7.消失在宇宙背景中的物质碎片
10-2米,10-3米,10-4米,10-5米
从1厘米到10微米
从人类指尖大小到一小滴水云或一个动物细胞大小.
随着我们进一步缩放宇宙的尺度,我们称之为家园的这颗行星逐渐消失在背景中。地球上的所有色彩和戏剧性事件不过是一片比我们现在的新起点大10亿倍的模糊区域。但这个尺度和接下来的几个量级可一点儿都不无聊。在这里,你会遭到缤纷而又奇怪的观念的挑战。其中处在首位的就是我们所谓的复杂性。
复杂性是当前宇宙的中心。我们已经在浏览星系和星云时遭遇了这一概念,但它也充斥于我们的日常生活中。我们的身体结构以及与我们共同生存的多样物种种群都证明了这一点。虽然我们几乎没有注意到,但我们的确栖息于一个拥有复杂生物粒度的世界。
感官的局限性让我们没法完全了解这个世界究竟是什么样的。如果我们在自己面前的适当距离处拿着两个极其微小的物体,那么只有当它们的间距大于一根头发的宽度时,我们的眼睛才能分辨或解析出这对物体。若将这个间距减半,那么即使是人类中视力最好的人也无法区分眼前所见到底是一个物体还是两个物体。
由于这样的限制,我们在过去的几万年里,把大部分时间浪费在了我们无法察觉到的鼻下,指甲之下,血液、唾液和皮肤之内的世界。我们总是把自己的实体,以及其他任何生物都视为紧紧包裹住自身的整体。任何东西,从大怪兽到小昆虫,似乎都同样坚固,都不可分割。
然而,我们所有人就像宇宙的其他部分一样,是由碎片组成的。我们由原子、分子、分子复合物和细胞组成。而在这些部分之间,可能有着各式各样、不计其数的机械动作和化学反应。
以人类的手为例。你的双手,现在正忙着抓紧这本书,它们处于一种动态拉伸的状态。坚固的骨骼、肌腱、肌肉、神经纤维和皮肤协同行动,它们共同感受着这本书,并同步协调着彼此的活动,这样你才能专注地看着这些字。
许许多多不同颜色、不同肌理、大小各异的手,帮助我们在周围的世界里留下自己的印记。
10-3米
生命的粒度
人类的手是一件精巧、复杂,装配了多种细胞、组织、结构和化学成分的艺术品。这些相互依赖的组成物让人类这一物种能够表达自己,能够将自身刻印在周围的世界中。一只典型的手有29个主要关节、123根韧带、34块肌肉、48处神经和30条动脉。
我们将脑中的概念提炼出来,并用岩石和铁器将它们雕刻成形状和图案,将自己的思想转化成实际的物理的东西,而这些思想反过来启发了我们,让我们的双手创造出新的东西,等等。灵活的手指让人类能够飞向天空,飞向月球,飞驰到太阳系的外层。这些手指制造出能够制造其他机器的机器,从机器人到自动组装计算机;也建造出由精心打磨的镜片和传感器组成的显微镜,以及巨大的电磁粒子加速器,用以在亚原子王国中进行更深的挖掘和探索。
然而你的手并不真的是一个单一的实体。这个部件由大约4 000亿个细胞组成,这些细胞是高度专业化、平均直径约0.03毫米、有膜包裹的囊状物。正是这些微小机器的协同行动让你能够抓住这本书,就像其他微小的机器让我能够敲打出这些文字一样。在更广阔的尺度上,正是这些机器的群体协作帮助人类进化。
对我们身体的其他部分来说,情况也是如此。对地球上的所有大型生命形式来说亦然。当我们将视野缩放到东非大裂谷,缩放到一头大象、一只鸟、一只昆虫,以及这只昆虫的细胞结构上时,我们能够看到生命的粒度。这些细小的部件合在一起所能做的事,实在是令人印象深刻。
复杂性的简单性
不过,这些细胞机器也会有生有死。人类的红细胞能够存活大概4个月;皮肤细胞大概能生存几周;其他的细胞,比如大肠中的那些细胞,只能存活几天。甚至当你离世时,你体内的很多细胞还会继续存活几小时甚至几天。构成多细胞生物的细胞会像对待自己一样对待它们的宿主。
生命间的集群合作已经在地球上存在了很久,可能至少存在了30亿年。如果算上蓝细菌第一次“殖民”的话,作为一种生物策略,多细胞体的变种被“再改变”了很多次。有着不同细胞形式的多细胞有机体,包括植物、动物、真菌,在大约15亿年前出现。在合适的环境条件下,细胞的合作与共生提供了各种进化优势。多细胞体衍生出了如今的生物,后者种类繁多,覆盖范围多达令人震惊的22个数量级(如果把病毒也算作生物的话,将会是27个数量级)。地球上的生命从最小的微生物(10-16千克)层级一直延伸到最大的植物和哺乳动物(106千克)层级。
10-4米
合作的收益远远超过其他生物通过进化所取得的优势。所有细胞单元共同协作,便能够建造比各部分单独建造的总和多得多的东西。几十亿的细胞能够形成真菌、植物、昆虫、鸟和哺乳动物。它们能够形成像爱因斯坦、艾达·洛芙莱斯(Ada Lovelace,第一位计算机程序员,诗人拜伦的女儿)、牛顿、居里夫人这样的人,或者像莫扎特、巴赫、毕加索、雪莱和达·芬奇这样的人。
它们也能从复杂中创造出令人惊讶的简洁。例如,在动物世界,基础代谢率(动物休息时燃烧化学能的速率)和身体质量之间有着一种可观测到的数学关系。实际上,从细菌到小型鼩,再到体型庞大的蓝鲸,这种数学关系一直存在:基础代谢率随体重的三次幂的增加而增加。这条规律存在于全部1022种不同生物体中。
生命的数量级
地球生物的大小至少跨越了10个数量级——从单细胞到多细胞大型生物。它们也在质量上占有22个数量级的范围(如果算上病毒,将是27个数量级)。
不知为何,一个常规而又简单的法则在这些物种迥异、大小不一的不同组合形成的生物细胞中出现了。生物学中的其他特征也表现出令人惊奇的规律性。比如,生命扩张的方式、增长率,以及不同物种的物理尺寸也存在单纯的数学关系。
这怎么可能呢?我们相信这是一场公平的赌局,所有这些都是最优的表现形式,是由自然选择所青睐的那批生物促成的,严格地说,这正是这些生物尽最大努力所达到的效果。从烦琐中创造简单之所以能够成功,其实取决于一套复杂的系统,系统中的很多部件既能够单独运作,也能够跨越多个尺度互相合作。
对于多细胞生物的群体行为而言,情况也是如此。它们经常形成团体:兽群、鸟群、鱼群、蜂群等。这种集群就像有着自己发展法则的新型实体。其中的每个生物体成员都可能遵循着简单的规则,但作为整体,它们在全世界范围内活动的同时,形成了意想不到的合作模式。
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这些合作模式在很多完全不同的物种里都能看到。比如,椋鸟在它们的大型“自然奇观”中俯冲流动,就像海中的一群鲱鱼一般。对这两个物种来说,群体行为的优点在于给潜在的掠食者造成一种数量超载的错觉。但这种行为也会导致危险,比如吸引了掠食者的注意力。
人类不属于这个范畴。我们是社交动物,通过语言,通过几乎不用说话就能一起工作的优势,我们被绑定在了一起。研究表明,我们的城市也遵循着一些相当简单的数学编码。道路的长度、电力线缆以及加油站的数量,与城市的总人口息息相关。工作报酬、暴力犯罪和疾病也与人口有关,不过其背后是另一套数学编码。
自然选择也能用简明的规则解决计算问题。比如,单个蚂蚁用信息素标定巢穴到食物的路径,而当往返路径更短时,信息素更有效。因此,随着时间推移,越来越多的蚂蚁会追寻更短的路径。结果,这个群体“发现”了填饱肚子的最快路线。
对群体行为而言,计算成本与利益是所有生物都会进行的工作。这也是为什么有些生物是独行侠,而有些生物以百万级的数量群居生活。
人类的社会、文明、经济体系以及个体行为显然受到这些规则的驱动。
从细胞组合成更大的生物体,到新行为和能力的产生,所有这些特性都根植于复杂性。但复杂性本身根植于一种更基本的宇宙特性,我们称之为熵。熵是对无序的一种测量值。随着我们的旅程延伸至更小的尺度,你会发现熵和不确定性越来越重要。它们是使你、你的手和你的细胞得以存在的要素。
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