1.2 自然系统复杂性

1.2.1 从无机到有机——自然系统中的复杂性涌现

随着20世纪60年代美国“阿波罗”载人飞船登月成功，阿姆斯特朗第一次踏上月球，便让“嫦娥月宫”的传说失去了想象空间，月球上竟是一片死寂的砂砾尘埃。人们更是对远在地球5600万千米之外的火星持续进行了无人登陆探测，仅美国成功登陆火星的探测车就有1997年的“旅居者”号、2004 年的“勇气”号、2004 年的“机遇”号、2012 年的“好奇”号与2021年的“毅力”号。2021年5月15日，我国的“祝融”号火星登陆车在“天问一号”着陆器装载下成功登陆火星，如图1-8所示，创下了第一次登陆就成功的历史，也向世人揭开了浩瀚宇宙中作为大行星的火星上的神秘面纱。

图1-8 “祝融”号火星登陆车在火星上

通过火星探测器，我们远在地球也能欣赏到火星上的奇特风貌，无机世界不外如是。回到我们地球上的高山、河流、沙漠，在地壳运动和太阳、风、雨、雷、电等气候条件下，无机物质时刻在发生着物理的分解与重组，展现不同形态，发生着化学反应，在不同无机物质间转化，展现出复杂的特性。

地球有别于其他的星球，地球上的生物系统是目前已知的宇宙中仅有的具有生命特征的系统，经过亿万年的进化发展，地球上的生物系统已经千姿百态，但是即使到了科技昌明的今天，人类对于生物系统进化的因果模型的认识还停留在初级阶段，更多的是一些有待验证的假设性结论。对于生物系统进化规律的研究我们称之为生物进化动力学。一般来说，我们可以把地球上生物系统的进化分成两个阶段，即生物的起源阶段与生物的进化阶段，这两个阶段的截然不同也决定了它们的动力学规律也不一样。海洋孕育了地球上的生命，但生命如何从无机物质突变为原始的生命尚无定论，存在以下三种假说。

一是化学进化论假说。即原始大气在高温、紫外线及雷电等自然条件的长期作用下，形成了许多简单的有机物，有机物汇聚在温暖的海洋里，形成大分子有机物并最终突变为原始生命。美国研究者米勒在实验室环境下模拟在还原性原始大气中持续一周时间的放电过程，合成了有机物，史称米勒实验。米勒实验共获得20种有机物。其中11种氨基酸中有4种（甘氨酸、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸）是生物的蛋白质所含有的。米勒实验仅仅证明了由无机物合成小分子有机物是完全有可能的，但实验室大气成分与原始大气成分和浓度是否一致，以及持续一周的放电条件也较为苛刻，未必能真实还原当时的情形。而且并未进一步探讨化学反应生成的有机物如何合成为大分子有机物，并突变为生命的过程。

二是热泉假说。即生命起源于海底的热泉附近。1967年，美国学者布莱克在黄石公园的热泉中发现了大量嗜热生物，如蓝藻、光合细菌、硫细菌，特别是古细菌。这与人们所熟知的“蛋白质在超过60摄氏度的环境中就会凝固”“生物不能在60摄氏度以上的环境里存活”的常识很不一样。1977年，美国“阿尔文”号深潜器观察到，在太平洋底的热泉中，也发现了大量的嗜热微生物，而周围的海水温度更高，可能达到200～300摄氏度，压力也有200～300个大气压。热泉附近的海水中存在大量的还原气体，比如硫化氢、甲烷、氢气以及一氧化碳，这种环境与40亿年前早期地球的环境非常相近。另外，热泉口到外层海水之间存在一个温度递减的梯度和化学浓度变化的梯度，这个梯度有利于各种化学的连续反应和有机化合物的合成。热泉中发现的生物大多是细菌类的原始生物，是生物进化最根部的类型，因此热泉假说有一定的说服力。

三是宇宙胚种假说。即地球上的生命种子来源于外太空。现代天体物理学研究发现，陨石、彗星和星际尘埃中都存在有机分子，而且已经测出近百种有机分子，其中不仅含有固态的水，还有氨基酸，铁类，乙醇、嘌呤、嘧啶等有机化合物。例如，科学家们在1969年坠入澳大利亚的名叫“默奇森”的陨石上，发现了能够自我聚合成蜂窝状隔膜的类脂有机组分，它是形成最早活体细胞所需的成分。因此，宇宙胚种说认为，地球生命之源可能来自40亿年前坠入海洋的一颗或数颗彗星，是彗星提供了地球生命诞生需要的原材料。如果地球上的生命起源于太空，那么别的星球上也可能存在类似的情况，但目前为止人类仍未发现地外生命的存在，因此宇宙胚种假说未必可信。

虽然对于生命的起源还存在太多的困惑，但人类在生物系统的进化方面的研究取得了非常重大的进展。首先是达尔文提出的以“物竞天择，适者生存”为中心思想的进化论，揭示了同一物种内部以及不同物种之间相互竞争，物种与自然之间不断抗争，只有能够适应的种群可以留存下来的自然法则，而随着DNA双螺旋结构与遗传变异机制的发现，形成了完整的生物进化理论体系。生物在产生后代过程中，通过遗传信息的交叉和变异产生了具有不同DNA 的后代，并通过环境的竞争与选择，将适应环境的变异遗传信息持续保留了下来，从而推动物种的不断进化。霍兰正是借鉴了生物界这种遗传变异的思想，提出了遗传算法。

在不断适应环境变化的过程中，生物不断进行着代系的演进，不断产生新的分支，从而形成了当前地球上形形色色的复杂生物。正如盖尔曼在其著作《夸克与美洲豹》中提到的那样[6]，万物都是由夸克等基本粒子组成，但随着生物的进化，产生了美洲豹这种睿智、敏捷的生物奇迹，这中间经历了多么复杂的演进过程，让人惊叹。更何况是站在智慧顶端的人呢。