文/姚斌
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马里奥·利维奥在他的《为什么伟大需要犯错》中通过五位伟大的科学家剖析了他们的失误，揭示了在范式转变道路上固有的挑战和必要的迂回，证明了进步的基石往往是由深刻甚至是巨大的失误铸就的，这些失误成为通向革命性理论的垫脚石。
■ 编织一个华丽的“挂毯”
这本书先从生命演化开始，展现了查尔斯·达尔文如何在错误的遗传理论下提出了演化论。它的一个重要支持证据是地球要足够长的存在时间才能满足演化所需的时间。让我们聚焦于此，重新审视“自然选择”的进化图景，因为进化论这一主题仍是未来科学研究的重要课题之一。这是我们多年来高度关注的主题。
在《牛津英语词典》中，“进化（evolution）”一词被定义为：“任何可以类比作有机生命体的东西，按照其内在的秉性发展或成长……此外，任何依靠自然发展的兴盛或起源，区别于特性行为所产生的结果。”在整个20世纪，“进化”一词与达尔文的名字联系的非常紧密。然而，让人难以相信的是，在达尔文的巨著《物种起源》1859年的第1版中，一次也没有提到evolution这个词。不过，这本书的最后一个词确实是evolution。
达尔文的《物种起源》第1版于1859年11月24日在伦敦出版。从那一天开始，生物学就被永远改变了。但是，这本巨著对于生命真正的起源或宇宙整体的进化却只字未提。与一般人所想的恰恰相反，达尔文完全没有讨论人类的进化，除了在书的结尾写了一段乐观的语言：“在遥远的将来，我看到了非常重要的研究的开阔领域。心理学将建立在新的基础上，这是每一种心理的动力和能力经过渐进之后必然获得的。人类的起源及其历史将会得到阐明。”
在达尔文后期的著作，与《物种起源》相隔12年出版的《人类的由来及性选择》中，达尔文才讲清楚，他相信他的进化理论适用于人类。在《人类的由来及性选择》中，达尔文断定人类或许是住在旧大陆森林里的猿类生物的自然后裔。实际上，《物种起源》已经完成了进化论的大部分研究内容。达尔文一举推翻了设计论，并揭示了物种并非永恒不变。同时他提出了一种机制，这种机制是物种的适应作用和多样化得以完成。
大自然有着极为丰富的生命形态，这些生命形态之间经过复杂精巧的组合和相互适应，让从13世纪托马斯·阿奎纳到18世纪的威廉·佩利等许多自然神学家都相信，地球上的生命是一位顶级设计师的杰作。这种思想甚至在公元前一世纪就出现了。著名的罗马演说家马库斯·西塞罗认为，自然界必定源于某种神圣的“理性”。西塞罗也是最早提出“钟表匠”比喻的人。这一比喻后来成为支持“智能设计论”的关键论据。
这正是佩利在近2000年后所采用的推理方式：有装置就意味着有发明人，一如有设计就意味着有设计者。一块复杂的钟表，就是钟表匠存在的证据。设计论隐含的另一个主张是：物种被认为是绝对不可变的。这种永恒存在的观念起源于人们长期以来对于其他实体的信条，这些实体通常被认为是永恒的和不变的。17世纪和18世纪物理学和化学的惊人进展的确指出，当我们讨论事物的本质时，有些本质比其他本质更加基本和长久，它们几乎不受时间影响，可以存在很长时间。
这些观念是当时人们对生命的普遍想法，直到一个有勇气、有远见卓识、有深刻洞察力的人，把一堆分散的线索编织成了一张华丽的挂毯。这个人就是查尔斯·达尔文。他提出的进化论，已成为最鼓舞人心的非数学理论。达尔文对地球生命的理解，从神话转化为科学。
■ 达尔文进化论的四大支柱
达尔文的理论包含四大主要支柱，它们都由同一机制支撑。这四大支柱是进化、渐进、共同祖先和物种形成。驱动以上种种并将不同要素联合在一起，产生协同作用的关键机制就是“自然选择”。现代科学研究表明，除“自然选择”这一重要机制外，还有一些其他机制也对进化起到推动作用，而其中有些达尔文当时并不知道。
进化论的第一大支柱就是进化本身。虽然关于进化的一些思想早有先例，但在达尔文之前的法国和英国博物学家未能提供令人信服的进化机制。正如达尔文对进化所描述的：“许多博物学家直到最近还持有和我以前一样的观点，即每个物种都是独立创造出来的。这一观点是错误的。我非常确信，物种不是不变的，那些所谓同属的物种都是通常已经灭绝的一个早期物种的直系后裔。”也就是说，我们今天见到的物种，并不是一直存在的，它可能是某些早期物种的后裔，而这些早期物种已经灭绝了。
现代生物学家倾向于区分微观进化和宏观进化。微观进化是一种相对较短时间内在本地群体中发生的进化过程，比如有时在细菌中观察到的变化。宏观进化的时间尺度较长，通常涉及不同物种之间的进化，以及大规模的灭绝事件，比如恐龙灭绝事件。
进化论的第二大支柱，即渐进，主要从两位地质学家的作品中借鉴而来。一位是18世纪的地质学家詹姆斯·赫顿，另一位是和达尔文同时代的查尔斯·莱尔。地质记录显示了横跨广大地区的水平带状图案，表明了地球上不同年代的岩石层之间的差异。在这些岩石层中，我们发现不同种类的化石。这些带状图案和化石的发现揭示的渐进的变化过程。赫顿和莱尔在形成现代均变理论方面起到了重要作用。该理论认为，像侵蚀和沉积等过程，现在发生的速度与过去相近。
达尔文认为，就像地质作用是渐进且稳定的塑造地球一样进化的转变，也历经数十万代的转型过程。因此，我们不应期望在一万年内看到重大的变更，除非是繁殖非常频繁的生物，例如细菌。如今我们知道，细菌可以在极短的时间内产生抗药性。然而，不同于现代均变理论，一个物种的进化速度通常在时间上是不均匀的，不同物种之间的进化也可能有很大的差异。自然选择导致不同物种面临不同的压力和挑战，进而决定了物种的进化速度。有些活化石，如圆口鳗，似乎3亿6,000万年以来都没有任何进化。值得一提的是，渐进式进化的观念最初是在17世纪由经验主义哲学家约翰·洛克提出的。他写了一句十分具有洞察力的话：“人们用于区分物种的界限，都是人创造的。”
进化论的第三大支柱即共同祖先概念，现在已成为探究生命起源的主要动力。达尔文率先主张，同属任一分类的成员，如所有的脊椎动物，无疑都源于共同祖先。他的想象力带领他飞越这个概念。虽然在达尔文发表他的学说之际，还没有人知道所有生命都拥有许多共同特征，如DNA分子、少数氨基酸，以及像流通货币一样携带能量的分子，但达尔文能大胆宣称：“类推法引导我更进一步，即我相信所有的动、植物都是从某一人群传衍下来的。”“很可能所有曾经在地球上生活过的有机生物，都是从某种原始类型传衍而来，变成最初会呼吸的生命。”
达尔文直面挑战惊人的多样性，他书名中有“物种”这个词并非巧合。达尔文对多样性问题的解释，包含了另一个原创性的想法：分支进化即物种形成，这也是达尔文进化论第四大支柱。达尔文推断，生命起源于一个共同祖先，就像一棵树只有一个树干。树干长出树枝，树枝再分出细枝，“生命之树”通过许多分支和分叉事件进化出不同的物种。其中，许多物种会灭绝，就像有些树枝会枯死或断裂。但是，既然在每一个分叉点，衍生自特定祖先的后代物种数量将会倍增，不同物种的数量自然急剧增加。
那么，什么时候会发生物种形成呢？根据现代观点，物种形成主要发生在一群特定物种的成员被分割在不同地理环境时。例如，一个群体可能游荡到山脉迎风多雨的那一侧，其他成员则待在干燥的山坡那边。随着时间的推移，这两个种群在截然不同的环境里会产生不同的进化路径，最终导致它们成为不同的物种。在更加罕见的情况下，物种间的杂交还可能产生新的物种，例如意大利麻雀。
1945年，以《洛丽塔》和《微暗之火》闻名的作者弗拉基米尔·纳博科夫出乎意料地提出了一个关于一种名为蓝斑蝶的蝴蝶群体进化的全面性假设。纳博科夫推测这些蝴蝶在持续百万年的时间从亚洲大陆迁徙至新大陆。令人惊讶的是，一支科学家团队在2011年利用基因测序技术证实了纳博科夫的猜测。他们发现，新大陆的蝴蝶有一个生活在1,000万年前的共同祖先，与它们的邻居相比，许多生活在新大陆的蝴蝶与旧大陆的蝴蝶有更近的亲缘关系。
■ 最为戏剧性的思想革命
十几年前，利维奥在撰写《正在加速的宇宙》时，试图找出是什么使科学家把宇宙的物理理论变得如此美丽。他得出了结论，有两个非常基本的要素：一是简约，二是哥白尼原则。所谓简约，其实是指简化论，即能让多数物理学家理解，尽可能以最少的定律解释最多的现象，这一直是现代物理学的目标。例如，亚原子世界有一个极为成功的理论，即量子力学；还有一个同样成功的理论，可以解释整个宇宙，即广义相对论。
哥白尼原则证明来自波兰天文学家尼古拉·哥白尼。在遵循哥白尼原则的理论中，人类不再占有特别的一席之地。哥白尼教导我们，地球不是太阳系的中心，随后的天文学发现更加强化了我们的认知：从物理学的观点来看，人类在宇宙中没有扮演什么特殊的角色。我们生活在一颗小小的行星上，绕着一颗普通的恒星旋转。我们生活的银河系里有数千亿颗类似的恒星。在我们可以观察到的宇宙中大约有2,000亿个星系，而即使是我们与所有星系中的星星和气体所组成的普通物质，也仅仅占据了宇宙所有能量比例的4%多一点。这表明我们在宇宙中确实微不足道，事实上我们真的没有什么特殊之处。
简约和哥白尼原则都是达尔文进化论的特征。达尔文只有一个统一的观点，就解释了几乎所有与地球生命有关的事物（除了它的起源）。很难比这更简约了。同时，他的理论又深刻体现了哥白尼原则。人类和其他生命一样，都是进化而来的。达尔文经常用“生命之树”来形象地比喻生命的进化历程。在这棵树中，所有最年轻的枝条都是通过相似数量的分支与主干连接的，唯一的区别是它们生长的方向不同。同样的，在达尔文进化体系中，所有目前存在的生命，包括人类，都是类似进化途径的产物。在这个体系中，人类并不是例外，没有什么与众不同之处，更不是造物主。人类只不过尤其在地球上的祖先经过适应、进化而成。这标志着“绝对人类中心主义”就此落幕。
地球上的一切生物都是同一个大家庭的成员，正如杰出的进化生物学家史蒂芬·古尔德所说的，达尔文的进化论是灌木林而非阶梯。达尔文的进化论充分满足了简约和哥白尼原则这两个要素，是一种具有极高美学价值的理论。毫无疑问，《物种起源》这本书掀起了科学史上最为戏剧性的思想革命，进化论的思想已经成为所有生命科学研究的指导性原则。
达尔文并不满足于只是讲述生物进化和多样化的现象，他认为自己的任务是解释这些进化和多样化的过程是如何发生的。为了达成这一目标，他必须提出一个理论，用于证明自然界中复杂的“设计”不是来自上帝，而是自然选择的结果。达尔文的这一想法，即“自然选择”，被哲学家丹尼尔·丹尼特评价为“人类有史以来提出的最优秀的构想”。
进化论概念所面临的最大挑战之一是适应性，因为物种似乎能与周遭环境达成完美的和谐，而生命本身的各种特征，如身体器官和生理过程，也能互相适应。物种既能够一边进化，又能够一边维持良好的适应性，是因为“自然选择”发挥巨大的作用。
自然选择的基本思想其实相当简单，一经指点就能明白。首先，达尔文指出，物种产生的后代数量往往比能够生存下来的数量要多。其次，同一物种的每个个体不可能完全一样。如果其中一些个体在适应环境方面有些优势，比如能更好地应对环境的变化，假定这些优势能够被遗传并且传给它们的后代，那么随着时间的推移，这一种群将逐渐转变成适应能力更好的生物。
达尔文在《物种起源》的第3章中这样写道：“由于这种生权斗争，无论多么微小的变异，无论这种变异缘何而生，倘若它能在任何程度上、在任何物种的一个个体与其他生物以及外部条件的无限复杂的关系中，对该个体有利的话，这一变异就会使这个个体得以保存，而且这一变异通常会遗传给后代。其后代也因此有了更好的存活机会，因为任何物种周期性地产出的很多个体中，只有少数得以存活。我把通过每一个微小的（倘若有用的）变异被保存下来的这一原理称为‘自然选择’。”
自然选择其实包含两个连续的步骤。第一步主要是随机的或偶然的，第二步则完全是非随机的。在第一步中，会产生可遗传的变异。用现代生物学的语言来说，我们理解这种遗传变异是由随机突变、基因重组以及有性繁殖和受精卵形成有关的所有过程导致的。在自然选择的第二步，即选择中，无论是与同一物种的成员竞争、与其他物种的成员竞争，还是以其应对环境的能力而言，那些更最适合竞争的个体更有可能生存和繁殖。然而，选择的过程并不能决定一切。例如，好的基因也无法帮助一种恐龙免受巨大陨石撞击的灭顶之灾。因此，概括地说，进化的实质是在长时间自然选择的作用下种群基因频率发生变化的过程。
如果用达尔文完全不知道的现代遗传学术语，那就是，从生存和繁衍的角度而言，自然选择就是那些基因比较“优良”的个体能够产出更多的后代，而这些后代也会有相对更好的基因。经过许多代的进化后，有利的基因突变将会占上风，而有害的基因突变则会逐渐被淘汰，从而使物种对环境的适应能力不断提高。例如，我们很容易看出跑得更快对捕食者和猎物都有利。因此，在东非塞伦盖蒂的开阔草原上，自然选择造就了一些地球上速度最快的动物。
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达尔文进化论基本上很难通过直接证据来证明，因为它通常在非常漫长的时间段运作，如果对这个时间段按比例换算，那么看小草生长感觉就像看快节奏的动作片一样。一个事实是，化石记录清楚地显示了生命从简单到复杂的进化过程。具体来说，在数十亿年的地质时间内，化石被发掘的地质层越古老，其物种就越简单。
著名的哲学家卡尔·波普曾经怀疑自然选择是“逻辑自证”。其主要依据的论点是，如果一个物种已经存在，就表示它们适应环境，否则就已经被淘汰了。也就是说，适应性只是被定义为保证生物存在的特质，并没有排除任何内容。但自从波普公开发表这个观点之后，一些哲学家已经证明他是错的。事实上，达尔文的进化论排除的情况比它保留的情况更多。例如，达尔文认为，没有祖先，就不可能出现新的物种。同样地，在达尔文的理论中，任何不能逐步实现的变异都会被排除。波普后来承认自己的错误，并且宣告：“我已经改变了对自然选择的看法，不再认为自然选择不可测试或逻辑自证；此外，我很高兴能有改变论调的机会。”
达尔文自然选择进化论主要在两个方面彻底改变了生物学的思维：他不仅认识到人们数百年来的信仰可能是错的，而且还展示了如何仔细收集将大胆的理论，假设与事实联系起来，以获得科学真理。它让我们了解到，达尔文极好地解释了地球上的生命为何如此多样，以及生物为何具备它们现有的特征。的确，达尔文之于19世纪，就如艾萨克·牛顿之于17世纪和阿尔伯特·爱因斯坦之于20世纪。在科学的历史上，进化论构成了最激烈的革命之一，这是非常奇特的。正如生物学家和科学史学家恩斯特·迈尔所说的，它“在人的思想中引起了一场比自文艺复兴时期科学得以再生以来任何其他学科的进步更伟大的变化”。