前言 世界够大，时间够多

1904年春天，任职于加拿大麦吉尔大学（McGill University）、年仅32岁的新西兰物理学家欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford），在世界范围内成立了最早的科学组织伦敦皇家自然知识促进学会，并举办了一场演讲，演讲主题为“放射现象和地球年龄测定”。

当时的科学家对《圣经》里认为地球年龄只有6000年历史的说法早就嗤之以鼻了，最广为认同的年龄测定是由另一位物理学家威廉·汤姆森（William Thomson）计算出来的，而他更为人熟知的称呼是“开尔文勋爵”。开尔文勋爵用热力学定律和地表导热系数测定出地球大约有2000万年的历史。

从地质学的角度来看，2000万年并不算很长，然而它的影响却非常深远。假如按照今天火山运动和地貌侵蚀的速度来算，2000万年对于地球独特地貌景观的塑造根本不值一提，但达尔文提出的以自然选择为基础的进化理论却成了直接受害者。达尔文曾说，“威廉·汤姆森先生对地球年龄的测定极度困扰了我”，因为他知道地球生物从上一次冰河世纪结束后就没有发生过太大变化。据此达尔文推测，创造所有生物所经历的岁月必定非常悠久，不管是现存的还是已经成为化石的，2000万年对于创造一个多样的生物界是远远不够的。

卢瑟福在发现放射性元素半衰期现象的几年后，逐渐发现开尔文勋爵的说法是错误的，他曾回忆道：“我走进演讲大厅，里面非常昏暗，但我还是在观众席中发现了开尔文勋爵，感觉甚是尴尬，特别是在讲最后一段关于地球年龄的部分时，因为我们的观点是相互冲突的。放射性元素会发生衰变并在衰变过程中释放巨大的能量，这类元素的发现使得我们对地球年龄的测算更加准确了。生物在地球上的起源时间得以大大提前，地理学家和生物学家提出的进化过程纵使缓慢，也成了可能。”

开尔文勋爵逝世于1907年，次年卢瑟福获得了诺贝尔奖。截至19世纪30年代，用放射性测量法估算出的地球年龄大约是45亿年，于是生物有了足够的时间在缓慢的进化过程中创造出多样性和复杂性，达尔文的进化理论也得以保全。

然而，真的是这样的吗？

作为自然界最出色的捕食者之一，游隼（falco peregrinus）是完美生物的代表。它有着极度轻盈的骨骼和健壮的肌肉，也是目前地球上飞行速度最快的动物。在旋转俯冲时，隼的飞翔速度可以超过每小时200千米。当隼俯冲而下用利爪抓住猎物时，由极高时速带来的冲击力几乎可以瞬间将猎物置于死地。即使不能，它也可以用锐利的喙折断猎物的脊柱。

游隼有一双锐利的眼睛帮助它们迅速捕捉到活动的猎物。隼的视力是人眼的5倍，也就是说就算在1.5千米之外，它们也能看清楚一只鸽子。和其他的捕食者一样，隼有一种所谓的瞬膜结构，又称“第三眼睑”。瞬膜有点像挡风玻璃，能在高速飞行时帮助阻挡飞尘并保持眼球湿润。隼的眼睛还拥有更多的光受体及视杆细胞，使它能在昏暗的光线下看清事物，甚至看到紫外线。

大自然的创造充满了神奇之处，但更奇妙的是，每一种不可思议的生物特性都是从一个极小的分子开始的，在漫长的世纪进化中，经过无数次的演变，最后交由大自然精挑细选。游隼的喙、爪子和羽毛的主要成分同人类的毛发和指甲一样，都是一种叫作角蛋白的蛋白质分子。色觉主要依靠视蛋白，而视觉的敏锐性与晶状体蛋白息息相关。

大约在5亿年前，世界上出现了第一种能够合成晶状体蛋白的脊椎动物，而视蛋白在7亿年前就已经出现了。它们出现的时候，生命已经在地球上居住了超过30亿年。对于那些复杂的生物大分子而言，30亿年的时间听起来就比较符合情理了。每个视蛋白和晶状体蛋白都是由20种氨基酸按一定顺序结合形成的多肽链，再由一条或一条以上的多肽链按照特定规则结合形成高分子化合物。如果只有一种氨基酸能够感知光波或是构成透明的晶状体，那我们要从多少条含有数百个氨基酸的多肽链中才能筛选出我们需要的那条呢？假设一条氨基酸链上有两个氨基酸，那么第一个氨基酸有20种选择，第二个也是，如此一来，总共将会有202种氨基酸链的可能组合。如果一条氨基酸链上有三个氨基酸，那么最终的组合方式将会是203种可能。以此类推，如果是4个氨基酸组成的多肽，将会有16万种氨基酸的可能排列方式。对于一条含有100个以上氨基酸的蛋白质（晶状体蛋白或视蛋白的链还要更长），可能的多肽链将超过10130种。

为了让你感受一下这个庞大的数字，我们来举一个例子。宇宙中数量最多的原子是氢原子，物理学家估计氢原子的数量可达到1090个，具体来说就是1后面跟着90个0。如此一来，蛋白质的可能数量就不仅仅是宇宙级了，而是超宇宙级：远远超过了宇宙中的氢原子数目。要从这么多可能的蛋白质中找出唯一正确的那条，概率甚至比赢得自宇宙大爆炸以来的每一年的乐透都小。如果亿万种生物从生命出现伊始每分每秒都在寻找那条特定的氨基酸链，那么到现在为止也可能只尝试了10130种蛋白质中极小的一部分，甚至都还没找到视蛋白。

17世纪的诗人安德鲁·马弗尔（Andrew Marvell）曾叹息，“只要我们的世界够大，时间够多”，为了避免那“无垠永恒的荒漠”，他无心关注时间长河下的自然奥秘，只想和情人享受片刻的欢愉。这里我们对这首诗的关注点在于悠远漫长的时间。在无尽的时光中，自然选择加上生物的变异，迟早会让一种叫游隼的生物进化出那双锐利的眼睛。达尔文进化论的主流观点是，优势性状赋予生物的优势，无论多么微不足道，都将在生物漫长的繁衍生息中被无限放大，这个观点解释了包括游隼在内的所有生物的多样性。

自然选择的神奇之处是毋庸置疑的，但它也有自身的局限性。自然选择能保留由变异产生的新性状，却不能创造它们。认为变异总是随机的观点，暴露了我们对变异的无知。自然界众多的生物性状，如果没有大自然对于生物进化的助益，其中许多近乎完美的结构可能永远都不会出现，而这种助益正是生物进化的能力。

过去15年中，在纽约和瑞士苏黎世大学的实验室里，在一群才华横溢的科学家的帮助下，我有幸得以对这些奇妙的自然规律展开研究。我们使用了在达尔文和卢瑟福年代无法想象的先进实验方法和精准的计算技术，希望解释生命多样性和进化能力的来源。目前的研究数据告诉我们，进化的奥秘远远不止我们的肉眼所见。神秘的自然规律隐藏在每个精巧的DNA里，隐藏在每个独一无二而又美丽动人的生命体中。

这本书的主题就是对那些自然规律的探索。