生命是什么?

原創(chuàng)?精進(jìn)學(xué)思行?精進(jìn)學(xué)思行?今天

五一期間,在附近的公園看到鮮花的綻放和奔跑的少年,感受到了春天的氣息和生命的活力,這不僅讓我思考生命是什么?它從哪里來(lái)?如何進(jìn)化為我們這個(gè)五彩繽紛的世界?帶著這個(gè)問(wèn)題,我閱讀了《生命是什么:40億年生命史詩(shī)的開(kāi)端》,作者是色列本古里安大學(xué)教授,埃迪.普羅斯,他是一個(gè)著迷于生命本質(zhì)的科學(xué)家,這本書(shū)就是他關(guān)于這個(gè)話題的代表作,他從底層學(xué)科——化學(xué)的視角,闡釋了可能來(lái)源以及演化背后的動(dòng)力,深受啟發(fā),分享與你。

1 各種定義

你認(rèn)為生命是什么?你可能會(huì)說(shuō)動(dòng)植物,細(xì)菌等,但是如何給它下個(gè)定義?人工智能算不算生命?它們中有些能移動(dòng),能自己充電,還能自我修復(fù),你可能還是不認(rèn)可它們是生命。那什么是生命?關(guān)于這個(gè)問(wèn)題,有很多不同的定義,如下是幾個(gè)比較典型的:

①弗里曼.戴森(Freeman Dyson):一個(gè)能夠獲取,儲(chǔ)藏處理以及利用信息來(lái)規(guī)劃其活動(dòng)的物質(zhì)系統(tǒng);

②維克托.庫(kù)寧(Victor Kunin):一個(gè)能夠不斷得到單位和能量供應(yīng),并受到保護(hù)的核酸和蛋白質(zhì)酶聚合系統(tǒng);

③古斯塔夫.阿列紐斯(Gustaf Arrhenius):能夠?qū)崿F(xiàn)如下功能的系統(tǒng):自我組織,自我復(fù)制,通過(guò)變異而進(jìn)化,新陳代謝,集中密閉;

④雷米.亨內(nèi)特(Remy Hennet):生命簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是一種有序的不穩(wěn)定狀態(tài)。

以上是書(shū)中列出的關(guān)于生命的定義,但他們之間沒(méi)有重疊,而且關(guān)注的重點(diǎn)不一樣,比如,第1個(gè)定義更多的關(guān)注的是信息的角度,第2關(guān)注的是生命的基礎(chǔ)硬件;第3個(gè)關(guān)心的是生命的特性;第4個(gè)強(qiáng)調(diào)的是生命的熱力學(xué)特征。而最為廣泛的定義可能是NASA基于宇宙生物學(xué)項(xiàng)目,在1992年提出的:

生命是一個(gè)能夠發(fā)生達(dá)爾文式進(jìn)化的自我維持的化學(xué)系統(tǒng)。

這雖然是一個(gè)很有吸引力的定義,但也存在著缺陷,因?yàn)檫@個(gè)定義在個(gè)體的生命層面不適用。比如騾子,它是由馬和驢雜交而生的,它就不具有生殖能力,更不能繁衍后代以及進(jìn)行達(dá)爾文式的進(jìn)化,但我們不能說(shuō)它不是生命。

所以作者認(rèn)為NASA這個(gè)定義也不夠完整,那作者的定義是什么呢?我們會(huì)放在本文的結(jié)尾揭曉。

2 兩種方法論:還原論VS整體論

作者在介紹生命是什么之前,花了一章的篇幅來(lái)探討他在研究這個(gè)問(wèn)題當(dāng)中所使用的方法論:還原論和整體論。

2.1 還原論

還原論的核心觀點(diǎn)“一個(gè)整體可以被理解為其各個(gè)組成部分之間的相互作用”,比如你要理解一個(gè)汽車,你可以將其拆解為車身,底盤(pán),發(fā)動(dòng)機(jī)等系統(tǒng),并分析他們的相互作用。

2.2?整體論

整體論強(qiáng)調(diào)整體的意義大于部分之和,它源于系統(tǒng)論,它的一個(gè)重要特性"涌現(xiàn)",這是單個(gè)部分所有沒(méi)有的特性。

2.3?孰優(yōu)孰劣

整體論或者系統(tǒng)思考是我自己之前很推崇的,因?yàn)槲覀冎車暮芏嗍虑槎伎梢钥闯墒窍到y(tǒng),而且它的“涌現(xiàn)”特性很吸引人。而作者旗幟鮮明的指出,還原論更重要,特別是對(duì)于研究生命是什么更加的重要,他認(rèn)為整體論只不過(guò)是修正過(guò)后的還原論。

即使是我們說(shuō)的“涌現(xiàn)”,作者看來(lái)大多數(shù)情況是能通過(guò)還原論理解的。比如我們所使用的手機(jī),它有很多的功能,這些功能看似是很神奇地從構(gòu)成它的部件中涌現(xiàn)的,但它別后的功能都是可以層層拆解得到的,否則我們就無(wú)法設(shè)計(jì)它了。而這也是我之前很推崇《系統(tǒng)架構(gòu)》的原因,因?yàn)榭此朴楷F(xiàn)的功能,它背后是有設(shè)計(jì)邏輯的,是可以通過(guò)層層分解來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

無(wú)論是還原論還是整體論,它們只不過(guò)是建立因果關(guān)系不同方向,前者是從下往上,后者是從上往下,而我們可以借用小時(shí)作文的思路整合它們:總-分-總,先整體感知和理解,再分解到個(gè)各個(gè)部分,最后在綜合,形成更深層的理解。

而最怕的是,搞不清楚背后原理,就用所謂的“整體論”大而化之,把原本可以解析清楚的,變成高深莫測(cè)的東西。

作者為什么要介紹這兩種方法論?我理解這和他后面對(duì)生命的分析和定義有很大的關(guān)系,那就是要從生命最底層的作用機(jī)理去理解,再上升到生命的整個(gè)過(guò)程來(lái)理解,本書(shū)u兩種方法都用到了,比例大概是80/20(還原論/整體論)。

3?生命的歷史

前面提到了NASA對(duì)生命的定義,其中提到“符合達(dá)爾文式進(jìn)化”,達(dá)爾文的進(jìn)化論的確是我們對(duì)生命發(fā)展的一個(gè)開(kāi)創(chuàng)性見(jiàn)解。但這個(gè)見(jiàn)解有一個(gè)前提假設(shè)——生命已經(jīng)出現(xiàn),但沒(méi)有回答更根本的一個(gè)問(wèn)題:如何從非生命到生命?而作者就試圖嘗試從化學(xué)的角度回答這問(wèn)題,并為生命的發(fā)展提供一個(gè)更加底層的解釋框架——化學(xué),這是一個(gè)比生物學(xué)或者生態(tài)學(xué)更加底層的解釋,對(duì)于生命起源,我不認(rèn)為作者給出了確鑿的答案,但是很有啟發(fā),而新的解釋框架在解釋物種復(fù)雜化方面,我認(rèn)為的確更加具有解釋力。

3.1 生命從而而來(lái)?

3.1.1 化學(xué)反應(yīng)

我們先不斷定生命就一定起源于化學(xué)反應(yīng),但是我們現(xiàn)在能夠觀察到到所有的生命體系都包含成千上萬(wàn)個(gè)化學(xué)反應(yīng),而生命體的基本組成單位——細(xì)胞,也是能夠?qū)⒏叨葟?fù)雜化的化學(xué)反應(yīng)整合起來(lái)的系統(tǒng)。這一方面增加了我們認(rèn)識(shí)生命的難度,但另外一方面也告訴了我們,從化學(xué)角度去理解生物的起源是一個(gè)大概率的切入點(diǎn)。

什么是化學(xué)反應(yīng)?化學(xué)反應(yīng)是將某些化學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為另外一些化學(xué)物質(zhì)的過(guò)程。比如將氫氣和氧氣合成水的爆炸反應(yīng),將蛋白質(zhì)分解為基本的組成單位氨基酸的反應(yīng),都屬于常見(jiàn)的化學(xué)反應(yīng)。

而化學(xué)反應(yīng)也遵循熱力學(xué)第二定律,也就是說(shuō)有些反應(yīng)常常一點(diǎn)火花或者是催化劑就很容易發(fā)生,但其逆反應(yīng)卻幾乎不會(huì)自動(dòng)發(fā)生。比如將氫氣和氧氣變成水很容易,但是將水變成氫氣和氧氣,這個(gè)過(guò)程很難自動(dòng)發(fā)生。換句話說(shuō),化學(xué)反應(yīng)通常是從更高的自由能到更低的自由能,水的自由能要低于氫氣和氧自由能的總和,所以它們合成水更容易,而且氫氣和氧氣當(dāng)中儲(chǔ)存的多余的能量也將以熱量的形式釋放出來(lái),這個(gè)反應(yīng)過(guò)程如下圖所示。

圖中還能看到一個(gè)重點(diǎn),雖然氫氣和氧氣的自由能要比水高,但是反應(yīng)曲線并不是一直下降的,需要先上升再下降,這意味著在反應(yīng)之前必須要能夠克服一個(gè)障礙——能壘,這就是為什么要有火花或者說(shuō)是催化劑來(lái)推動(dòng)這個(gè)反應(yīng)的發(fā)生,只不過(guò)火花和催化劑的作用不同,前者是增加能量,后者是降低能量壁壘的高度,這樣即使反應(yīng)的起始能量沒(méi)有增加,反應(yīng)系統(tǒng)也能夠跨越能量壁壘。

所以,一個(gè)反應(yīng)能夠發(fā)生,至少需要兩點(diǎn),第一,產(chǎn)物的自由能要低于反應(yīng)物的自由能;第二,反應(yīng)初始要客服能壘。

3.1.2 自催化

作者指出,任何化學(xué)反應(yīng)都可以用合適的物質(zhì)來(lái)進(jìn)行催化,在生物系統(tǒng)當(dāng)中起到催化作用的通常被稱作酶。如果沒(méi)有合適的酶,大部分反應(yīng)會(huì)進(jìn)行十分緩慢,甚至完全不會(huì)發(fā)生。通常而言,反應(yīng)的產(chǎn)物和催化劑是不同的,比如前面的氫氣和氧氣合成可以產(chǎn)生水,但這個(gè)水是不會(huì)成為催化劑,它的催化劑是另外的金屬或者說(shuō)是金屬的化合物。但如果產(chǎn)物和催化物是同一種物質(zhì),也就是說(shuō)產(chǎn)物會(huì)同時(shí)催化自身的生成,那么這種反應(yīng)方式叫做"自催化"。

一般反應(yīng)這種“自催化”反應(yīng)區(qū)別非常大,書(shū)中提到了一個(gè)例子,如果提供一分子的催化劑,通過(guò)計(jì)算知道,生成相同數(shù)量的產(chǎn)物,一般反應(yīng)可能需要百萬(wàn)年,而催化反應(yīng)可能只需要一秒鐘嗎,而作者認(rèn)為生命的本質(zhì)就在于“自催化”,只不它有另外的一個(gè)名稱——“復(fù)制”。

3.1.3 生命之光

1967年伊利諾伊大學(xué)的微生物學(xué)家,索爾.施皮格爾曼(Sol Spiegelman)在試管當(dāng)中進(jìn)行了分子的復(fù)制試驗(yàn),這是分子生物學(xué)當(dāng)中的一個(gè)偉大試驗(yàn),他將一個(gè)簡(jiǎn)單的RNA鏈條置于RNA基本組成單元和讓反應(yīng)加速的酶混合在一起,RNA就開(kāi)始自動(dòng)復(fù)制,這個(gè)過(guò)程很像"自催化",因?yàn)樾律傻腞NA鏈條,會(huì)誘導(dǎo)基本單元連連接起來(lái),加速自我復(fù)制的過(guò)程。當(dāng)然,這里的前提是,基本單元是充足的,且要有初始的模板鏈條,否則很難很難無(wú)中生有自動(dòng)產(chǎn)生RNA鏈條。

當(dāng)然,你可能會(huì)懷疑,這個(gè)反應(yīng)前期還是需要酶的參與啊,而這個(gè)酶大概率在生命之初不會(huì)有,但是1986年德國(guó)頂尖的化學(xué)家,君特.馮.凱德羅夫斯基,他實(shí)現(xiàn)了沒(méi)有任何酶的作用情況下,實(shí)現(xiàn)了復(fù)制反應(yīng)。

但目前為止,還是沒(méi)有回答從非生命到生命之間的機(jī)理。美國(guó)化學(xué)家,斯坦利.米勒(Stanley Miller)1953年給了我們一線希望,他將氫氣,氨氣,甲烷和水蒸氣混合在一起,因?yàn)檫@是在當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是前生命時(shí)期,大氣成分的主要組成成分,他朝混合氣容器中通電來(lái)模擬原始閃電,在這過(guò)程中有了一個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn),那就是里面產(chǎn)生了氨基酸,而氨基酸是蛋白質(zhì)的基本組成單位,蛋白質(zhì)又是生命的重要組成部分,這為解開(kāi)從非生命到生命之謎帶來(lái)重要啟發(fā)。

但這只是加強(qiáng)了人們的信念,但這種可能性并不能說(shuō)明生命就是就是這么產(chǎn)生的。就像如果你理解鐘表的運(yùn)行原理,就意味著你能夠通過(guò)彈簧,齒輪和表盤(pán)等做出一塊表,正如物理學(xué)家,諾貝爾獎(jiǎng)得主理查德.費(fèi)曼講過(guò),"我不能理解我創(chuàng)造不出來(lái)的東西",所以,放到生命起源這個(gè)問(wèn)題,如果我們不能夠在現(xiàn)實(shí)當(dāng)中創(chuàng)造出一個(gè)最簡(jiǎn)單的生命,那么其實(shí)我們很難說(shuō)真正搞清楚了從非生命到生命的起源。

本書(shū)也沒(méi)有完全解釋清楚,如何從非生命到生命,只不過(guò)說(shuō)我們大概推測(cè),這可能是一個(gè)化學(xué)的過(guò)程,但至于是什么樣的化學(xué)過(guò)程,目前還沒(méi)有答案。但是作者從化學(xué)的解釋達(dá)爾文的演化論,卻讓我信服,因?yàn)檎缭?a target="_blank">《好好思考》:如何建立基于思維模型的知識(shí)體系?分享的,如果能用更加底層的原理解釋一個(gè)現(xiàn)象,就更加接近本質(zhì)。

3.2 ?生命如何演化?

3.2.1 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性

穩(wěn)定性比較好理解,就是在一定時(shí)間內(nèi)維持不變,分為靜態(tài)穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性,我們?cè)?a target="_blank">《增長(zhǎng)的本質(zhì)》:秩序從何而來(lái)?中有過(guò)類似的分享。書(shū)中以泰晤士河為例說(shuō)明動(dòng)態(tài)穩(wěn)定,泰晤士河河道和數(shù)千年前樣子并沒(méi)有發(fā)生太大的變化,它作為一個(gè)整體是比較穩(wěn)定的,但它的水流本身并不是固定不變的,而是處在不斷改變的過(guò)程當(dāng)中,是通過(guò)每個(gè)水分子的不穩(wěn)定性來(lái)呈現(xiàn)其穩(wěn)定性,正所謂“鐵打的營(yíng)盤(pán),流水的兵”,而生命也是這樣,書(shū)中認(rèn)為生命其實(shí)是一個(gè)化學(xué)復(fù)制系統(tǒng),通過(guò)個(gè)體的復(fù)制和消亡來(lái)保持族群的穩(wěn)定,就像單個(gè)的人類都會(huì)死去,但是人類的族群會(huì)延續(xù)。

而這種復(fù)制的化學(xué)系統(tǒng)遵循一個(gè)定律:傾向于從(動(dòng)態(tài))動(dòng)力上不太穩(wěn)定的狀態(tài),轉(zhuǎn)變?yōu)椋▌?dòng)態(tài))動(dòng)力上更加穩(wěn)定的狀態(tài)。

如何增加這種穩(wěn)定性?書(shū)中指出兩個(gè)重要方法——復(fù)雜化和新陳代謝。

3.2.2 為何越來(lái)越復(fù)雜?

為什么復(fù)雜化能夠增加動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性?作者引用了杰拉爾德.喬伊斯的研究,他發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩種不同的RNA(取名RNA1,RNA2)分子所處的環(huán)境當(dāng)中具有某種底物,讓它們都能進(jìn)行復(fù)制和進(jìn)化,但不足以共存的時(shí)候,如果RNA1的復(fù)制效率更高,那么RNA2就會(huì)逐漸消失,也就是說(shuō)復(fù)制速度更快的,把速度更慢的復(fù)制因子推向了滅亡。

回顧達(dá)爾文對(duì)適應(yīng)性的定義是:適應(yīng)性就是生存和繁殖的能力,進(jìn)化過(guò)程的終極目標(biāo)就是將這種能力最大化。我們可以說(shuō)RNA1的適應(yīng)性更高。

但是,接下來(lái)有一個(gè)很不同尋常的現(xiàn)象,如果RNA1和RNA2可以在五種而不是一種底物條件下進(jìn)行復(fù)制,那么這兩種RNA分子將會(huì)以一種出人意料的方式共存,剛開(kāi)始的時(shí)候它們會(huì)不同程度利用5種底物,但是在一定時(shí)間之后,每一種RNA都進(jìn)化出了專門(mén)針對(duì)某種底物將其復(fù)制效率最大化的能力,結(jié)果就是兩種RNA實(shí)現(xiàn)了共存。

而這個(gè)對(duì)應(yīng)的就是生物學(xué)中的"生態(tài)位"的概念,每種物種都進(jìn)化出適用于自己的生存方式。

更有意思的是,杰拉爾德.喬伊斯實(shí)驗(yàn)室最新發(fā)現(xiàn),如果有個(gè)RNA分子由a和b兩個(gè)RNA片段構(gòu)成的,通過(guò)誘導(dǎo)溶液當(dāng)中,自由狀態(tài)下的a和b兩個(gè)組成部分相互連接,實(shí)現(xiàn)自我復(fù)制,這樣復(fù)制可以發(fā)生,但是效率很低,如果要讓它的數(shù)量翻倍的話,需要17個(gè)小時(shí)。但有意思的是,如果把單個(gè)的RNA分子(還是包含a和b兩段)替換成兩個(gè)離散的RNA分子組合的雙分子系統(tǒng)后,復(fù)制會(huì)快速的加劇,在一個(gè)小時(shí)之內(nèi)就進(jìn)行了翻倍。為什么會(huì)出現(xiàn)這種差異呢?因?yàn)樵谶@個(gè)雙分值RNA系統(tǒng)當(dāng)中,每個(gè)分值的進(jìn)行并不是自我分支,而是兩個(gè)RNA分子相互誘導(dǎo)對(duì)方進(jìn)行復(fù)制,這個(gè)復(fù)制叫做“交叉催化”。

復(fù)制過(guò)程變得更加復(fù)雜了,系統(tǒng)中的部分不是單獨(dú)復(fù)制,而是作為系統(tǒng)整體復(fù)制。這個(gè)現(xiàn)象在生物界中很常見(jiàn),比如細(xì)胞作為一個(gè)整體進(jìn)行自身拷貝時(shí),不是細(xì)胞每個(gè)成分單獨(dú)進(jìn)行復(fù)制。這有什么意義?它的意義在于簡(jiǎn)單的復(fù)制系統(tǒng)只能低效率的復(fù)制,而復(fù)雜的系統(tǒng)能夠高效的實(shí)現(xiàn)復(fù)制。

這就是為什么我們?cè)谏锝绠?dāng)中,能夠隨處可見(jiàn)一些共生關(guān)系。放到人類的協(xié)作社會(huì)當(dāng)中就是分工協(xié)作,一個(gè)人做不好的事情可以通過(guò)合作來(lái)有效的完成。

所以,分工能夠提高效率,它更底層的原理其實(shí)是化學(xué)當(dāng)中的復(fù)制反應(yīng)系統(tǒng),所以社會(huì)越來(lái)越復(fù)雜是必然趨勢(shì),因?yàn)樗梢蕴岣邚?fù)制的能力,提高動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。

3.2.3 為何新陳代謝?

除了增加復(fù)雜度,復(fù)制系統(tǒng)還有一個(gè)提升其動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的方法——捕捉能量的能力,它對(duì)應(yīng)的就是新陳代謝,為什么它能也能增強(qiáng)復(fù)制系統(tǒng)的穩(wěn)定性?因?yàn)椋瑥幕瘜W(xué)角度來(lái)講,一個(gè)復(fù)制系統(tǒng)需要進(jìn)行復(fù)制,組成它的單元要進(jìn)行激活,通常處于被激活狀態(tài)的組成單位少于未激活狀態(tài)的單元,而激活就意味著它需要能夠給它提供能量。所以,如果復(fù)制系統(tǒng)能夠捕捉能量(無(wú)論是光合作用,還是吃其它動(dòng)植物),就可以將能量轉(zhuǎn)移給復(fù)制單位,從而激活組成單位,增加處于激活狀態(tài)的組成單位,提高復(fù)制效率。

所以,更寬泛一點(diǎn),人類的發(fā)展其實(shí)也使用能量效率發(fā)展的過(guò)程,對(duì)于個(gè)體而言,就是提高我們的體力和精力,如果能傳遞給周圍的人,就能激活協(xié)作意愿。

4?個(gè)體湮滅,物種延續(xù)

在《西部世界》第二季的最后一集,“多美麗”對(duì)伯納德的話很符合我的主題——"我們會(huì)死,但是我們的物種會(huì)延續(xù)。"

死亡是每個(gè)生命體宿命,但卻是其物種延續(xù)的基礎(chǔ),所以,從這個(gè)角度來(lái)看,我們的死亡是有一絲意義的。不過(guò)對(duì)人類而言,個(gè)體比較幸運(yùn),還有另外一條延續(xù)的路徑——模因,?這是?理查德·道金斯在《自私的基因》中提出的概念,?指“在諸如語(yǔ)言、觀念、信仰、行為方式等的傳遞過(guò)程中與基因在生物進(jìn)化過(guò)程中所起的作用相類似的那個(gè)東西。”

牛頓死了,但是牛頓定律讓我們記得他;李白死了,但是他的詩(shī)句讓我們記得他;喬布斯死了,但是蘋(píng)果讓我們記得他。

總結(jié)

生命是什么?它是通過(guò)復(fù)制反應(yīng)得到一個(gè)能夠自我保持動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。生命個(gè)體通過(guò)復(fù)制和死亡,保證族群的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定,沒(méi)有人是一座孤島,每個(gè)人都是大陸的一片,整體的一部分,?貝多芬和肖邦他們并沒(méi)有消失,他們只是變成了音樂(lè)。

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