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一路向上

2021-03-25 19:08阅读:

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——以景观思维模型解决难题
文/姚斌
最早读到安德烈亚斯·瓦格纳的书是《适者降临》。在那一本书中,瓦格纳围绕“自然如何创新”的主题展开。最近,湛庐文化又出版了他的一本《如何解决复杂问题》。在这本新书中,瓦格纳运用生物进化的三大力量(自然选择、遗传漂变和基因重组)指引我们寻找解决复杂问题的最佳路径。我认为,这本书是《适者降临》的延续,它以景观为隐喻,解释了创新的机制。
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生命需要解决各式各样的问题,但每个问题都有多个解决方案。有的方案实在差劲,有的方案凑合能用,少数方案相当不错,但只有极少数方案可以称得上出色。瓦格纳将所有方案组合起来,想象成一个“山地景观”,这就意味着,大多数方案只能对应低矮的山麓,只有极少数出色的方案处于群山之巅。这种思维模型来自“适合度景观”,最早由遗传学家休厄尔·赖特提出。
20世纪30年代,赖特在美国农业部进行育种试验,旨在培养出优质的牛、羊和猪。通过实验,他发现了一些普遍而又怪异的现象:在育种过程中,即使每次都按照自然选择方式,以最优的标准进行选种,却始终得不到良种。最后,赖特终于弄清了背后的原因,并且创造出“适合度景观”这个概念来解释这些现象。
在生物进化过程中,每一个物种都在寻找它们面临问题的解决方法,比如,鲨鱼探索的是如何在狩猎时节省体力,细菌追求的是如何摆脱抗生素的追杀,而食草动物寻找的则是怎样靠采集营养并不丰富的叶子活下去。但是,这种探索或多或少都带有盲目的性质。赖特将这些解决问题的过程比作在适合度景观中爬山。
在达尔文的生物进化中,登顶的过程一般是这样的:从任意一个方案开始,不管它是多么不堪一用,都在这个方案的基础上修修补补,每前进一步都只把那些有利于生存的变异保留下来,而将不利的变异淘汰出局,其本质是优胜劣汰。如果适合度景观中只存在一个顶峰,自然选择必然能大行其道,只要一直保持上坡的状态,一定不会错过最高点。但是,如果适合度景观中存在两座、十几座、数百座,甚至是数不清的山峰,那么自然选择就不是那么简单了,其后果往往是致命的。
在进化过程中,从一个顶峰到达下一个顶峰,也就是从一个方案过渡到另一个更好的方案,生物种群必须先跨越两座山峰之间的山谷,而自然选择是禁止跨越这个过程的。自然选择不懂得以退为进的道理,只会低首向前,断无下破之举,因此很容易将自己卡在
远离最高峰的地方。所有进化的创造性产物——数不清的物种,都只是上述过程的终点而已。为了征服连绵起伏的景观,自然选择必不可少,但还远远不够,不足以推动进化的进程。这就是赖特的伟大发现。
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适合度景观,即适应性景观,是一种可以用来描绘进化历程的可视化方法。它看起来就像一张山脉地形图,坐标轴对应地图东西南北4个纬度,只不过实际表达的是一个生物体连续变化的若干特征。这些特征包括长颈鹿的身高、玫瑰花瓣的颜色或桦尺蛾翅膀的颜色。景观中的每一个位置都代表着生物个体的特定性状的值,如灰色的翅膀。如果某个DNA突变导致翅膀的灰色发生变化,在景观中,这就意味着相应的位置会沿着坐标轴移动。在此,垂直坐标轴与地理高度无关,而是代表了与性状相关的适合度。位置越高,就越靠近景观中的顶峰。
以桦尺蛾为例。在各种动力的驱动下,一代又一代桦尺蛾群体在景观内持续进化与迁移。驱动桦尺蛾进化的首要力量是产生新的等位基因的DNA突变。突变本身是盲目的,桦尺蛾的翅膀颜色也许会变浅,也许会变深,而且朝哪个方向变化与变化是否有利无关。驱动桦尺蛾进化的次要力量是自然选择,那些位于斜坡下方、离顶峰最远的桦尺蛾最容易被鸟吃掉。基因突变与自然选择的共同作用,会使一个群体的大多数个体都能很好地适应,并呈现趋同的特点,这样,整个群体就会被推上进化的顶峰。而那些突变的异种,也就是永远趴在坡下的个体,则会被剔除掉。自然选择会使整个群体都待在山峰附近。随着环境的变化,山峰在景观中的位置也会发生改变。例如气候可能朝着对桦尺蛾不利的方向变化,有时还会出现新的捕食者,又或者污染使青苔覆盖下的树皮蒙上了烟尘。在最后一种情况下,山峰的位置会发生位移,此时深色桦尺蛾就会变得比浅色桦尺蛾更受大自然的青睐。突变和选择仍在发挥作用,但现在它们将整个族群推向了相反的方向,朝着一个新的山峰进发。
适合度景观以一种简单的方式呈现了自然选择的作用:将一个群体推向顶峰。并不是所有适合度景观都是单峰的。基因之间复杂的相互作用意味着景观中可能拥有两座或更多座的山峰。说明生物体征服双峰景观的最佳例子是一种古老的生物:菊石。在所有可能的菊石外壳中,进化最为青睐的还是游泳效率最高的那两种。用赖特的遗传学语言来说,这两种山峰对应的两种不同的基因组合,它们分别创造了形态各异但同样适合游泳的菊石个体。
赖特的数学计算表明,多基因的交互作用可能会导致景观中出现十几座高峰。如此,整个景观地形可能会非常复杂,以至于我们根本无法想象。人们已经通过果蝇实验识别出在400种不同的基因产生的突变,就算这400种基因每种都只有两个等位基因,基因最终也会产生10¹²º种基因型,每一种基因型的适合度都可能与众不同。基因型的种类之多,就算宇宙中氢原子的总量(10º)与其相比也相形见绌。赖特阐述的这种抽象景观概念与我们的日常体验相去甚远,但他只能以人们熟悉的各种各样的山峰和山谷来类比。以此类比,仿佛所有的景观都是三维的,而实际上很多景观却是更高维度的。这样的隐喻虽然说不通,但依然能够提供重要的经验和教训。
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自然选择总是驱动生物群体朝着适合度景观中高高低低的顶峰进军。但是,分子生物学的革命让我们认识到实际的景观复杂度说明仅有自然选择是不够的。因为自然选择具有盲目性,高低错落的景观特征会限制自然选择的威力。当自然选择作用于山上的某一生物种群的时候,它会消灭那些下坡的突变,而只保留那些上坡的突变。这样一来,自然选择只会执着地驱动生物群体找到距离最近的山峰前进。如果从一座小山的山脚出发,生物种群的确可以在自然选择的帮助下爬上最近的山上,到达“局部峰值”,但它们也可能就此困在那里。
在无休无止的上坡运动中,自然选择不会允许生物群体跨过山谷,攀爬到旁边的那座更高的山头上去。同时,自然选择会无情地剔除那些劣等变种,比如,那些在身体上的警戒色过于罕见、不随大流的蝴蝶会被天敌吃掉。就算一个生物群体正在攀爬的山峰正好是景观里最高的(或称全局峰值),它们也有可能碰到凹凸不平的路面。如果想爬上最高峰,它们很可能不得不先向下走几步,然后再重新开始爬,但这就违背了自然选择的原则。景观本身是粗糙的,对生物体来说,景观之间也许近在咫尺,但永远无法抵达。自然选择固然威力巨大,却有一个不容忽视的弊端:它只能执着地一路向上,无法回头。
在所有这些山峰中,只有一座是一览众山小的珠穆朗玛峰。想要登上它,生物种群只能一路向上。也只有在这种情况下,自然选择才能找到最适应的生物体,这时候,生物体在路上已经爬了成千上万步,而大多数种群最终只会聚集在最近的某个小山头上。要想了解一座山峰的崎岖程度,可以采用下面这种方法:多次爬同一座山,每一次在选择下一步时,都选择不同的向上方向,最后来计算一下陷入困境的次数。如果所有的尝试都成功了,那么这座山峰就是完美平滑的;而如果每一次都陷入绝境,那么这座山峰就是极端崎岖的。
事实证明,大多数路径都走向死胡同。超过90%的路径一开始都是向上的,但很快就会遇到无法进一步改善的状况。由于自然选择“禁止向下”的特性,进化到了一定的台阶就戛然而止了。实际上,只有极少数的生物体才能登顶,剩下的都是死胡同。有时候离山顶还很远,就已经是穷途末路了。在进化的景观里,现实很骨感:登山者刚走出大本营没多久就陷入困境。自然选择无法发挥应有的作用。双峰越多,问题越复杂。解决最复杂的问题往往需要最具创造力的解决方案,而要想找到答案,一个重要的工作就是摆脱死角,找出更高的山峰。
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近亲繁殖会引发许多问题,图坦卡蒙国王的畸形足、欧洲皇室的血友病都是典型的案例。这说明自然选择不是万能的,在大自然的适合度景观里,自然选择一路向上的牵引力虽然无休无止,但也时时受到掣肘。
于是,生物学家发现了“遗传漂变”。遗传漂变是小的群体中,由于不同基因型个体生育的子代个体数有所变动而导致基因频率的随机波动。比如,在一个种群中,某种基因的频率为1%,如果这个种群有100万个个体,含这种基因的个体就有成千上万个。如果这个种群只有50个个体,那么就只有1个个体具有这种基因。在这种情况下,可能会由于这个个体的偶然死亡或没有交配,而使这种基因在种群中消失。这就是遗传漂变。
遗传漂变具有两面性,使强者恒强,使弱者愈弱。由于遗传漂变会导致一个种群的基因库发生随机的、没有特定方向的变化,你可以将它看作一种持续不断的震动。震动发生时,任何向上攀爬的进程都会被延缓。若震动不强,其产生的影响也相应较小。若震动越强,种群受到的拉扯作用就会越大,爬坡的速度就会越慢。最严重的后果就是突然发生向下拉扯的震动,将一个种群拽到山谷里。那些近亲繁殖的皇室成员,经历的就是这种震动。
数学分析的结果表明,种群规模在100以下就足以压制自然选择所带来的促使种群上升的趋势。而如果一个种群的个体在适合度上只有1%的差异,即使是在更大规模的种群中,遗传漂变也可能会压倒自然选择。正因为适合度差异的存在,自然选择才有了用武之地。在进化过程中,再小的适合度差异都十分重要。事实上,大多数突变对适合度的影响都很小,然而就是这么一点点影响,就可以在数百代或数百万年的进化中逐渐积累下来。从长远上,即使突变只导致了一亿分之一的适合度差异,也可能意味着天壤之别。而在更小的种群中,面对遗传漂变,自然选择只能举手投降。仅在夏威夷岛上,外来的开花植物物种中就有超过30%没有活下来。昆虫更糟,缺乏适应性基因加上充满敌意的环境,导致超过150个物种走向了灭绝,约占外来物种总数的80%。
岛屿向我们呈现了一番创新大爆发的情景:当竞争不是很激烈时,大自然的创造力就会开花结果。然而,这种情景只在遗传漂变遇上像岛屿一样新鲜、空旷的环境时才可能发生,而且只会发生在进化史上的某一瞬间。但是,生命出现至今已经40亿年了,其间发生的事情肯定要比岛屿上进化出来的与众不同的物种深刻得多。随着进化创造出越来越复杂、越来越大型的生物体,遗传漂变的力量也在缓慢而稳定地增强着。日积月累,遗传漂变就会逐渐改变生物体的遗传机制,进而激活大自然的创造力:基因组的结构天生就是为创新准备的,而遗传漂变所塑造的恰恰就是基因组。
遗传漂变短期内有助于进化,在遗传学景观中登上新的山头,同时加速具有独特性的新物种的诞生。从长期来看,遗传漂变则改变了基因组的结构,提升了它们未来创新的潜力。基因漂变的表现形式各不相同,但它们都遵循一个共同的原则:只有当进化可以暂时从自然选择的短视中解放出来,不再一味地埋头上坡时,只有当进化可以自由探索大自然的创造性景观时,生命才可能会突破限制,创造力才能大放异彩。
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生物进化需要在自然选择和遗传漂变之间做出平衡,自然选择要推着生物往坡上走,遗传漂变则要反其道而行之。创造力也一样要平衡两个方面,一方面要选择有用的想法——专注;另一方面要搁置选择——去游戏,去做梦,去神游。因此,那些重视创意的公司往往会创建一个有趣的环境,提供各种古怪的工作空间,里面有滑梯、消防杆、吊床、桌式足球。创建过程很大程度上是在一个抽象、高维的空间里所进行的摸索,而创造性的作品其实也可以从更熟悉的环境开始构建。
伊利亚·普里戈金在1977年获得了诺贝尔化学奖,但在此之前,他并没有什么自然科学上的抱负。相反,他最早钟情的是人文学科,尤其是哲学。普里戈金的父母并不希望他们的儿子成为哲学家,因此要求普里戈金学习法律。然而,普里戈金对法律并不感兴趣,倒是对犯罪心理学乐在其中。于是,普里戈金决定了解犯罪行为背后的大脑化学机制。在研究这个过程中,普里戈金发现了能够呈现出自组织性质的化学系统,创立了耗散结构理论。所谓自组织,就是像旋风到病毒这样的事物,能够自发地进行自我组装的过程。直到这时,普里戈金才开始在自然科学史上留下印记。他发现了自组织系统的自然规律。最终,自然科学又把他拉回到了哲学领域,他开始探索世界是否具有确定性,选择、责任和自由等是否是虚幻的概念。他公开反对决定论,所采用的论据来自他在化学上的研究成果,因为他已经证实了某些化学系统的发展方向是无法预测的。普里戈金一生的成果都来自人文学科和科学的交叉点,堪称创造力的典范,而这样的成果只有像他这样左冲右突、在不同的知识领域里迂回前行的人才有可能实现。
瓦格纳现在是圣塔菲研究所外聘教授,苏黎世大学进化生物学及环境研究专业的教授。瓦格纳自叙,近20年来他一直定期访问圣塔菲研究所,每次到圣塔菲的时候,他永远预料不到会碰上谁,作家、物理学家、教育家或生物学家,什么样的人都有。瓦格纳切实地感受到,在他们当中游来荡去,从不同的角度思考问题,对他非常有启发,那种感觉就像儿童在玩乐高积木。他们的很多观点会在他的脑海里萦绕数周,最终发展成新的研究项目,或激发他去写一本跨学科的书。
敏感的触角,叠合空间思考,远距离联想,这些都是同一种才能的不同特征,而这种才能可以让思维走得更快、更远,是创造性思维在心理学测试那几分钟或几小时所展现出来的能力。这些测试中闪现出来的才华,不过是人类创造力的一个缩影。当人生旅途中积累的知识被重新组合起来,人类的创造力才能迸射出璀璨的光芒,重大的发现也才会接踵而至。思维重组对人类创造性的创造力的重要性,就如同DNA重组在生物探索适合度景观时起到的作用一样。游戏、做梦和思想孵化可以帮助意识进入一种能够在思维景观内飞跃和漂移的状态。景观是所有创造性活动的核心,从景观的视角来看待人类的创造力,可以帮助我们解决难题。

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