缺失的定律

运动定律、万有引力定律、电磁学定律和热力学定律……这些物理学定律编码了自然界中的各种宏观系统在空间和时间上的一般行为。

这些经典物理学定律的一个重要特征是，广泛的、看似多样的自然现象，其实具有共有的特征。识别不同现象之间的等效性，是我们先前发展出自然定律的基础，这推进了我们对世界的科学理解。‍‍‍

在一项新的研究中，三位科学哲学家、两位天体生物学家、一位数据科学家、一位矿物学家和一位理论物理学家认为，我们的宇宙中充满了复杂的进化系统，但现有的宏观物理定律似乎并不足以充分描述这些系统，我们需要一个附加的定律，来描述宇宙中复杂的、不断变化的宏观现象。

通过寻找进化系统之间的等效性，研究人员提出了一条“缺失的自然定律”，他们将对这条定律的描述，详细地发表在近期的《美国国家科学院院刊》上。

功能信息增加定律

简单来说，这条新的定律阐明，进化无处不在，它并不局限于地球上的生命，也发生在其他大尺度复杂系统中，是自然界复杂系统的共同特征。

研究人员提出，所有进化系统（包括但不限于生命）都具有以下特征：

1.它们都是由不同的组件构成的，比如原子、分子、细胞，这些组件可以反复排列和重新排列

2.这些组件受自然过程的影响，可以形成无数不同的排列，组合成不同的组态（configuration）；

3.在所有组态中，系统会根据功能对组态进行选择，最终，只有一小部分在“功能选择”过程中存活下来。

“功能选择”是这条新定律的一个重要概念。就生物学而言，达尔文将功能主要等同于生存，即活得足够长、可以产生可育后代的能力。新研究扩展了这一概念，指出自然界中至少有三种功能：

1.静态持久性：这种稳定性是最基本的功能，比如原子或分子的稳定排列就被选择而维持下去；

2.动态持久性：这指的是具有持续能量供应的动态系统；

3.新颖性生成：这或许是最有趣的功能，它指的是进化系统探索新结构的趋势，有时会导致令人惊讶的新行为或新特征。

根据这条定律，当系统受到功能选择时，系统的功能信息将随着时间的推移而增加。因此，研究人员也将这条定律称为“功能信息增加定律”。在这条定律下，无论系统是生命的还是非生命的，只要它的许多不同组态经历了一个或多个功能选择时，进化就会发生。

广义的进化

在达尔文的描述中，生命的进化史充满了新奇。当单细胞学习利用光能时，就进化出了光合作用；当细胞学习合作时，就进化出了多细胞生命；当游泳、行走、飞行和思考等有利的新行为出现，就进化出了不同的物种。

在这篇新论文中，研究人员从最广泛的意义上思考了进化。他们认为，达尔文所阐述的植物和动物通过自然选择而进化的方式，只是在一个更大的自然现象中的非常特殊、非常重要的案例。用“功能选择驱动进化”，可以解释恒星、原子、矿物等许多系统的进化，这些系统也都会经历选择压力。

以矿物为例，最早的矿物表现出特别稳定的原子排列。这些原始矿物为下一代矿物提供了基础，下一代矿物又参与了生命的起源。生命和矿物的进化交织在一起，生命用矿物来制造外壳、牙齿和骨骼。事实上，在太阳系诞生之初，地球上的矿物大约只有20种，经过45亿年更加复杂的物理、化学和最终的生物过程，现在，地球上已知的矿物数量已经接近6000种。

以恒星为例，在大爆炸后不久，只有氢和氦这两种主要元素，它们形成了第一代恒星。这些最早的恒星利用氢和氦制造了大约20种较重的化学元素。下一代恒星又在此基础上，产生了近百种元素。

宇宙产生了原子、分子、细胞等新的组合，那些稳定的组合，可以继续产生更多的新奇，继续发展、进化。综上所述，生命的进化是进化中最显著的例子，而进化无处不在。

#创作团队：

撰文：糖兽

排版：雯雯

#参考来源：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2310223120

https://phys.org/news/2023-10-scientists-philosophers-nature-evolutionary-law.html

#图片来源：

封面图&首图：WelshPixie / Pixabay