前言 世界夠大，時(shí)間夠多

1904年春天，任職于加拿大麥吉爾大學(xué)（McGill University）、年僅32歲的新西蘭物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford），在世界范圍內(nèi)成立了最早的科學(xué)組織倫敦皇家自然知識(shí)促進(jìn)學(xué)會(huì)，并舉辦了一場演講，演講主題為“放射現(xiàn)象和地球年齡測定”。

當(dāng)時(shí)的科學(xué)家對《圣經(jīng)》里認(rèn)為地球年齡只有6000年歷史的說法早就嗤之以鼻了，最廣為認(rèn)同的年齡測定是由另一位物理學(xué)家威廉·湯姆森（William Thomson）計(jì)算出來的，而他更為人熟知的稱呼是“開爾文勛爵”。開爾文勛爵用熱力學(xué)定律和地表導(dǎo)熱系數(shù)測定出地球大約有2000萬年的歷史。

從地質(zhì)學(xué)的角度來看，2000萬年并不算很長，然而它的影響卻非常深遠(yuǎn)。假如按照今天火山運(yùn)動(dòng)和地貌侵蝕的速度來算，2000萬年對于地球獨(dú)特地貌景觀的塑造根本不值一提，但達(dá)爾文提出的以自然選擇為基礎(chǔ)的進(jìn)化理論卻成了直接受害者。達(dá)爾文曾說，“威廉·湯姆森先生對地球年齡的測定極度困擾了我”，因?yàn)樗赖厍蛏飶纳弦淮伪邮兰o(jì)結(jié)束后就沒有發(fā)生過太大變化。據(jù)此達(dá)爾文推測，創(chuàng)造所有生物所經(jīng)歷的歲月必定非常悠久，不管是現(xiàn)存的還是已經(jīng)成為化石的，2000萬年對于創(chuàng)造一個(gè)多樣的生物界是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

盧瑟福在發(fā)現(xiàn)放射性元素半衰期現(xiàn)象的幾年后，逐漸發(fā)現(xiàn)開爾文勛爵的說法是錯(cuò)誤的，他曾回憶道：“我走進(jìn)演講大廳，里面非常昏暗，但我還是在觀眾席中發(fā)現(xiàn)了開爾文勛爵，感覺甚是尷尬，特別是在講最后一段關(guān)于地球年齡的部分時(shí)，因?yàn)槲覀兊挠^點(diǎn)是相互沖突的。放射性元素會(huì)發(fā)生衰變并在衰變過程中釋放巨大的能量，這類元素的發(fā)現(xiàn)使得我們對地球年齡的測算更加準(zhǔn)確了。生物在地球上的起源時(shí)間得以大大提前，地理學(xué)家和生物學(xué)家提出的進(jìn)化過程縱使緩慢，也成了可能。”

開爾文勛爵逝世于1907年，次年盧瑟福獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。截至19世紀(jì)30年代，用放射性測量法估算出的地球年齡大約是45億年，于是生物有了足夠的時(shí)間在緩慢的進(jìn)化過程中創(chuàng)造出多樣性和復(fù)雜性，達(dá)爾文的進(jìn)化理論也得以保全。

然而，真的是這樣的嗎？

作為自然界最出色的捕食者之一，游隼（falco peregrinus）是完美生物的代表。它有著極度輕盈的骨骼和健壯的肌肉，也是目前地球上飛行速度最快的動(dòng)物。在旋轉(zhuǎn)俯沖時(shí)，隼的飛翔速度可以超過每小時(shí)200千米。當(dāng)隼俯沖而下用利爪抓住獵物時(shí)，由極高時(shí)速帶來的沖擊力幾乎可以瞬間將獵物置于死地。即使不能，它也可以用銳利的喙折斷獵物的脊柱。

游隼有一雙銳利的眼睛幫助它們迅速捕捉到活動(dòng)的獵物。隼的視力是人眼的5倍，也就是說就算在1.5千米之外，它們也能看清楚一只鴿子。和其他的捕食者一樣，隼有一種所謂的瞬膜結(jié)構(gòu)，又稱“第三眼瞼”。瞬膜有點(diǎn)像擋風(fēng)玻璃，能在高速飛行時(shí)幫助阻擋飛塵并保持眼球濕潤。隼的眼睛還擁有更多的光受體及視桿細(xì)胞，使它能在昏暗的光線下看清事物，甚至看到紫外線。

大自然的創(chuàng)造充滿了神奇之處，但更奇妙的是，每一種不可思議的生物特性都是從一個(gè)極小的分子開始的，在漫長的世紀(jì)進(jìn)化中，經(jīng)過無數(shù)次的演變，最后交由大自然精挑細(xì)選。游隼的喙、爪子和羽毛的主要成分同人類的毛發(fā)和指甲一樣，都是一種叫作角蛋白的蛋白質(zhì)分子。色覺主要依靠視蛋白，而視覺的敏銳性與晶狀體蛋白息息相關(guān)。

大約在5億年前，世界上出現(xiàn)了第一種能夠合成晶狀體蛋白的脊椎動(dòng)物，而視蛋白在7億年前就已經(jīng)出現(xiàn)了。它們出現(xiàn)的時(shí)候，生命已經(jīng)在地球上居住了超過30億年。對于那些復(fù)雜的生物大分子而言，30億年的時(shí)間聽起來就比較符合情理了。每個(gè)視蛋白和晶狀體蛋白都是由20種氨基酸按一定順序結(jié)合形成的多肽鏈，再由一條或一條以上的多肽鏈按照特定規(guī)則結(jié)合形成高分子化合物。如果只有一種氨基酸能夠感知光波或是構(gòu)成透明的晶狀體，那我們要從多少條含有數(shù)百個(gè)氨基酸的多肽鏈中才能篩選出我們需要的那條呢？假設(shè)一條氨基酸鏈上有兩個(gè)氨基酸，那么第一個(gè)氨基酸有20種選擇，第二個(gè)也是，如此一來，總共將會(huì)有202種氨基酸鏈的可能組合。如果一條氨基酸鏈上有三個(gè)氨基酸，那么最終的組合方式將會(huì)是203種可能。以此類推，如果是4個(gè)氨基酸組成的多肽，將會(huì)有16萬種氨基酸的可能排列方式。對于一條含有100個(gè)以上氨基酸的蛋白質(zhì)（晶狀體蛋白或視蛋白的鏈還要更長），可能的多肽鏈將超過10130種。

為了讓你感受一下這個(gè)龐大的數(shù)字，我們來舉一個(gè)例子。宇宙中數(shù)量最多的原子是氫原子，物理學(xué)家估計(jì)氫原子的數(shù)量可達(dá)到1090個(gè)，具體來說就是1后面跟著90個(gè)0。如此一來，蛋白質(zhì)的可能數(shù)量就不僅僅是宇宙級了，而是超宇宙級：遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了宇宙中的氫原子數(shù)目。要從這么多可能的蛋白質(zhì)中找出唯一正確的那條，概率甚至比贏得自宇宙大爆炸以來的每一年的樂透都小。如果億萬種生物從生命出現(xiàn)伊始每分每秒都在尋找那條特定的氨基酸鏈，那么到現(xiàn)在為止也可能只嘗試了10130種蛋白質(zhì)中極小的一部分，甚至都還沒找到視蛋白。

17世紀(jì)的詩人安德魯·馬弗爾（Andrew Marvell）曾嘆息，“只要我們的世界夠大，時(shí)間夠多”，為了避免那“無垠永恒的荒漠”，他無心關(guān)注時(shí)間長河下的自然奧秘，只想和情人享受片刻的歡愉。這里我們對這首詩的關(guān)注點(diǎn)在于悠遠(yuǎn)漫長的時(shí)間。在無盡的時(shí)光中，自然選擇加上生物的變異，遲早會(huì)讓一種叫游隼的生物進(jìn)化出那雙銳利的眼睛。達(dá)爾文進(jìn)化論的主流觀點(diǎn)是，優(yōu)勢性狀賦予生物的優(yōu)勢，無論多么微不足道，都將在生物漫長的繁衍生息中被無限放大，這個(gè)觀點(diǎn)解釋了包括游隼在內(nèi)的所有生物的多樣性。

自然選擇的神奇之處是毋庸置疑的，但它也有自身的局限性。自然選擇能保留由變異產(chǎn)生的新性狀，卻不能創(chuàng)造它們。認(rèn)為變異總是隨機(jī)的觀點(diǎn)，暴露了我們對變異的無知。自然界眾多的生物性狀，如果沒有大自然對于生物進(jìn)化的助益，其中許多近乎完美的結(jié)構(gòu)可能永遠(yuǎn)都不會(huì)出現(xiàn)，而這種助益正是生物進(jìn)化的能力。

過去15年中，在紐約和瑞士蘇黎世大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室里，在一群才華橫溢的科學(xué)家的幫助下，我有幸得以對這些奇妙的自然規(guī)律展開研究。我們使用了在達(dá)爾文和盧瑟福年代無法想象的先進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法和精準(zhǔn)的計(jì)算技術(shù)，希望解釋生命多樣性和進(jìn)化能力的來源。目前的研究數(shù)據(jù)告訴我們，進(jìn)化的奧秘遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止我們的肉眼所見。神秘的自然規(guī)律隱藏在每個(gè)精巧的DNA里，隱藏在每個(gè)獨(dú)一無二而又美麗動(dòng)人的生命體中。

這本書的主題就是對那些自然規(guī)律的探索。