久形成了第一批恒星。最早的恒星使用氫和氦來制造大約20種較重的化學(xué)元素。下一代恒星以前述多樣性為基礎(chǔ)，產(chǎn)生了近100種以上的元素。

宏觀自然法則

宏觀自然法則被用于描述和解釋自然界中常見的現(xiàn)象。比如，與力和運動、重力、電磁力和能量相關(guān)的自然法則早在150多年前就已被描述。而前述最新發(fā)表的論文提出了一種現(xiàn)代補充——進化是自然世界復(fù)雜系統(tǒng)的共同特征。而研究團隊認為，其特征包括：

它們由許多不同的成分組成，例如原子、分子或細胞，可以反復(fù)排列和重新排列；

受到自然過程的影響，導(dǎo)致形成無數(shù)不同的排列；

所有這些配置中只有一小部分能夠在被稱為“功能選擇”的過程中“幸存”下來。   

黃博士表示，這個新提出來的自然法則的一個重要組成部分是“功能選擇”的想法。

就生物學(xué)而言，達爾文將“功能”主要等同于“生存”——活得足夠長，以產(chǎn)生可育后代的能力。 

最新發(fā)表的研究擴展了達爾文的前述觀點，指出自然界中至少存在三種“功能”：最基本的功能是穩(wěn)定性——選擇原子或分子的穩(wěn)定排列；同樣能持續(xù)存在的是具有持續(xù)能源供應(yīng)的動態(tài)系統(tǒng)；第三個，也是最有趣的功能是“新穎性”——進化中的系統(tǒng)有探索新結(jié)構(gòu)的趨勢，這有時會導(dǎo)致驚人的新行為或新特征。

而前述“靜態(tài)持久性”、“動態(tài)持久性”和“新穎性的產(chǎn)生”，是“功能選擇”的基本來源。前述論文還提出了一個時間不對稱定律，即當系統(tǒng)的功能信息受到功能選擇時，其功能信息將隨著時間的推移而增加。

前述最新發(fā)表的理論被認為是補充了熱力學(xué)第二定律——孤立系統(tǒng)的熵（無序）隨著時間的推移而增加（熱量總是從較熱的物體流向較冷的物體）。

此外，前述論文提出了許多新想法，比如，如果生命與非生命存在與“功能選擇”有關(guān)的分界線，我們能否確定“生命規(guī)則”，從而在天體生物學(xué)的研究中區(qū)分生物分界線？這或?qū)椭祟悓ふ业赝馍?/p>