地球脑的觉醒：进化隐含的秩序

选自《地球脑的觉醒——进化的下一次飞跃》  彼得·罗素著  张文毅  贾晓光  译

 

受爱的力量驱使，世界的芳香互相追寻，整个世界就有了生命。——Teilhard de Chardin

 

如果退一步来思考整体进化过程，一些模式会清晰地显现出来。首先我们会注意到今天的宇宙具备的某些特性在开始时并无迹象可寻。大爆炸刚起时，只有能量。由此发展到一个全新的存有的秩序：实体物质。万古以来物质并无生命，可是从其中产生了新的秩序：生命。生命持续地繁衍，从生命有机体产生了新的秩序：自我反映意识。

 

每一个新秩序的出现，都表示了进化过程一个重要进程，带来了从前一级进化阶段预见不到的新性质和特征。每一次新组合的整体，总是超过所有部分的总和，也无从由其组成成分来预料。

 

我们可以从能量到物质、到生命、到意识的演进来了解它们的发展过程。比如，数学，虽足以描述能量的电磁辐射，却不能用来预测分子的行为，这是化学的领域。同样地，化学好像也不能预测支配生命有机体的原则，而生物学不能描述我们内在的体验。每一个新的层次是一个新的现象，一个井然而出的新的存有秩序。

 

同时，低层次的规则依然保留。细胞中的基本粒子依然遵循物理定律，原子依然遵循化学定律，高分子的行为可以由分子生物学描述。每一个新秩序归纳了所有的原秩序，归纳之中无一漏失。然而，新的秩序却被创造生成了，新现象带来的行为模式需要新层次上的理解和解释。

 

西方科学有时对于现有物质出现的次序观念难以圆满其解。这是因为他们用约化的途径(Reductionist Approach)来作为理解世界的基本方法，即将现象和过程分解为较小的单位。约化的途径尽管在物理化学、工程和电脑编程等某些领域很有价值，但是它的缺点是忽视或遗漏了整体系统(The whole system)的属性。

 

约化主义的途径提出，意识可以用大脑神经活动来解释，生命可以用有机化学来解释。根据其逻辑推理的结论，它的论点正陷入了自设的陷阱。根据这个论点，意识充其量只是上百亿个神经细胞复杂交织的神经网的积累效应。神经细胞不过是个巨大的高分子聚合物；高分子也不过是数百万个原子串在一起；原子更不过是被旋转的电子云团包围的原子核，即不过是被称为波方程式的概率函数的本征值(Eigenvalue)。什么是“概率函数的本征值”呢？又只不过是人类智力的意识过程创作出来的，用以解说物理学实验结果的一个模型。论点从头至尾走了一整个圆圈。能说意识不是人类的智力及其许多特质，如创造性和感知性，而只说它不过是几十亿个脑细胞的功能吗？

 

意识不同于细胞的累集，恰如生命不同于原子的聚集。与其提出意识只不过是大脑活动的一个副产品，我们不妨从另一个观点来看，即由于意识是从生命进化而来，意识已经是生命中固有的某种潜在性的隐伏形式。或许每一个新秩序的潜伏形式早已存在，只是在等待特殊的条件，方才显现。

 

这些条件是什么呢？其答案，至少部分答案，在于渐进的复杂性。

 

进化到复杂的状态

 

复杂性(Complexity)并不仅仅表示有许多组成部件，也暗示了许多部件的相互关联和相互依存（它的拉丁语词根表示相互交织和编绞）。在现代系统理论中，复杂性定义为对系统内不同组元间互相关系数目的测量。

 

复杂性有三个基本特性：

数量/多元性(Quantity/Diversity)——系统含有大量不同的元素。

组织性(Organization)——许多组元组合成各种互相关联的结构。

关联性(Connectivity)——各组元通过实际连接、能量交换和某种形式的通信等方式相互关联。这种关联性维系和创造系统内部的关联，并组织系统内的活动。

 

换言之，任何事物被称为复杂，它一定包含有大量不同的元素，以特殊的形式组织，互相连接、互相作用。为了更清楚地理解，我们来探讨在进化中这些特性的作用。

 

数量/多元性寄生在人类肠道中的大肠杆菌是最简单形式的生命之一。这样一个细胞含有4个DNA分子，约40万个RNA分子，约100万个蛋白质分子，差不多5亿个较小的有机分子。在复杂的有机体中，多元性也同样明显地存在，例如人类，含有许多不同类型的细胞，如肝细胞、脑细胞、皮肤细胞、血液细胞、骨细胞等等。

 

就新进化层次出现而言，似乎需要一定数量的基本组元。生命细胞的基本组元是原子（稳定的单位物质）。在每一个大肠杆菌细胞中，有400亿个原子。更复杂的细胞，如肌肉细胞可能含有10的12次方个原子，更大的阿米巴变形虫含原子数达10的15次方之多。此外，我们还发现，很少有细胞的原子数少于10的10次方个，也没有任何已知生命形式的原子数少于10的8次方个（即1亿个原子）。就纯数字而言，可能存在一个门限值，低于这个门限值，生命便无法产生。

 

对于自我反映意识，也有相似的门限值。人类大脑平均含有10的11次方个神经元，其中10的10个在与意识思维过程有关的大脑皮层中。大脑皮层仅含有10的9次方或更少神经元的大脑，如狗脑，便没有自我反映意识现象。

 

因此，10的10次方就像是个“魔法数字”，需要有近似这个数量的组元，才有新的秩序出现。如果累积的元素数量明显少于这个数值，也就没有足够的新层次出现所需要的组织和互相关系复杂性。

 

组织性一个高分子，如蛋白分子，不是原子的随机聚集体。相反，原子组织成某种非常特殊的结构，仅一个院子错位，就会大大地改变分子的属性和特征。构成生命细胞的数百万计的高分子自我组织成多种个细胞器官（细胞的“器官”），这些细胞器官又以特定的方式组织，在特定的时间，为特定的目的，交互作用，通常以某种方式协调同步。这是生物学家们才刚刚开始了解到的。

 

类似地，我们自己的肌体是细胞和器官累积的高度系统性组织。我们每一个人含有10的14次方个活细胞，总计5乘10的25次方个原子，以非常特别的方式系统性地组织在一起，成为人类，而不是一大碗汤。

 

关联性物质、能量、信息在这诸多组元和子系统之间畅流无阻，对于复杂性来讲是至关重要的。信息交换的观点对后续讨论非常重要，我们首先简要的谈谈它如何显现于不同的层次。

 

在实体物质元素层，粒子通过物理的力（重力、电磁力，以及弱和强的核子力）来交换关于带电量、旋转和位置的基本信息。例如，如果发生两个例子相互排斥，即表现了它们携带不同极电荷的信息。

 

在进化的更高一级，当某些分子像拼图一样准确无误地嵌入其它分子的轮廓时，复杂高分子交换了关于其形状和结构的信息。

 

在简单生命细胞中，信息传播经由无性繁殖的复制过程，更进一步进化的有性繁殖，可以通过基因从父母细胞向新细胞传输信息，进而增加了从一代向下一代传输的信息流量。

 

在简单有机体中，信息的传播主要是靠化学做传媒。例如，激素提供了系统从一部分到另一部分的交流，外激素（释放到环境中的化学成分）向其它有机体传递了信息，如飞蛾向空中释放的性诱饵和蚂蚁的气味痕迹。在更复杂的有机体中，更快更多形式的交流则以电脉冲沿着神经传播。在更高秩序的人类社会，我们发现，人与人之间的交流已经发展了多种形式，如谈话、书写、艺术、音乐，乃至最近出现的远距离通信和电脑网络系统。

 

简言之，进化的主要趋向似乎是朝着日益增加的复杂性发展：单元个体聚积成为越来越大的集群，在扩展中展现了更高级的组织结构，许多组元以不同的方式相互关联。

 

然而，复杂性不仅仅代表进化的趋势，它也是出现进化层次的必要条件。只有当能量以某种特有的方式组织起来，物质的特质方能形成并且显现出来；只有当许多物质个体以某种特有的方式组织起来，生命方能形成并显现；只有当许多生命细胞以特有的方式组织起来，意识方能形成并显现。

 

秩序与无秩序

 

进化趋向于增加复杂性和组织性的论点似乎与一个广为接受的物理学定律——热力学第二定律相违。该定律指出整个宇宙正稳定地朝向与日俱增的无秩序进展。

 

热力学第二定律表示，在任何能量交互作用中，都有“自由能”的减少。“自由能(Free energy)”是可用来作有用功的能量。例如，如果你燃烧一块木头，多种化学能转化为热能。部分的热能可用来作有用功，如为蒸汽机锅炉加热。然而，我们不能再燃烧那块木头了，因为它的自由能已经减小。我们也不能把灰、烟和热能再混合起来，回复到物质原来的状态。

 

物理学用“熵(Entropy)”的概念测量一个系统不复存在的可做有用功的能量。当自由能减小，熵增大。

 

熵又是对系统无序性量度的测量。当熵处于最小值，系统的内部秩序性为最大。随着熵的增加，系统的无秩序性增大。所以，热力学第二定律也表示：能量交换之后，系统的无序性增加了。作为一个简单例子，想象一滴墨汁滴入一碗水中。随着墨滴扩散开来，它的分子从浓缩结构状态变为更随机的分布。对于非物理学背景的人，均匀扩散的水墨混合看起来更有秩序，但是对物理学家和数学家来说，最有秩序的状态是当墨汁分子的位置最能清晰定位的时候，即当墨汁分子全部定域于一个滴珠内时。当墨滴扩散开，其分子呈现更随机的分布，则称为秩序性减少了，熵增大了。

 

热力学第二定律的一个重要推论是：这一过程是不可逆转的。系统并不能自发地增加秩序，扩散了的墨滴也不能自己自动地再回到浓缩的墨滴。因为这一定律适用于一切物理系统，宇宙作为一个整体，其熵一定是增大了。换言之，实际的宇宙是在不断地走下坡路，朝着更随机的，即更少秩序性的方向发展。

 

然而生命却显现出与此相反的趋势。生命系统显示了极强的秩序性。任何有生命的物种，从最小的细菌到蓝鲸，都有极其有秩序的能量和物质集合。随着时间推移，各个生命系统不但保持着高度的内部组织性，还在成长和发展中建立这种秩序性。生命好像在朝增加秩序而非减少秩序的方向发展。但是，根据热力学第二定律，人类躯体这样的系统应该正在获得熵，向生物出生前的化学汤回返。那么，是生命在设法违背基础坚实的宇宙性物理定律吗？

 

回答是否定的。其理由是，第二定律仅适用于封闭系统，即与环境隔绝的、在系统与外界之间没有物质或能量流动的系统。一个全封闭系统的例子是个密封的罐子，绝对与外界隔绝，无论振动、声音、光、磁场、X光或任何形式的能量传递都无法穿透。

 

然而，生命系统是个开放系统，不断地与其环境交换着能量和物质。当我们视一个有机体及其全部环境为一个单一系统，热力学第二定律就适用了，因为这实际上是一个封闭系统。例如，生活中在密封罐子里的细菌会表现出熵的减少（即其内部秩序性增加），尽管整个罐子和细菌作为一个整体的熵的总值是增加的。

 

由此，我们认识到，有机体有效地保持自己的内部秩序，是以环境秩序为代价的。正如Erwin Schrodinger所说：“有机体吃掉的是负熵，它不断地从环境吸取秩序。”或换一种说法就是：有机体向其环境输出熵。输出熵可以通过排泄低秩序的物质或释放热能来实现（热能是由随机分子振动形成的，因此是高熵值的）。从净效益来讲，是以更大量地增加环境的熵为代价，换取了与生命系统相关的局部熵的减少。

 

然而，尽管生命过程不违反热力学第二定律，依然存在的问题是：为什么有机体建立和保护高度的内在秩序？为什么原子的某种聚集与宇宙的其余部分的趋势背道而驰？如果整个进化过程却是可视为增加组织性的过程，为什么它发生在一个整体上朝着无秩序下滑的宇宙中呢？

 

自我组织系统

 

长久以来，对这些问题没有令人满意的科学答案。直到20世纪70年代，在布鲁塞尔和德克萨斯大学工作的比利时物理学家Ilya Prigogine，对于秩序是从如何无秩序而来的研究取得了突破，这一突破使他荣获了1977年诺贝尔化学奖。他指出，有一些物理和化学系统，可以在其物理结构中建立和保持高度秩序，尽管从来没有向它们输入过这些秩序。

 

一个称做Belousov-Zhabotinsky Reaction的特别的化学反应，提供了一个从均匀混合物产生组织模式的极佳例证。Prigogine和他的同事就是从这个反应实验着手，他们将四种化学成分，丙二酸、硫酸铈、溴酸钾和硫酸，以特殊比例浓缩混合，放在浅盘中反应。几分钟内，便看到盘中泛起了同心圆形或涡旋形波纹，波纹图案持续了数小时。

 

这个反应展示的化学过程称为交叉催化(Crosscatalytic)，即一个阶段的生成物是下阶段的催化剂，从而导致一系列反复的反应，因此看到了那样独特的图案。这些有序的图案表示了盘中物通过将熵输出到周边，从而减少了自己的熵。不过，依热力学第二定律可以预计，整个系统（盘子加上其周边环境）的熵的净值提高了。

 

Prigogine将这个自我秩序过程称为消散结构(dissipative structures)，因为产生的熵消散到了环境中。消散结构总是产生熵，又通过与环境相互作用摆脱了熵。随着取入能量和物质，熵（通常是热能的形式）和其它一些残余物就被排出了，这个过程可称为系统的新陈代谢。

 

经过实验，Prigogine及其同事找出了能够形成消散结构的三个必要条件：

开放性——物质和能量必须能够在系统和环境之间畅流。

远离静态均衡(Equilibrium)——惟当系统与热力学均衡状态相差甚远，自我组织才能持续；在接近均衡状态，系统表现如同其它物理系统，熵增加。

自我强化——系统的一些元素催化同类新元素的生成，即元素能自我繁殖。

 

如果流经消散系统的能量和物质有变化起落，只要这些变化不超过一定得限度，内部组织就将维持现状。系统甚至能够承受微笑的物理损坏，系统能以自我组织的特性“治愈”自己。然而，如果变化起落超出了一定的限度，系统将不稳定。

 

这些变化的表现特征是系统内一定时期的大混乱。这种不稳定性与能量和物质通过系统的最大流量和熵向环境的最大消散有关，有可能导致系统瘫痪。但是，也有可能，在经过了这个不稳定时期之后，系统重新组织，呈现新层次的稳定。换言之，消散系统可以进化。

 

进化中的消散结构

 

消散结构(Dissipative Structure)的一般表现似乎与生命系统相近。Prigogine已经指出，与秩序失调的宇宙相异其趣的生物过程，实际上可以根据消散结构原理来预测。他说：“生命已经不再像个排斥热力学第二定律的孤岛……而应该显示为普遍物理定律的产物……以便能量和物质流在开放系统中建立和维持功能和结构的秩序。”

 

生物系统现在是最首要致力研究的领域。许多现象，如植物生长、简单有机体繁殖、神经元的刺激模式等，以及许多化学生物过程，现在能以消散结构的原理来理解。这个理论已经应用于社会群体，如从蜜蜂群和黏霉菌，到人类经济交互活动，到人类社会，到经济系统，甚至到地母本身。这个理论也可应用于一般的进化论。在《The Self Organizing Universe》一书中，Eric Jantsch阐述了，朝向增加复杂性的进化趋向，在每一个阶段都可以被理解为消散结构效应。

 

如上所述，消散结构内部极度的变化，能够导致新层次组织的诞生。以进化论观点，这种变化表现为时期性的不稳定性，或危机。在危机中，有机体或者被强制地去适应环境的变化，从而可能走向更高秩序的组织；或者必将灭亡。

 

在生命进化进程的早期，危机或是变异发生在最早的原始细胞食用的简单有机混合物发生短缺时。由此产生了食物危机。其反应时光合作用的进化，即直接从太阳光吸取营养。

 

光合作用产生了副产品氧气。15亿年以后，氧气开始在大气中聚集，导致了另一个危机，即污染和毒害，从而产生了吸收氧气的细胞。

 

再以后，随着细胞越加复杂体积越加增大，它们无法快速地吸收食物来喂养身体。这时，革命性的反应是多细胞有机体的发展。

 

以消散系统的观点看待人类，我们发现，重大变迁的两个主要特征必将体现：增加能量和物质的流动，以及高值的熵。现在我们所消耗的能量和物质与从前不可比拟，导致了资源不足和枯竭问题。同时，人类产生的熵激增，给社会与环境带来了更大的秩序失调。

 

人类可能很快将接近转折点。有两种可能的出路：瓦解或突破。如果我们不能接受和适应必须承担的压力，人类社会可能崩溃。如果能够接受和适应，我们可能迈向新的层次。有一件事情很清楚，变化的步伐在加快，无论我们选择走哪条路，重大的变化为期不远了。