临溪笔记

Tag: 进化论

青霉素、爱因斯坦的手书与沟酸浆属植物

我不喜欢宗教,但我又无意于卷入任何有关科学与宗教的争论之中,因为在我的朋友们里有教徒。我不希望我对宗教的任何攻击性言论使他们受伤,也更不希望把这些言论憋在心里使自己内伤,所以各位最好不要主动跟我讨论任何有关宗教的话题。但在德国这个连政党都以宗教命名的国家里,不接触到有关宗教的话题也真是件难办的事儿。 上周末在明斯特,一个中国的神学博士就跟我聊起基督教和科学的话题来。他的言论和观点我基本上是全部不同意,但碍于他是我朋友的朋友,而且我相信他是出于好意,所以我当时没有反驳什么,但是我现在还是想抽出一点儿时间,把我暂时的一些可能不成熟的想法和观点写出来,与大家探讨。 1.基督教“有爱”而科学“无爱”? 有人只盯着一战、二战和现代社会中的“大规模杀伤性武器”看,却不见中世纪十字军对所谓“异教徒的国家”长达200年的屠戮和对“异教徒”的血腥镇压。这样的宗教战争,就像《格列佛游记》中的两个小人国之间发生的战争,其原由仅仅是为了争论剥鸡蛋是应该从大头剥起还是从小头剥起,是何等的荒谬。如果不是那场死亡率高达30%的鼠疫间接促成了文艺复兴与宗教改革,黑暗还将继续持续下去。宗教战争一次次把人类文明推向崩溃边缘,而真正挽救和推动人类文明进步的只有科学。农业革命和两次工业革命后,宗教式微,也正体现出了科学比宗教更能积极地推动人类文明的进步。有人说今天的基督教在精神层面已经完全被净化,但在我眼里只不过是一只被打断腿的狼在摇尾乞怜罢了。再说说科学这个“杀人工具”。还是那句老话,任何事物都有它的两面性,关键要看使用他的人是谁。就算基督教100%是向善的,但是各位忘了太平天国是怎么一回事儿了吗?科学技术也是一样。另外伴随着一战二战而发展的不仅仅是坦克等军工业产品,还有青霉素等医药卫生制品。基督徒们生病难道不吃药吗?在精神层面,如果没有宗教,我相信真正有科学素养的人一样可以对自我进行道德约束,而不借助于任何“上帝”的名义。而后者又往往让我想到封建迷信。关于这个话题的展开我记得道金斯曾经做过一个访谈,现在暂时找不到,找到后补上。 2.爱因斯坦信教? 神学博士还举了孟德尔和爱因斯坦两个例子来试图说明伟大的科学家往往也是教徒。关于孟德尔,我推荐北大生命科学学院院长饶毅写的这篇科普文《孟德尔:孤独的天才》(上、下),里面说的很明白: (孟德尔)坦陈入修道院不是为了宗教信仰,而是经济原因。这一重要的人生选择中他权衡的不是神圣与世俗,而是智力追求与成家育子的权利。为了头脑,他舍弃了生殖权。对于血气方刚的青年,并非容易,而需要很大的决心。孟德尔的决定也和中国传统的一种说法(也是当代相当一部分华人的想法)不同:这些人读书是为了颜如玉,而孟德尔为了智力追求放弃颜如玉。 与此类似的是达尔文就读过剑桥大学基督学院就能说明他是个基督徒吗? 关于爱因斯坦,很巧的是,上星期刚刚有一份爱因斯坦写给朋友的手书原件在eBay上以三百万零一百美元的高价被拍卖出[1],而这封信的主要内容就是对宗教的批判。爱因斯坦本人也并不信仰任何神,对于他而言,真正的“神”是宇宙或者物理学定律。(信的原件大图请点击这里。) 3.物种形成过程不可见? 神学博士还跟我聊起了“微进化”。碰巧几个星期前我也刚被两个传教士拦在宿舍楼外,塞给我这个也算是半个生命科学专业出身的人一本叫《生命来自创造吗》的小册子,居然还是中文版。我还真认真地“拜读”完了,可惜没看到任何来自智设论的新颖的观点,还是那一坨,自然也包括对微进化和物种形成的质疑。而我看到的一篇论文[2]却又实实在在地再一次给出了有力的还击——我们真的可以在自然条件下,观察到物种形成的整个过程。 植物进化有一种方式叫做“异源多倍体进化”(allopolyploid evolution),主要指的是在植物配子的形成过程中因为差错而导致的新个体的染色体数加倍现象,这样的个体是无法进行有性生殖的,但它本身却可以进行无性生殖,因此将有可能由此诞生出一个新物种。19世纪英国引入两种沟酸浆属植物(Mimulus),一种是M. guttatus,另一种是M. luteus.前者有14对染色体,而后者呈现出染色体加倍的情况——有30对或31对染色体。二者可以杂交,但产生的三倍体是不育的。通过相关的诊断数据显示,最近新发现并命名的M. peregrinus就衍生于M. guttatus与M. luteus杂交出的三倍体(这一进化事件发生于过去140年内)。M. peregrinus是6倍体,共有92条染色体,可形成具有46条染色体的配子,因而是可育的。具体数据和图像请见原论文。 [1]Einstein’s anti-God letter goes for $3 mil+ [2]Mimulus peregrinus (Phrymaceae): A new British allopolyploid species

[蜘蛛篇]蜘蛛为什么有八条腿?

在自然界中,我们能观察到的大部分“虫子”,无论是天上飘的、地上蹦的还是水里窜的,都是六条腿,它们基本上都能归属于六足亚门。从机械结构稳定性,或者说一个机器人专家的角度来看,六条腿也确实是完美之选(比如不久前刚刚开始火星探索之旅的“好奇号”)。但是不属于昆虫纲也不属于六足亚门的蜘蛛为什么是八条腿呢? 虚拟模型:好奇号(curiosity)火星探测器登陆(图像来源:space.com) 这个问题看起来似乎有些蛋疼,但还是有科学家对它进行了认真的研究。2011年6月2号,美国国家地理网站发表了一篇名为《蜘蛛演化出了多余的腿》(Spiders Evolved Spare Legs) 的文章(在我的iFrei.cn这个域名还在使用的时候,曾经对这篇文章进行过全文翻译)。我并不喜欢这篇文章的标题,因为它暗示了早已被摒弃的拉马克学说的正确性。事实上,生物不可能自主选择自己的演化方向,换句话说,生物不可能为了某种“多余性”而演化。也许我们确实能看到某些生物身上存在一些多余的器官,比如我们人类的智齿、阑尾等,但它们都是自然选择的结果,并非我们人类自身愿望的结果。从逻辑上来说,这种多余性体现的是一种从有到无的演化过程,而并非从无到有。或者可以这样定义生物学意义上的“多余性”:如果一种组织或器官出现在生物个体上,并使该个体的适应度降低,那么就可以说这个组织或器官相对于该种生物是多余的。蜘蛛的演化史约为4亿年,目前已知的最古老的蜘蛛化石被保存在一块距今已有1.4亿年的琥珀之中。与现存的蜘蛛一样,它也有八条腿。如此看来,“蜘蛛演化出了多余的腿”这个结论是不成立的。 需要注意的是,这个结论是这篇文章给出的,并非由原论文作者给出。另外这篇文章中除了标题,其实并没有谈到任何关于演化论的观点。前一阵我又想到这个问题,特意又去查了原论文。原论文标题为《腿的丧失:这对于圆蛛而言是否是一种障碍?》(Loss of legs: is it or not a handicap for an orb-weaving spider?),发表在2011年11月7日的《自然科学》(Naturwissenschaften)杂志上,作者为斯特拉斯堡大学的Alain Pasquet, Mylène Anotaux和南锡大学的Raymond Leborgne.因为下载不到这篇论文,我只能从摘要中对这篇论文有个大概的了解。研究者的研究对象是一种叫做丽楚蛛(Zygiella x-notata)的圆蛛。在野生环境下,根据种类的不同,成年蜘蛛的失腿率大致在5%到40%之间,而成年雌性丽楚蛛的失腿率在9.5%到13%之间,其中48%都是只缺失一条腿。在实验室条件下,研究者对比了缺腿蜘蛛和完整蜘蛛的捕食效率、产卵量和寿命,结果显示无任何差别。 雌性丽楚蛛(Zygiella x-notata)(图像来源:eurospiders.com)

演化的时间复杂度与黄鼠狼程式

“突变率很低,地球年龄又很短,要想演化出人类这样具有高度文明的智慧生物是完全不可能的。”——这是智设论者用以攻击演化论的常见论点。2010年,美国宾夕法尼亚大学的数学家Herbert Wilf和遗传学家Warren J. Ewens则用数学方法对这种观点予以有力还击,他们给出的答案是:There’s Plenty of Time for Evolution[1]. 可以把基因组的演化想象成一个密码破解的过程。我们对这个密码几乎一无所知,但知道它的长度为L,其中的每个字符都来源于一个有K个字符的字母表。按照智设论者的观点,这个密码是这样来进行暴力破解的:用字母表中的字符随机生成一串长度为L的密码,与正确的密码相比对,如果不正确,那么再重新生成(不记忆已比对过的字符串),再比对,直到与正确的密码相一致为止。这个破解算法的时间复杂度为指数级的O(K^L),也就是说平均要K^L次才能破解出正确的密码。这是什么概念呢?让我们想象一个拥有20000个可突变基因位点的基因组,即L为20000,另外在基因组水平上,根据生物学统计信息,这里的K值可近似取40(具体怎么算出来的见文末注解[2]),那么要想正确演化出这样的基因组平均需要10^34040代,即使按每年可繁衍、演化100代计算,也需要10^34038年,而生命的演化史也只有3*10^9年而已。。 智设论者的想法肯定是错误的,那么到底是哪里出了问题呢?很简单,就是他们忽略了演化的一个关键因素:自然选择。基因突变是演化的原料,自然选择则是演化的动力。修改一下上文的模型,可以设定这样一个“间谍”,在你每次进行破解之后,这个“间谍”会告诉你哪些位置猜对了,这些猜对的位置便不用再猜,只用继续再猜那些没猜对的即可,这个“间谍”即相当于起到了“自然选择”的作用。这也是符合遗传学规律的,那些适应性强的基因(比如与表达眼睛相关的)一旦固定就很难消失,不会因为其它基因(比如与表达肝脏相关的)未能演化出来而被淘汰。根据这个模型,Herbert Wilf计算出的演化时间复杂度为O(K*logL),并给出了用于描述平均需要演化多少次的公式: 这里的β(L)是一个关于logL的周期函数。(具体论证过程请参考原论文。) 现在用这个公式再计算下上文中所述的那个例子,代入K=40,L=20000,结果约为390,只需要390代即可。 当然,这只是一个非常简化的关于演化的数学模型,生命的演化过程远比我们想象的要复杂得多。事实上,在1986年,道金斯也曾提出过一个“黄鼠狼程式”(Weasel program)来回击演化中类似的常见误解[3],但未能给出数学上的解释和证明。其灵感来源于“无限猴子定理”。