盖亚假说：地球是生物吗？

来源：头条浏览：0 2022-12-24 22:24:02

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盖亚假说：地球是生物吗？

导游词

在漫长的地球生物进化历史中，生物为了生存面临着严峻的竞争和自然选择的压力。盖亚假说认为地球表面的生物圈层也与一个生物体相似，在漫长的历史过程中不断进化。这个假说至今仍会引起无数争论。

加拿大达尔豪斯大学生物化学与分子生物学教授W Ford Doolittle对盖亚假说提出了他的新见解，并从多阶段自然选择的角度解释了“达尔文ise Gaia”——通过竞争进行的广泛合作如果将地球视为一体，它可能在生物圈水平具有进化能力，具有为了提高稳定性而进行自然选择的适应能力。

W Ford Doolittle|作者

翻译人员

赵雨亭审校

邓一雪|编辑

面对“地球母亲”，我们常常会有矛盾的心情涌上心头。科学家们也不例外。

通过深入了解地球上生态演化的历史，可以发现生态系统具有较强的自我调节能力。这种能力在过去的40亿年中自发地调节生态系统，使其适应环境的变化。在此基础上，人类也有适当的生存空间。一些科学家认为，虽然地球生态仍有脆弱之处，但各物种相互合作，在地球上生存。

另一种声音认为，为了在严酷的社会中生存，生物之间必须进行残酷的达尔文竞争。能生存的物种都以生存能力和繁殖能力最为突出。如果生物圈真的有什么平衡的话，那可能只是事故。

1 .盖亚假说：假设生物圈是一个生命

20世纪70年代中期，英国独立科学家兼发明家詹姆斯罗夫( James. E. Lovelock )和美国生物学家林恩马格利斯)提出了地球本身就像进化中的有机体的见解。他们把这种观点称为盖亚假说( Gaia hypothesis )。根据盖亚假说，地球上的生物圈是能够维持地球内稳定性的活跃的自适应控制系统。这种可自我调节的整体(包括但不限于生物)被视为盖亚。一些基于这一假设的推论甚至表明海藻藻群的出现是为了控制世界温度，澳大利亚大堡礁是控制海水含盐量的泻湖项目的一部分。

这个假说激发了支持者的想象力，尽管把盖亚称为地球女神。然而，这一假说没有得到严肃学术界的认可，也遭到了鄙视。对于反对盖亚假说的人来说，生物化地球上某些特征的类比确实会带来一定的启发作用。但是，地球不像进化的生物。与鸟类进化的眼睛和翅膀不同，海藻丛和珊瑚礁不能提高地球的适应能力。这违背了达尔文所阐述的自然选择。

2 .物种进化有方向吗？

在自然选择中，生物实体必须进化出可以遗传的属性或能力，以留下更多的后代。例如，对于具有第一批号视觉的生物来说，无论视觉多么模糊，都可以提高其生存和繁殖的能力。用专业的话来说，生物实体必须在群体中表现出遗传的和繁殖优势差异的变异特征才能自然选择。

即使这种遗传属性是由不定项或随机基因突变导致的，经过几代种群的繁殖和筛选，也可以带来渐进的改善。带来复杂的适应性。以刚才提到的视觉为例，脊椎动物的眼睛非常复杂，部分区域的细胞获得了聚焦和分辨颜色的能力。这种能力逐代积累，最终获得了可以清晰成像的现代生物的眼睛。

因此，进化有时即使不是有方向性和目的的选择，也总是能引导一定的方向性。

1979年出版了洛夫洛克畅销书《盖娅：地球生命的新视野》 ( Gaia:anewlookatlifeonearth )。广泛的进化生物学推荐还原论。 3年前，理查德道金斯( Richard Dawkins )出版了著作《自私的基因》 ( theselfishgene )。这本书表达了坚定的基因中心主义。这个理念认为自然选择的基础是基因的选择。也就是说，基因才是繁殖的本质，因为只有基因才能复制并遗传给后代。基因复制意味着准确的一对一输入备份。相对而言，对繁殖必须宽容。所谓“龙生九种，各不相同”，大多是因为父母所生的子孙各有不同。这种变化表现出遗传时的适应性变异，也自然支持自然选择引起的物种进化。

盖亚：地球生命的新视野(左)，自私的基因(右) )。

近几十年来，许多理论研究者发现，包括自然选择机制在内的物种繁殖不仅仅局限于基因复制、细菌分裂、有性繁殖这样的水平。现在，研究者开始接受一种叫做多级选择理论的新视角。在多阶段选择理论中，生物可以被认为是可以嵌套在更大的生物实体中的新的层实体。正如科学哲学家Peter Godfrey-Smith所说，理论上，基因、细胞、甚至社会群体和生物物种都可以进化。

传统意义上，自然选择发挥作用的基本单位必须通过基因交流连接——相互亲缘关系。因为在传统进化遗传领域的研究中心，繁殖和血缘关系是必不可少的。没有繁殖就无法定义适应力。明明没有血缘关系，为什么要谈论自然选择呢？

3 .从变异到自我适应

这也就是盖亚假说天马行空的地方。盖亚假说中描述的多种生物聚集形成的群落不具有自我增殖的能力。生物圈中的数十亿物种可以独自繁殖，但总体上生物圈无法从——产生另一个“小生物圈”。也就是说，不存在传统意义上的遗传，没有亲子关系，为——，是一个复杂多样、无法相互合作的种群。根据传统的达尔文物种进化思想，像盖亚这样的生物圈不是自然选择可以操作的单位，也没有表现出适应性。确实，我们知道海草能抑制全球变暖，珊瑚礁也能影响海水的盐分浓度。这些生物群落内部物种出现协同进化现象——，利用其他物种带来的生物环境——，但每个物种都是独立自私的存在。植物的花吸引蜜蜂采集花蜜。因为植物可以授粉以增加后代。在生物圈水平上进行自然选择在40年前是不可能的，但即使是今天也是个难题。

科学家们在1981年，一年后，理查德道金斯在The Extended Phenotype上发表了同样的观点。生物圈中没有达尔文那样的种群竞争。

宇宙中可能有很多死亡的行星。这些行星的自我调节系统已经失效，这些死去的行星中也散布着星星，有可以稳定运行调节的行星，地球也是其中之一。

The Extended Phenotype

但理查德道金斯也认为，现实确实如此，但这还不够。科研人员还将努力论证生物圈的可复制性——能否在新行星上生成现有生物圈的复制。

这一观点仍然占主导地位，2015年，Godfrey-Smith应邀在詹姆斯洛夫的《A Rough Ride to the Future》一书中发表了不同物种之间的反馈交流但这只是偶然出现的副产物。物种间相互作用的反馈是物种内进化带来的结果。这是由物种内的繁殖压力引起的。因此，与生物自身不兼容的特征——，即使生物自身受益也没有剩下——。

Godfrey-Smith所表示的含义与人类选择的原理类似。如果生命之间没有建立稳定的反馈，我们就不会出现。既然我们出现了，无论建立的过程多么困难，都表明需要建立这样的机制。但人们所期待的，不仅仅是稳定生物圈的机制，还有能够达尔文式进化的机制——，将通过自然选择有益的“意外”事件转化为通过自然选择可以遗传的基因等价物。

4 .原子衰变和姓氏留存：

自然选择思想实验二则

首先，必须明白，对生存来说差异是必然存在的，这也是自然选择发挥作用的基础。让我们用一些放射性原子来做类比。半衰期后，衰变的原子和还没有衰变的原子没有区别，只是概率的问题。如果原子也有某种突变的能力的话，经过几次半衰期后，在未衰变的原子中，一定会有很多具备抵抗衰变能力的原子。这就像是对原子的自然选择，一个突变会在下一个突变中积累一定的优势，最终出现复杂度适应能力。

必须注意的是，放射性原子可能无法获得稳定的“基因突变”，包括大量能够独立进化的物种在内的生物圈也可能难以实现这一点，但对后者来说，进化是可能的。而且在生物学上，我们必须接受这个推论。这样，你就可以接受为什么看起来不可能的突变，不能接受其他突变。因为，这只是自然选择机制选择了这些看似不可能的事情，并逐代积累最终成为可能。这种看法与达尔文的思想相近。

崩溃示意图

也就是说，自然选择真正能够进行的是逐渐增加被选择个体在种群中的比例。该方法可以通过两种手段实现，一种是前面讨论的繁殖能力的差异。通常，这也被认为是进化的最终目的。经过自然选择的生物，通过繁殖更多的后代而超越竞争对手，最终成为其种群中唯一的生物品种，生物学中将这种优势品种大量繁殖的过程称为实现固定( achieving fixation )。另外，优势品种还可以挤压竞争对手的生存空间，使自己占优势。这称为差异持续现象。但是，这一现象经常被忽视。劣势品种种群数量的减少过程可以是随机的，而不是因自然选择而失去的——，在这一点上类似于原子衰变。但随着时间的推移，具有优势特征的品种在种群中的比例也越来越大。通过积累突变，可以使整个物种发挥复杂的适应能力。

接下来再进行一个思想实验吧。想象一下只有女性居住的小岛。这时，10名姓氏不同的遇难船员来到了海滩。水手和岛上的女性结合在一起，繁衍了子孙。就这样，姓氏作为父系氏族遗传了。当然，屡次发生的饥荒和天灾也会带来随机的人口削减。

如果饥荒过后，10个姓氏并不完全幸存，——中至少有一个姓氏“消亡”，那么在这样的几次饥荒之后，只剩下一个姓氏。其他竞争的姓家族的灭绝其实只是一个随机的理由。

这里的姓氏与生物学家所说的进化枝( clade ) ——中从祖先种到后代种的生物进化树相似。该定义意味着分支本身不具有进化能力，一个分支可以随着相应物种的灭绝而被归纳。新旧物种的某些分支虽然不同，但都来自同一祖先的分支。一种进化分支可以随着物种的进化而“枝繁叶茂”，但分支本身不会形成新的分支。

进化分支示意图

在这个姓氏继承的思想实验中，最后获胜的姓氏是随机的。但是，如果不同姓氏的家庭之间存在生物学差异，就会有不同的优点。例如，有些家庭的男人可以收集更多的食物，养育更多的后代。发生大饥荒时，其家人幸存的可能性也变高。对生物种群来说，也意味着该种群的分支越来越大。

我现在说要回盖亚。盖亚生物学部分是从最近的共同祖先( Last Universal Common Ancestor，LUCA )进化而来的单一分支。我们最近的共同祖先被认为是单细胞生物和其他物种。而且，最近的共同祖先被认为是当时生存的众多细胞、物种之一。这个过程类似于10个姓氏最后只剩下一个。除非说这是一个完全随机的过程，否则我们把它称为分支选择。

理查德道金斯对盖亚的批评是，星球上的盖亚不存在潜在的竞争者。考虑到上述分支选择。这个批评已经不那么重要了。当初，某个小池塘里可能有一个小盖亚，但这个盖亚没有继续下去。这个随机过程确实令人难以置信，但大于——，生态上容易选择很多分歧，能够进化某种合作机制的分歧也是如此。

5 .达尔文式盖亚：多层面的自然选择

除了迄今为止讨论的持久性差异外，还有另一种思想。可以称为达尔文型盖亚( Darwinise Gaia )。这个理论主要用于描述多级选择理论。下图显示了传统上自然选择生效的四个层面和我们扩展的两个层面。该定义表示，只要某个级别的实体具有繁殖能力，就可以在不同级别执行自然选择，也可以在多个级别同时执行。《伦敦书评》这本书也承认这一点。基因的利己性可以独立进行，形成和谐有竞争力的生物整体也可以自私进行。

像俄罗斯的EVA一样，生命可以表示为嵌套在更大的实体中的层次结构。在多元选择理论中，自然选择可以发生在“内四环”的层面。对“外二环”来说，他们虽然不能“繁衍后代”，但却在“相互作用”。但是自然选择也会影响他们。

理查德道金斯把成功的基因比作优秀的赛艇运动员。皮艇是一个团队项目，但缺乏协调的运动员很难在这方面表现出色。因此，选拔运动员的标准主要注重个人的运动能力。运动员之间的竞争是为了获得队伍中的一个位置，队伍的竞争是为了代表大学参加——，在这里竞争发生在两个层面。

6 .复制人-对话者

在上图说明的层次结构中，内四环的实体——基因、细胞、有机物、物种都是可繁殖的单位，通过繁殖产生血统联系。因此，多级选择理论适用于这种实体，可以解释这些水平上的生物适应性。当然，从基因到细胞、多细胞组成的有机生物，再到物种，这四者都在相互作用。

然而，所示的“外二环”又由许多独立的实体组成，这些实体相互影响、持续存在，但不能集体繁衍，也不是自然选择的标准单位。他们就像支系，如果这个支系能与环境相互作用，就可以不繁殖而继续存在。因此，达尔文型盖亚需要复制者——，或者交互框架。这个理论是由哲学家David Hull提出的。在Hull的理论中，自然选择分为以下几个部分。

复制器)一个实体的复制器可以在复制期间直接生成其自己的结构

对话者( interactor )可以代表这个完成的实体与环境进行对话

选择过程( selection )在这个过程中，交互者的兴衰决定着复制者能否继续存在

在我们的盖娅理论中，有时用“繁殖者”代替“复制者”，有时用“维持”代替“繁殖”。在进行了这样的修正之后，在任何级别上，“交互者的消亡和扩张”都可以由对应的复制者持续存在。 “存续”在这里既包含“繁殖”的意思，也包含“维持”的意思。对盖亚来说，在40亿年的进化历史中，大量的生命在这个盖亚中繁殖。

像复制者-交互者这样的构想实际上可以用来解释很多有吸引力的生物现象。除了我们人类之外，还生活在我们身体里的微生物群落，可以认为是全生物、多生物的实体。作为被集约的整体可以与环境相互作用。目前认为这种相互作用在生物发育、健康免疫甚至心理精神等方面起作用。而且，在这些方面更好的人当然可以活更长的时间，留下更多的子孙。当然，在这些体内生活的细菌的“繁殖者”也能生存下来。这样，在人体内生活的这些“低级”生物——包括内部的复制者和相互作用者——就可以“继续”存在。这些微生物通过与人类的交互，成功地解决了生存问题。

而能够相互交流的主体客户是人类社会、生物群落、一个生态系统，乃至整个生物圈。在这样的环境中，能够促进相互作用的，是层次较低、从该环境中受益的复制者、繁殖者。前文图所示的各个实体，有助于其内部较低级别的个体的存续。因此，我们应该以更广阔的思路来理解自然选择中的进化思想。

7 .唱歌比歌手更重要

在评估地球是否可以被视为进化实体时，Andrew Inkpen的理论——首歌比歌手更重要。 ( It's the song，not the singers，ITSNTS )。音乐的存在和延续取决于人们是否唱它。我们认为歌曲中有规律的模因是通过人们的传唱而唱的。在传唱过程中，因“突变”而出现的具有规律性的模因也很容易通过“自然选择”而保留下来。

ITSNTS是基于全生物观念类比形成的理论，肠道微生物降解化学物质代谢的观察也支持了这一理论。服用抗生素杀死微生物后，原微生物所起的功能会恢复到——，但微生物种群可能与以前不同。在这一点上，“歌”本身比唱它的“歌手”更重要。

对盖亚来说，自然选择的单位可能是过程。多阶段冗余物种进化的实现过程。根据ITSNTS理论，只要物种能实现进化过程，就会出现物种间的相互作用模式和生物新陈代谢过程——，唱歌比歌声更重要。甚至有人说，全球氮循环这样的过程，不需要参与的物种可以在同一时间同一地点相互作用，互不相关。这样的过程也促进了物种的进化，使物种以自己的方式生存。

在ITSNTS理论中，歌曲本身不能自然繁殖，而是经过演唱者的再次演唱而进化的。我们提到的氮循环可以看作是远古地球循环的继续，而不是远古地球循环。也就是说，初期循环影响了后期物种的进化，形成了新的形态。其实，氮循环可以与前文的家族姓氏谱系类比。据了解，Hell提出的复制器-交互理论对此具有非常强的解释能力。

太古时代的地球

实体的相互作用可以引起物种的进化，但这种进化并不一定体现在物质遗传和继承上。但是道金斯认为基因是永恒的信息，从中生成的基因的实际载体和实体生物都很短。这些“笨拙的机器人”只是受雇于基因以达到自己的目的。

8 .永恒的基因

因此，进化生物学家David Haig写道，物理基因是物质实体，信息基因是这些临时载体上的抽象序列。物理基因通过遗传标记来区分，信息基因通过基因型来区分。永恒的基因递归地投靠短宿主。

物质和非物质的区分已经不是新问题，至少在复制者-交互者理论的框架下，这个问题并不那么重要。 “生存”的境界并不意味着持续存在——不再需要经历繁殖、生长和再繁殖的过程。前面提到的氮循环也可以被认为是实体的继续。

不仅是学术界，达尔文式盖亚也影响了我们对自然的态度。 ——这一理论为我们的星球为什么能维持适宜居住的环境提供了坚实的理论基础。这样，就可以在不使用“自然报复”的比喻的情况下，反省当前面临的环境危机。此外，还可以避免这一修辞背后的人类中心主义和有神论思想。我们把自然看作连续的整体。虽然填补达尔文理论和盖娅理论之间的鸿沟需要做很多工作，但它为人类提供了看待自然的新视角。

译文： Is the Earth an organism

3359 aeon.co/essays/the-Gaia-hypothesis-re imagined-by-one-of-its-key-sceptics

来源：中国科学院高能所