42、深层秩序

IBM的应用数学家本华·曼德博（BenoitMandelbrot），他发现了所谓的“分形”（fractal）。完美的分形是海岸线，雪花和树木亦属于分形。从远处看，它们是形状或轮廓；稍近一些，就能看到复杂的细节；再近一些，能看到更多的细节。靠得越近，轮廓的细节越多，而且图案往往不同规模地重复。因为这些轮廓不会变成平滑的线，也就是说，从不符合某种简单的数学函数，曼德博称之为“数学里最复杂的事物”。[3224]但是，人们同时还发现，简单的数学规则可以植入计算机程序，经过很多代之后，会产生复杂的模式，“从不完全重复”。基于这一点，以及实际生活中的分形观察，数学家们推断，自然界中有某种特别强大的规则控制着看似混乱而复杂的系统，这些系统的本质还有待揭示——这是深层秩序的又一个例子。

20世纪80年代末90年代初，混沌学突然兴起，成为最流行的数学领域之一；新的研究机构也随之建立，那便是位于新墨西哥州洛斯阿拉莫斯东南部的圣菲研究所（Santa Fe Institute），它还将夸克的发现者默里· 盖尔曼招至麾下。[3225]这项新研究提出了若干新的概念，包括“自组织临界性”、“灾变理论”、现实的层级结构、“人造生命”（artificial life）和“自组织”。自组织临界现象是帕·巴克（Per Bak）的创见，帕· 巴克是一名丹麦物理学家，20世纪70年代移民美国。[3226]他曾告诉约翰· 霍根，他的研究始于他对沙堆的观察。如果不断地往沙堆上添沙子，沙堆会变高，可是只要超过某一临界状态再多加一粒沙子，就会引发崩塌。巴克注意到这一过程与很多其他现象（股市崩盘、物种灭绝、地震等）有明显相似性。他认为可以从数学层面理解这些过程，用数学的方法加以描述。有一天，我们也许能够理解这些事情缘何发生，不过这未必意味着我们能控制或阻止其发生。帕· 巴克的理论与法国人雷内·托姆（René Thom）的灾变理论相去不远，后者认为，纯数学计算可以解释“非连续的行为”，如生命的出现、毛毛虫蜕变成蝴蝶或文明的衰退。这些研究都是对深层秩序的探索。

在众多探索中，菲利普·安德森（Philip Anderson）的工作尤为突出。1977年，他因超导体研究荣获诺贝尔物理学奖。安德森没有论证基础秩序，他的观点是，存在着一个秩序层级——世界上的每个组织层次，均独立于其上面一层或下面一层，生物学领域尤其如此。“在每个阶段，全新的规律、概念和总结都是必要的，需要与前一阶段同等的敏锐度和创造力。心理学不是应用生物学，生物学也不是应用化学……你必须抵制如下诱惑：你在一个层面上所掌握的普遍原理，可以在每个层面上都适用。”[3227]

时间推移到20和21世纪之交，混杂学家开始感到些许失望。20世纪90年代初令人振奋的研究到现在为止还没有产生可以与弦理论相提并论的鼓舞人心的成果。不过，数学没有让人气馁，并继续打动人心，并且与生物学密切相关。这些成就在英国华威大学数学系教授伊恩·斯图尔特（Ian Stewart）发表于1908年的著作《生命的另一个秘密》中有所总结。[3228]斯图尔特继承的传统虽然不如霍金—彭罗斯—费曼—格拉肖的物理学/宇宙学谱系，或道金斯—古尔德—丹尼特的进化论谱系那么有名，但他属于达西· 温特沃斯· 汤普森（《生长与形态》，1917）、斯图尔特 考夫曼（《秩序的起源》，1993）和布莱恩· 古德温（《豹子如何改变自身的斑点》）等人组成的阵营，可以算得上是后起之秀。他们有一个共同观点：遗传学不曾解释生命，也不可能完全解释生命。虽然看似奇怪，但遗传学需要数学知识，因为数学即深层秩序，它决定了实物；说到底，所有的生物全都缘于深层秩序。

《生命的另一个秘密》旨在揭示，数学“在每个层面左右着我们对生命的理解，从DNA到雨林，从病毒到鸟群，从第一个自我复制的分子到势不可挡的进化过程”。[3229]斯图尔特举的例子既有趣又有煽动性，比如蜘蛛网和雪花中的数学、蚁群大小的变化、八哥群的形成，他还研究了植物的分枝系统和虎豹等动物身上的花纹。他还专辟一章书写“花卉中的斐波纳契数列”，概述植物王国的格局。

所谓斐波纳契数列，即1，2，3，5，8，13，21，34，55，89，144……它由比萨的列奥纳多于1202年首先发现，列奥纳多的父亲是波纳契，因此他将其命名为“斐—波纳契”。在这个数列里，每个数字都是前两个数字之和，这一简单排列描述的内容却相当丰富：例如，百合的花瓣是3片，毛艮的花瓣是5片，飞燕草的花瓣是8片，金盏花的花瓣是13片，紫菀的花瓣是21片，雏菊的花瓣为34片、55片或89片。[3230]但是斯图尔特的作品和思想在眼界和趣味方面远甚于此。他开篇即指出，胚胎期细胞的分裂现象与肥皂泡形成泡沫的方式有明显的相似性，染色体在分裂细胞中的排列方式与互相排斥的磁铁的排列方式相似。换句话说，无论把什么指令编进基因，生物体的众多表现似乎都受制于其物理性质，而物理性质则可以写成数学等式。斯图尔特认为，这绝非偶然，是生命出于自身目的利用了自然界中的数学/物理学。他发现了分子的“深层几何学”，特别是在形成结点和线圈的DNA中，这种结构十分重要。例如，他引用了海因茨· 弗伦克尔—康拉特和罗布利· 威廉斯著名的烟草花叶病毒实验。[3231]斯图尔特认为，这正是无机世界和有机世界之间的过渡；如果试管能分离出病毒成分，并让其保持自身机制，它们自然就会重新合成可复制的完整病毒。换句话说，分子结构可以自动形成生命。因此，理论上，准备好相应的各种合成物质并将其置于试管中，应该可以创造病毒，也就是生命。20世纪90年代后半叶，数学家已经了解原始生命（黏菌，如土壤阿米巴盘基网柄菌）的发展过程，这并不是什么难解的数学方程。斯图尔特说：“关键是，许多生命特征被证明具有物理学特性，而不是生物学特性。”[3232]

也许最能说明问题的是斯图尔特等人称之为“人造生命”的实验。本质上说，这些实验是计算机游戏，其目的是以符号形式复制进化的方方面面。[3233]计算机屏幕上往往会有一片网格，比如，宽100个方格，长100个方格。在每个方格中分配一丛“灌木”或一朵“花”，一条“鼻涕虫”或一只“鼻涕虫的捕食者”。然后科学家设计各种规则，比如，鼻涕虫的捕食者一次可以移动五个方格，而鼻涕虫只能移动一个方格；还有，与红色花相比，绿色花上的鼻涕虫不太显眼（也不容易被吃掉）；等等。这种人造生命借由计算机模拟开始运行，移动数量可能是1万步，甚至是5000万步，使得科学家得以观察“人造生命的演变”。人们尝试了很多程序。最令人震惊的是安德鲁· 帕格利斯于1996年设计的“变形虫”实验。这个实验的规则是植入一组随机的计算机代码，每10万步就随机更换其中7%（以模拟突变）。帕格利斯发现，大约每5000万步就会出现一次自我复制的代码片段，这个结果源于编程时所仰仗的数学。正如斯图尔特说过的：“不必将复制写入规则——它自然就会发生了。”[3234]其他的惊人尝试还包括共生和寄生虫的产生，不时被快速变化打断的长时间停滞，这就是尼尔斯· 埃尔德雷奇和史蒂芬· 杰· 古尔德提出的间断平衡说。这些模型（