达尔文的笔记本被偷了:它改变了生物学

作者:罗丁豪来源:环球科学发布时间:2020-12-03

剑桥大学图书馆称,记录着达尔文“生命之树”草图的笔记本被盗。这本笔记本标志着演化理论和自然选择论的萌芽。	

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左:《物种起源》封面。右:1854年前后的达尔文。图片均在公共领域内。

1837年7月,在乘坐小猎犬号(The Beagle)完成环球航行后,查尔斯·达尔文(Charles Darwin)在自己的笔记本上写下了“I think”二词,并在下面附上了一张草图。

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达尔文在1837年7月画下的“生命之树”草图。来源:剑桥大学图书馆

在1859年出版的著作《物种起源》(On the Origin of Species)中,达尔文将其称为“生命之树”(Tree of Life):从一个共同祖先开始,不同物种如同树的枝叶一般发散,物种利用演化学的原则,适应各自的环境。这张草图不仅展现了他雄厚的阅历和惊人的洞见,也对之后将近200年的生物学、医药学,甚至人工智能研究产生了不可度量的影响。

2001年冬天,在对达尔文笔记本的状况进行了拍摄取样后,其中两本(包含画有“生命之树”的一本)居然不见了踪影。在短暂的搜索过后,图书管理员只好在无奈之下,将这两本价值上百万英镑的笔记本标记为“失踪书物”。开始的几年,管理员们都默认笔记本只是在拍摄后放错了地方。但二十年来的各项搜寻行动(包括今年史上最大的搜寻行动)都搜寻未果,图书馆只好在11月24日公布了搜寻结论:达尔文的两本笔记本丢了,而且很可能是被偷了。

就在161年前的11月24日,《物种起源》由约翰·默里出版社(John Murray)出版。虽然书中的许多概念已在两个世纪的“演化”中更新换代,但在那个DNA和基因概念尚未诞生的时代,达尔文的洞见真正让生物学焕发出了新的生机。

不是"蜕变",而是演化

1809年2月12日,达尔文出生的时候,“演化”(evolution)还不叫“演化”。达尔文的爷爷伊拉斯谟·达尔文(Erasmus Darwin)在《动物法则》(Zoonomia)中将物种以代为单位,在外表和行为上逐渐变化的过程称为“蜕变”(transmutation);在1809年的《动物哲学》(Philosophie Zoologique)一书中,让-巴蒂斯特·拉马克(Jean-Baptiste Lamarck)也提出了相似的观点。伊拉斯谟和拉马克对物种“蜕变”的想法虽然与查尔斯·达尔文后来提出的自然选择(natural selection)有相异之处,但无疑在小达尔文对物种的思考中,种下了一颗将要迅速萌芽的种子。

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左:《动物法则》封面。右:约瑟夫·赖特为伊拉斯谟·达尔文画的肖像画。图片均在公共领域内

根据伊拉斯谟和拉马克的“蜕变”说,所有物种都从同一祖先中变化而来。在《动物法则》中,伊拉斯谟写道:

"(是否有可能,)所有的恒温动物都从一个生命中诞生,这个生命的活性(animality)由[上帝]赋予⋯⋯"

伊拉斯谟认为,每个动物都有朝着不同方向“蜕变”的潜力,这种潜力由各动物的意志、感觉等因素决定。拉马克则在《动物哲学》中进一步提出,物种的“蜕变”遵循“用进废退”和“性状遗传”两大规律。根据这种说法,如果一个孩子的父母都是举重选手,那这个孩子就应该有比同辈更强劲的臂部肌肉。

小达尔文在这种思想的熏陶中长大,进入了剑桥大学基督学院(Christ’s College)攻读学士学位。在同样就读剑桥大学的堂兄威廉·达尔文·福克斯(William D. Fox)的引导下,小达尔文爱上了收集昆虫和翻阅标本。在对昆虫学的狂热研习中,小达尔文对各种不同的动物产生了浓厚的兴趣,并决定出海,乘上帆船环游世界,收集标本并记录数据。就这样,达尔文在1831年底踏上了小猎犬号,跟随船长罗伯特·菲茨罗伊(Robert FitzRoy)探索不同大陆的海岸。在出海第一周的日记里,达尔文写道:

"刚开始,(晕船)就将我置于极度痛苦之中,这种痛苦不是人能忍受的。只有平躺才能让我好受一点⋯⋯"

1835年,在时好时坏的晕船中,达尔文抵达南美西岸的加拉帕戈斯群岛(Galápagos Islands)。正是这个群岛,让达尔文画下了举世闻名的“生命之树”。

"生命之树"

达尔文在加拉帕戈斯群岛上发现了许多长相各异的鸟类。这些鸟在身材和色彩,甚至喙长上,都有巨大差异。有趣的是,不同喙的形状和长度,仿佛是根据岛屿分布的:在一个岛上,或许主要居住着喙又长又弯的鸟,而另一个岛上的鸟则大多数有又短又直的喙。

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达尔文在加拉帕戈斯哥拉帕戈斯群岛上发现的四种雀,不同岛上发现的雀具有明显不同的喙长和喙形。图片在公共领域内。

作为一名昆虫学家,达尔文深知自己需要鸟类学家的帮助来解读这些差异——在发现这些差异的时候,他甚至都不知道这些是什么鸟。于是,带着从各个岛上搜集的鸟类样本,达尔文在1836年返回英格兰。在伦敦,著名的鸟学家约翰·古尔德(John Gould)对这些样本进行了分类,并得出结论:加拉帕戈斯群岛上的鸟是雀(finch),而且达尔文观察到的并不只是“差异”,而是13个不同的物种。

得益于达尔文对雀样本搜集地点的详细记录和古尔德的分析,“生命之树”的雏形在达尔文的思想中逐渐成型。1837年,达尔文在笔记中写下了文章开头展示的那一页。在“生命之树”的草图右边,达尔文写道:“当初的一代(动物)一定变成了当今很多不同的(动物)。”

8年后,在《小猎狗号游记》(The Voyage of the Beagle)中,达尔文写道:“我们可以合理推断⋯⋯起初(上帝)指定了一个物种,并将其向着不同的方向改造。”

在又历经了14年的思索和修改后,达尔文在1859年出版的《物种起源》中,写下了他对“生命之树”概念成熟的看法。他说:“我们常常以大树的形式来展现同种类(class)的相似生物。我认为这个比喻与现实相差无几。”

《物种起源》中的唯一一张插图,是一棵跨越了14代的“生命之树”:

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《物种起源》中的唯一一张插图——“生命之树”。图片在公共领域内。

而在2016年发表于《自然》子刊上的一项宏基因组学(metagenome)研究中,科学家仍在以相似的方式,为我们呈现现代生物学的“生命之树”:

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2016年《自然》子刊论文中的“生命之树”;人类属于右下角的后鞭毛生物(Opisthokonta)演化支。来源:Hug et al., Nat. Microbiol.

万物皆在演化,"何等壮丽恢弘"

达尔文于1882年逝世。他的“生命之树”,连同他的自然选择说和演化理论,都预设了一种“遗传因子”的存在,能将每一代生物的性状以可遗传的方式传递给后代。当时已经诞生的孟德尔学说恰好提供了这一“遗传因子”的证据:格雷格尔·孟德尔(Gregor Mendel)发现,豌豆的不同性状必然通过某种能遗传的物质向后代传播,从而形成后代豌豆的不同性状。可惜的是,因为各种原因,孟德尔学说在提出之时并未受到学界的广泛关注。

由于缺少这样关键的因素,达尔文的“生命之树”并未在学者间生根发芽,19世纪末和20世纪初也被称为“达尔文主义的式微”(Eclipse of Darwinism)。然而在此期间,演化理论的替代品井喷,竟在无意之中促进了演化理论的成长;当人们再次发现孟德尔的遗传学说时,生物学家罗纳德·费希尔(Ronald Fisher)等人推动演化理论和其替代品一同“演化”成了现代综合理论(Modern Synthesis),以一个完整的体系呈现了地球上亿万物种的演化历程和机制。

不断的更新和修正揭示,达尔文对“生命之树”的原本理解虽然在大体上准确,但也存在一些重要问题。例如,正如达尔文自己在《物种起源》中所承认,物种的定义十分复杂;现代生物学清晰表明,物种之间的界限比想象中模糊,“生命之树”中那样清楚的分界,可能并不存在。此外,微生物学也揭示了个体细菌之间直接交换基因的行为,这意味着所谓的“遗传因子”有时并不需要由“遗传”传播——“生命之树”更像是一张“生命之网”(Web of Life)。

即便如此,达尔文在1837年画下的那一张草图,仍毋庸置疑地奠基了现代生物学。萌芽于当初一张草图的演化学,已在将近两个世纪的时间里渗入现代科学的各个角落。从描述人类社会的“文化演化”(Cultural Evolution)理论,到人工智能中的演化算法(Evolutionary Algorithm)和深度学习(Deep Learning),都可溯源至“生命之树”这一简单的想法。

万物都在演化,并在演化中适应各自的环境和任务,正如《物种起源》结尾一句所说:

"无数最美丽与最奇异的类型,即是从如此简单的开端演化而来、并依然在演化之中;生命如是之观,何等壮丽恢弘!"

(苗德岁译本)

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《物种起源》的末尾句。有趣的是,虽然《物种起源》中多次提到上帝(如图中下划线处),史学家大多认为这只是达尔文为了避免教会迫害,做出的无奈之举。据赫胥黎等人称,达尔文在私下是一个明显的无神论者。

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