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)。