来自顶尖机构的科学家们描述了一项突破性发现：“自然界的缺失法则”。这一法则揭示了进化不仅限于生命体，而是延伸到所有复杂的自然系统，从原子和恒星到矿物。

这一“功能信息增长法则”认为，如果任何系统的配置因特定功能而被选择，进化就会发生。这一发现重新构建了我们对宇宙的理解，从生命的起源到恒星的性质。

关键事实：

• 新法则认为进化是所有自然界复杂系统的特征，而不仅仅是生命。

• 当某种配置增强功能时，无论是生命系统还是非生命系统都会进化。

• 该法则通过关注进化系统中功能信息的增长，补充了现有的热力学第二定律等法则。

来源：卡内基科学地球与行星实验室

今天，发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上的一篇论文描述了“自然界的缺失法则”，首次承认了自然界运作中的一个重要规范。

简而言之，新法则指出，复杂的自然系统会进化到更具模式化、多样性和复杂性的状态。换句话说，进化不仅限于地球上的生命，还发生在其他极其复杂的系统中，从行星和恒星到原子、矿物等。

这项研究由九人团队撰写，包括来自卡内基科学研究所、加州理工学院（Caltech）和康奈尔大学的顶尖科学家，以及科罗拉多大学的哲学家，研究由约翰·坦普尔顿基金会资助。

“宏观”自然法则描述并解释了我们在自然界中日常经历的现象。例如，与力、运动、重力、电磁和能量相关的自然法则在150多年前就被描述了。这项新研究提出了一个现代补充——一个宏观法则，承认进化是自然界复杂系统的共同特征，这些系统的特征如下：

1. 它们由许多不同的组成部分（如原子、分子或细胞）组成，这些部分可以反复排列和重新排列。

2. 它们受到自然过程的影响，形成无数不同的排列。

3. 只有一小部分配置在“功能选择”过程中得以存续。

无论系统是生命还是非生命，当一种新的配置运作良好且功能改善时，进化就会发生。

作者的“功能信息增长法则”指出，如果系统的许多不同配置因一种或多种功能而被选择，系统就会进化。

“这一自然法则的重要组成部分是‘功能选择’的概念，”卡内基天体生物学家、该研究的第一作者Michael L. Wong博士说。

在生物学中，达尔文将功能主要等同于生存——即活到足以产生可育后代的能力。这项新研究扩展了这一观点，指出自然界中至少存在三种功能。

最基本的功能是稳定性——稳定的原子或分子排列被选择继续存在。持续供应能量的动态系统也被选择存续。第三种也是最有趣的功能是“新颖性”——进化系统探索新配置的倾向，有时会导致惊人的新行为或特征。

生命的进化历史充满了新颖性——当单细胞学会利用光能时，光合作用进化；当细胞学会合作时，多细胞生命进化；当物种学会游泳、行走、飞行和思考等有利的新行为时，物种进化。

矿物王国中也发生了同样的进化。最早的矿物代表了特别稳定的原子排列。这些原始矿物为下一代矿物提供了基础，这些矿物参与了生命的起源。生命和矿物的进化是交织在一起的，因为生命利用矿物形成壳、牙齿和骨骼。

事实上，地球上的矿物从太阳系诞生之初的约20种，经过45亿年日益复杂的物理、化学和最终的生物过程，如今已知的矿物数量已接近6000种。

在恒星的情况下，论文指出，大爆炸后不久，仅由两种主要元素——氢和氦——形成了第一批恒星。这些最早的恒星利用氢和氦制造了约20种更重的化学元素。而下一代恒星在此基础上产生了近100种元素。

“查尔斯·达尔文雄辩地阐述了植物和动物通过自然选择进化的方式，有许多个体的变异和特征以及许多不同的配置，”卡内基科学研究所的研究负责人、合著者Robert M. Hazen说。

“我们认为达尔文理论只是一个非常特殊、非常重要的案例，属于一个更大的自然现象。功能选择驱动进化的概念同样适用于恒星、原子、矿物和许多其他概念上等价的情况，其中许多配置受到选择压力。”

合著者本身代表了一种独特的多学科配置：三位科学哲学家、两位天体生物学家、一位数据科学家、一位矿物学家和一位理论物理学家。

Wong博士说：“在这篇新论文中，我们考虑了最广泛意义上的进化——随时间的变化——这包含了基于‘带有修改的下降’的达尔文进化。”

“宇宙产生了原子、分子、细胞等的新组合。那些稳定并能继续产生更多新颖性的组合将继续进化。这就是使生命成为进化最显著例子的原因，但进化无处不在。”

该论文提出了许多意义，包括：

1. 理解不同系统在继续进化方面的不同程度。“潜在复杂性”或“未来复杂性”已被提议为衡量进化系统可能变得多复杂的指标。

2. 洞察如何人为影响某些系统的进化速率。功能信息的概念表明，系统的进化速率至少可以通过三种方式提高：（1）增加相互作用代理的数量和/或多样性；（2）增加系统不同配置的数量；和/或（3）增强系统上的选择压力（例如，在化学系统中通过更频繁的加热/冷却或湿润/干燥循环）。

3. 更深入地理解宇宙中复杂现象产生和存在的生成力，以及信息在描述它们中的作用。

4. 在与其他复杂进化系统的背景下理解生命。生命与其他复杂进化系统共享某些概念上的等价性，但作者指出了一个未来的研究方向，询问生命在功能信息处理方面是否有独特之处。

5. 帮助寻找外星生命：如果生命和非生命之间的界限与功能选择有关，我们能否识别“生命规则”，使我们能够在天体生物学调查中区分这一生物分界线？

6. 在人工智能系统日益受到关注的今天，一个描述自然和符号系统如何进化的信息预测法则尤其受欢迎。

自然法则——运动、重力、电磁、热力学等——编码了各种宏观自然系统在空间和时间中的一般行为。今天发表的“功能信息增长法则”补充了热力学第二定律，该定律指出孤立系统的熵（无序）随时间增加（热量总是从较热的物体流向较冷的物体）。

原始研究：开放获取。“On the roles of function and selection in evolving systems” by Michael Wong et al. PNAS

摘要

在进化系统中功能和选择的作用

物理法则——如运动、重力、电磁和热力学法则——编码了各种宏观自然系统在空间和时间中的一般行为。我们提出，需要一个额外的、迄今未阐明的法则来表征我们复杂、进化宇宙中熟悉的宏观现象。

经典物理法则的一个重要特征是特定特征的概念等价性，这些特征由广泛且看似多样的自然现象共享。识别不同现象之间的潜在等价性——例如，下落的苹果和绕轨道运行的月亮或热物体和压缩的弹簧——通过阐明自然法则，推动了我们对世界的科学理解。

自然界的一个普遍奇迹是各种系统的进化，包括恒星、矿物、大气和生命。这些进化系统在概念上是等价的，因为它们表现出三个显著属性：1）它们由许多组成部分形成，这些部分有可能采用组合上大量的不同配置；2）存在生成许多不同配置的过程；3）配置基于功能被优先选择。

我们识别了支撑功能并驱动系统通过环境与系统之间的信息交换进化的选择普遍概念——静态持久性、动态持久性和新颖性生成。

因此，我们提出了“功能信息增长法则”：如果系统的许多不同配置因一种或多种功能而被选择，系统的功能信息将增加（即系统将进化）。