历史可以这样解读（4）

    第五章：生命的本质

    对生命的认识，是随着人类自然科学的进步而进步的。在远古时期，人们相信生命是神创造的，在传说里东方有女娲造人，而西方则由上帝创造了亚当和夏娃，繁衍至今。无巧不成书，在时空相距数万里的两地，神不约而同的选择了泥土作为造人的材料。当然两者之间还略有差异，西方的上帝用泥造了亚当，又用亚当的一根肋骨造了夏娃；而女娲娘娘用手捏了一些人后，心情烦躁，于是用柳枝沾上泥水甩出造人。

    两个做法的不同更显出东方人的精巧：世间的贵族是女娲用手捏的，平民则是柳枝甩出来的，甩的不好的就成了残疾人。而上帝造人就没有考虑这么多，以至于后来男人的肋骨成了鉴定上帝造人的真软肋。但即便如此，相同的用泥造人也显现出东西方对于人自身的思考和观察是多么的相似。

    不过，即便是在我们认为“没文化”的古代，发出的也不全然是神的声音。中国古代曾有“肉腐出虫，鱼枯生蠹”、“腐草化为萤”（即萤火虫是从腐草堆中产生的）的说法；中世纪的欧洲则认为树叶落入水中变成鱼，落在地上则变成鸟等；这种认为生命是从无生命物质自然发生的理论叫“自然发生论”。著名的亚里士多德就是一个自然发生论者。有的人还曾通过“实验”证明，将谷粒、破旧衬衫塞入瓶中，静置于暗处，21天后就会产生老鼠，并且让人惊讶的是，这种“自然”发生的老鼠竟和常见的老鼠完全相同。

    1859年，随着达尔文《物种起源》的出版，以及细胞学说和能量守恒定律的出现，使得生命终于脱离了神的怀抱。而1860年法国微生物学家巴斯德的一个简单的实验，彻底埋葬了自然发生说。他将肉汤置于烧瓶中加热沸腾后让其冷却，如果将烧瓶开口放置，肉汤中很快就繁殖生长出许多微生物；但如果在瓶口加上一个棉塞，肉汤中就没有微生物繁殖。很显然，微生物来自空气。

    然而，“生命的本质”这个问题依然困扰着人类，200年来，随着自然科学的不断的进步，人们一直试图诠释它，从未停止。我们知道，对于任何事物的认识，往往是从事物本身开始的，对生命的认识也不例外。《物种起源》和细胞学说给了人们灵感，生命的结构作为与非生命物质最直接的区别，率先进入人们的视野，自然就成为了定义生命的起点。

    恩格斯曾这样定义生命：“生命是蛋白体的存在方式，这种存在方式本质上就在于这些蛋白体的化学组成部分的不断的自我更新。”恩格斯认为，高级的生物确是由简单的类型“细胞”组成的，但有低于细胞的生物，它们和高级的生物相联系，只是因为它们的基本组成部分是蛋白质，从而它们执行着蛋白质的职能--生和死。随着生物化学的研究进展，人们对蛋白质的结构和功能有了越来越清楚地了解，蛋白质形态复杂，功能各异，在生命活动过程中的作用异常重要。所有这些使得人们更加坚信生命的分子基础就是蛋白质。

    1953年，事情发生了变化。美国科学家沃森和英国科学家克里克发现了DNA双螺旋的结构，开启了分子生物学时代，使遗传的研究深入到分子层次，人们清楚地了解遗传信息的构成和传递的途径。以后的近50年里，分子遗传学、分子免疫学、细胞生物学等新学科如雨后春笋般出现，一个又一个生命的奥秘从分子角度得到了更清晰的阐明，DNA重组技术更是为利用生物工程手段的研究和应用开辟了广阔的前景。从此很多人把注意力转向核酸，开始把生命的分子基础看作是具有自我复制和携带有遗传信息的核酸。于是生命的定义由强调蛋白质及其代谢功能，改变为强调核酸及其遗传载体的功能。生命起源问题被还原为能进行自我复制的低聚和多聚核苷酸的起源问题。这种观点称为“生命-核酸同一说”。

    不巧的是，人们很快发现了一些新的生命形式，而且不能用上述定义加以解释。它们是由蛋白质外壳和DNA或RNA核心组成的病毒，没有蛋白质外壳、全裸的RNA类病毒，以及仅由蛋白质分子组成的蛋白感染素， 它的蛋白质中就含有自身复制的密码。它们只有在感染一个活细胞时才能表现出生命的各种特征，并实现其自身复制。

    于是新的定义浮出水面--生命-细胞同一说。这种观点认为，不存在分子状态的生命形式，所有生命都是细胞才具有的。蛋白质与核酸一旦产生，必须包含在类脂形成的膜结构之内才能形成独立的生命形式。病毒、类病毒和原体都缺少膜分隔，因此都不能在宿主细胞之外进行各种生化反应。所以它们都不是独立的生命。

    在把病毒、类病毒和蛋白感染素等从完整的生命当中排除出去之后，这种观点覆盖了生命的现在，然而是否符合生命的历史呢？因为36亿年前生命的起始阶段，极可能出现过非细胞的生命形式，否则生命的结构就必须在历史上一次性完美的出现，而这是不可能的。

    给生命下定义，就必须既包括已经见过的生物，也包括未曾见过的生物； 既要包括已经存在的生物，也要包括可能存在的生物。比如说我们定义的地球的生命，是不是也和我们朝思夜想的外星生命一样呢？不好说，但浩瀚宇宙当中，就只有地球这个小石头上才有生命么？若还有其它星球存在生命，生命的样式会与地球生命完美的一致么？

    1960年的诺贝尔奖得主，免疫学家梅达沃曾经不耐烦地说：“生命是什么的讨论使人感到生物学对话的低水平。”哲学家塞尔也曾说过：“生物学家当然不需要持续不断地思考生命是什么，并且确实，大多数生物学的著作甚至不需要使用生命这个概念。然而，没有人在他健全的思想里会否认他研究的生物学现象是生命的形式”。

    并不是所有的科学家都这样想，同样是诺贝尔奖得主的遗传学家约书亚？莱德伯格曾写道：“理论生物学的一个重要目标是给出一个生命的抽象定义”。此外，研究生命起源和地外生命的生物学家们，也都认为生命的定义问题非常重要。因为对生命的不同定义直接关系到他们工作的内容、范围和研究方向。而80年代末兴起的人工生命学科，更把生命的本质作为首先要回答的问题。

    生物学家们觉得问题太哲学，而哲学家们则感觉问题太过于科学。以至于在一段时间内，关于生命几乎无人提及。当然，人类的探索永远不会停止，在结构定义出台的同时，从生命的功能出发的定义就逐步酝酿并诞生了。

    从功能出发定义生命的方式有两种，一种强调生命是多种性质的集合，称为“集合性质定义”；另一种强调生命的某种本质性质，称为“根本性质定义”。

    集合性质定义很有趣，做定义的人把能想到的生命的一系列特征都罗列出来，用以表达生命。莫诺、克里克、恩斯特？迈尔等人都曾做过这样的定义。我们用生物学家恩斯特？迈尔列表来做个例子：

    （1） 所有层次的生命系统都有非常复杂和适应的组织。

    （2） 生命有机体由化学上独特的一组高分子构成。

    （3） 生命系统中的重要现象主要是质的，而不是量的。

    （4） 所有层次的生命系统由高度可变的独特个体的群体组成。

    （5） 所有的有机体拥有历史上进化来的遗传程序，它使有机体能够参与目的性的过程和活动。

    （6） 生命有机体的类别是由共同家系的历史连接定义的。

    （7） 有机体是自然选择的产物。

    （8） 生命过程特别难以预料。

    在这种定义列表中，生命特征的选择因人而异，有的人的列表长一些，有的人又短一些。各种性质的集合似乎尽善尽美，同时又似是而非，以至于性质列表总是在变动，至今也没有固定下来。那么，诸君，始终处于变动中的定义又能定义什么呢？

    根本性质定义，听起来有点靠谱。说这句话不是因为我的生物学水平高，而是源于古人的四个字：“大道至简”。大道至简是说世间的大道理其实极简单，一两句话就能说明白。一样技术或者一门学问，弄得很深奥是没有看穿实质，搞的很复杂是没有抓住要害，反而容易陶醉在自我制造的纷繁复杂中不能自拔。就像武术高手在搏击时总是一招制敌，击中要害，绝不会大战300回合；高明的医生更是一针见血，药到病除，绝不会开乱七八糟的药物骗钱。

    科学家在生命的多种性质当中，寻找形成生命这个独特实体的根本原因。并逐步形成了新陈代谢说、灵活适应说和信息说。

    新陈代谢说指出生命的本质是物质和能量的新陈代谢。

    物质代谢是指生物体内物质的变化，包括同化作用和异化作用两个方面。同化作用是生物把从外界吸收来的物质合成为自身的物质的过程；异化作用则是生物把自身的物质分解，排出体外或重新利用的过程。

    能量代谢包括储存能量和释放能量两个方面。物质代谢和能量代谢实际上是一种过程的两种不同表现。有机体在同化作用的过程中储藏能量，而在异化作用的过程中释放能量。有机体物质的更新，生理机能的发生和有序结构的维持，都有赖于能量代谢。活的生命的一个基本的表现就是其体内一直在进行着物质代谢和能量代谢。这种活动一旦停止，生命也就不复存在。

    20世纪40年代，薛定鄂把这种观点作了进一步的发展，提出了“负熵说”的生命定义，认为生命是一种依靠新陈代谢持续面对热力学第二定律的系统。下列段落概述了他的观点：什么是生命的独特特征？什么时候一块物质可以被说成是活着的？……正是通过避免迅速腐败进入惰性的“平衡”状态使有机体看上去如此不可思议。……生命有机体怎样避免腐败呢？显然的回答是：通过吃、喝、呼吸和（在植物的情况下）同化。专门的术语叫新陈代谢……新陈代谢的本质就是有机体成功地在活着的同时使它自己从它必然产生的熵中摆脱出来。

    当然了，新陈代谢好理解，这个“负熵说”确实让物理学家之外的人很负伤。好在三十年后的1974年，马图拉纳和瓦里拉等人就在新陈代谢和负熵说的基础上，提出了自创生说。自创生说把生命描述为一个自创生的系统，这个系统有三个特点：一是自我设界，即生命系统自己为自己设置边界，从而使自己与环境或其它生物区分开；二是自我产生，即生命的所有组成部分，包括它的内容物和边界都是由系统自己转化产生的；三是自我维持，即生命内部的活动在时间中是持续不间断的。

    1990年，弗雷施克尔又进一步发展了自创生说。他认为生命需要从外环境输入和转换能量以驱动和维持其自身的生产过程，并保持其自身远离平衡的状态。生命系统的特点在于它能够把内部各个能量转换和物质相互作用的过程相互耦联，并组织成为一个完整的过程网。在这个过程网络中，系统的各种组成部分，包括边界膜结构本身都能自动地、连续地再生产出来。

    自我生产系统指的是系统的整体而不是局部，自我生产的实现靠整体运作进行生物学意义上的新陈代谢，而非自创生系统不可以。蛋白质、病毒、细胞质和基因都是生命物质的组成部分，当它们处在动物、植物或其它细胞内时，它们可能被用来维持细胞或组织的自创生行为，但它们本身并不能进行新陈代谢，在孤立状态下永远不能自创生。

    自创生在原则上并不依赖于任何特殊的材料。生命可能不一定必须由水构成，也不一定由含有碳、氮和氢的蛋白质构成，更不用说由氨基酸或者任何其它某种特殊的化合物构成。但由于生活在地球上的所有生命都来自共同的祖先，因此所有的生命都是水-蛋白质-核酸化学体系的一部分，这种状况一直持续了三十多亿年。这样，地球生命的自创生的化学知识为我们评价生命研究，尤其是生命起源和进化的研究提供了一个框架。

    负责的说，自创生理论已经把生命与非生命之间的差异描述的非常清晰了，然而依然是把生命的本质限定在生命自身，外界对于生命的影响被忽略了。比如说生命赖以存在的能量和物质，与自创生相比到底哪个更重要，缺少分析和比较。

    接下来，该哲学家出场了，美国里德学院的马克？贝多提出了灵活适应的生命概念。贝多认为，有两种类型的生命形式：一种是基本的生命形式，它们就是灵活适应系统本身；另一种是派生的或从属的生命形式，它们之所以是生命，主要是由于它们与第一种生命形式具有适当的关系。所以

    X是生命当且仅当：1、 X是灵活适应系统，或者

    2、X以恰当的方式与灵活适应系统相联系。

    根据这个定义，基本的生命形式是一个进化的生物群体，或者是全部进化的生态系统的许多群体，或者归根结底，是全部进化的、由许多相互作用的生态系统构成的生物圈，它们是基本的灵活适应系统。而个体生命、器官、细胞等之所以被看作是生命，完全是因为它们以恰当的方式与灵活适应系统有关。它们都是由灵活适应系统产生和支持的从属的生命形式。

    贝多把群体看作是生命的基本形式，个体因为它们与灵活适应系统具有某种适当的关系获得生命。这一点和我们的直观感受正好颠倒过来，于是我们有问题要问：多大的群体才是最基本的生命形式呢？个体和群体怎样的关系算是“适当”呢？我们找不出答案，难道这个也是灵活适应的？

    贝多的生命定义最有说服力，因而也最有影响力的是灵活适应；而最要害的缺陷也同样是灵活适应。若灵活适应系统是生命这句话是正确的，那么不能灵活适应的系统就不是生命也是对的。那么在地层考古过程中发现的、那些远古时期曾今存在的、现在却早已销声匿迹的生物群，是不是生命呢？用灵活适应说来解答如下：历史上曾今存在，那必须曾今是灵活适应系统，当然是生命。现在销声匿迹了，说明在某时不可能是灵活适应系统，那么它们当然不是生命。

    不好意思，有点乱，我想静静。

    或许是受上世纪90年代开始的信息化浪潮的影响吧，生命也终于和信息挂起钩来了，这次出场的是一个叫李建会的中国人。生命的信息定义强调生命在生长和繁殖过程中信息的传递作用。一个实体如果具有冯诺伊曼式的自我复制或繁殖的能力，那么这个实体就是有生命的。自我繁殖是指实体可以自己从1个变为2个，2个变为4个，4个变为8个……，以此类推。冯诺伊曼已经证明，自我繁殖系统是一个信息系统，这个系统所包含的自我繁殖信息一方面可以起到类似计算机程序的作用，在繁殖下一代的过程中它的表达产生出与自己基本相同的新个体，另一方面它还起到被动数据的作用，在繁殖下一代时可以基本不变地传递给下一代。

    生命信息定义的硬伤太明显了，因为最起码骡子就很受伤，它自出生起，除了体内基因能证明其信息依然存在之外，事实上没有冯诺伊曼式的自我复制或繁殖的能力，那么骡子这个实体算不算生命呢？

    在这些生命的定义之外，又有一些理论在酝酿发酵了，生命耗散结构理论、繁殖正反馈理论、超循环理论等等。终于有一段话吸引了我：“我们把自己拥有的一颗恒星叫做太阳，它的光辉对地球的生命是最根本的，阳光在地球表面已经掠过了40多亿年，今天的生态就是纯粹阳光的塑造，这种塑造使得地球拥有了一个长达40亿年的生命链，这个链条其实就是固体的阳光，因为生命的本质的含义就是把光能变成物质的新陈代谢。”

    这段话来自中国科学院拍摄的科教片《宇宙与人》。顺便做一下普及工作，《宇宙与人》是首部国产科普大片，由中科院院士担当“工作人员”，每秒钟千元的大制作，赶超国际水平的三维动画效果，多项国际、国内大奖荣誉，能让国外大片低头的科普作品。描述了宇宙与人类的起源、发展进化及二者间的相互关系，阐释了宇宙诞生、生命出现、恐龙灭绝、核聚变、宇宙大爆炸等困扰人们的疑问。

    我也看过很多国外的同类型科教片，多数是泛泛的描述式的演绎。《宇宙与人》不知道是哪位院士担纲“出演”的，这个生命本质的定义只有短短的一句话，再没有深入的分析，却令我深感震撼。那么我们一起来剖析一下这个定义的经典之处吧！

    很明显，在这个生命定义出现之前的所有努力，都是把生命本身作为定义的核心，从来没有脱离我们所处的地球环境，也从来没有把对生命的理解放在宇宙演化当中去做理解。虽然浩淼的宇宙当中真正与地球生命相关的物质的量并不多，然而自然界这个词汇，却依然不是小小的地球能够承担的。当我们从宇宙演化和太阳系的演化的角度出发，生命的意义便清晰起来。

    在自然界的长期演化中，生命似乎得天独厚。尤其人类，不仅具有超越其他物种的智能，还建立起了极其复杂而严密的社会组织体系。然而包括人类的生命也只是自然演化的必然产物而已，没有生命，自然照样存在，但是生命只有在一定的自然环境中才能生存。借用一句诗歌来形容：生命存在或者不存在，自然就在这里，不悲不喜。

    自然界可以划分为有机自然界和无机自然界，生命属于有机自然界，有机物是生命产生的物质基础。

 

    简单地说，有机物就是含碳的化合物，无机物是不含碳的化合物。但下列含碳的化合物，由于性质接近无机物，因此将它们归属无机物：CO、CO2、H2CO3、碳酸盐（RCO3）、（CN）2、HCN、HCNO、氢氰酸盐（RCN）、氰酸盐（RCNO）、二硫化碳、碳化钙等等。与无机物中C原子的作用不同，有机物中的C是作为有机物中的骨架，连接有H、O、N等其它的元素，而含碳无机化合物却不是。

    目前已经发现的无机物有二十多万种，绝大多数的无机物可以归入氧化物、酸、碱、盐四大类。而有机物则数目众多，可达几百万种。因为有机化合物的碳原子的结合能力非常强，互相可以结合成碳链或碳环。碳原子数量可以是1、2个，也可以是几千、几万个，许多有机高分子化合物甚至可以有几十万个碳原子。此外，有机化合物中同分异构现象非常普遍，这也是造成有机化合物众多的原因之一。

    有机化合物具有“两难两易”的性质，即一般情况下难溶于水，难电离，易熔化，易燃烧。

   

    那么如何应用上述的性质来判断一种物质是有机物还是无机物？如果用熔点的高低、是否溶于水、物质之间反应的快慢等来做判别的度量，那么有机物和无机物一定会混杂不清。学过化学的地球人一般只说两个字，那就是“燃烧”。

    我们用最简单的有机物甲烷CH4和无机物CO的燃烧来做比较。

    CH4+2O2=CO2+2H2O2CO+O2=2CO2

    我记得初中化学列过很多有机物燃烧的分子式，燃烧基本上是二氧化碳、一氧化碳、水及相关元素的氧化物。据此可以得出这样的结论：无机物燃烧生成的依然是无机物，同时放出热量。有机物燃烧生成的却不再是有机物，而是无机物，同时放出热量。

    有兴趣的朋友，可以按照波普尔的“真伪不对称性”进行验证。波普尔说：“在依赖观察的科学中，证明一个陈述或理论是真理，这是不可能的，但证明它错误却很简单。比如说；“天鹅都是白的”，你试图证真这个陈述，不论你观察了多少只白天鹅，你都无法证实“天鹅都是白的”是真理。但如果你观察到一只黑天鹅，这个观察结论就被推翻了！”

    而事实上，不独是我们常常念叨的那些碳氢化合物，有机自然界的所有物质，除了不能燃烧的CCL4等之外，即便是植物、动物等生命也不例外，燃烧之后的产物都是无机物和热量。我们似乎可以这样理解，无机物（CO2、H2O等）和能量的组合形成了有机物。

    现在我们有必要考察有机物的来源了。这个问题科学早有定论：部分有机物来自植物界，但绝大多数是以石油、天然气、煤等作为原料，通过人工合成的方法制得。这样就清楚了，因为你知道，石油、天然气是古代生物遗骸堆积在湖里、海里，或是陆地上，经高温、高压的作用，由复杂的生物及化学作用转化而成的；而煤炭是古代植物遗体的堆积层埋在地下后，经过长时期的地质作用而形成的。要知道，古代动物、植物、微生物在那个时代当然也曾是鲜活的生命，现在我们终于可以这样说：有机自然界是由当前鲜活的生命以及曾今鲜活的生命组成的。

    这样的推理可以得出以下的结论：有机自然界--即远古和当今的生命——是无机物（CO2、H2O等）和能量组合形成的。生命之外的自然相当于生命无机的身体，生命体和无机自然界持续不断的交换物质和能量，最后又失去意识而回归无机世界。即便是拥有高度智慧的人类同自然界之间的关系，严格的讲也不过是有机自然界和无机自然界之间的关系。

    而组成远古和当今生命体的能量的来源。毫无疑问，阳光维系着一切生命，它像一条脐带在太空中连绵延续了1.5亿公里。早在1833年，从音乐家转行的天文学家赫歇尔，在他的著作《天文学》中就热情洋溢地表达了这个观点：“阳光是地球表面几乎所有运动的最终根源。阳光带来的热量产生了风，由于阳光的“生气”，无机物转变成了植物，并进一步支持动物和人类的活动；在煤层中，阳光的动能效率沉积下来又能够为人类所用。”

    植物、藻类和部分细菌就像个转换器，在这里，无机物和光转变成有机物，实现了将光能转变成化学能，事实上光成为了物质的一部分。据估计地球上的自养植物一年中通过光合作用约同化2000亿吨碳素，约合成5000亿吨有机物，其中40%是由浮游植物同化的，余下的60%则由陆生植物同化。也正是植物能够捕获日光这一处在复杂食物链最底层的特性滋养孕育着地球上几乎所有的生命。

   

    有机自然界和无机自然界的关系是：无机自然界的无机物和太阳光组合形成了有机自然界。无机物的各种组合实现了一个目的，那就是较长期的留住阳光。即便是使用无机物由人工合成的有机物，如尿素等，其使用的能量的最终来源也是阳光。

    从太阳系行星间的对比也能看出来，不论是水星、金星、火星等，阳光照射所转变的热能、物质的势能、电能等各种形式的能量，都不停的在各种物质之间迁移、散发，始终不能够长期的稳定的维持。准确的说只有地球上的生命——物质的宇宙演化出生命，目前唯一的就是我们的太阳系，而且生命还很吝啬地只选择了太阳的第3颗行星--能将阳光固定并逐渐的使用消耗，而不是让它随风而去。从无机自然界的物质组合将阳光留住这个意义上讲，有机物就是固体的阳光--人是行走着的阳光；树是生长在地上的阳光，鱼是游弋在水里的阳光，而石油煤炭，那是逝去的生命存储的阳光。

    现在再来看《宇宙与人》当中的生命的定义：生命的本质就是把光能变成物质的新陈代谢。在严谨程度上似乎还略微有些欠缺，因为动物和部分微生物是不具备这种功能的，它们反倒是这些物质的消耗者，而消耗的结果是将有机物最终转变为无机物，并缓慢的释放出能量。在这个定义的基础上，完善的生命定义可以是：生命是这样的有机物，其中的一部分（植物、藻类、某些细菌）把阳光转变为物质，并供给所有的生命进行新陈代谢。

    知道了生命本质上的意义，我禁不住抬头望向太阳，它只是像一个圆盘挂在天空，闪着炫目的光芒，丝毫也没有显出孕育生命的骄傲。当生命的本质清晰起来，包括人类在内的生命以及它们所形成的种群或者社会，便与无机自然界的科学--自然科学挂起勾来了。这让我急于想了解太阳，当然若能回归阳光，我更愿意用八分钟穿越这1.5亿公里，去看看我所从来的地方，去感受那颗恒星的雄壮和律动。