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日志

 
 

论生物物种的类波粒二象性  

2009-05-20 13:28:36|  分类: 格物致知 |  标签: |举报 |字号 订阅

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论生物物种的类波粒二象性

即热力学第二定律在进化学上的应用

 

1.热力学第二定律的延展性

 

热力学第二定律,可以简要地表述为“熵增加原理”,即:孤立系统的混乱度只能增加不能减少。

当19世纪中叶,克劳修斯引入“熵”的概念时,热力学第二定律仅仅适用于物理学,

但近些年来,熵,即系统的混乱程度,已经被广泛应用于多个领域,

尤其在信息熵与热力学熵获得统一之后,广义熵已经涉及社会学、经济学和哲学范畴。

信息的作用,在于消除事务的不确定性,信息量越大,消除的不确定性越多,不确定性即是熵,

消除不确定性,就是熵减少的过程,所以信息量可被视为负熵。

这里有两点需要特别关注,第一,信息熵为真实熵,可影响系统的混乱程度,

第二,提出信息熵的人名为香农,在生态学和统计学中,香农因经典的多样性指数而知名。

 

2.热力学第二定律在生物学中的应用

 

热力学第二定律与生物学的联系,自普里高津的耗散结构开始。

由于热力学第二定律的熵增加原理,针对的是孤立系统,而生物体则是开放系统,

因此生物体要保持自身的熵增不超过极限,又要遵守热力学第二定律,

就必须保证开放系统可以从外界输入负熵,生物体内部永远保持不可逆的熵增,

而外界的负熵则抵消了生物体内产生的熵,从而保持生物体的动态平衡。

例如动物食用的食品,分子排列较为有序,是低熵物质,

而动物的排泄物中,分子排列混乱,相对为高熵物质,

当然摄入的低熵更多地用于抵消动物自身的熵增,新陈代谢,爱恨情愁。

植物的作用则是将简单分子结构的物质,变为了复杂分子结构的物质,

从单纯无机物小分子,变为了有机大分子,同样是一个吸收负熵的系统。

值得一提的是,由外界吸入负熵的开放系统,即耗散结构,

除了可以对应生物体之外,也可以类比于一座城市,一个聚集区,从而延伸至社会学领域。

 

3.生物进化造成的熵增现象

 

若从整个生态系统着眼,无论是物种的多样性,还是生物个体数量的增多,都是熵增现象。

以极限法考虑,整个系统中只有一个生物个体,其混乱程度即为最低,

同理,整个系统中只有一种生物,混乱程度要远远低于多种生物构成的复杂系统。

生物进化所造成的多个物种,构成错综复杂的食物链网,以及相互制约的动态平衡,

使极限法中单纯的低熵系统,变为了高熵系统,同时由于熵增定律,

这一系统的进化趋势,必定向着更为复杂的方向,即,生物进化是不可逆的熵增过程。

 

4.论物种的类波粒二象性

 

在进化过程中,物种作为一个基本单位,显得尤为重要。

自古至今,博物学家对于物种的定义始终充满争端和兴致,

如今较为普遍的看法是,能够形成广义生殖隔离,即可将两个物种区分开来,

因此无论生物最初的起源是单源抑或多源,在漫漫进化征程中,物种的诞生从来都是,

由一个固有物种,通过变异,逐渐演化为一个或者多个新物种。

在这一演化的过程中,固有物种和新物种两个基点,存在生殖隔离现象,

而无论自形态学、行为学或分子生物的角度,这两个基点也存在着可供区分的差异。

然而在两个基点之间的过渡类群,则昭示了两个物种之间的关联性,

这种关联性不能因为过渡类群的缺失而抹杀。

可以确定,传统博物学中的物种,是无数个基点,被人类精确描述、绘制、认知,

但对于这些基点之间的过渡种类,人们却论述甚少,有时甚至避而不谈。

例如中国植物志第八卷中记载的崇阳眼子菜,其模式标本在形态上确和邻近类群相异,

但模式标本的采集号前后若干号标本,恰好构成一个过渡类群的集合,

其中有近似于已知类群的个体,也有变异较大的个体,

将变异突出的个体作为新的物种,是近年来博物学家所犯下的普遍疏漏,

他们甚至并不能够给出准确论据,以证明新物种和固有物种之间存在生殖隔离。

相反的现象出现在自然杂交状况中,

固有的物种,即两个或两个以上的基点之间,通过非人为的渠道,出现了可以稳定遗传的自然杂交中。

无论是基点之前的原始过渡类群,还是在基点确立后重新出现的过渡类群,

博物学家对它们的认知,显然不如生态学和进化学中对其的论述全面、客观。

因此,将进化学引入经典博物学的范畴,物种可定义为,

在进化过程中,延续的过渡类群中,所突出反映、个体数量庞大、能够稳定存在,

并尚未被环境所淘汰的断点的集合,断点和断点之间符合生殖隔离,存在内外在差异,

并且这些断点并非一成不变,而是在动态的演化中,继续向着系统熵增的方向进化。

这一论述类似于物理学中光的“波粒二象性”,但其本质却不尽相同,因此称之为物种的“类波粒二象性”。

 

5.传统进化学中过渡种类的存在与消亡

 

在传统的进化学中,达尔文提出的自然选择理论,似乎可以有效地解释物种消亡。

进化的无序性,需要通过外界环境来对其筛选,

这就是为何过渡类群容易消亡,而处于基点的物种则容易存活下来。

在极限的环境里,只有最能够适应环境的个体,才得以最终繁衍,

这些个体构成的集合,就是传统意义上的物种,而过渡类群则被环境所淘汰;

当环境略好于极限环境时,靠近基点的过渡类群中的个体得以存活,

它们与基点存在微小差异,但不足以构成生殖隔离,不足以定义为其他物种,

因此这些过渡类群同样被归为和基点相同的物种中,

这就使得一个物种存在了多种生态表现型,而不是单一、统一的形态、结构、行为。

由于环境的严酷性,新物种的诞生,往往伴随着环境的剧烈改变,

在外界发生剧变时,本来处于淘汰边缘的过渡类型,成为了最适宜环境的个体,

尽管这里的适宜相当勉强,但它们却最终存活繁衍,

而在之前基点的个体,纵然没有全部消亡,也只残存了极少的数量,

这时候在人类的认知中,基点发生了偏移,久而久之,进化得以持续,

而上述的单线进化,事实上更多的是多线进化,其中一些进化分支最终消亡,

但整体看来,更多的分支得以生成,更多的基点得以确立,

因而物种多样性、遗传多样性都在这一过程中愈加丰富,整个系统维持熵增状态不变。

 

6.极限过渡种类悖论

 

现在假设一种状况,即,外界环境十分温和的状况。

在这一假设中,绝大多数的过渡类群亦可以生存,假设两个基点分别为A和B,

从A到B之间,被划分成了11个空间段,以S1至S11来表示,

A归属与S1的最边缘,而B归属于S11的最边缘。

规定基点A的物种可以和S1至S3的过渡类群杂交,即不存在生殖隔离现象,

同理,S2至S4中的过渡类群可以相互杂交,杂交的适宜度为3个空间段。

由于环境温和,自S1至S11都存在相当数量的个体,这时就会产生一个悖论,

如果S1至S3的个体描述为物种A,S9至S11的个体描述为物种B,

那么S6个体,不可和S1至S3任意一个个体杂交,即出现生殖隔离,也不可和S9至S11的个体杂交,

那么应该将之定义为新的基点X,但X周围的过渡类群,即S5至S7,却既可以和A杂交,又可以和B杂交。

这种极限环境中的假设,在真实的生态系统中,同样困扰着博物学家,

他们在自己定义的、看似完美的分类系统中,在可以明确区分开的两个物种之间,

有时会发现违背非A即B的现象,即,某一个体,即符合A亦符合B,

这就为早期的传统分类学提出了难题,那些语气绝对的鉴别标准,

如,花瓣长度不及萼片的2倍,雄蕊超出花冠1.5倍以上,

这些描述将面临似是而非的挑战,更何况这些描述尚不涉及生殖隔离范畴。

分子生物学家认为,一个关乎数量的性状,会由更多的基因点所控制,

因此不确定性更大,不建议将之用于分类学的鉴别之中,

这里暂且抛开分类学的性状不谈,仅以生殖隔离论之,传统物种的定义将受到置疑。

 

7.热力学第二定律平衡点

 

现在重提热力学第二定律,即熵增定律。

首先,物种种类的增加,使系统的无序性、混乱性增加,这点毋庸置疑,

尤其在人类出现之后,对于有人类参与的生态系统而言,越多的物种出现,

意味着越多的不确定性信息的出现,同样意味着人类固有信息量在整体所占的比例相对的减少,

信息量的缩减,意味着负熵的缩减,即整个系统的熵的增加。

上述的熵增状况,是符合热力学第二定律的正常状况,但倘若出现大量符合悖论的生物类群,

即,基点和过渡类群能够杂交,或可谓之,物种的类波粒二象性中,波动性占据了主导地位,

那么整个生物界中,物种的数量将大幅度缩减,种间竞争和多样性亦会减少,

这些都将意味着整个系统的混乱会随之降低,因此为了维持整体熵增不变,

物种的波动性长期且必将继续为粒子性所压制,即,极限状况下的过渡种类,不可能大量存活,

这也就是为何长久以来,许多杰出的前辈都将生物物种看成是孤立的基点,

甚至在进化学完善之后,经典分类学家依旧主张以性状来将物种区分。

然而值得玩味的是,面对上文所提的极限过渡种类悖论,在人类无从将之解决之前,

这无疑将使人类对于整个生态系统的认知,乃至哲学体系的认知,造成相当程度的混乱,

这一混乱短时间内无从解决,也正因为如此,分类学家和博物学家得以具有了存在的意义和价值,

然而这些专家们作为新的一类职业人群的存在,本身也使人类社会的熵增长。

——这里就出现了一个值得探讨的问题,极限过渡种类悖论的存在,

究竟有利于人类社会的熵增,还是更加严重地导致生态系统趋于有序,

以现有的观察结果而言,即,极限状况下的过渡种类相对只是少数的状况,

人类社会的熵增,比之整个生态系统而言,依旧是不足以对抗、逆转的微弱势力。

 

8.濒危物种的灭绝与大灾难

 

在这里谈一下物种灭绝的问题。物种灭绝,从单纯的生态系统看,是制造负熵的过程,

然而对于灭绝本身,需要从两种情况来分别加以分析和讨论。

首先是濒危物种的灭绝,作为濒危物种,它们对于整个系统的影响力已经微乎其微,

即使造成负熵,也会因为灭绝后的个体分解等物质循环状况,在具体环境将之弥补,

况且就整个个体而言,新的物种和个体的诞生、演化所制造的熵增,将能够抵消濒危物种的灭绝,

这里有一个例外状况,就是人类的干预。

人类使濒危物种的灭绝速度变得缓慢,同时这些濒危物种在人类的干预下,

在人类社会中造成的无序将会增加,即,对于人类个体而言,信息总量的增长,

会对个体造成更多的不确定性,更多的可能性和更混乱的未来状况。

相比于濒危物种,大灾难对整个系统的影响更加明显,

大量物种的灭绝,大量个体的死亡,食物链网的破坏,乃至生态系统的变化,

有可能造成大尺度视角上的负熵出现,但这一状况并不是源自系统内部,

即,造成负熵的根源来自开放系统的外界,这在耗散结构理论中是被允许的。

如同以一个生物体为基础单位的耗散结构,当来自外界的负熵不足以抵消自身的熵增,

生物体将会因为自身的混乱程度超出极限,造成伤病和死亡,

对于生态系统而言,也同样需要负熵的摄入,而大灾难往往是解决过度熵增的直接手段。

这也同时解释了“平衡医学”理论,即,人类可以消灭很多病菌种类,

可以抑制可攻克很多病理现象,但总会出现新的病菌和病变,威胁人类健康。

 

9.符合熵增规律的物种进化方向

 

最后谈一谈,在大灾难暂且不会到来的前提之下,生物物种进化的方向。

为了向一个更加混乱、无序的熵增方向进化,要求更多的生物种类、个体出现,

在一个有限的空间之内,为了容纳更多的个体,就要求每个个体所占据的空间变得更小。

同样体积越小的个体,相对表面积则越大,散热量也越高,这同样符合熵增规律。

这也就解释了,为何当今越来越多的大型哺乳动物面临着生存威胁,

除了空间、食物来源、种群缩减、人类干预等因素,它们的存在并不处于进化的正确方向,

对于体型庞大的动物,或者被小体型动物占据生态位,逐渐淘汰灭绝,

或者将会如同猛犸和恐龙,在大灾难中损伤殆尽,使生态系统的熵重新减少到相当程度。

物种向着小体型、高耗能,甚至是短寿命、高度进化的方向演化,

在这个途中人类的出现,形成了相当程度的扰动,可以说,是人类使这一进化方向受阻,

人类创造出了高于物种进化若干倍的熵增,在满足热力学第二定律的同时,也加速了整个系统的衰亡,

即,熵增超过极限时,源于外界的负熵侵袭。

人类想必早已意识到了这一状况,在更宽泛的范畴里,这一状况被表述为,

分久必合,合久必分,精满自溢,月满自亏。

 

2009年5月19日 午后于京


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