时间的起点
TheBriefest History of Time
被曲解的熵和时间
用批判性思维解读科学作品
著  者:[以色列]阿里耶·本-纳伊姆(AriehBen-Naim)
译  者:李永学 
   版:北京联合出版公司 
尺   寸:889毫米×1194毫米
版   次:2021年8月第1版
印   次:2021年8月第1次印刷
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著者简介
阿里耶·本-纳伊姆(Arieh Ben-Naim),1934年出生于以色列,毕业于耶路撒冷希伯来大学,1965—1967年在纽约州立大学做博士后;1972年4月开始在以色列的耶路撒冷希伯来大学担任副教授;1974年10月担任耶路撒冷希伯来大学物理化学教授;目前在耶路撒冷希伯来大学化学研究所工作。年轻时曾经做过飞行员,后来还对理论生物学和演化生物学产生了浓厚的研究兴趣。
译者简介
李永学,1982年取得物理学学士学位,曾去往德国进行访问学习。1988年取得物理化学博士学位,同年成为英国博士后,此后在英国从事科研、教学工作。2016年退休成为自由译者,目前为止已经参与很多书籍的翻译工作,已经出版《无言的宇宙》《星际迷航经济学》等书籍。
内容简介
关于时间,很多物理学家已经给出了各式各样的论述。本书的作者向读者传达了,时间的历史仅用一两页篇幅就可以写尽,而经典科学理论和科普作品中对“时间简史”的描述,实质上大多数是“时间的科研史”。作者对这一系列问题提出了批判性质疑,他重新论述了“时间”和“历史”的定义,让没有科学背景的外行人士也可以通过本书重新思考“时间”。
序  言
本书面向任何对时间有兴趣的读者,任何想知道科学家们就时间问题写过些什么东西的读者,和那些想要把阅读有关时间的文章作为享受的读者。本书面向的读者从没有科学背景的外行人士到最有经验的科学家,所有人都可以从本书受益。
写作本书出于三重目的。首先,我要证明,人们可以用一页纸—最多不超过两页—叙述时间的历史;其次,我想要批判地检查一下其他作者有关时间的历史写了些什么;最后,我想要训练读者批判地阅读科学作品的能力。
人们可以把这部书视为斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)的两部书的续集:其中第一本是1988 年出版的《时间简史》(A Brief History of Time,以下简称《简史》),另一本是发表于2005年的《时间更简史》(A Briefer History of Time,以下简称《更简史》)。
正如我将在这本书中让大家看到的那样,时间最简短的历史可以用一两页纸写完。有关时间的历史没有什么好多说的。事实上,最短的历史也是最长的时间史。
霍金的书于1988年出版后不久,我就拜读了。出于如下原因,我个人并不是很喜欢这本书。首先,这本书的标题对人有误导作用。第一,这本书的大部分内容说的都是科学史,而不是时间史;第二,这本书的内容比较烦琐,结构不清晰,就像一份从亚里士多(Aristotle)到当代科学史中选取的项目罗列表格一样。更为恰当的书名应该是“从古代到现代”(From Antiquity to Modernity)。而我最不喜欢的是其中有关时间与热力学第二定律的不恰当联系,我认为这本书不应该出自像霍金这样水准的科学家之手。
2006 年,在撰写题为《熵的神秘国度》(Entropy Demystified,见2.3节)的书时,我也阅读了霍金于2005 年出版的《更简史》。这本书显然在第一部书的基础上做了改进。写作的风格更加简约明晰了,题材的选择也更恰当了。更重要的是,第一部书中有关时间与熵和第二定律的内容都没有在这本新书中再次出现(详见6.2节)。但《更简史》这个书名仍然存在着误导,因为在这本书中,能够与时间的历史搭上边的东西实在少得可怜。
而让我感到疑惑的是,《简史》中一些与时间有关的部分在《更简史》中被完全删去了,而在《更简史》中作者却没有解释原因。这是因为作者顿悟,发现这些部分是错误的吗?或者说,删去它们只是出于删繁就简的原因?我将在本书第5章与第6章中较为详细地探讨这个问题。
本书由三个主要部分组成。第一部分由两个介绍性的章节组成,分别是“什么是时间”和“什么是某种事物的历史”。第二部分由第3章和第4章组成—这一部分是本书的核心,其中的内容紧扣每个章节的标题,同时也紧扣全书的主题。
我在书中分别处理了时间和空间,尽管人们当前认为,它们二者结合,形成了时空,甚至有些作者在作品中表明,空间与时间维度是等价的,但实际情况并非如此。1第三部分由第5章和第6章组成。第5章讨论了熵和热力学第二定律,以及它们与时间之间的关系。我使用通俗易懂的语言,认真详细地解释了熵和第二定律的概念,希望每个读者都能够理解我想要传递的信息。我并没有叙述大部分专业细节,对此有兴趣的读者们可以从我以前出版的书〔Ben-Naim(2008a,2012,2015a)〕中找到这些细节。在本书第6章中,我批判性地讨论了有关书籍,这一部分是理解这些讨论的关键。无论过去与现在,人们都把熵和第二定律与所谓的时间箭头联系在一起。在大多数情况下,当作者写到时间的意义时,这些概念都被人误用与滥用。我希望说服读者,让他们相信,熵和时间之间并没有联系。事实上,我撰写整个第5章的目的都在于说服读者,让他们认识到,这样的一章不应该存在于讨论时间的历史的书中,这多少有些自相矛盾。
熵并不是对无序、无组织或者混乱的度量;熵不是对能量分散的度量;熵不是自由度的度量,它也不是某种信息,熵更不是时间。如果你相信任何有关熵的这些“含义”,你必须给出证明!
熵是香农(Shannon)的信息度量(SMI)的一个特例。我已经在别的书中证明过这一点〔见Ben-Naim(2008a,2012,2015a)〕。SMI的定义是与一个处于平衡的热力学系统相关的特定分布,这个系统的熵与SMI成正比。换言之,当这个系统在变化中走向平衡时,它的SMI 随时间变化。仅当系统达到平衡时,SMI 才取得它的最大值,这个值与系统的熵成正比。遗憾的是,人们就时间与熵之间的关系写下的大部分东西都是一团混乱。这团混乱的始作俑者是克劳修斯(Clausius),他的主张是“宇宙的熵一直在增加”。这是对第二定律的一个十分遗憾的构想。我们可以原谅克劳修斯对第二定律这样一种过分笼统的表达。但许多科学家甚至直到今天还在重复这一空洞的陈述,尤其是当他们写到大爆炸时的宇宙。
正如我在第6章中阐述的那样,宇宙大爆炸是一个高度推测性事件。我认为,人们在这一理论中提出的假设过多,他们通过倒推那些假设,形成了大爆炸这一猜想,而所有这些假设,没有一个得到证实。因此,宇宙大爆炸极有可能根本没有发生过。遗憾的是,对于大部分以大爆炸为题材写作的作者来说,他们都让读者觉得,这是一个得到了充分证明的事实。
宇宙的熵是无法定义的,无论从理论上或者实验上都不行。因此,声称“大爆炸时刻的宇宙的熵很低”,这一点完全无从谈起。大爆炸是否存在尚无定论,声称“在这一事件时宇宙的(没有意义的)低熵值能够解释我们的存在”,我认为,这种说法是荒唐的,而且肤浅到了荒谬的程度。
我也会在第6章中批判性地评论《简史》和《更简史》,以及其他讨论时间、时间史和时间理论的书籍。我们可以将这一部分视为时间史的历史。
最后,我希望能够让读者意识到:
1. 时间在本质上是不受时间影响的!它没有历史。
2. 无论熵或者热力学第二定律,都与时间毫不相干。
3. 一个实体物体的历史是发生在一系列空间点与时间点上的事件的一份清单。
4. 几乎完全没有办法说出某个抽象概念,如美、数学定理或者时间的历史。
我希望你会因为阅读本书而感到快乐。
阿里耶·本-纳伊姆
以色列,耶路撒冷希伯来大学,物理化学系
电子邮箱:[email protected]
出版后记
作者在这本书里告诉我们,他的目的并不是要向你讲解时间的历史,而是教你如何用批判的眼光去阅读其他的科普读物。
在本书中,我们可以感受到作者鲜明、果断的性格,独树一帜的文风,非常清晰且坚定地向读者传达了自己的科学观念与不同意见。正如作者所强调的,不论内行和外行都可以从本书中收益。
作者在前几章中用非常特别的方式向我们解释了一个实物的历史的定义,他通过介绍自己的“历史”、一支笔的“历史”非常自然地引入了一个数学和物理定律的“历史”,最后转到本书的核心内容时间的历史。
在第6 章,作者用整整一章的篇幅,评论了几本关于“时间”的书籍,其中还包括在业内以及世界都非常著名的物理学家的作品。作者用带着他强烈的个人色彩的语句,质疑甚至批评了那几部作品里的一些观点。这让人不禁思考,是否我们一直以来被灌输的所谓的“真理”就是无懈可击的呢?对于那些专业的研究者提出的理论和推测,我们是否也应该用作者那种不畏惧的精神去质疑呢?这本书从一开始便已经强调过,理论不是重点,而是要读者学会用批判的态度去看待那些有关时间的理论。
每一本书的内容我们都要用辩证的角度去看待,而不是一味地灌输。就像本书也只是为读者打开一个新的思考的通道,它是一种对世界的不同理解,并不是一份绝对的“答案”。
后浪出版公司
2021年4月
未来人类
FutureHumans
解密人类基因组中的新老文本
探索持续作用的自然选择信号
著   者:斯考特·所罗门Scott Solomon
译   者:郭怿暄   
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编辑推荐
  • 回顾演化历史,纵览最新趋势,前瞻未来人类
人类演化是否仍在继续?
文化是否令我们在演化的过程中戛然止步?
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一旦涉及人类演化,通常每个人都会发问:它将怎样继续?在《未来人类》一书中,斯考特·所罗门将以最新的研究进展回答这个问题。本书将带领读者一览我们时代的自然选择,并告诉我们这些究竟对未来意味着什么。
——卡尔·齐默Carl Zimmer),科普作家,《病毒星球》作者
本书是一部关于世界范围内的人类演化过程的最新报告,包括我们仍在演化的相关证据。斯考特·所罗门令科学和科学家都变得生动有趣,令人惊叹。他向读者展示了科学界的乐趣,并邀请大家一起分享。
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内容清晰有趣,是一本我会向朋友和学生们热情推荐的好书。来自斯考特·所罗门的预言非常重要!
——斯蒂芬·斯特恩斯Stephen Stearns),耶鲁大学生态学与演化生物学教授
著者简介
作者斯考特·所罗门,演化生物学家、科普作者,莱斯大学(Rice University生物学系教授。他开设的生态学、演化生物学等课程,以及主持的各种学术交流活动,广受各国学者和学生们的欢迎与好评。如今,他和妻子、三个孩子,以及一条独眼狗一起生活在得克萨斯州休斯敦市
译者简介
译者郭怿暄,毕业于北京大学基础医学专业,目前在美国犹他大学从事发育和表观遗传学研究,酷爱阅读科普书籍。
内容简介
人类平均寿命的延长、饮食习惯的改变、跨境旅行的盛行、药物和避孕措施的使用,这些生理现象与行为模式的改变,会在多大程度上左右我们未来的演化?网络约会和剖宫产的推行,艾滋病病毒、埃博拉病毒和其他全球性流行疾病的肆虐传播,各种新兴技术与文化因素都开始加入人类未来的演化历程,这令我们的生命面对更多没有前迹可循的挑战,也使未来前所未有地难以预料。
我们是否还在演化?答案是肯定的。我们将演化成什么样?大家都不敢给出答案。但我们是否真的对人类演化的方向一无所知?现代人类持续的演化又体现在哪些方面?过去的演化历史趋势是否还会延续?是否可以从当下的生物学证据中看出未来演化的某些端倪?为了回答这些问题,作者采访了众多从事相关研究的人类学家、生物学家、遗传学家、医生和心理学家。通过一手采访、实地考察,尝试厘清关于人类未来的演化,我们可以做出哪些预测,又有哪些是我们无法回答的问题。
读者须知
为了回答本书中关于人类演化的诸多问题,作者阅读了数百篇研究论文,参加研讨会,与从事相关研究的人类学家、生物学家、遗传学家、医生和心理学家们进行交谈,并前去拜访他们的办公室、实验室和考察地。作者的研究方法是向这些专家询问,并且适当地运用了一些从其他物种那里得到的演化知识来阐明人类自己的状况。作者尝试通过本书向大家展示自己学到的知识,并且清晰地解释了关于人类演化的未来,可以做出哪些预测,而哪些又是我们力所不逮的问题。
但是,现在也有很多科学家对于我们演化的未来不愿做更多、更深入的思考,他们拒绝回答与此相关的问题,并认为对此作答意味着纯粹的猜想。作为科学家的立场要求他们尽可能保持客观,并且只能根据已有的信息得出恰当的结论。猜想、推测以及对实验结果做出任何试图蒙混过关的解读都不是严肃的科学家应有的举动。因此,他们的态度也是负责任的科学家的职责。
如今,我们生活在一个激动人心的时代,我们现在从生物学和历史学角度对自身的了解比以往任何时候都多,这使得我们相比以前可以更加清晰地凝望未来。因此,无论是作者的探索考察,还是上述科学家的闭口不谈,全部基于严肃科学家负责任的态度。
另外,本书的作者和出版社已经尽力确保书中信息的准确性和时效性。尽管如此,随着科学技术的发展,不同的科学家对于同一个问题也会有不同的解读。因此,我们还是强烈建议读者多参考最新研究进展和相关文献。如果您发现任何过时或不准确的信息,请联系后浪出版公司,非常感谢。
后浪出版公司
2021年5月
我们人类真是一个奇怪的物种。作为一名以研究昆虫为生的人来说,我对奇怪的生物还是颇有见解的,但还是得出了这个结论。在这个世界上,昆虫的数量远远超过人类,但人类却是地球上仅有的、可以如此彻底地主宰这颗星球的生物。我们找到办法改变环境使其顺应我们的需求,建造气候可控的空间,使我们几乎可以在任何地方生存;我们种植自己的食物,使用药物来对抗疾病;我们将自己置于机器之中便可以不费吹灰之力地到处移动;我们甚至还在这颗星球上留下了从太空可以看到的标记,而之所以知道这个事实,是因为我们亲眼所见。
然而,我们这个物种并非一直如此卓越。追溯到仅仅六百万年前,那时的祖先如果今天还活着,也会像至今依然存在于我们周围的黑猩猩、大猩猩和猩猩一样,仅仅被当成另一种类人猿罢了。事实上,如果对黑猩猩这一种系追根溯源,可以找到与我们相同的祖先。但是不知什么原因,中间的六百万年给它们这个种系带来的变化远远没有像我们这样巨大。
为了切身感受一下究竟发生了多大的变化,才使我们沿着家谱树的分支落到了那个叫作智人(Homo sapiens)的小枝丫上,我走访了坐落于美国华盛顿特区史密森尼国家自然历史博物馆二层戴维·H.科吉(David H. Koch)展厅的人类起源展区。这个展览主要展示了我们的演化史中那些令人瞩目的里程碑:双腿直立行走、开发工具、脑容量显著增加、学会使用火,以及发明语言等。事实上,这些被我们当作典型人类应当具备的特点,是相对近期才发展出的产物。
参观这个展览还会让我们更加清楚地知道对于自己的过去究竟有多少了解。在过去的150年中,考古学家和古人类学家挖掘出了数量惊人的骨骼、工具以及我们的老祖先留下的其他遗迹,其中许多发现都是最近几十年才完成的。当我还在伊利诺伊大学(University of Illinois)读本科时,便开始对人类演化的研究深深着迷,我曾修过与这个主题相关的每一门课程,甚至考虑从事生物人类学研究来进一步追寻人类演化的足迹。而如今出现在史密森尼博物馆展览中的众多化石——那些为人类演化史提供了关键信息的化石——在20世纪90年代我上大学时还尚未被描述。
1871年,早已赫赫有名的查尔斯·达尔文(Charles Darwin)写下了《人类的由来及性选择》(The Descent of Man andSelectionin Relation to Sex),作为他之前关于进化论的著名作品的续篇。在这部书里他扩展了关于物种在自然选择中如何改变的理论,试图证明人类也同样在演化。但是当时可以支持他观点的化石证据还没有被发现,已知仅有的人类祖先化石是1856年在德国发现的尼安德特人(Homo neanderthalensis),但很肯定的是,相比猿来讲这一化石更接近人。达尔文预测将有更多原始人类被发现,甚至断定它们出现在非洲。之后并没有过去太长时间,他的预言就变成了现实,尽管达尔文最初似乎在地理上的预测存在很大偏差。1890年,在《人类的由来及性选择》出版后仅二十年,荷兰解剖学家、古生物学家欧仁·迪布瓦(Eugène Dubois)在印度尼西亚爪哇岛上发现了直立人(Homo erectus)的化石。
最终,达尔文的设想被证实是完全正确的,人族(hominins)作为人类这一种系最早的成员,的确来自非洲。非洲大陆上的首个发现来自赞比亚,而后另一个更古老的化石在南非被发掘。此后更多发现接踵而至,史密森尼国家自然历史博物馆中展出的那一整墙头骨化石复制品清晰地展示出迄今为止的发现。同时,通过这些展品也可以看出我们这个种系仅仅在脖子以上的部分就发生了多么巨大的变化。一些头骨有很厚的眉骨,并在其上方有一条骨性突起,而有的则有向前突出的口鼻,看起来与黑猩猩的脸更为相似。还有一些化石兼具与猩猩和人相似的特征。1974年,埃塞俄比亚发现了一尊著名的阿法南方古猿(Australopithecus afarensis)骨架化石,艺术家们对这尊取名为“露西”的化石进行了全身重建,经过仔细观察后发现她拥有像我们一样的脚,但大脑很小,这说明双脚直立行走先于大脑容量增大演化出来。
尽管对于人类的实际年龄依旧众说纷纭,但相对来讲我们是个历史还不长的物种。在目前作为首块智人化石的最有力竞争者中,绝大多数都发现于埃塞俄比亚,科学家们对化石附近的火山岩石进行放射性年代测定,结果显示我们人类可能出现在大约160,000年前。在大约50,000年前,第一位智人跟随着1,000,000年前我们的表亲直立人留下的足迹走出了非洲。后来,我们的扩散范围愈加广泛,几乎占领了这个地球上的每一个角落。
人类演化的故事讲到这里往往就要告一段落了。我们在过去的某一点演化成了现代人,最终发展出农业,建立起文明,而剩下的——毫不夸张地讲——就是历史。看着这些博物馆中陈列的骨架,我可以理解为何有的人认为从生物学角度来讲我们跟150,000年前的人一模一样。的确,我们的骨骼看上去和他们并没有差别。而这却成了许多人认定曾经塑造我们祖先的演化过程如今对我们不再适用的证据。毕竟,我们中的绝大多数都住在可以精准控制气候的建筑里,把我们与自然隔绝开。我们可以在这颗星球的一端醒来,而到另一端入眠。我们使用化学品对生存的空间和身体进行消毒。当我们受伤或是生病时,可以通过手术来修复损伤或者通过服药来消除疾病。如果我们无法自然怀上孩子,可以在实验室培养一个胚胎再把它植入子宫。我们开发出了人工肢体、助听设备和隐形眼镜。在当今这个世界,只有最强健的人才能存活下去的观点,早已不是真理。
尽管研究者们对于人类从类似黑猩猩的祖先演化而来这一点普遍达成了共识,但是对于人类演化是否仍在继续的问题,科学上一直没有达成一致。19世纪末,查尔斯·达尔文的表兄弗朗西斯·高尔顿(Francis Galton)基于一个错误的观点提出了优生学(eugenics)的概念,认为我们这个物种在朝着错误的演化方向前进,因此需要采取一些干预措施。后来优生学成为一门独立学科,尽管如今往往与种族主义者和歧视行为有关,但在第二次世界大战之前,许多顶尖科学家都接受了它的基本前提,即假设人类演化仍在继续。
在纳粹曲解优生学的基本原理并导致全球暴行的发生之后,对优生学的支持逐渐衰弱。不过,人类演化仍在继续的基本观点依然得到一些重要思想家的拥护。1959年,作为20世纪最具影响力的生物学家之一,西奥多修斯·杜布赞斯基(Theodosius Dobzhansky)在耶鲁大学纪念达尔文重要著作《物种起源》(On the Origin of Species byMeans of NaturalSelection)发表一百周年的活动中发表了演讲。在这场日后构成其著作《人类演化》(Mankind Evolving)的演讲中,多布任斯基虽极力回避优生学的概念,但仍根据当时已有的证据指出人类演化还在继续,尽管他能拿出的例证寥寥无几。
然而,并非所有同行都对他所提出的人类演化仍在继续的观点表示认同。1963年,杰出的演化生物学家厄恩斯特·迈尔(ErnstMayr)写道:“我们无法回避的一个事实就是人类朝着人演化的过程戛然而止。”尽管这个话题很少被讨论,迈尔的观点还是受到了广泛支持。2000年,另外一位著名的演化思想家斯蒂芬·杰·古尔德(Stephen JayGould)重申了这一观点,在一个访谈中他说道:“自然选择几乎与人类演化不再相干。过去的40,000或50,000年中,人类在生物学上没发生任何变化。”2013年,备受尊重的自然媒体人戴维·阿滕伯勒(David Attenborough)附和该观点道:“我们是唯一让自然选择停止的物种。”
这一观点的问题就在于,演化实际上仍持续地发生在我们周围。从上一代到下一代中某个性状的常见程度,或是编码该性状的基因发生的任何改变都可算作演化。我们可以看到、观察、探测、预估并检测到它的存在,甚至在一些情况下可以预测它的结果。细菌和真菌常常演化出对抗生素的耐药性。像HIV之类的病毒在人类宿主体内快速演化,最终导致感染者死亡的病毒可能与最初感染时并不相同。如此,一种病毒就像一个移动的靶子,如此快速的演化使得开发疫苗异常艰难。
我们同样也见证了很多更大型生物的演化,但这就需要一些耐心。生物越大,需要花费在生长并开始繁殖上的时间就越多。因为演化的定义是在代与代间发生的变化,因此代间间隔的时间越长,变化发生得也就越缓慢。
尽管这样,自达尔文将自然选择的观点公之于世后的150余年间,生物学家已经发现了众多证实这一过程仍在继续的例子。1986年,生物学家约翰·恩德勒(John Endler)发表了一部名为《野生环境下的自然选择》(Natural Selection in theWild)的专题著作,书中指出了在自然界中研究演化的方法以及面临的挑战。这部专著的第5章总结了截至20世纪80年代中期,研究中所记载的发生在野生群体中的自然选择(而非在实验室中)。其中包含一张篇幅长达25页的表格,逐一列举了据恩德勒所知的符合他一系列严苛条件的研究,涉及的物种包括遍布生命之树的众多复杂生物:植物、软体动物、甲壳纲动物、蛛形纲动物、昆虫、鱼类、两栖类、爬行类,鸟类以及哺乳动物。
从研究针对其他物种最近发生和正在进行中的演化,到对人类演化的研究,其间的飞跃花了不少时间。但在最近几十年中,来自古人类学、分子遗传学、微生物学、演化心理学,医学、人口统计学和演化生物学等众多领域的研究,已经为我们解答人类是否仍在继续演化的问题带来了全新的数据。由于从事这些学科的研究者们并不经常互相交流,因此他们不约而同得到的结论被严重忽视了,那就是,我们这个物种从未停止过演化,并且我们已经进入了演化史的一个崭新阶段:它使得我们的未来更加有趣,但也前所未有地难以预测。
生物学家克里斯托弗·威尔斯(Christopher Wills)注意到了这一现象,在1998年出版的《普罗米修斯的孩子》(Children of Prometheus)一书中,他强力指出人类演化已经进入了现代时期,不但没有停止,事实上还可能处于加速阶段,并且他通过大量数据来支持自己的观点。威尔斯对杜布赞斯基的理论进行了更新,引用了众多自然选择在最近的历史甚至现代群体当中依旧发生的例证。威尔斯提醒我们,自然选择并非让演化发生的唯一方式。能够导致遗传性状的常见程度在代间发生改变的其他方式,还包括一个种群的基因通过迁移混入另一种群,群体扩大或缩小时发生随机波动等,都与现代人息息相关。他所列举的有关人类演化仍在继续的证据主要来自20世纪90年代末期的遗传学研究。这个处于革命浪尖的学科不但证实了许多威尔斯实验性的结论,同样也推动了对于其他观点的重新思考,并为整个领域带来了许多出乎意料的发现。
如果人类演化仍在发生,那么未来的人有哪些地方可能与今人不同呢?对于我们这个物种的未来畅想其实已经为科幻小说的作者们提供了丰富的题材,H.G.韦尔斯(H.G. Wells)于1895年发表的经典科幻作品《时间机器》(The Time Machine)便开了先河。书中想象未来的人类演化成了两种截然不同的类型——艾洛伊族(Eloi)和莫洛克斯族(Morlocks)。韦尔斯笔下的艾洛伊族由于长期荒废,造成体力和智力上的明显衰退,被与猿类相似、生活在地下的莫洛克斯族视为牲畜一般。类似的主题在《X战警》(X-men)的漫画和电影中也曾出现,两种不同类型的人类共存,但二者间存在明显的不平等,其中突变体拥有的超能力最初使他们饱受困扰,后来却因此成为英雄。2008年迪士尼皮克斯公司出品的电影《机器人总动员》(WALL-E)中,对未来图景的描绘就像韦尔斯最初的想象一样,如同炼狱——离开地球后的人们已经变得极度依赖科技,肥胖得无法行走,完全离不开机器。而在其他受欢迎的电影中,从《终结者》(The Terminator)系列到《黑客帝国》(TheMatrix)三部曲,人类的未来都被想象成了我们与所掌握的技术之间的殊死搏斗。
但这些不过都是科幻小说的情节,真实的科学到底会是怎么一番模样呢?当我接近人类起源展览的尾声时,高兴地看到一块触摸屏上显示着“未来人类”,似乎可以提供一些答案。我迫切地回答了一些问题,才发现这不过是个交互游戏,旨在通过呈现一些未来的假设场景,启发参观者思考自然选择如何发挥作用(比如“假设所有的陆地都在水下……你会拥有一双像鸭子一样蹼状的大脚,还是拥有像火烈鸟一样修长的双腿?”)。所以当我结束参观离开时,感到从中学到了许多有关我们演化的过去,但对于未来依然充满了好奇与疑问。
这些出现在展览最后一部分的异想天开的场景,似乎恰恰反映了许多科学家对于我们演化的未来不愿做出严肃思考的态度。2011年10月10日晚,我前往休斯敦参加了英国著名演化生物学家理查德·道金斯(Richard Dawkins)的一个公开演讲,对这种不情愿感到深深的震惊。对于几乎倾尽全部精力学习、研究和教授演化的我来说,能够亲眼目睹道金斯演讲的激动心情溢于言表。演讲中他推介了为孩子们写的新书,对于目前人类已知的这个世界如何运作进行了大量的解释。说完精心准备的结束语后,道金斯开始回答问题。在观众做出一系列的尖锐评论,试图将道金斯卷入与宗教相关的争论之中后,一位年轻的女士起身走向过道中央的话筒,提了一个非常简单的问题:我们还在演化吗?如果答案是肯定的,那么我们将演化成什么样?道金斯说这是他最常被问到的问题,但是他拒绝回答,因为作答意味着纯粹的猜想。
一方面,作为一名科学家,我非常理解道金斯不愿讨论没有实际数据的主题。我们接受的训练要求我们尽可能保持客观,并且只能根据已有的信息得出恰当的结论。猜想、推测以及对实验结果做出任何试图蒙混过关的解读都不是严肃的科学家应有的举动。道金斯的做法正是在履行一位负责任的科学家的职责。
但与此同时,我认为对于我们这个物种前进的方向,一定还是可以说些什么的。我们真的对人类演化的方向一无所知吗?有人寻找过现代人类演化的证据吗?如果人类仍在演化,我们真的对哪些历史趋势会继续,而哪些又与现代和未来世界无甚关系无话可说吗?
这些问题就构成了本书的基础。为了回答它们,我阅读了数百篇研究论文,参加研讨会,与从事相关研究的人类学家、生物学家、遗传学家、医生和心理学家们进行交谈,并前去拜访他们的办公室、实验室和考察地。我的研究方法是向这些专家询问,关于人类在自然选择和其他演化驱动力的作用下如何发生变化的这一问题,有哪些已经确定,未来又将怎样继续变化。我适当地运用了一些从其他物种那里得到的演化知识来阐明我们自己的状况。我尝试通过本书向大家展示我所学到的内容,并且清晰解释关于人类演化的未来可以做出哪些预测,而哪些又是我们力所不逮的问题。
就像即将看到的那样,我们生活在一个激动人心的时代。我们现在从生物学和历史学角度对自身的了解比以往任何时候都多,这使得我们相比以前可以更加清晰地凝望未来。但与此同时,我们也同样处于自己开发出的技术、医疗和交通的进步所带来的变化之中,我们对周围世界所产生的影响与日俱增,这意味着我们生活在一个未来与过去的相似之处越来越少的时代。我们的确已经成为一个奇怪的物种,但是我们的故事远没有结束。就像所有物种一样,智人依然在继续演化,因此可以得出一个非常肯定的结论:未来人类将与今天大不相同。
未来人类
FutureHumans
解密人类基因组中的新老文本
探索持续作用的自然选择信号
著   者:斯考特·所罗门Scott Solomon
译   者:郭怿暄   
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后 记
过去的几十年为我们演化的历史提供了令人难以置信的信息。我们已经完成了超过一千个人类基因组的完整测序,其中有对今人和相关微生物的研究,也有对来自古老遗骸的DNA的探索。将这些信息与历史种群记录、大型生物医学研究的数据相结合,揭示出自然选择在农业和工业的发展中仍在持续进行,并且将对现代人类继续施加影响。感染性疾病等,既包括疟疾之类的老对手,也有像埃博拉病毒一样的新威胁,它们很可能继续作为自然选择的执行者推动我们演化的未来。然而,我们同样也看到了其他演化力——突变、性选择、遗传漂移和基因流动等——是如何对我们产生影响的,并且至今仍在发挥作用。
伴随着现代化而来的种种变化已经改变了每种演化力对我们持续演化产生影响的方式。我们当前所拥有的巨大的全球种群数量,以及父亲年龄逐渐增加的趋势,全都意味着如今出生的孩子们拥有有史以来最多的突变。突变是基因变异最根本的来源,因此我们的基因库坐拥空前丰富的自然选择原材料。
自然选择仍在发生,但是与过去的方式有所不同。个体的生存机会,以及他/她留下后代的数量,如今在很大程度上取决于文化的影响,包括社会经济学状况和现代医疗、药物、避孕手段等的可获得性。在当前世界,发达地区与欠发达地区之间依旧存在的巨大差异影响了人群的预期寿命和感染性疾病造成的后果。然而,技术和医学正越来越多地削弱基因与个体生存、生育成功之间的联系。尽管抗生素和剖宫产等医疗手段的确拯救了大量生命,它们还是在不经意间给微生物——我们的长期演化伙伴带来了有害的影响。至今仍不确定失去这些微生物伙伴对我们的未来意味着什么。
人口转变,尤其是出生率和死亡率随着经济的发展不断下降,同样对选择的力度、影响以及方向发挥了巨大作用。这样的人口转变使得选择向着影响生育能力的性状进行,对我们正在进行的演化尤为重要。我们对性选择究竟如何对演化的历史造成影响依然知之甚少,并且从过去了解到的情况可能与未来关系有限。我们选择性伴侣的方式也在改变,过去演化形成的那些对潜在伴侣基因质量的偏好,在现代的婚姻方式中不再必需。与此同时,避孕手段和辅助生育技术的广泛运用,比如体外受精等,意味着人们对自己的生殖有了更多的控制,进一步削弱了基因的重要性。
影响我们当下演化的另一种方式是人们在世界范围内的迁移,并且这种方式可谓史无前例。迁徙在我们这个物种的历史中始终扮演着非常重要的角色,种群间——甚至亲缘关系很近的物种,也一直进行着基因和微生物的交换。但是如今迁移的速率意味着我们这个物种正在迅速接近一个点,从此我们不再由偶尔交换基因的独立种群所组成,而是变成了一个全球性的单一种群,拥有一个快速流动的基因库。任何从世界的某一部分产生的有益突变都可以很快扩散。但是同理,新出现的疾病也是如此。
我之所以开始写这本书,是缘于看到许多科学家并不愿对我们这个物种的未来做出预言。鉴于现代化对我们的演化产生影响的方式多种多样,也就很容易理解为何从过去推导到未来会出现问题。然而,我希望就像已经给大家展示过的那样,我们可以从影响我们祖先的演化力及其发生变化的过程中,了解到关于未来演化的信息。新的信息在迅速累积,尤其在大数据领域,比如基因组学和微生物组学的研究。
即将来临的颠覆性发展也将彻底改变我们的演化轨迹,而从过去得到的知识在预测未来方面几乎帮不上任何忙。在本书中,我们对其中一个发展方向进行了探索,即移民到其他星球,可能导致通过物种形成的演化过程产生新的人类物种。尽管太阳系中的各个星球与群岛中的各个岛屿确实很像,但是当我们考虑到其他星球上的环境与我们目前已经居住了40亿年的地球有着根本性的不同时,这个类比能告诉我们的就相当有限了。不过,种种差异也可能驱动自然选择偏向适应那些当下看来并不友好的环境。
另外一个可能从根本上改变我们的演化进程,并且堪称前所未有的未来发展,就是人类基因工程技术的广泛运用。基因治疗——即特定的基因被定向地改造,从而获得想要的结果——已经在多个非人物种中进行了大量实验,并且目前正在探索把它用于治疗一些先天性疾病,比如血友病(hemophilia)和囊性纤维化(cystic fibrosis)等的可能性。但是修改成年人体细胞(除了产生精子和卵细胞的生殖细胞以外的身体细胞)的基因将只对特定个体发挥作用。2015年,中国科学家宣布对人类生殖细胞进行了基因编辑,也就是那些会形成精子或卵子的细胞。这创造出了一种新的可能性,令实验室中产生的变化能够像天然突变一样代代相传。
尽管这项技术对遗传性疾病具有产生可遗传治愈的潜能,但同样引发了大量的争论,主要针对这些技术应该如何使用的伦理问题。2015年12月,华盛顿特区举办了一场国际峰会,专门讨论新基因编辑技术的应用。与会人员一致同意,相关技术可以用于实验室研究,但不应该被用在以妊娠为目的的人类胚胎上——至少就目前而言必须如此。
人类生殖工程技术为我们提供了指引自身演化的能力,尽管这并不一定是有利的发展。科学历史学家纳撒尼尔·康福特(Nathaniel Comfort)指出,医学遗传学这一现代学科可以直接追溯到19世纪到20世纪早期的优生学理念,该学科试图通过控制生殖来改善人类状况。21世纪的基因工程技术与纳粹的种族主义有着天壤之别,后者歪曲了优生学的原理,并将其作为政治手段。但是在指引人类演化的任何尝试中,都存在着这一根本性的诱惑。康福特在他2012年出版的《人类优化科学》(The Science of HumanPerfection)一书中对此做了很好的描述:“任何为改善人类所做出的努力,其本质都是为了整个人类群体的最佳利益。但无论是否出于自愿,它们总会涉及社会的控制。”
很明确的是,仅在部分人中诱发可遗传的基因改变将引发很多严肃的伦理问题。另一方面,如果这样的技术只选择性地提供给少数人,那么我们这个物种作为一个整体会受到的影响就很小。此外,非常现实的一点就是,我们距离了解每一个基因的作用究竟是什么、它们之间如何相互作用,以及在人类发育的不同时间和身体的不同部位,它们又如何通过开启和关闭来调节自身功能等问题还有很长的一段路要走。现在我们已经完成了对人类基因组的测序,可以开始阅读生命的说明书了,但这并不意味着我们理解其中讲述的每一件事。
正文赏读
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基因组学与微生物
2000年6月26日是科学界非常重要的一天。美国总统比尔·克林顿(Bill Clinton)在白宫东屋通过卫星连线英国首相托尼·布莱尔(Tony Blair)召开新闻发布会,即席的还有分别代表两种不同方法的科学家对手弗朗西斯·科林斯(Francis Collins)和J. 克雷格·文特尔(J.Craig Venter),他们将共同宣布绘制人类基因组详细图谱的重大研究项目完成。
科林斯由美国政府任命,作为这一由公众资助、解析人类全部遗传物质序列的宏大项目的带头人。人类基因组计划始于1990年,有来自6个国家20所研究机构的科学家共同参与,预计在15年内完成。随后,生物学家兼企业家J.克雷格·文特尔于1998年宣布,计划成立一家名为赛莱拉基因组(Celera Genomics)的私人公司,运用一种全新——因而尚未被验证的测序技术在三年内完成同样的工作。
此后的竞争堪称现代科学史上最残酷的比拼。最终,两个研究团队达成一致,决定同时宣布他们的成果,并同步在科研杂志上正式发表研究论文。白宫的新闻发布会指出了这一成就的巨大前景。克林顿总统在发言中将人类基因组的第一幅图谱与开拓者刘易斯(Lewis)和克拉克(Clark)绘制出的第一张北美地图相提并论,并将人类基因组草图誉为“人类至今绘制出的最重要、最令人称奇的地图”。新闻报道更是称赞这一成果比肩人类登月或是原子核裂变。
大多数公众对人类基因组计划的关注,主要集中于它可能给人类健康带来的革命性改变。但是解码人类基因组还有其他更多潜在的应用前景。基因组是所有遗传物质的总和,包含了个体全部的DNA序列:如同一本生物化学指导手册,讲述着如何建造生命体并维持其生存,无论是一棵橡树、一只蝴蝶,抑或是一个人。令人称奇的是,几乎在每一个细胞中都有一套完整的基因组。DNA由两条相互平行的核苷酸长链组成,它们卷曲压缩形成染色体,从细胞核中发号施令指导细胞功能。每个人的染色体都来自其父母双方(一半来自母亲,另一半来自父亲),但并不完全相同。随着每个精子和卵细胞的形成,其中的染色体会发生互换,改变原有各部分的排列顺序,创造出新的嵌合体。这个重排过程产生了新的组合,使得每个孩子都不会太像双亲中的任何一方——尽管你的爱人可能会说你越来越像你的妈妈或爸爸。
由于现存物种的基因组都来自遗传,因此,基因组中也记录了该物种的历史。试想基因组就像一种古老的文本,每个继承者都对它略做修改,使其更适应当下的时间和环境。我们绝大多数的基因都可以追溯到大约6亿年前的前寒武纪,当时所有的生命都以单细胞形式生存在海洋中。不论是在我们的细胞中,还是在其他物种的细胞中,许多基因至今仍基本保持不变,对于保证生命最基本的运行发挥着必不可少的功能:比如负责指导形成细胞结构基础的细胞骨架基因,还有控制细胞分裂的基因等。
一般而言,任何与基因功能相关的DNA序列的改变都会对生物体造成这样或那样的影响。并且在大多数情况下,都是不好的改变。因为你很难在一本如此精细复杂的生命指导手册上做出一丁点改变而不搞砸,发生改变的很可能是对生物体而言非常重要的基因。这就是为什么研究人员们倾向于认为,功能基因上发生的绝大多数突变都是有害的。研究显示,75%的单个碱基改变都会在一定程度上降低存活率或繁殖数量。
尽管我们的大多数基因出现得早于复杂生命的起源,但也有一些基因是我们一路走来不断拾起或慢慢改变后得到的,比如让我们可以呼吸氧气或是感知光线的基因。我们获得的最终版本的基因控制了我们机体的形成:身体的一端是头,另一端是肛门——真是谢天谢地。很久以后,我们得到了可以让毛发覆盖身体的基因,接着它们又发生改变让大部分的毛发消失不见。再近一些,我们还拥有了包括控制复杂思维模式和推理的基因变异,以及允许我们可以通过讲话或是如同你正在阅读的符号来与他人进行交流的基因版本。
事实上,我们的身体和基因是祖先曾经生活过的鲜活证明,因此解读人类基因组一定可以为了解演化的过去提供全新的见解。我们可以准确地找到自然选择是如何发挥作用的,并且知道哪个基因受到了影响;我们可以找到一些线索,破解到底是什么遗传变化使得我们不同于其他的灵长类近亲,以及到底是何时获得了它们;我们可以更加彻底地拼凑出我们的历史,远远超过曾经仅凭化石和人工制品可以达到的程度。
人类基因组测序技术在20世纪末取得了飞速进展。20世纪90年代中叶,我在伊利诺伊大学读本科期间曾在一个实验室工作,在结束了短暂的实验仪器清洗工作后,我就开始接受DNA测序的训练。我们使用的方法是1977年首次由英国生物化学家弗雷德·桑格(Fred Sanger)发明的桑格双脱氧链终止法(the dideoxy chain termination method),这一方法让他第二次获得了诺贝尔奖。桑格的方法涉及将一段DNA分子复制并粘贴到细菌当中,在培养皿中非常简单方便地扩增大量细菌的同时,获得大量拷贝的DNA。然后,我们便可以对大量的DNA进行分离、纯化和测序了。
读取DNA序列是最棘手的部分。我必须首先在两块长方形玻璃板之间制备一块非常薄的胶,玻璃板的顶部用一块极薄的塑料分开,其余三边则小心地用胶条封住以防泄漏。我将胶溶液放入微波炉加热,并沿顶部倒入两块玻璃板间的缝隙中,就像把果冻倒入模具一样,让它随着温度的下降逐渐固化。制胶过程中,难免会在某些部位形成一些小气泡,我会尽量小心地尝试将它们从胶的顶部推出;如果失败了,那这部分胶就不能再用。
接着,我就使用像注射器一样的移液器将已经经过链终止反应的DNA分子注射到胶顶部的狭窄通道里。再将胶竖直放置,顶部和底部均浸没在液体当中,使得电流可以通过整个装置。由于DNA是带负电的,因此DNA片段会被胶基底部的正电吸引,缓慢地从胶上通过。小的DNA片段会跑得稍快些,所以在几个小时后我关闭电源开关时,DNA片段已经根据它们的大小整齐地排列好了。把胶浸入一个含有放射性同位素的水槽中使其与DNA结合,这样,DNA片段在X光胶片上就会呈现出发光条带。因为每一纵列都对应四种核苷酸碱基的一种(腺嘌呤、胸腺嘧啶、鸟嘌呤、胞嘧啶),我的下一步工作就是简单地从胶的最底端开始向上记录哪一列出现了可见条带,从而确定碱基序列。这是项缓慢而单调的工作,也就足以说明为什么会训练本科生来做。
2000年我开始了研究生生涯,同年人类基因组的第一份草图宣布完成。那时,我曾经手动进行的桑格测序过程已经能由机器自动完成。作为一名研究生,我很幸运地加入了得克萨斯大学奥斯汀分校一个拥有一台这种机器的实验室。我们那台机器的型号是ABI 3100,也被称为毛细管测序仪,因为它用看上去像塑料意大利面的纤细管子取代了我曾用手灌制的笨重凝胶。每一根纤细的毛细管里都含有可以将DNA片段根据大小分离的凝胶,并用激光可读的荧光染料取代了危险的放射性同位素。核苷酸序列以数码形式被记录下来,可以方便地输出到与之相连的计算机上。
我们实验室的成员都将3100视为一个圣物。它拥有独立的房间,它的零件在每一次使用前后都需要仔细地清理。但是这些额外的小心,相比于使用3100读取出DNA序列的速度和效率,都是值得的。它可以一次分析96个样品,每个样品可以在一天之内被读取长达1,000个核苷酸的DNA片段。任何时候只要3100在运行,我们就知道研究正在进行,而这基本上就是我们实验室的常态。
当然,就像我2000年左右所在的这个实验室一样,单个实验室即使装备再齐全,相比于那些参与人类基因组计划的主要研究所来讲都显得微不足道。在那些机构中,比如麻省理工学院(MIT)白头研究所(Whitehead Institute)的基因组研究中心或英国桑格研究所(Sanger Institute),有几十台这样的机器在同时运转。2000年7月,麻省理工学院新闻的一篇报道中就提到了“(人类基因组)项目联盟已经实现以每秒1,000个碱基对的速度产生原始序列——每周工作7天,每天24小时不停歇”。
21世纪初DNA测序技术的出现,为我们从基因中获得革命性的发现提供了原始材料。这是人类首次有机会看到存在于我们基因组中的古老文本,并试图弄清诸如自然选择的演化之力是如何在几千年的时间里对它进行改变的。然而,现在仍需要找到恰当的统计工具,以便从序列中提取出相关信息。
人类演化——未来照进现实
5月15日,天问一号着陆巡视器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区,我国首次火星探测任务着陆火星取得圆满成功,成为中国航天事业发展中又一具有重大意义的里程碑。
太空探索是关乎人类未来的重要研究领域之一,从古至今,人类从未停止过仰望星空。2000多年前的西周时期,古人就曾提出过有关火星的猜想并将之称为“荧惑”,有“荧荧火光,离离乱惑”之意。2012年5月,荷兰“Mars One”研究所更是推出了让志愿者登陆火星、建立人类聚居地的计划,并将于2024年分成6个批次前往火星。科幻电影中所描述的未来似乎不再遥不可及。
假如有一天人类真的登上了火星,他们或许会成为新的人类物种的建立者。如此说是因为我们知道:隔离是形成新物种的重要机制之一。然而,目前人类种群间的相互连接比历史上任何一个时间点都多,想在现代人类之间创造出隔离状态,需要出现非常重大的改变,比如种群数量的急剧下降或是全球交通网络全面且长期瘫痪,另一种可能性则是脱离我们现在的居住范围——地球。生活在太阳系的另外一颗星球或是其他地方的人类可以在自然选择的作用下,逐步适应当地的环境,实现独立演化。
在其他星球上,物种形成的过程甚至可能比地球上更快些,因为辐射改变DNA,辐射量在可承受范围内的增加会提高我们生殖器官的突变率,以比在地球上更快的速率将多样性引入基因库中。生活在火星和其他星球上的人类,以及我们带过去的任何物种,在加速的自然选择作用下或许可以更快地适应完全不同的物理环境。初代火星移民的总人数很少,意味着遗传漂移和基因冲浪可能在改变地外族群的基因库方面发挥作用。
如果我们可以摆脱灭绝的命运,也许人类长远的未来,就是从名为智人的单一地球物种演化形成一众后代物种,占领如今我们仍在探索的宇宙。《未来人类》的作者在书中这样讲到:看着托马斯小小的脸(作者刚出生的孩子),我好奇在他的基因组出现了多少新的突变以及其中是否存在有益突变。他将过上什么样的生活?他能活着看到人类首次移民到另一颗星球吗?或许他就是移民之一?在这里,在我的臂弯里,就是我与人类未来的连接。”
定居其他星球,演化成为新物种,其实只是对未来人类的众多假设之一。人类演化是否仍在继续?是加速还是减速?人类的最终命运是保持原样,走向灭绝,还是演化成一个新种?对于这些问题,争议与分歧一直存在,同样也是这些问题构成了《未来人类》一书的基础。
为了回答它们,作者阅读了数百篇研究论文,参加研讨会,与从事相关研究的人类学家生物学家、遗传学家、医生和心理学家们进行交谈,并前去拜访他们的办公室、实验室和考察地。作者尝试通过本书向大家展示他所学到的内容,并且清晰解释关于人类演化的未来可以做出哪些预测,而哪些又是我们力所不逮的问题。就此,作者大胆得出结论:未来人类将于今天大不相同。
人类平均寿命的延长、饮食习惯的改变、跨境旅行的盛行、药物和避孕措施的使用,网络约会和剖宫产的推行,艾滋病病毒、埃博拉病毒和其他全球性流行疾病的肆虐传播,各种生理现象与行为模式的改变,新兴技术与文化因素都开始加入人类未来的演化历程,我们生活在一个未来与过去相似之处越来越少的时代。
作者之所以开始写作本书也源于看到许多科学家并不愿对人类这个物种的未来做出预言,鉴于现代化对我们的演化产生影响的方式多种多样,也很容易理解为何从过去推导到未来会出现问题。然而,我们是否真的对人类演化的方向一无所知?作者仍旧认为可以从影响我们祖先的演化力及其发生变化的过程中,了解到关于未来演化的信息。人类的未来都藏在过去走过的路里。
正如他在扉页中写到:
献给我的家庭——
过去,现在,和未来
未来人类
FutureHumans
解密人类基因组中的新老文本
探索持续作用的自然选择信号
著   者:斯考特·所罗门Scott Solomon
译   者:郭怿暄   
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