1.2 自然系統(tǒng)復(fù)雜性

1.2.1 從無(wú)機(jī)到有機(jī)——自然系統(tǒng)中的復(fù)雜性涌現(xiàn)

隨著20世紀(jì)60年代美國(guó)“阿波羅”載人飛船登月成功，阿姆斯特朗第一次踏上月球，便讓“嫦娥月宮”的傳說(shuō)失去了想象空間，月球上竟是一片死寂的砂礫塵埃。人們更是對(duì)遠(yuǎn)在地球5600萬(wàn)千米之外的火星持續(xù)進(jìn)行了無(wú)人登陸探測(cè)，僅美國(guó)成功登陸火星的探測(cè)車就有1997年的“旅居者”號(hào)、2004 年的“勇氣”號(hào)、2004 年的“機(jī)遇”號(hào)、2012 年的“好奇”號(hào)與2021年的“毅力”號(hào)。2021年5月15日，我國(guó)的“祝融”號(hào)火星登陸車在“天問(wèn)一號(hào)”著陸器裝載下成功登陸火星，如圖1-8所示，創(chuàng)下了第一次登陸就成功的歷史，也向世人揭開(kāi)了浩瀚宇宙中作為大行星的火星上的神秘面紗。

圖1-8 “祝融”號(hào)火星登陸車在火星上

通過(guò)火星探測(cè)器，我們遠(yuǎn)在地球也能欣賞到火星上的奇特風(fēng)貌，無(wú)機(jī)世界不外如是。回到我們地球上的高山、河流、沙漠，在地殼運(yùn)動(dòng)和太陽(yáng)、風(fēng)、雨、雷、電等氣候條件下，無(wú)機(jī)物質(zhì)時(shí)刻在發(fā)生著物理的分解與重組，展現(xiàn)不同形態(tài)，發(fā)生著化學(xué)反應(yīng)，在不同無(wú)機(jī)物質(zhì)間轉(zhuǎn)化，展現(xiàn)出復(fù)雜的特性。

地球有別于其他的星球，地球上的生物系統(tǒng)是目前已知的宇宙中僅有的具有生命特征的系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的進(jìn)化發(fā)展，地球上的生物系統(tǒng)已經(jīng)千姿百態(tài)，但是即使到了科技昌明的今天，人類對(duì)于生物系統(tǒng)進(jìn)化的因果模型的認(rèn)識(shí)還停留在初級(jí)階段，更多的是一些有待驗(yàn)證的假設(shè)性結(jié)論。對(duì)于生物系統(tǒng)進(jìn)化規(guī)律的研究我們稱之為生物進(jìn)化動(dòng)力學(xué)。一般來(lái)說(shuō)，我們可以把地球上生物系統(tǒng)的進(jìn)化分成兩個(gè)階段，即生物的起源階段與生物的進(jìn)化階段，這兩個(gè)階段的截然不同也決定了它們的動(dòng)力學(xué)規(guī)律也不一樣。海洋孕育了地球上的生命，但生命如何從無(wú)機(jī)物質(zhì)突變?yōu)樵嫉纳袩o(wú)定論，存在以下三種假說(shuō)。

一是化學(xué)進(jìn)化論假說(shuō)。即原始大氣在高溫、紫外線及雷電等自然條件的長(zhǎng)期作用下，形成了許多簡(jiǎn)單的有機(jī)物，有機(jī)物匯聚在溫暖的海洋里，形成大分子有機(jī)物并最終突變?yōu)樵忌Ｃ绹?guó)研究者米勒在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下模擬在還原性原始大氣中持續(xù)一周時(shí)間的放電過(guò)程，合成了有機(jī)物，史稱米勒實(shí)驗(yàn)。米勒實(shí)驗(yàn)共獲得20種有機(jī)物。其中11種氨基酸中有4種（甘氨酸、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸）是生物的蛋白質(zhì)所含有的。米勒實(shí)驗(yàn)僅僅證明了由無(wú)機(jī)物合成小分子有機(jī)物是完全有可能的，但實(shí)驗(yàn)室大氣成分與原始大氣成分和濃度是否一致，以及持續(xù)一周的放電條件也較為苛刻，未必能真實(shí)還原當(dāng)時(shí)的情形。而且并未進(jìn)一步探討化學(xué)反應(yīng)生成的有機(jī)物如何合成為大分子有機(jī)物，并突變?yōu)樯倪^(guò)程。

二是熱泉假說(shuō)。即生命起源于海底的熱泉附近。1967年，美國(guó)學(xué)者布萊克在黃石公園的熱泉中發(fā)現(xiàn)了大量嗜熱生物，如藍(lán)藻、光合細(xì)菌、硫細(xì)菌，特別是古細(xì)菌。這與人們所熟知的“蛋白質(zhì)在超過(guò)60攝氏度的環(huán)境中就會(huì)凝固”“生物不能在60攝氏度以上的環(huán)境里存活”的常識(shí)很不一樣。1977年，美國(guó)“阿爾文”號(hào)深潛器觀察到，在太平洋底的熱泉中，也發(fā)現(xiàn)了大量的嗜熱微生物，而周圍的海水溫度更高，可能達(dá)到200～300攝氏度，壓力也有200～300個(gè)大氣壓。熱泉附近的海水中存在大量的還原氣體，比如硫化氫、甲烷、氫氣以及一氧化碳，這種環(huán)境與40億年前早期地球的環(huán)境非常相近。另外，熱泉口到外層海水之間存在一個(gè)溫度遞減的梯度和化學(xué)濃度變化的梯度，這個(gè)梯度有利于各種化學(xué)的連續(xù)反應(yīng)和有機(jī)化合物的合成。熱泉中發(fā)現(xiàn)的生物大多是細(xì)菌類的原始生物，是生物進(jìn)化最根部的類型，因此熱泉假說(shuō)有一定的說(shuō)服力。

三是宇宙胚種假說(shuō)。即地球上的生命種子來(lái)源于外太空?，F(xiàn)代天體物理學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，隕石、彗星和星際塵埃中都存在有機(jī)分子，而且已經(jīng)測(cè)出近百種有機(jī)分子，其中不僅含有固態(tài)的水，還有氨基酸，鐵類，乙醇、嘌呤、嘧啶等有機(jī)化合物。例如，科學(xué)家們?cè)?969年墜入澳大利亞的名叫“默奇森”的隕石上，發(fā)現(xiàn)了能夠自我聚合成蜂窩狀隔膜的類脂有機(jī)組分，它是形成最早活體細(xì)胞所需的成分。因此，宇宙胚種說(shuō)認(rèn)為，地球生命之源可能來(lái)自40億年前墜入海洋的一顆或數(shù)顆彗星，是彗星提供了地球生命誕生需要的原材料。如果地球上的生命起源于太空，那么別的星球上也可能存在類似的情況，但目前為止人類仍未發(fā)現(xiàn)地外生命的存在，因此宇宙胚種假說(shuō)未必可信。

雖然對(duì)于生命的起源還存在太多的困惑，但人類在生物系統(tǒng)的進(jìn)化方面的研究取得了非常重大的進(jìn)展。首先是達(dá)爾文提出的以“物競(jìng)天擇，適者生存”為中心思想的進(jìn)化論，揭示了同一物種內(nèi)部以及不同物種之間相互競(jìng)爭(zhēng)，物種與自然之間不斷抗?fàn)?，只有能夠適應(yīng)的種群可以留存下來(lái)的自然法則，而隨著DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)與遺傳變異機(jī)制的發(fā)現(xiàn)，形成了完整的生物進(jìn)化理論體系。生物在產(chǎn)生后代過(guò)程中，通過(guò)遺傳信息的交叉和變異產(chǎn)生了具有不同DNA 的后代，并通過(guò)環(huán)境的競(jìng)爭(zhēng)與選擇，將適應(yīng)環(huán)境的變異遺傳信息持續(xù)保留了下來(lái)，從而推動(dòng)物種的不斷進(jìn)化?；籼m正是借鑒了生物界這種遺傳變異的思想，提出了遺傳算法。

在不斷適應(yīng)環(huán)境變化的過(guò)程中，生物不斷進(jìn)行著代系的演進(jìn)，不斷產(chǎn)生新的分支，從而形成了當(dāng)前地球上形形色色的復(fù)雜生物。正如蓋爾曼在其著作《夸克與美洲豹》中提到的那樣[6]，萬(wàn)物都是由夸克等基本粒子組成，但隨著生物的進(jìn)化，產(chǎn)生了美洲豹這種睿智、敏捷的生物奇跡，這中間經(jīng)歷了多么復(fù)雜的演進(jìn)過(guò)程，讓人驚嘆。更何況是站在智慧頂端的人呢。