生命体为什么要向着复杂化的方向进化?

晴朗71

明明单细胞生命也能生存，完成繁衍自身的任务，那为什么生命还向着多细胞组成一个系统，分工合作的复杂化方向进化呢？这其中有什么内在的动力么？和生命存在的目的有关系么？

阳子1989

供参考：

进化论从达尔文老祖开始至今就从来没有说过生物进化有“从简单到繁杂的进化必然规律”，这是一个广为流传的伪科学观点。悲哀的是有很多老师都还在课堂里说生物进化有“从简单到复杂从水生到陆生从低等到高等”的整体规律，然而进化论表示我真没这么说过。
根据进化论，生物进化压根儿就不存在一个事先既定的适用于所有生物的进化方向（比如越来越高/快/强/聪明/复杂/长寿等等），进化论认为不同的生物可以在各自的生存环境中各自进化，可能殊途同归，更可能分道扬镳。

当然这里边也稍微有点文字上的歧义。说生物进化没有从简单到复杂的必然规律，说的是并非所有生物都会随着时间越进化越复杂。题述的简单生物就是论据之一：地球上数量最多种类最丰富分布最广泛历史最悠久的生物从几十亿年前至今都一直是那些相对简单的单细胞微生物们，面对他们还硬要说生物进化有从简单到复杂的必然规律是说不通滴。
但这并不是想要否认时间上的现后顺序：生物进化的确是先有简单生物后有复杂生物，在整个生物进化史的尺度上看，说整个生物圈的平均复杂程度有上升趋势并没有什么不妥（当然这里要忽略一些细节，比如你不能太过纠结简单vs复杂的准确含义）。但这并不一定就代表真的就存在某种推动力让生物越进化越复杂。

借用wikipedia上的图来解释一下这里头的区别：

图中横轴是复杂程度，原始状态是最下边只有红色的柱状图，然后随着时间向上发展。图中虚线代表了复杂程度的下限（如果你认为病毒不算生物，那么下限就是单细胞生物，如果你认为病毒算生物，那么下限就是病毒）。左右两种发展过程的区别在于左边这个序列其实只是在随机的增加多样性，但由于复杂程度有下限而复杂程度无上限，所以整体平均而言也会导致复杂程度随着时间呈上升趋势。而右边不一样，右边是真正有从简单到复杂的必然规律，也就是那些简单的生物会随着时间逐渐被淘汰变得越来越少，复杂的生物会被青睐随着时间越来越多，这样当然也会导致整体复杂程度随着时间呈上升趋势。左边算是一种被动趋势，右边是主动趋势。当前的主流观点是左边对右边错。
这也可以用经典的醉汉走路模型解释：生物进化并不存在一个从简单到复杂的必然规律，而是像醉汉走路一样随机的在变动。醉汉下一步既可能往左偏也可能往右偏，这里其实没有规律。但是因为醉汉左手边有堵墙（复杂程度的下限），走到墙边的醉汉自然不可能再往左走了，于是整体的概率分布上会更倾向于往右边偏，但你要说这个醉汉有往右偏的必然规律当然是不妥的。

如果真有一个从简单到繁杂的进化必然规律为什么世界还有这么多简单生物？

聪聪451

这个问题可以更清晰地表述为一个悖论：自然选择只能通过让一些生物灭绝的方式筛选出适应度更高的物种，而筛选只能减小多样性，那么为什么生物圈还能保有如此多的生物多样性。
目前有一个比较靠谱的理论叫做构造中性进化理论（constructive neutral evolution）。构造中性进化理论认为，生物进化过程并不是简单的排列组合基因突变并筛选的过程，而是通过这些机制不断涌现复杂性的过程：（1）多余能力（多余的没有明显害处的基因被保留），（2）Epistasis（突变的表现型依赖于环境），（3）随机遗传漂变（没有明显害处的基因可能会增加），（4）偏置变异（有些变异变得更有可能发生），和（5）净化选择（净化选择从种群中去除有害突变，防止中性进化出的基因依赖解体。例如，一旦在早期隐蔽基因中发生了第一个InDels，净化选择就可以防止任何可能破坏编辑体功能的突变。）通过这种机制，生物可以不断产生复杂性。
Stoltzfus, A. Constructive neutral evolution: exploring evolutionary theory's curious disconnect.Biol Direct7, 35 (2012). https://doi.org/10.1186/1745-6150-7-35

小玛哥1

演化没有固定方向，变复杂、变简单、维持现状都是可能的。
生物的性状可以是冗余的。让身体结构变复杂的任何可遗传性状，只要不对可育后代的数量造成明显影响，就有概率在种群中长期延续和/或蔓延。多细胞化可能有利于在贫瘠环境里降低单位体重的能耗，特化为特定功能的若干细胞可能在具体的条件下有较高的能量效率，在特定环境里可以视为有用性状。
细胞生物的结构复杂程度有下限，进一步简化会变成非细胞生物（病毒之类）。在新物种的身体复杂程度随机增减的时候，简单到一定程度、不宜再简化的物种的数量会堆积起来，明显比变得很复杂的物种多。

• 若是新物种的大趋势是身体越来越复杂，则复杂物种的数量会比简单物种多。
  

现在地球上保守估计有一万亿种细菌，绝大部分细菌是单细胞的。真核生物的物种数只有数百万，里面还是单细胞的居多，罗兹菌门靠微孢子虫就能跟动物界分庭抗礼。另外，许多病毒看起来是从细菌简化而来或由细菌的质粒等半独立而来。可见历史上人们以为的“从简单到复杂”不是固定方向。
多细胞生物可以演化成单细胞生物。

• 一些单细胞绿藻，例如小球藻，有证据显示是从多细胞的石莼纲演化过来的，现在世界性分布，并被人类养殖来开发单细胞蛋白；
  
• 一些单细胞红藻，例如 Porphyridium cruentum，有证据显示是从多细胞变成单细胞的；
  
• 蓝菌至少 5 次从多细胞变成单细胞。
  

人自己是多细胞生物，所以对多细胞生物特别关注。一百多年来，大部分时期的大部分人以为细菌的物种数量很少，这当然是因为显微镜的性能太烂。
“多细胞生物出现得比单细胞生物晚”跟所谓方向无关。自然产生的化学反应随机出一个原始单细胞的概率远大于随机出相互依存的一堆原始细胞组成的物体，单细胞生物比多细胞生物先出现是理所当然的。可以预期非细胞生物比细胞生物先出现。
不考虑人类造成的影响，数亿年后，随着太阳输出功率上升，地表的多细胞生物将灭亡殆尽。可以参照：
地球距离变得对多细胞生物不再宜居还剩几亿年时间，可以从地质学和天文学的角度探讨一下吗？多细胞生物的起源

在地球生物的历史上，单细胞生物演化为多细胞的事至少独立发生了 46 次，现在也能发生。真菌很可能在十几种不同的情况下以子实体形式演化出复杂的多细胞生物。一些蓝菌在单细胞与多细胞间反复变化。红藻、褐藻、绿藻在过去 10 亿年左右的时间里演化出多细胞形态。你可以在离心机里轻易地让单细胞生物变成多个细胞群聚的状态，只需要几天时间。
剑桥大学古生物学家 Nicholas Butterfield 在 2015 年提出，远古地球的低氧水平有利于多细胞生物出现。更大的多细胞生物有多个鞭毛，在单位时间内可以将更多的水从细胞膜上扫过以获取营养物质和氧气或二氧化碳。多细胞生物的个体生物量增长时能量消耗的增长并非线性，而是按 0.6~0.75 次方的关系，古代海洋中营养物质的匮乏推动了这演化。不过，他还是认为出现多细胞生物所用的时间反映的是随机产生复杂的基因调控机制所需的时间。
后续研究发现一些单细胞生物早已具备许多曾被认为是多细胞动物独有的基因和行为，而且调控机制并不复杂。

• 变形虫 Capsaspora owczarzaki 可以随时间改变细胞形态结构，研究发现其含有 4 个过去被认为是多细胞生物特有的基因、在不同条件下改变表达，但它的启动子比多细胞动物所使用的要短得多，表明其调控并不复杂。相关成果 2016 年 5 月发表于《细胞》杂志。
  
• 鞭毛藻似乎正在我们眼皮底下迈向多细胞生物，研究发现 21 种鞭毛藻含有 350 个过去被认为是多细胞生物特有的基因族。
  
• 2019 年 6 月 13 日，自然杂志在线发表了澳大利亚科学家对海绵的研究[1]，他们提出了多细胞生物起源新说：单细胞祖先在进化中发展出了单一细胞转换为多类型多状态细胞机制，使得细胞具有类似于现代细胞转分化和干细胞分化多能性的功能。关键信号通路和转录因子家族的起源和扩展、DNA 和 RNA 的调控子等可能允许细胞在多种分化状态下共存，从而产生了多细胞生物。
  

关于“生命的目的”，活着的目的就是永远活着。可以参照：
知乎里为什么那么多问全人类、全生物活着为了什么的？他们是觉得全球生物信仰大统一了，还是想要统一全球？

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碳原子有感应、有识别、有分辨、有倾向、有立场、有判断、有意愿……
它是活的。
碳原子都是活的，谁还不是活的呢！
既然都是活的，那么唯一的拓展方向就是穷尽所有的活法。