第八章 突变方程和自然选择方程
定性和定量始终是科学研究的两个基本方法。从定性到定量意味着将思辨性的东西精确化，从模糊美变成精致美，从百尺竿头到更进一步。本章我们将再次运用这种方法对原有的两个概念进行重新发现。
“创造力最重要的不是发现前人所未见的，而是在人人所见到的现象中想到前人所未想到的。”
——薛定谔
8.1 突变方程
突变方程的想法来源于薛定谔于1944年写的《生命是什么》这本小册子，我在阅读这本书的时候想到了将突变方程化的问题。
在这本书当中，薛定谔写到“从一个相对稳定的分子模型变到另一个构型，就是我们所说的‘量子跃进’。”“量子跃迁是指由一种稳定的模型变化为另一种模型。如果后一模型处于较高的能级、具有更为强大的能量，那么要想使得这种转化成为可能，就必须向外界借助相当于两个能级间的能量差额的能量作为动力。”[ 吉喆译。哈尔滨出版社。]并且他还举了如下图8.1所示的丙醇的两个同分异构体的例子来说明这一点。
图中C表示碳原子，O表述氧原子，H表示氢原子；左图表示正丙醇，右图表示异丙醇，两者的碳、氢、氧原子的种类和数目都相同，只有这些原子的排列结构不同。
我就是从这些论述当中得到了启发。我们现在回顾这些论述，会发现薛定谔其实只是讲到了突变当中的一种，即点突变中的一种碱基被另一种碱基所替换，当然，这种替换并非两个同分异构体之间的替换，但本质与薛定谔表达的意思是一样的，即在基因上的同一个位置将一个分子替换成另一个分子。
突变除了以上的单个碱基的变化所引起的点突变外，还包括多个碱基的变化所引起的插入、缺失和重复，甚至还有罕见的一个基因或多个基因的改变所引起的大突变。
但无论是怎样的情形，所有的突变本质上都是遗传物质的变化，即遗传物质的增加或减少，而所有物质都对应着一定的（静）质量，即引起了质量的增加或减少，即m1+Δm=m2。这即是说，如果有一个或多个碱基、一个或多个基因那么多的物质在增加那么Δm就是正的，反之则是负的；如果是一个碱基被置换成另一个不同的碱基，那么这也涉及到质量的增减。碱基一共只有五种，分别是腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶和尿嘧啶，这五种碱基的分子量（可唯一地对应着质量）分别是233.12、151.13、126.11、111.10和112.09，由此可见它们的质量各不相同，所以相互之间的替换必然涉及到质量的增减。而质量总是对应着能量。所以，所有的突变都可以用以下这个方程来描述：
这就是突变方程。
式中，E1表示突变前的分子、碱基或基因的能量，ΔE表示突变前后的能量差额，包括分子、碱基或基因的质量变化所对应的能量变化以及作为突变动力的那部分能量，后者包括外界辐射能量，病毒作用遗传物质的能量和化学物质的能量等。需要注意的是ΔE可正可负，大小不限，也就是说在纯粹的数学上来讲它可以趋近于零，当然，在实际上趋近于零的能量扰动不可能引起突变。E2表示突变后的分子、碱基和基因的能量。
方程含义：具有一定能量的分子、碱基或基因在特定能量（或和物质一起）作用下突变成了具有另一能量的分子、碱基或基因。
特别地，当ΔE等于零的时候，也就是说没有发生突变，也就是纯粹的遗传。
突变方程是一个比较简单的方程，但此方程的出现显示了理论进化论一贯的思路，即沿着能量这一概念来思考生命。读者也许还记得我在前面讲过的命题一：一切生命都是能量体。在这里，又再一次地显示了能量的重要性和关键地位：用能量来描述和刻画生命。
有一副对联道得好，正是：
才于平原驱虎豹，
又来深涧斗蛟龙！
接下来就让我们乘胜追击、一鼓作气，向着自然选择大无畏地进发吧！
8.2 自然选择方程
自然选择是达尔文的进化论和进化生物学的核心概念，也是导致生物进化的关键因素。
现在，我们要向这一核心概念进发了。
雄赳赳、气昂昂地进发！
这样一场进发就好比是攀登珠穆朗玛峰，达尔文率先开创了从东南面爬上峰顶的路线，经过一百五十多年的时间其众多的后来者早已经迅速跟进和进驻，现在那条路线早已是人山人海、人千人万、人烟稠密、人多势众、人丁兴旺、人才辈出、人才济济、人头攒动、人来人往、人流如织、人声鼎沸、人满为患、人多口杂、人强马壮、人欢马叫、人嬉马笑、人堆马叠、人喊马嘶、人慌马乱、人饥马饿、人困马乏、人歪马倾、人晕马倒、人仰马翻，真是好多人、太多人、数不清的人、密密麻麻的人，遍布世界各地亚非拉美外太空在研究着进化论啊！各式各样的专家教授讲师学者研究人员和学生早已在那条路线上安营扎寨，圈定地盘，谋份职业，出书讲座，真可谓人气兴旺、门庭若市；虽然也有一些人发出不同的意见和异议，但总体上都是一派祥和；而我现在要做的就是从另一条路径另一个坡爬上去。
有一副对联道出了反差，正是：
熙熙攘攘嘈嘈杂杂密密麻麻大搞人海战术，
安安静静工工整整利利索索主张单兵突围。
横批：另辟蹊径
天山剑客，再次出征！
锐意进取，突破气场！
斗志，已经燃烧到了云端！
要去发现一条新的通往山顶的路径也许会遇到各种各样的危险，雪崩、滑坡、浓雾、大风、缺氧、体力不支、辨不清方向、时间掌握不好等等，但也有可能获得成功从而领略到前人未曾领略过的风景，发现前人未曾发现过的宝藏，这就是冒险之旅的价值。
本书就是一场思想的冒险之旅。
迄今为止已经有很多人爬上了珠穆朗玛峰，受此鼓舞，天山剑客手持利剑整装待发也尝试来爬上这进化论的珠穆朗玛峰。
“用自己的眼睛去发现属于自己的真相，用自己的心灵去感悟属于自己的真知。”
——天山剑客
“分析显而易见的事物需要非同寻常的头脑。”
——怀特海
我们先来回顾一下，传统进化理论中自然选择的概念。
首先要明确，在达尔文的思想中，自然选择是一个长期的、延续的、缓慢的过程，它包含几个环节：过度繁殖、生存斗争、遗传和变异、适者生存。
首先是过度繁殖。达尔文认为任何生物都有过度繁殖的倾向，并且生物的数量会按照几何级数增加。他以自然界中繁殖最慢的大象为例予以说明。“最保守地说，假定大象的寿命为100岁，自30岁起开始生育直到90岁，这期间共产6胎，那么，在740—750年之后就会繁衍出1900万头后代来，全部都是第一对大象传下来的。”[ 《物种起源》第80页，舒德干等译，陕西人民出版社。]其它生物的繁殖能力比大象强，所能够生育的后代自然更是远远多于大象的后代。比如海洋中的翻车鱼，这种鱼可一次产下约3000万颗卵，体内可携带约3亿颗卵，这是何等的众多，简直就是天文数字，简直就像是海洋中的一架活生生的“播种机”！所以翻车鱼荣登海洋鱼类的产卵冠军宝座，让其它鱼类都望洋兴叹望尘莫及汗颜不止甘拜下风俯首称臣！
然后是生存斗争。
一方面任何生物都有过度繁殖的倾向，但另一方面我们都可以见到自然界中的生物的后代并没有全部都存活下来而充斥着整个世界，比如上面的翻车鱼产了那么多的卵但海洋并没有被翻车鱼占满。种群中个体的数量总是大致保持稳定，所以可见有许多的生物的后代死亡了，这就是生存斗争。
达尔文的思想中，生存斗争包含四点。第一，生物与自然条件之间的斗争[ 地球历史上的大灭绝表明，物质环境的剧烈变化可以使大量的生物灭绝，甚至会中断生命的演化进程。]。第二，异种个体间的斗争。第三，异种个体间的竞争。第四，同种个体间的竞争。并且达尔文认为这最后一点是最重要的和最激烈的。正是由于生存斗争才使得许多的生物在激烈的竞争中死亡了，而另一方面，正是由于生物的后代的死亡率较高所以才需要较高的繁殖率，即过度繁殖。
再然后是遗传和变异。
生物繁殖出的后代总是会像它的亲代但又并不总是完全相同。老鼠生的是老鼠，老鼠天生就会打地洞，这就是遗传的力量。许多生物的本能都靠遗传传给下一代。但遗传物质的复制又不是完全精确无误的，它也会出一些差错。比如绵羊中突变产生了短腿的安康羊，这就是一种罕见的变异。
最后是适者生存。
回顾上面的两点，一方面是生物在生存斗争中有大量的个体必定会死亡，另一方面不同的个体既遗传了亲代的特点又可以携带一些微小的变异，那么在这样一场生存斗争中哪些生命个体会遭受失败呢？哪些又会获胜而繁殖后代呢？可以想象，是那些携带了有利变异的个体会存活下来，那些携带了有害变异的个体应当会被淘汰。比如，在英国的工业革命前，烟尘和污染少，桦尺蛾主要都是浅灰色的；在工业革命后，大量的煤烟附着在树干上，使得原来的浅色蛾就比较容易被天敌发现，而黑化了的蛾则更易躲过天敌的搜寻。这说明拥有更多黑化变异的蛾更能在与异种的生存斗争中存活下来。
从以上的回顾可以看出，对于自然选择这样一个复杂的过程，我仅仅只是将突变方程化了，其它几个概念都没有方程化，那怎么才能将整个的自然选择方程化呢？
这是一个相当跳跃化的思维！
这个思维究竟是怎样的呢？
且听我娓娓道来。
首先，我们先回顾一下命题一：一切生命都是能量体。很显然，任何生命作为一个能量体，它的总能量必定是有限的，理由很简单，因为生命的总（静止）质量有限所以对应的总能量也必然有限，没有哪一个生命拥有无限的质量和能量。
其次，之前我已经讲过了，一切事物都是系统的，生命也是系统的。例如人体就是由头、颈、躯干、四肢等部分构成，即使是最简单的生物噬菌体也是由核酸和包裹在外的蛋白质外壳组成，可见生命这样一种整体都是由一些要素或者说部分组成的系统。
然后，一方面生命这样一个整体是一个总能量有限的能量体，而另一方面，生命体内各个部分，包括它的细胞、组织、器官、系统等，也都是一些更小的能量体。由于所有的生命都是能量体并且只有有限的能量，而体内的任何部分都是一种能量结构并且还要消耗能量（去生成它），所以任何生命都面临着一个根本的问题，这就是能量分配的问题。
当一个生命体还在母亲的胎中时，这种分配能量的问题就开始了。一个胎儿通过胎盘和脐带从母体中吸收营养物质并得到能量来供给自身的一切生命活动，所以这个胎儿就要分配它的能量在各个不同部位、部分、途径和方式上的运用以及用什么样的方式运用能量、什么时候开始、什么时候结束、以多快的速度等等。当然，这个能量分配的过程并不是讲胎儿或任何其它的生命就必须具有一个能思考、能计算、能分配的大脑，这种分配从根本上讲是由基因和遗传物质所决定的，当然，对于一些出生后有足够的大脑进行有效的活动的动物而言它们也可以使用大脑来决定和分配自身能量的运用。在母体中，基因和遗传物质将决定胎儿的自身的有限的能量先生长哪些细胞、再生长哪些细胞以及以怎样的方式生长、生长的进度和快慢，生长至什么时候就立即停止，在整个过程中需要复制哪些DNA、RNA，需要合成哪些氨基酸、蛋白质、脂肪和糖原等等，整个过程需要供给哪些对象（受体）多少能量、通过什么途径去供给、能量供给的速度怎样等，需要哪些腺体分泌哪些激素作用于哪些受体，在此过程中基因要打开哪些开关、复制哪些DNA和RNA、合成哪些蛋白质和酶等等，这些全部都是一个能量分配的过程。像其它的生命活动，例如细胞的分化、组织的生长和形成、器官的长成乃至整个胎儿的全部发育都是这样一个能量分配的过程。
不仅仅生命在母体内或在卵中涉及到能量的分配，即使生命出生后来到这个物质的世界中也是时时、处处、事事涉及到能量的分配。比如非洲大草原上的一只角马，它自身身体中的能量是有限的，所以它将做出一系列的选择——包括基因控制的选择和它的大脑控制的选择——是选择休息还是选择低头吃草、到哪里去吃草、是吃新鲜的草还是啃老的草、吃草吃多久就要抬头看一下是否有狮子和鬣狗过来了、当其它角马逃跑时它自己是否也要选择跟随而逃跑、是否要随角马大部队迁徙过河、过河时是第一个冲过去还是选择躲在中间或最后才过河、交配季节是与其它雄性战斗到底还是打不赢就认输等等等等，这所有的过程都涉及到能量的分配。其它的生命也都是如此，比如雌鸟决定与哪只雄鸟交配、产多少蛋，河狸决定到多远的地方去啃倒树木、取多大的树枝回来建造大坝等等都是如此。即算是最简单的噬菌体，当它侵入到一个细菌体内时它也要决定复制多少的核酸和蛋白质外壳，是否按1比1的比例复制，复制到什么时机和程度就从细菌中释放出来等等，这些都是能量分配的问题。
简而言之，一切生命的一切新陈代谢以及一切行为（基因控制的和神经控制的）都是一种能量分配的过程。
由于所有的生命都涉及到能量分配这一根本性的问题，那么能量分配究竟意味着什么呢？
显然，分配是一个动词，对应的是一种运动，是一种过程。因为能量不可能在某一瞬间、某一刹那、某个静止的时刻就分配完毕了。所以分配这一运动和过程还涉及到的一个背景概念就是时间，即分配涉及能量和时间。
由于所有生命的所有运动都涉及到能量的分配，能量的分配就涉及到能量和时间两个量，所以各个不同的生命之间比较或较量的究竟是什么呢？
答案就是效率，准确地讲就是生命对自身能量利用的效率。
所有的生命都在各种不同的表象之下竞争着一个根本、深刻和统一的东西，这就是效率。
一切生命运动之争都是效率之争。
像企鹅等鸟类一次只能孵化一只卵，而母鸡则能一次最多孵化30只卵，这就是显而易见的效率上的差别。显然，如果曾经有某种噬菌体其核酸和蛋白质外壳是按照2比1的比例来复制的，那么在利用自身遗传物质合成新的噬菌体方面的效率肯定要比按1比1的噬菌体的效率要低得多，这样的噬菌体应当早就被淘汰了，它们浪费了太多的能量。其它的生命，诸如角马、鸟、羊等等在其生命运动中都面临着提高自身能量的分配和利用效率的压力和问题。
由于所有生命每时每刻都在竞争着自身能量的利用效率，所以就有下面这个方程：
这就是自然选择方程。
这个方程的最初来源也是一个灵感。某天下午日头很大，我在路上走着心里突然想到了能量与时间的比值问题，因为生命力方程中的能量与时间是相乘的关系，那么这两个量是否还能有其它的关系呢？尔后慢慢地对这个灵感进一步地揣摩、推敲、完善并使之成熟，就得到了现在的形式。
可以讲，如果没有灵感我大概不能建立起理论进化论，自然也不能写出此书。
有一副对联道的好，正是：
灵感每因诚心悟，
文章时向奋笔生。
当然，自然选择方程其实是一个不等式，但为了与其它方程都统一纳入到下一章的方程组之中，所以也称之为方程。
在上述方程中，E指的是生命自身的能量，dE就是生命自身能量的微元。在此要注意的是，“自身的能量”与生命力方程中的闭合积分的能量是显著不同的。前者仅指生命身体中任何一个部分的能量，后者包括所研究的生命的能量以及它通过影响和间接影响改变的其它生命的能量（即波及到的其它生命的相关能量），即与闭合积分对应的能量。两种能量的范围和广度有所不同。dt为生命利用能量dE时所对应的时间微元。在此，一般都默认它是正的，因为时间是从现在流逝到未来，所以可以取这样一个常态的时间方向为正向。N为边际选择，与生命及生命所处的环境有关。
方程意义：那些对自身能量利用效率比较高的生命将处于有利地位或得到保存，那些对自身能量的利用效率比较低的生命将处于不利地位，对自身能量利用效率等于或低于边际选择的生命将会遭到淘汰。
由于生命对自身的能量的利用效率必须高于（大于）边际选择，所以等于边际选择的能量利用效率可以视之为一条死亡线。任何生命对自身的能量利用效率只要等于这个底线都会面临死亡。
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