地球是怎么进入冰川时代的（盖亚假说重新启动）

1948年，控制论的先驱罗斯·阿什比(Ross Ashby)建造了一台奇特的机器。这架固定器是由英国皇家空军的四个相互关联的炸弹控制单元建造的。它的特点是有四个旋转磁铁，每个磁铁的位置由其他磁铁的位置决定，并由使用随机设置表生成的反馈机制引导。当阿什比打开机器时，磁铁就会开始剧烈振荡。有时他们会回到一个稳定的平衡位置。如果不是这样的话，阿什比已经连接的动态平衡调节器，用新的随机设置重新启动。随着时间的推移，这个基本的算法（如果不稳定，继续重试）最终总是导致平衡。这是这台机器的唯一目的：表明一个简单的、动态的系统能够根据环境的变化恢复稳定。

阿什比认为，这种“超稳定性”是自然界的一项支配原则，除此之外，解释了物种对其生态位的适应，这一过程似乎是有目的，但实际上是从随机过程中产生的。用“进化”来描述动态平衡随时间的变化，从狂野的运动到稳定，似乎有点牵强。毕竟，它缺乏我们与达尔文进化论联系在一起的所有特征，比如生命和繁衍。然而，人们越来越相信，驱动阿什比的机器的同样的力量，拥有一个更广泛的进化概念的关键，一个可以包括半生命甚至非生命系统的概念。这种新的观点对于理解生态系统的功能甚至生命的起源可能是必不可少的。最有趣的是，它支持了盖亚假说，这是一个有争议的观点，认为生物圈就像一个巨大的有机体，一个自我调节，以保持适当的生活条件。

达尔文最初通过自然选择进化的公式如下：有机体各不相同，具有更多有利特征的生物平均会留下更多的后代，而这些后代很可能继承其父母的有利特征。这就解释了为什么生物体能够很好地适应它们的环境，为什么吃种子的鸟类的嘴厚实坚硬，为什么花会产生富含糖分的花蜜来吸引传粉者，以及无数其他的特征。随着我们进化思维的发展，自然选择被证明具有显著的适应性。它可以解释“自私基因”的进化，这是生物学家理查德·道金斯(Richard Dawkins)在20世纪70年代提出的一个观点，因为就像同一物种的个体一样，一个基因可能以不同的形式存在，其中一些更有可能存活下来，并传给后代。在适当的情况下，自然选择甚至可以延伸到离散的有机体群体。然而，这种达尔文动态在整个地球的层次上崩溃了。

就我们所知，地球是一次性的：没有一群相互竞争、繁衍后代的行星可供自然选择，以形成下一代。然而，就像进化磨练的超级有机体一样，地球似乎以对生命至关重要的方式自我调节。数亿年来，氧气水平一直保持相对稳定，碳、氮和磷等生命的关键构件也是如此。至关重要的是，地球表面温度一直保持在允许液态水存在的狭窄范围内。确实有一些剧变：例如，在大约7亿年前的一次“雪球地球”事件中，几乎整个表面都被冻结了。“但关键问题是，为什么它会花这么多时间处于稳定状态？”英国埃克塞特大学的蒂姆·兰顿（Tim Lenton）问道。

地球的温度保持在适合液态水存在的窄带内

自从20世纪60年代詹姆斯·洛夫洛克(James Lovelock)首次提出盖亚假说以来，这个问题一直困扰着地球科学家。毕竟，这种自我调节的进化方式并不明显。因为支撑地球温度、氧含量等的过程，包括板块构造和侵蚀，持续了数百万年。这对于通过自然选择使个体生物适应其环境而起作用的时间太长了。这一难题使大多数进化生物学家完全否定了盖安进化的任何概念。佛蒙特大学的查尔斯·古德奈特(Charles Goodnight)表示：“你根本无法适应地球层面的变化。”

兰顿说：但可能还有另一种方法，如果盖亚像阿什比的动态平衡调节器那样工作呢？换句话说，他认为，地球和它上的早期生命最初可能是随意地相互作用的。不稳定的配置，比如说，那些几乎没有或根本没有氮等关键元素循环的配置，很快就会失败，要求生命几乎从头开始重新启动。不过，最终，该系统肯定偶然发现了一个稳定的配置，有更好的循环和更严格的监管机制。因此，今天的地球拥有强大的监管机制，这一点也就不足为奇了。

这一过程被称为“持久性选择”，它回避了竞争和繁殖的要求，这些要求使自然选择成为解释地球进化的一种机制。兰顿说：“我认为这是一种搜索算法，地球可以经过一段时间的反复试验，直到它进入稳定的形态。一旦它发生了，这种情况就会持续下去。”

兰顿说，这一过程也不会就此止步。一旦系统处于稳定状态，它可以积累更多的变化，例如，新的监管机制，从而进一步稳定它。他称之为“顺序选择”。因此，稳定的系统不仅会持续存在，而且随着时间的推移，它们也会变得更好。在去年发表的一项研究中，他和其他人描述了这种逐渐改善的过程是如何演变成一个可能导致盖安自我监管的过程的。洛夫洛克对这个想法很感兴趣，他说：“盖亚和其他动态反馈系统的问题是，它们可以被描述，但不能被解释，兰顿和他的同事们扩展了盖亚理论。”

然而，虽然持之以恒的选择可能具有完美的逻辑意义，但它在实践中是否可行呢？自我调节很容易在相对简单的系统中出现，就像阿什比的动态平衡调节器所说明的那样。但英国萨里大学复杂性科学家、进化理论家亚历山德拉·佩恩(Alexandra Penn)表示，随着系统变得更加复杂，它们可能拥有的状态数量急剧增加，随机撞上稳定状态的几率也同样急剧下降。她想知道“在地球的生命周期内，我们有可能到达那里吗？”。但据她所知，没有人能回答这个问题。

稳定的系统不仅仅是持久的，而且随着时间的推移，它们会变得更好。

怀疑者还质疑这样一种说法，即随着时间的推移，系统应该通过积累稳定的变化而变得更加稳健。哈佛大学的地球化学家丹尼尔·施拉格(Daniel Schrag)说：“你在一个系统中待的时间越长，你就越能破坏它的稳定。”兰顿承认，这是真的，但他在最近的一篇论文中描述的数学模型表明，从长远来看，稳定效应大于破坏稳定的效应。

还有其他原因可以预期，随着时间的推移，稳定将会增强。如果一个系统要坚持下去，而不是在变化面前崩溃，那么它就必须是稳健的。普林斯顿大学的生态学家西蒙·莱文(Simon Levin)说，三个特征使生态系统或行星系统更加强大。首先，强大的系统具有一定程度的冗余，因此任何特定组件的丢失，例如物种的灭绝，并不会严重损害整体。其次，它们具有多样性，这增加了至少一些物种能够应对意外变化的可能性。第三，它们具有模块性，因此系统的一部分出现故障并不会导致整个系统的崩溃。

莱文认为，一个系统进化的时间越长，它就越有可能显示所有这三个特性。换句话说，稳健性随着时间的推移而增强。自从39亿多年前第一个生命进化以来，地球的生物圈就一直存在，所以它有足够的时间变得更加强大。

行星重启

虽然数学模型可以表明通过持久性选择是可能的，但它们不能证明它确实发生在地球上。然而，兰顿看到了几种检验他的假设的方法。他说：“地球历史不就是这些想法的试金石吗？”。特别是，地球已经经历了几次灾难性的转变，冲走了旧的生物圈，迫使少数幸存的生命形式创造了新的生命形式。

在这些转变中，最主要的可能是24亿年前所谓的大氧化事件，当大气中的氧气水平从光合作用演变后的近零点急剧上升时。高活性氧的出现将扰乱所有现有的生物地球化学循环和依赖它们的生物体的代谢。如果兰顿是对的，这将引发一段行星不稳定时期，随后随着生物圈积累新的代谢途径来调节其新的机制，一个新的、日益稳定的地球系统逐渐出现。

很久以前没有生物，但是通过对生命之树的研究，生物学家们开始弄清楚什么时候出现了特定的新陈代谢的创新。兰顿说：“如果我们幸运的话，我们将能够拼凑出新陈代谢的起源是如何打破现状的。我们将能够测试，当我们得到氮循环等更稳定的版本时，它是否会取代更早、更不稳定的版本。”

审视我们自己星球的历史并不是评估这个想法的唯一方法。最强的测试可能来自其他行星上的生命。外星生命多久出现一次，持续多久？是不是有数以百万计的行星出现了生命却无法自我调节，这意味着地球幸运地挤过了一个“盖亚瓶颈”？还是恒久不变的选择无处不在，不可避免地在任何生命出现的地方推动着行星走向稳定的过程？

鉴于我们在宇宙其他地方寻找生命的方面缺乏成功，这些问题的答案还有很长一段路要走。但也许我们不需要做这么多。蒙特利尔大学的弗雷德里克·布查德(Frédéric Bouchard)是一位研究进化论理论基础的科学哲学家。他认为，我们习惯性地把繁殖作为衡量的方法，使我们对其他可能性视而不见。就好像你只看到过哺乳动物，你会推断所有的物种都需要腿。然后我给你看一种蕨类植物，你说它不是生物体，因为它没有腿。

从布查德的角度来看，自然选择倾向于增强持久性的特征，繁殖成功是实现这一点的一种方式，但不是唯一的方式。举个例子，世界上最古老和最大的生物之一，美国犹他州的一片摇摇欲坠的白杨树林，它们都是从一个相互连接的根系中长出来的。尽管树干错综复杂，但在大约8万年的时间里，这片树林一直是一个遗传实体。布查德说，它可能会时不时地进行性繁殖，但从坚持的角度来考虑它的成功更有意义。

事实上，持之以恒的选择可能只是进化所涉及的多种选择机制之一。而且，由于持久性在更大的系统和更长的时间尺度上真的成为了它自己的一部分，所以它可能比盖亚重要得多。

考虑生态系统，如珊瑚礁或消化道中的微生物聚集。生态系统可能相互竞争，但它们不会作为一个整体进行繁殖。然而，可以说，它们确实具有需要进化解释的特征。和盖亚一样，它们经常是自我调节的，保持相对一致的功能，即使它们的组成物种来来往往。例如，一项对绿藻的研究表明，生活在任何两种藻类上的微生物生态系统平均只有15%的共同物种。尽管如此，它们分享了70%的生态功能，如附着、防御和生物膜的形成。这种一致性很难用作用于单个物种的选择来解释，因为没有微生物扮演所有的角色。但它符合这样一种观念，即通过持久的选择塑造了生态系统。加拿大达尔豪西大学(Dalhousie University)的进化生物学家福特·杜利特尔（Ford Doolittle）说：“即即使你只选择持久性，你也可以变得越来越好。” 他是第一个考虑持久性在进化中的作用的人之一。

兰顿认为，他非正统的进化形式可能也是理解社会和文化进化的最佳方式。毕竟，文化知识并不能准确地再现。相反，观念通过传播而获得影响，这种动态可能更好地用持久性选择来描述，而不是用传统的自然选择进化来描述。兰顿现在正在探索这是如何起作用的，以及它是否能给我们提供文化进化的新见解。

兰顿的新进化机制甚至可以揭示生命中最大的奥秘。在第一个活着的细胞进化之前，原始汤可能由各种分子组成，这些分子共同设法创造出更多的分子，但并不完全像他们自己。在这样一个系统中，成功将构成松散的分子集合的持续生存。布查德说，换句话说，坚持是生命起源的动力。

持之以恒的选择可以解释很多关于这个世界的事情。问题是这个想法本身是否会持续下去。就像阿什比的动态平衡调节器一样，它可能需要重新启动。但是，在一个令人愉快的循环中，如果兰顿的理论被证明是合理的，并且达到了稳定的平衡，那么它就应该积累更多的变化，从而使它更加持久。