演化的无限奇迹：假如一切重来，还会有人类吗？

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源自【果壳网】演化的无限奇迹：假如一切重来，还会有人类吗？
: z0 @2 H8 \( w  F' Z+ W2015-04-11 14:28
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2 t4 F; {6 x7 U3 H1 d: }* b2015年菠萝科学奖颁奖仪式，将在今晚（4月11日）开始。% i; }- u- q' ?0 R6 \( J5 u1 n
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这一届菠萝科学奖的主题是“演化”。地球上70亿无毛两足灵长类里，有一小群人将在4月11日聚集在杭州，向好奇心传达他们的敬意。这当然是一个偶然的事件。届时，优酷将独家视频直播这个偶然。
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但人类的诞生，是否已经是一个巨大的偶然？9 T+ N; K4 I4 T! M, M7 b- F" r5 M

3 M$ E' G+ L, k) Z: C假如一切重来，我们回到生命的诞生之初，重启整个过程。这一切还有可能发生吗？% _: g+ s. G9 F5 ^+ S! B
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人类的诞生，是必然的吗？
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“就算让进化重演一百万次，人类这样的生物也可能不会再出现一次了。”
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! e) g+ |9 l& i1989年，古生物学家斯蒂芬·古尔德在《奇妙的生命》一书的结尾处这样写道。古尔德一生著述等身，但恐怕很难找到比它更震撼的一句话。四百年前，伽利略向世界证明地球并不是宇宙的中心。一百五十年前，达尔文指出人类并不是上帝所珍爱的造物。这都没有关系，我们不需要象征性的标志来为我们的存在提供意义。但是，假如人类本身的存在只是不可思议的巧合、运气或者偶然，那我们在宇宙中又是处于怎样的地位呢？我们是否被迫要承认我们只是某个宇宙造物主精心培育的花朵？或者是无穷可能性中无数骰子的一个瞬间截面？如果回到四十亿年之前，让一切从头来过，这个世界会变得不同吗？是大同小异，还是天翻地覆？人类是必然出现的吗？我们诞生的“概率”，到底是多少呢？8 q/ ?- y7 _3 _; U7 P& L
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/ s' C* y0 i; {5 H怎样才算“人类这样的生物”？
2 ?' I) [% ]1 x7 L0 M概率是一个喜欢捉弄人的概念。按照定义，它说的是某个具体事件发生的可能性——可是在我们的世界里它已经发生了。那在别的世界里，要怎样的事件才算是“同一个”事件呢？如果尼安德特人打败了智人，创造出文明，这算做是“人类”吗？如果是南方古猿呢？倭猩猩呢？假如恐龙或者章鱼诞生了高级智慧，能算数吗？
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古尔德的那本《奇妙的生命》，是一本讲寒武纪大爆炸的书。在当时的许多研究者看来，寒武纪早期是一场狂野的、偶然性巨大的“生命设计实验”：今天一切复杂生命的基本框架都在那时定型。如果一切重来，我们或许是每人有六只手四条腿，或者向七个方向均匀地伸展成辐射对称。9 g2 l, S! M% |% V0 t/ P4 R+ ?

9 o- y: Q) l4 K6 |9 K" A现在的研究者已经不太倾向于这么看了，寒武纪的很多化石看起来十分疯狂，仔细研究之后发现还是能归入原来类群的。但更重要的是，这样强求未免有点无趣。直立行走的无毛两足猿类虽然在我们的世界中成了高级智慧的载体，但除此之外实在看不出它有何特异之处。凭什么鸟类就不能诞生智慧？所以，最好是不要纠结几条胳膊几条腿这样的问题，而是考虑一下任何类型的智慧生命产生的可能性。/ N( {1 C5 D; n0 C0 Z

4 t$ _/ N6 U# p. i所以我们把问题换一下：演化，是不是注定要指向某种意义上的智慧？. E/ k9 C  V) j7 h% K% q4 t

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- L) V# }/ D3 k% C演化并非命中注定……
2 K4 ^7 ~3 q2 H# r2 ^% W2 T4 \今天我们说起演化论，总会想到达尔文。但是严格来说，他还真不是“演化”的创始人。生物可能在变化，这个想法的诞生比他早很多。' E0 _8 F* h4 i; @6 H0 g
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大部分传统文化都认为生物是不变的，诞生时的样子就是现在的样子。不过早在18世纪，就已经有很多学者在怀疑这一点了——一方面，人们注意到现实中的生物也会产生各种各样的变化；另一方面，挖出了许多化石，这些化石明显是生物遗留的产物，可现存的生物里却找不到一样的东西。! v! m+ R' Y1 d( z

+ M( t! B6 Q/ f' A) a一种显而易见的解释是，生物其实是会变的。但是，怎么变？
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有一个著名的观点说，一个人会从小孩逐渐长大到老，那一种生物也可以从诞生逐渐变化到最后消亡；正如人的成长路线是固定的一样，生物该怎么变也是早就定好的。这个观点就是所谓的定向演化。其实没什么依据，但是很符合直觉，所以被很多人接受，其中之一就是大名鼎鼎的拉马克。
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拉马克心中的自然面貌是这样的：任何时刻都不停地有生命从无机物中产生，然后就在两种力量的综合作用下发生改变。一种力量是“复杂之力”，推动着生物越变越复杂；另一种力量是“适应之力”，让生物依靠用进废退而变得越来越适应环境。你周围的微生物是刚刚诞生没多久的，所以非常简单；老鼠就诞生得早一些，所以要复杂不少。如果你在旁边观察很久，这些简单的生物最终都会越来越复杂，不断向上，最终或者灭绝，或者走向人类这个巅峰。他的世界不是一棵演化树，而是无穷条平行线段组成的演化草坪，无数的生命各自走完自己的道路然后消亡。这样一种世界观其实相当有趣，而且很可能相当美丽；可惜，它不是我们的世界。) _7 ], q% w# q
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……但演化就是掷骰子吗？
4 B8 r! c: I0 E, v如果达尔文不是演化的创始人，那么凭什么纪念他？因为他发现了演化的最最重要的作用方式：自然选择。
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自然选择的本质很简单。生物的繁殖力很强，不可能都活下来。生物个体各不相同，总会有些“好的”特点能让拥有它的个体更容易活下来，而拥有“坏”特点的就不那么容易活下来。很多特点是可以流传到下一代的。这样下一代里拥有好特点的就会更多，坏特点的就会更少。长此以往，生物就变了。
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  P. r# `- U  R: [" s( d2 r9 I$ w6 D自然选择这个过程本身并不太依赖概率。如果让飓风吹过垃圾堆，吹出一架波音747肯定极端不可能；但自然选择不是飓风，它是逐步的积累和改良。每一个好用的新突变都会成为后续的基础，没人要求它一步到位——时间有的是，不着急。- ]' C1 N) G5 g4 w* l4 K) x$ o# b/ D
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可这里有个问题。到底怎样的特点算是“好”的呢？
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8 J0 b' b0 v! d6 k/ [/ }今天的读者很容易把它想象成电子游戏的天赋加点，但这里的情况要比电子游戏复杂许多。几乎每一个特点都是要付出代价的，而且它们都有各自的适用范围，就像短跑运动员容易关节损伤而且并不擅长游泳。这个环境里的“好”特点，下一个环境可能毫无用处，再下一个环境没准反而有害。  H+ G; |; k! G$ `3 k

, v) p  z1 \' ?7 O- c* w, F而环境是会变的。8 \: z7 }# X3 [  O
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这就导致演化的“方向”成了一个很难界定的东西。按照拉马克和他同时代的人的理论，演化的方向是定的。但达尔文理论里，方向究竟是什么？沿着“适应环境”这条道路上走，是不是终究也要走向人类呢？
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方向与时间
( a! E2 C7 W1 {; Z( s要问方向，躲不开时间尺度。譬如我每天早晨路上这半小时里，方向是朝南；但每天晚上的半小时，我又要朝北。综合一整天来看的话，我并没有朝任何一个方向移动。
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在最小的时间尺度，比如一天之内，演化是几乎没有方向的。如此短的时间里自然选择的力量不足以体现出来，你只能看到突变和意外事故，而这俩都是近乎随机的。+ m5 ]8 ]( G  ~' k- Q, H
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时间尺度扩大到一千年，演化的方向性就很明显了——适应它们所在的环境。
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4 T( u5 s0 f8 B继续扩大到一千万年，这时候方向性反而大大减弱了，因为到了这个时间尺度上，环境本身也在发生变化——而它的变化在这个阶段还没有明显的方向性。
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最后扩大到十亿年。在这个尺度上，演化有方向性吗？我们不知道。因为数据还不足以囊括半个生命史的尺度。$ g1 N% b! e  R1 L: r) y, Z# L
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等等，但是大家不都说演化是从“低等”到“高等”吗？三十八亿年前地球上只有最简单的微生物，现在我们有如此繁盛的生物圈，这多么明显的进步啊，你怎么能说不知道有没有方向性呢？
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这是因为，“看起来”有方向性，并不意味着它有内在的趋势。
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3 N3 C# x8 \: e$ o古尔德举过一个著名的例子。夜晚的大街上走着一个醉鬼，街的左边是一堵墙，右边是一道水沟。醉鬼烂醉如泥，他的走路方向完全是随机的，没有任何趋势。第二天人们会在哪里找到他？ 水沟里。他会掉进水沟，并不是因为他有喜欢水沟的趋势，而是因为墙挡住了他的路，不能再往左边走了。如果没有水沟，那么这个夜晚越是漫长，醉鬼和墙的平均距离就越远；而不管水沟离墙有多远，只要让醉鬼一直这么走下去，他最后掉进水沟的概率一定是1。
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# _2 ]' {+ z* B% T/ I# L. d而如果我们在这条路上放出很多醉鬼，假定他们互不干扰，那么画出所有醉鬼的轨迹，会发现他们铺满了一大片区域——有的醉鬼离墙近，有的离墙远。一开始所有醉鬼离墙都很近，最后有些醉鬼走到了很远的地方。夜晚越是漫长，走得最远的那批醉鬼，和墙的距离就越远。而我们人类，暂时就是走得最远的醉鬼之一。8 A+ I7 G) b7 b$ B7 A0 T. Z5 D

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0 \" B5 h* R& n  ~3 {生命的复杂性有下限，一开始大家都很简单，但因为墙阻挡了左边的运动，逐渐向右边漂去了。图片来源：Full House, S.J.Gould
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当然也可能是醉鬼其实稍微有一点喜欢水沟的倾向，每往左边走十步就往右边走十一步，这是肉眼无法分辨的，需要数学——但我们的数据不够。因此，我们只能说“不知道”。0 y! H% D; M$ Y5 ^) \$ M# m; t
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没有方向，但至少我们有一个结果：人类毕竟是诞生了。这个结果，能否成为我们乐观的理由呢？% V8 J. H* ~) N# c5 M: m
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8 o0 x' N( ~. A- a% _1 X+ o四十六亿年里的唯一闪光/ U9 a7 {! e. x: c5 |
自然选择不靠小概率生效，但自然选择的某一个具体结果也许是小概率。眼睛在地球上不同类群中独立诞生了至少四五十次，我们可以说它是“必然”；披甲哺乳类只在穿山甲和犰狳里诞生了两次，就不太好意思说它是必然了。
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很不幸，复杂语言和抽象概念级别的意识，在地球上，只诞生了一次。这一次是在灵长类这个小圈子里——200个物种。灵长类又属于哺乳类这个小圈子——5000个物种。相比之下，人类已知的甲虫物种大约有35万，估计的总数在400万到800万之间；人类已知的全部物种有190万，估计的总物种至少有数千万。, D  ^. @0 g3 l6 q

0 Z# O1 w: e) F* d5 E1 a演化生物学家恩斯特·迈尔说：“如果今天有3000万活着的物种，假定一个物种平均存活10万年，那么从生命起源直到今天，可能有多达500亿的物种生存过。这其中，只有一个物种获得了足以建立文明的智力。”
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看数量太悲观了，转而考虑一下时间。地球诞生于46亿年前，用了几亿年冷却下来，没过多久就演化出了最初的生命。接下来地球用了20亿年诞生真核生物，用15亿年诞生了复杂的多细胞生命，然后就是寒武纪大爆发。随后生物的多样性迅速增加，就算遭遇了二叠纪末这种消灭了90%海洋物种的大灾难事件，不到一千万年就恢复过来了。可就是在这样的蓬勃生长之下，我们又等了五亿年，才等到了智慧生命的诞生。
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* R( C9 U2 N% \为什么智慧诞生这么难？智慧难道不是好事儿吗？难说。大脑也是一个器官，而且是相当复杂、耗能极高的器官。今天人类凭借大脑，勉强解决了食物来源的问题，可是演化没有远见。对于一个狩猎中的原始人而言，稍微聪明一点儿的好处并不一定就能抵消掉能量消耗增加带来的坏处。可能就是因为这一点，智慧才只诞生了仅仅一次。
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西蒙·康威·莫里斯基于他的数学理论，援引趋同演化的现象，认为智慧生物是一个生态位，而生态位早晚会被占领。但生物学上，这个想法恐怕也是一厢情愿。而今，生态位这个概念能不能成立都开始有疑问了；就算它能成立，也不是所有的坑都会被占。譬如澳大利亚的有袋类动物，的确演化出来了很多和其他大陆“平行”的物种，但是也有很多没有演化出来——澳洲大陆没有袋蝙蝠，没有袋长颈鹿，没有袋大象，当然最重要的是，没有袋灵长类。
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没有神，没有命运，只有我们6 H: v) y9 D6 y/ T6 M) p& r" z5 d
承认这一小概率，倒并不是意味着我们得寻求造物主。恰恰相反，它不利于造物主的存在。% F# _" |- j3 w  Y5 v/ Q

2 _3 G6 n( h; i' M" ]拿一副扑克牌，把它洗开。从概率上讲，你手中的这幅扑克的顺序是从来没有人见过的超级小概率事件——54张扑克的排列方式高达10^71，已经接近全宇宙的基本粒子总数。但这没有任何惊人之处，因为你的牌已经洗出来了，不需要任何魔术师来动手脚。8 \7 U0 U6 H+ s# U" ]3 R

: c+ ~& x; u6 |8 m& w) J2 i4 ]. t如果真的有魔术师，他应该能做一些不合常理的事情。比如，在一个物理常数全都不对、完全不该有生命的宇宙里创造生命；比如，在一个所有生命都非常简单的星球上鹤立鸡群地创造智慧。但我们的世界里没有给他留下空间。扑克牌总得洗出一个顺序，而我们已经是它的自然结果。
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! F1 ^8 N8 Q; S  c) _( }这也意味着，人类失去了又一个自大的理由：我们不但不是宇宙的中心，也不是宇宙的目的。我们生活在一个美丽、宏大、复杂、奇妙并且对我们的存在毫不关心也不赋予意义的宇宙里；唯一剩下能做的，也许就是自己创造一点意义了。做一些能让宇宙骄傲或者能让人类骄傲的事情，做一些能让自己或者他人活得更好的事情，做一些能让智慧的火花延续下去的事情——毕竟，在全部已知的宇宙中，智慧只出现过一次。如果我们搞砸了，生命总还是会从头再来的；但如果那个同样美丽、同样宏大、同样奇妙的宇宙里没有智慧生命去观察去欣赏它，那是多么遗憾的事情啊。（编辑：Calo）
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