据物理学家组织网8月8日报道,最近,一个由中国科学院、吉林大学和美国纽约州立大学研究人员组成的联合小组,从物理学角度审视了生物进化的动力问题,提出了一种“进化潜力与波动空间理论”,有助于解释物种是怎样以及为什么会随着时间而进化。相关论文发表在美国物理联合会期刊《化学物理》上。
人们广泛了解的进化理论,大多是对进化过程中生物行为和特征做定性描述。迄今为止,还没有一个综合性的定量理论来描述普遍的进化动力学。地球生命的故事里还有许多未解之谜,比如生物界为什么如此普遍地把性作为生殖策略。
研究小组的新理论由两部分组成:一是基本自发“适应性”空间,二是与之有关的进化压力,称为“螺旋波动”,使物种从自发适应性空间开始,以螺旋方式运动。他们以一个平衡系统中的进化关系为例,构建了定量化的图像,将进化路线可视化,生物的适应性就像是一次次翻山落谷的旅程。
他们发现,在同一物种内部或不同物种之间,个体之间的相互作用都会产生自发螺旋波动。这是新研究超越传统定量进化论的关键突破,并支持了进化无止境的观点。该观点认为即使物理环境保持不变,也不会出现一个相对适应性更高的区域。这一发现为解释“红皇后假说”提供了理论框架。
“红皇后假说”由进化生物学家利·范瓦伦1973年提出,借用了《爱丽丝漫游奇境》中的“红皇后”的话:“你必须尽力不停地跑,才能保持在原地。”以此解释协同进化的理论,比如一个物种不断进化以抵抗自身寄生虫。
通过螺旋波动保持了基因变异,使得协同进化无止境,这也解释了有性繁殖的利益:基因混合与交配能保存更多的种质多样性。当一个物种与其竞争物种的“军备竞赛”出现了意想不到的转变时,先前不必要的种质特征可能会突然变成决定生死的关键。在共同进化的世界中,没有“最适应生存”的担保。通常来讲,为了生存,保持前进是必要的。
新理论为普遍进化动力学提供了物理学基础。研究领导王进(音译)教授解释说,基本自发空间存在渐变和螺旋波动的共同作用,作为“阴阳”二元因素决定了普遍进化动力学。与此类似,就像波粒二相性共同决定了量子动力学,也像电磁力共同作用于电子的效果。