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复杂系统：进化的最终归宿是什么？
读者，你好。欢迎来到《进化论 50 讲》，我是王立铭。
前面的课程里，我们分别讨论了进化历史上几个有普遍意义的节点性问题，包括起源问题、增长问题和适应问题。这三个问题解决后，进化的车轮就被缓缓推动，它的前途是星辰大海，整个宇宙才是它的天花板。
从这一讲开始，我们进入课程的新模块，一起讨论生物世界里的复杂系统。
生命为什么会走向复杂？
首先，我们试图回答一个问题：在漫长的进化历程中，生命是不是一定要走向复杂？
前面课程里说过，自然选择只关注生存和繁殖的结果，对于生物到底是用什么方式生存和繁殖的并不在意。自然选择当然也不会认为复杂生物就比简单生物更高级，更有优越性。
虽然 40 亿年的进化历程中，确实也诞生了人类这样的复杂智慧生物，但与此同时，地球上还生活着难以计数的简单生物，包括细菌这样的简单单细胞生物。而这些简单生物，可能早在进化历程的开端就已经出现，但至今仍然是地球生物圈数量最多的生物。
从这个角度看，进化历史并不必然会发生从简单生命到复杂生命的跃迁。
但是从另一个角度看，在进化历史上，又确实是越简单的生命出现得越早、越复杂的越晚，看起来确实有一个生命逐渐复杂化的趋势。
比如，40 亿年前生命诞生之后，一直到 20 亿年前，地球上都只有细菌这类单细胞生物。20 亿年前后，出现了拥有线粒体的真核细胞，完成了一次复杂性的升级。到 15 亿年前后，出现了多细胞生物。10 亿年前后，出现了最初的海洋动物和植物。
5.4 亿年前的寒武纪大爆发前后，出现了今天动物世界的绝大多数门类。而动物世界里最发达和复杂的类别——哺乳动物，出现在距今 2 亿多年前。植物世界里最发达和复杂的类别——开花植物，差不多要等到 1 亿多年前才出现。
现在问题就出现了：复杂到底是不是进化的必然发展方向、必然的归宿呢？
针对这个问题，我认为，间断平衡理论的提出者之一、美国科学家古尔德给出的“醉汉回家”的解释最有说服力。
他打了一个有趣的比方：一个喝醉酒的人往家走，回家的路是一条狭窄的小道，路左边是一堵高墙，右边是一条深沟。那么你可以想象，只要这个醉汉的家足够远，他就一定会在某个时刻掉到沟里去。原因很简单，醉汉走路的时候跌跌撞撞，方向飘忽不定，可能是高度随机的。
但往左走会撞墙、过不去；往右走则会掉沟里。于是走得越长，掉到沟里的机会就越多，只要时间足够长，他就一定会掉到沟里。
套用同样的逻辑，我们会看到，生命的进化固然充满随机性，但也有一个无法继续简化的最小单元、一堵无法突破的墙，就是细菌这样的单细胞生物。
原因咱们在讨论生命起源时就说到了。生命总需要一套装置来持续的制造能量、建立和维持秩序，也需要一套装置来记录秩序信息并传递给子孙后代。
更重要的是，这两套装置必须在时空上足够接近，这样才能相互利用，因此又需要一个物理屏障把它们局限在狭小的空间内部，于是细胞膜的结构就必不可少。当然，病毒是比细菌更简单的生命，但病毒本身的生存繁殖也离不开细胞宿主。
也就是说，在细胞生命诞生之后 40 亿年的漫长历史中，进化如果往简单的方向走，会碰到一堵无法逾越的高墙，就是单细胞生物这个最低限度的复杂；而如果往复杂的方向走，则没有任何理论上的天花板。
那么，只要给定足够长的时间，就总会有一部分生物一直保持在最简单的生存状态，但也总有一部分生物会在复杂的道路上越走越远。那么从总体上看，就会出现刚才说的看起来自相矛盾的结果——
地球上可能始终是细菌这类简单生物的数量最多，但也会逐渐出现越来越复杂的生命形态，让地球生物的平均复杂程度逐渐提高。
复杂的两个构造方法：层次堆积+对称破缺
解决了复杂性为何出现，我们就可以讨论复杂性到底如何出现的问题了。对地球生命来说，想要构造复杂性，有两个基本的原则——
第一个原则，我叫它“层次堆积”。
比如 40 亿年前，蛋白质、DNA、RNA 这些生物大分子在细胞膜包裹的狭窄空间内堆积，形成了最早的细胞生命；20 亿年前，细胞之间的吞噬和共生造就了携带线粒体的真核细胞生命；15 亿年前，大量细胞堆积在一起形成了多细胞生命；再往后，个体生命的堆积形成了生物群体。
一言以蔽之，简单的生命形态聚集在一起，只要彼此间产生了某种合作机制，就有可能构造出复杂度再上一个台阶的生命形态。
请注意，伴随着层次的不断堆积，不光是组成单位的数量大大提高，它们彼此间还能发展出新的相互作用方式。
就像如果一个房间里只有你一个人，可能能想到的事情也就是吃吃饭、睡睡觉、上上网、发发呆。但如果房间里有 20 个人，你们就可以彼此间聊天、恋爱、吵架，甚至组队玩游戏。要是房间里关了上万个人，假设房间足够大的话，这群人甚至能发展出一个层级复杂、分工明确的小社会。
我们在前面讨论过的很多环境适应机制，比如负反馈、正反馈、前馈等等，都需要一定的复杂度才能被构造出来。
而想要实现这类复杂的相互作用方式，生物还需要另一个原则，我叫它“对称破缺”。
“对称破缺”原本是一个物理学概念，但今天已经被广泛地推广到了包括生物学在内的许多学科中。它的定义是，“系统内的一个微小扰动，破坏了整个系统的对称性”。
你可以想象这么一个例子：桌子上有一个完美的圆锥体，你小心的把一个玻璃球摆放在圆锥体的尖端，让它的重心正好落在圆锥体的中轴线上。这个由圆锥体和球组成的系统是完美对称的。但同时，它又是高度不稳定的，桌面的微小震动、空气的轻微拂动，都会改变两者的位置关系，让球跌落下来，打破整个系统的对称性。这个过程就叫“对称破缺”。
在生命每一个层次的堆积过程中，总是伴随着对称破缺的出现。对称破缺一次次赋予了生命体全新的复杂度。
比如我们在课程开始的时候讨论过，构成地球生物的几种重要的生物大分子——葡萄糖、氨基酸、DNA，都是具有不对称三维结构的化学物质。在自然界，它们拥有和自己分子构成完全一样、化学特性完全一样，但三维结构镜像对称的所谓“镜像”分子。就像一个人的左右手，长得完全一样，但彼此对称。
而地球生物对于镜像分子，有着惊人的选择性。只能合成和使用左手形态的氨基酸，也只能合成和使用右手形态的葡萄糖。与之对应的，合成、制造、分解、识别氨基酸和葡萄糖的一整套生物化学机器，也都有严格的左右手的选择。
这种左右手的选择在分子水平上是解释不通的。唯一可能的解释就是，在细胞生命形成的时候，地球生命恰好选择了左手氨基酸和右手葡萄糖，并因此衍生出了一整套有左撇子和右撇子倾向的生物学活动。
细胞生命出现的同时，形成了对特定镜像分子的选择，这就是一次对称破缺。以此类推，在多细胞生命出现后，生物体内部不同细胞的分工也是一次对称破缺。这些细胞都是同一个生殖细胞分裂而来的，携带同一套遗传物质，本来是高度同质化的，但可以被内外部的环境塑造和赋予不同的使命。
而在生物群体形成之后，群体内部不同个体的角色和分工，也是类似的对称破缺现象。
我们可以这样理解层次堆积和对称破缺这两个原则在构造生物复杂性中的作用：
层次堆积负责积累足够多的数量；而对称破缺在数量很大、同质性很强的群体中制造差异、分工、合作。在生物进化的过程中，这两股力量反复把生命向着更复杂的方向牵引，诞生了一浪高过一浪的复杂生命形态。
More is different：研究复杂系统需要新的思路
说到这里，我们已经证明，复杂系统的出现有必然性，也只需要比较简单的两条指导原则。但在复杂系统出现和开始运行后，如何理解它的运行规律呢？
在课程的开头，我把进化论比喻成一门放羊型理论。它的特点就是接受真实世界的复杂性，就复杂说复杂，用一套本身就很复杂的逻辑描述复杂系统到底是怎么工作的。
这一讲，我想顺着这个话题做一点延伸：为什么一个系统足够复杂时，盖楼型理论那一套研究方法——先验性、确定性、建构性——就失效了呢？
这个问题被美国物理学家、诺奖得主菲利浦·安德森的一篇论文阐述得非常清晰。这篇文章发表于 1972 年，题目就是《More is Different》，中文可以翻译成“数量增多会带来性质的不同”。这么说有点蹩脚，其实安德森自己在文章里还引用了一句我们更熟悉的话来说明自己的思想，就是卡尔·马克思说的“量变引起质变”。
安德森认为，虽然我们相信万物都能被还原为简单基本定律，但从这些定律出发，却不可能重建整个宇宙。因为大型和复杂的基本粒子集合体的行为，并不能从少数基本粒子的性质进行简单外推所得到。
事实上，在复杂性的每一个层次，都会有崭新的性质出现。他用超导、反铁磁体、液晶、生物大分子作为例子反复证明，当一个系统的复杂程度上升，对称性持续地被破坏，新的定律、概念和原理都会必然出现。
就像物理学解释了基本粒子的运动规律，但基本粒子组成分子之后就出现了新的规律，也就是化学理论，分子之间的相互作用要靠化学来解释，不能指望直接用物理来解释。反过来，想要把人体组织或机能完全还原为化学理论，也是做不到的，因为在细胞、组织、器官、人体层面，还会出现新的规律需要我们研究发现。
下节预告
这一讲我们说到，当一个系统的复杂程度上升，新的规律会不断涌现。接下来的两讲，我们就来讨论一下在复杂生物系统内部会产生什么新的规律。
我是王立铭，我们下一讲再见。
划重点
- 复杂生命是必然出现的。虽然地球上可能始终是简单生物的数量最多，但一定会出现越来越复杂的生命形态，让生物的平均复杂程度逐渐提高。
- 一个复杂系统的出现和发展，遵循两条基本原则——层次堆积和对称破缺。
- 当一个系统的复杂程度上升，对称性持续地被破坏，新的定律、概念和原理都是必不可少的。