试图统一物理学和生命演化的新理论,是在解决一个伪问题?

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近期Nature刊发了一篇关于“组装理论”的论文,作者希望统一物理学与生物学,试图在符合物理定律的情况下定量解释生命的演化。这篇论文在学术界引起许多讨论,著名理论物理学家George Ellis也在Nature发表了评论文章(参见《无目的的物理学,如何涌现出有目的生命?》);但这篇论文令很多生物学家感到困惑,他们认为文章似乎在解决一个不存在的问题——是否需要统一生命演化和物理学的新范式?

撰文 | Bill Bateman(科廷大学副教授)

翻译 | 小破

2023年10月,一篇题为《组装理论解释并量化选择和演化》(Assembly theory explains and quantifies selection and evolution)[1]的论文出现在顶级科学期刊《自然》(Nature)上。该论文的作者是由格拉斯哥大学的Leroy Cronin和亚利桑那州立大学的Sara Walker领导的团队。他们声称自己的理论是一种“物理学和生物学之间的连接”,可以解释复杂生命形式是如何演化的。

这篇论文引发了强烈反响。一方面是媒体标题,“大胆创新的‘万物理论’可能将物理学和演化理论融合”[2];另一方面是来自科学家的反应。一位演化生物学家在社交平台上说:“多次阅读后我仍然完全不知道(这篇论文)在做什么。”[3]另一位科学家表示:“我读了论文后感到更加困惑……我觉得读完那篇论文我都忘记了自己的名字了。”[4]

作为一名研究演化的生物学家,我感觉必须亲自阅读这篇论文。组装理论是否真的像作者所暗示的那样是一个激进的新范式?还是像批评者所声称的那样是“毫无价值的胡言乱语”?

耸人听闻的主张

当我开始阅读这篇论文时,摘要的第一句话就让我心生不快:

“科学家一直在努力协调生物演化与物理学所定义的宇宙不变法则之间的关系。”

我从不知道科学家们在努力攻克这个问题。我所认识的生物学家没有人对物理定律有任何意见,也没有看到物理定律与演化相调和有任何问题。

摘要接着指出物理定律并不能预测“生命的起源、演化以及人类文化和技术的发展”,并声称我们需要一种“新方法”来理解,“如何在没有固有设计蓝图的情况下,各种多样的、无限制的形式能够从物理学中涌现”。对于生物演化似乎与物理定律不兼容的抱怨,再加上“设计蓝图”等含混术语的使用,让人联想到了神创论者对演化的论点。难怪演化生物学家的血压会飙升。正如一位《自然》杂志评论者所说:“为什么在文章的开头就有如此多的神创论的陈词滥调?”

生物学与物理学之间有障碍吗?

在进一步阐述之前,我应该指出,和上述一些科学家一样,我可能并没有完全理解论文的目的。但我对我理解的部分内容也感到困惑。首先,声称演化与物理定律相矛盾的说法似乎并没有得到支持。论文说“无限制地生成一代新生命并不完全符合生物学或物理学的范式框架”,这似乎并没有太大意义。

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生物学和物理学之间是否存在需要解释的冲突? 图源:National Cancer Institute/ Unsplash

在生物学范式中,我们理解基因漂变(genetic drift)、突变和选择会导致生物形式的变化。只要不违反任何物理定律,这是否需要“符合物理学范式”?

另一种令人困扰的说法是:“为了理解多样的、没有限制的形式如何在没有固有设计蓝图的情况下从物理学中出现,这需要一种新方法来理解和量化选择”。真的需要吗?演化理论的一个原则是过程中没有“目的论”——也就是没有目标或终点。那么为什么需要解释“设计蓝图”的缺失?

定量解释演化的可能性

那么,组装理论究竟试图做什么呢?根据格拉斯哥大学Cronin教授的说法[5],它“旨在在生物学之前解释选择和演化”;因此,它的目标是创立一个能统一非生命和生命物质规律的理论,并能以相同的方式解释它们的复杂性或其他方面。文章本身称它是一个“框架”,“不改变物理定律,但重新定义这些定律作用的‘物体’的概念”。

[组装理论]将对象不再概念化为点粒子,而是作为由其可能的形成历史所定义的实体。这使得对象能够在个体或所选单元的明确界定下显示出选择的证据。

因此,组装理论中的“对象”就是“物理定律”所作用的对象。对于任何对象,我们可以计算其“组装指数”(assembly index),这是衡量制造该对象的复杂性的数字。任何既丰富又具有较高组装指数的对象都不太可能是偶然产生的,因此它必然是演化和选择的产物。这本身既不是问题,也不新鲜——除了这个计算出来的“指数”。

那么我们如何计算这个组装指数呢?我们需要计算制造一个分子、一个器官或一个完整生物体所需的步骤数。指数越高,它越可能是演化的产物。因此,组装理论是一种量化某物质的复杂性以及它可能演化的尝试。

一个不存在的问题?

这是否有用呢?很难说。首先,它暗示只有一条路径可以产生复杂(高装配指数)的对象,比如生化分子,实际情况并非如此。另外,正如另一位科学家指出的那样:“如果一个分子很复杂,并且有很多复本,那么它很可能是通过某种演化过程产生的。大多数化学家都可以发现这样的情况,而无需使用组装理论。虽然尝试对此进行量化是非常巧妙的。”[6]

我个人觉得这是一篇写得很糟糕的论文,这体现在很多生物学家无法理解它的意图,很多负面反应都源自于其难以理解的框架,以及使用了类似神创论观点的词语。至于组装理论本身,它似乎是在Cronin和Walker为寻找一种通用方式来识别外星球上的生命迹象,甚至创造人工生命的过程中发展起来的。或许在这些情境下,它可能会被证明是有用的。

然而,作为一个旨在统一演化和物理学的广泛新范式,组装理论似乎——对于我和许多其他人来说——是在解决一个并不存在的问题。

参考资料

[1] Sharma, A., Czégel, D., Lachmann, M. et al. Assembly theory explains and quantifies selection and evolution. Nature 622, 321–328 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06600-9

[2] https://www.sciencealert.com/assembly-theory-bold-new-theory-of-everything-could-unite-physics-and-evolution

[3] https://twitter.com/baym/status/1710815658890432679

[4] https://twitter.com/Irishpalaeo/status/1712450672476512424

[5] https://twitter.com/leecronin/status/1711356692720501103

[6] https://twitter.com/professor_dave/status/1710914156612710503

本文基于知识共享许可协议(CC-BY 4.0)译自Bill Bateman, A new theory linking evolution and physics has scientists baffled – but is it solving a problem that doesn’t exist?

原文地址:https://theconversation.com/a-new-theory-linking-evolution-and-physics-has-scientists-baffled-but-is-it-solving-a-problem-that-doesnt-exist-216639

本文受科普中国·星空计划项目扶持

出品:中国科协科普部

监制:中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

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