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From Unsplash 生命是什么？或者说，一个东西到底需要具有什么样的特征，才会被我们地球人类看作生命？ 基于日常经验和直觉，我们很容易回答这个问题。路边的一堆石头瓦砾，对比一棵树，一只猫，一个人，区别似乎是显而易见的。杨柳新枝，春华秋实，我们看得到树木的变化；一会儿上蹿下跳，一会儿呼噜噜睡觉，我们也看得到小猫的变化。至于我们人类自己，除了吃喝拉撒睡，还能用语言交流，能理解抽象的概念。这一切都和那一堆静静待在那里、看起来没有丝毫变化的瓦砾石头很不一样。 但是这些“不一样”背后的本质差别是什么呢？我们看到的这些“变化”又是如何产生的？是哪些要素构造和推动了生命现象呢？而最终我们将不得不面对的问题则是，这些构成生命现象的要素，真的是人类智慧可以最终理解的吗？ 三种灵魂 最后这个问题看起来似乎不言而喻。读者想必都受过相当一段时间的正经科学教育，自然而然地会用唯物主义的眼光来看待生命：生命现象再复杂精巧，也必定是有物质基础的，也必定是存在一个科学解释的。哪怕今天我们还不知道这种物质基础和科学解释是什么。 但是在很长一段时间里，人们普遍相信生命具备一种神秘难解的特性。 这一点倒也不难理解。在我们的前辈看来，生命现象实在是奇妙得不可思议。生命看起来居然能够自然发生——一潭污秽的死水里会飞出蚊子，一堆腐烂的野草里会爬出萤火虫；生命看起来居然会持续变化——小孩子会逐渐长大成人，青草也可以岁岁枯荣周而复始；生命居然还可以一去不复返——煮熟的鸭子不会飞，逝去的亲人从此阴阳两隔。这一切都提示着，生命现象看起来必然具备一种超越了具体物质组成的、形而上学的神秘特性——我们姑且叫它“生命特殊论”好了。 古希腊的亚里士多德是古代世界许多哲学和科学思想的集大成者，他把这种神秘特性称为“灵魂”。在他看来，这种叫灵魂的东西看不见摸不着，却能够赋予生命体各种各样的神奇属性。 亚里士多德认为植物有一种灵魂，催使它们不断地生长繁殖；动物则多了一种灵魂，负责感知和运动；而我们人类有三种灵魂，除了动物的两种灵魂外，还有一种负责理性思考的灵魂（见图 1-1）。 刻薄一点说，这套理论不过就是把人人都能看到的东西，换了几个抽象的词重新说了一遍而已。植物能长高长大，还能开花结果，这一切必须有个东西来驱动，所以植物必须有负责生长繁殖的灵魂。动物除了生长繁殖之外，还会吃，会叫，会运动，所以还需要指导感知和运动的灵魂。至于我们人类自己，作为万物之灵，我们还会思考，会做数学题，因此需要理性灵魂的驱动。 显然，亚里士多德的灵魂理论并没有真的解决任何问题。说物质因为这三种灵魂才有了生命力，和说水能流动是因为“水性”、火车跑得快是因为 “移动性”一样，属于循环论证式的自说自话。至于这三种灵魂到底是什么东西，我们除了命名它们之外还能对它们做些什么样的研究，亚里士多德和他所处的时代显然还没有能力回答。 除此之外，亚里士多德的灵魂理论有一个非常令人不安的特点。他说的这种叫灵魂的东西，并不是一种具体的、看得见摸得着、可以对此开展观察和研究的实在物质，而是生命的一种“表现形式”。 换句话说，按照亚里士多德的理论，灵魂这种东西只有活着的生物才有，而且并不和任何具体物质绑定。就算有人把一棵树或者一只猫层层剖开，用最先进的仪器一点点分析它们的物质构成，也是绝对不可能把灵魂这种东西找出来的。这就从逻辑上阻止了人类对生命本质进行任何实际的探究。因此，如果生命的本质真的如亚里士多德所言，那么人类只能千秋万代地在“灵魂”这个不可触碰、难以挑战的概念面前顶礼膜拜。 这种听天由命的不可知论态度遭到了许多人的猛烈批判，特别是当欧洲文明走出中世纪的阴霾，重新捡拾起理性和创造力之后。 在 17 世纪的法国哲学家勒内 · 笛卡儿（Rene Descartes）看来，哪里有什么虚无缥缈的灵魂，生命现象完全可以用冷冰冰的科学定律来解释，甚至只需要用人类已知的简单机械原理就足够了。 笛卡儿的这种思想被他的忠实追随者、法国发明家雅克 · 德 · 沃康松（Jacques de Vaucanson）用一种戏剧化的方法呈现了出来。沃康松制作了一只机械鸭子（见图 1-2）。在发条的驱动下，这只鸭子能扇翅膀，能吃东西，甚至还能消化食物和排泄。 当然了，沃康松的鸭子并不是真的能消化食物。它仅仅是依靠发条驱动张开“嘴巴”，把“吃”下去的食物存在肚子里；随后又把肚子里预先存好的排泄物从屁股那里“排”出来而已。但是这只火遍了全欧洲的机械鸭子却实实在在地引领了机械论生命哲学的风潮。既然简单的几根发条就能以假乱真地模拟出运动乃至食物消化吸收的功能，那假以时日，人类的能工巧匠真的能仿制出生物体的某些机能，也不是不可想象的吧？再推演得更远一步，我们是不是也能说，生命现象不管看起来多么复杂，多么不可思议，应该也是某些简单的机械原理驱动的吧？它应该也是可以被我们人类所理解的吧？我们又何苦需要一个高高在上的灵魂概念来解释生命呢？ 但是很遗憾，这种早期的乐观主义情绪却没能持续多久。回头来看，在那个时代，相比起生命现象的复杂程度，人类的知识储备实在是太薄弱了。 再举一个我们耳熟能详的例子：动物从受精卵到成熟个体的发育过程。在上百年的时间里，人们一直没有找到办法能把机械理论和胚胎发育的过程自洽地融合在一起。一枚小小的受精卵能够从小变大，最终变成一个和父母相似的生物，这件事怎么看也不像是杠杆滑轮一类的机械系统能够解释的。就算假设受精卵里存着一幅生物体的设计蓝图，那总得有建筑师按照这张蓝图施工吧？这个建筑师又藏在哪里呢？ 在 19 世纪末，德国科学家汉斯 · 杜里舒（Hans Driesch）更是发现了一个耸人听闻的现象。他收集了处于四细胞期（即受精卵经过了两次细胞分裂）的海胆胚胎，然后把四个细胞分裂开来单独培养。按照机械论哲学的预测，这四个细胞应该会分别变成海胆的一部分，拼起来才是一个完整的海胆。但是实验结果却是，四个细胞分别长成了体形较小，但是形态仍旧正常的海胆（见图 1-3）！这种奇怪的现象，如果不动用某种类似于“灵魂”的概念，来说明生命现象有某种凌驾于物质之上的、系统性的甚至精神性的规律，好像还真的不好理解。毕竟对于任何一种人类机械，如果大卸四块，估计都将立刻停止工作，怎么可能会变成四个个头较小的机械？ 因此说来也很无奈，在亚里士多德逝世两千年后的 19 世纪，他大多数具体的科学论点，比如五种元素构成世界、物体运动是因为推动力的存在，都已经被后辈科学家无情地抛弃或是修正了。然而他关于生命源自“灵魂”驱动的理论却近乎完整地保留了下来，并且以所谓“活力论”的形式重新成为科学主流。甚至连铁杆的机械论者笛卡儿，在谈及人类心智的时候还是举起了所谓“二元论”的大旗。尽管他宣称动物和人类的身体可以还原到基本的物理化学定律，但是在他看来，人类心智还是太过复杂奥妙，是无法用机械论解释的。 当然，毕竟两千年过去了，人类的科学知识储备和亚里士多德时代相比不可同日而语。因此，相比自说自话的“灵魂”论，生逢其时的“活力”学说有了更清晰的科学基础。 活力论的兴衰18 世纪，现代化学诞生了，许多原本复杂难解的自然现象得到了解释。法国科学家安托万 - 洛朗 · 德 · 拉瓦锡（Antoine-Laurent de Lavoisier）利用燃烧实验推翻了燃素学说。从此人们才开始明白，跳动的火苗、五颜六色的烟火，这些让人目眩神迷的现象，实质上只是不同物质和氧气的化学反应。为了解释常见化学物质的构成，拉瓦锡还从古希腊人那里借用了“元素”的概念，认为世间万物都是由不同元素（即不可再分的化学物质）组合而成的（拉瓦锡制作的第一份元素列表见图 1-4）。 更进一步地，英国科学家约翰 · 道尔顿（John Dalton）天才地提出了原子论，认为化学物质无非是不同化学元素的原子微粒组合而成的，而化学反应的本质其实就是这些原子颗粒的重新排列组合。在元素学说和原子论的光芒照耀下，整个 19 世纪，在来自世界各地的矿藏中发现了大量的新元素和新化合物。因此人们自然而然地想到，也许生命现象的本质就是某种特殊的化学物质，或者是某种特殊的化学反应？ 也就是从这里开始，人们重新开始试图用还原论的思想理解生命现象。 稍晚些时候，生物学领域也收获了重要的突破。法国生物学家路易斯 · 巴斯德（Louis Pasteur，见图 1-5）受酒商的委托解决啤酒和葡萄酒变质的问题，因此他仔细研究了啤酒的正常发酵过程。很快他发现，发酵和变质本质上是一回事。无论是糖到酒精的正常发酵过程，还是糖到乳酸的变质过程，都需要一种微小的单细胞生物——酵母——的参与。更重要的是，只有活酵母才能驱动发酵和变酸的反应，如果把葡萄预先高温处理，杀死酵母，那么葡萄汁放得再久也不会发生变化。 从这个简单的观察出发，巴斯德推测，许多生命现象（包括许多人类疾病）可能都是由微生物引起的。他的这些研究标志着微生物学的诞生，人类从此开始正视这个看不见摸不着但同样生机勃勃的生物世界。也正是因为有了巴斯德的伟大发现，今天的我们才有了灭菌术、抗生素和各种各样的疫苗。 不过，对于我们的故事而言，可能更重要的是巴斯德戏剧性地把他的发现向前（错误地）推演了一步。他认为，既然只有活酵母才能催化发酵过程，那么反过来，发酵就是只有生命才具备的化学反应。也就是说，生命和非生命的界限可能就在于许许多多类似发酵的、只有在生命体内才能进行的化学过程。 在这些学科大发展的背景之下，瑞典化学大师永斯 · 雅各布 · 贝采利乌斯（Jöns Jakob Berzelius）从亚里士多德和笛卡儿那里接过了生命特殊论的大旗，为这种哲学理论赋予了全新的科学内涵——活力论。 和亚里士多德一样，贝采利乌斯同样认为生命有着独特的、被他称为 “活力”的性质。贝采利乌斯认为，所谓活力就是某些特殊的化学物质和化学反应。它们只存在于活着的生物体内部，绝不会在自然界自然出现。这些特殊的活力物质和活力反应，正是生命现象的物质基础。 拿跨越两千年的灵魂论和活力论比较一下，你会发现背后有一种一脉相承的生命特殊论哲学，人类对生命现象的理解居然是如此步履蹒跚。 但是，活力论虽然看起来是改头换面的灵魂论，但是两者的出发点是完全不同的。就像我们刚刚说到的，亚里士多德的灵魂论等于是彻底放弃了人类理解生命现象的可能性，臣服于复杂难解的生命现象之下，但是贝采利乌斯的活力论却是可以接受科学实验检验的。 根据贝采利乌斯的理论，如果人类科学家确实在生命体内部找到了某种特殊的化学物质或者化学反应，而这种物质或反应绝对不可能在非生物环境中出现，那我们就能够骄傲地宣称我们理解了生命的本质；反过来，如果我们“上穷碧落下黄泉”之后也没发现生物体内有任何特殊的东西，那至少可以说活力论是一种错误的假设，我们还得继续去探寻生命的解释。 因此，和灵魂论不同，活力论简直是人类智慧对生命现象下的一道挑战书。科学之所以从诞生之日起不断推陈出新，恰恰是因为它的这种勇气和开放性。在科学的语言里，没有“自古以来”，没有“理当如此”。在证据面前曾经倒下过数不清的科学假说和思想，但是对客观世界规律的深入探索却从未停步。 而历史的巧合是，建立活力论的是化学家贝采利乌斯，给活力论敲响第一声丧钟的也是化学家——居然是贝采利乌斯的学生。这种巧合所反映的也许恰是科学探索的百折千回和柳暗花明。 1824 年，德国化学家弗里德李希 · 维勒（Friedrich Wohler）在实验室开始了一项新研究，他试图合成一种名为氰酸铵的化学物质。为此，他将氰酸和氨水——两种天然存在的物质——混合在一起加热蒸馏，然后分析烧瓶里是否出现了他希望得到的新物质。但他发现，反应结束后留在烧瓶底部的白色晶体并不是氰酸铵。 到了 1828 年，他终于肯定了这种白色晶体的成分其实是尿素： 这个结果让他困惑不已 ①。实际上，在此前的几年里，维勒与其说是在慢慢揭示这种白色晶体的成分，倒不如说他是在反复确认尿素这个发现的正确性。② 维勒如此小心谨慎不是没有原因的。因为尿素——顾名思义，是一种从动物尿液中纯化出的物质——是一种不折不扣的仅有生物体才能合成的“活力”物质！换句话说，维勒的意外发现证明，所谓的活力物质——或者至少某些活力物质——没有什么神秘的，完全可以直接利用天然存在的物质简单方便地制造出来。 ① 直到今天，我们仍然不十分清楚为何氰酸铵会自发重排成为尿素。② 据说，当确认了实验的产物明白无疑就是尿素之后，维勒兴奋地给他的老师、活力论的集大成者贝采利乌斯写信说：“我必须要告诉您，我能够完全不依靠动物的肾脏制造出尿素来！”而老师的反应是：“你干脆说你能在实验室制造出一个孩子来算了！” 当然，和所有违反常理的发现一样，维勒的实验结果遭遇了全方位的质疑和挑战。其中最有趣的一种是怀疑维勒在做试验过程中不小心接触到了烧瓶里的反应物质，从而把自身的“活力”传了过去（我们可以想象，这确实是一种逻辑上自圆其说、无法证伪的解释）。不过在维勒之后，越来越多的“活力”物质被化学家合成了出来。1844 年，受到维勒实验鼓舞的德国化学家赫曼 · 科尔伯（Hermann Kolbe）合成了第二种“活力”物质——醋酸。之后越来越多的化学家在实验室的瓶瓶罐罐里制造出了花样繁多的“活力” 物质，活力论的阵脚开始松动了。 其实如果从逻辑上说，维勒的尿素合成和科尔伯的醋酸合成本身并不能说明生物体内就不存在活力物质和活力反应。反对者完全可以修改对活力物质的定义，认定能被轻易合成的尿素和醋酸根本就不是什么活力物质，真正的活力物质仍然隐藏在生命体复杂的活动之后，不轻易露出庐山真面目。这正是为什么在此之后巴斯德仍然会（错误地）认为发酵是生命体内独有的化学反应。 但是站在历史的进程中看，人类又一次走到了解释生命现象的十字路口。 道理是显然的，既然尿素和醋酸这样的“活力”物质在实验室里也可以批量制造，那么生产这些“活力”物质的化学反应过程应该也不神秘，完全可能在实验室重建出来。这样的话，我们就不一定需要借助某种仅存在于生物体内部的东西才能解释生命的某些活动了——至少生物制造尿素和醋酸的过程就不再需要这种假设了。 既然如此，那为什么不干脆一些，假设生命现象本质上和自然界发生的物理化学现象并没有什么明确的界限？或者，为什么不干脆用已知的物理和化学规律去解释整个生命现象呢？ 烧瓶里的原始地球真正为灵魂论和活力论钉死棺材板，在物质层面彻底葬送生命特殊论的，是大名鼎鼎的米勒 − 尤里实验。 1952 年，美国芝加哥大学的博士新生斯坦利 · 米勒（Stanley Miller）对地球生命的起源问题产生了浓厚的兴趣。他说服了自己的导师、诺贝尔化学奖获得者哈罗德 · 尤里（Harold Urey），设计了一个即便在今天看来也有点科幻色彩的实验。 米勒的野心是在小小的实验室里模拟原始地球的环境，看看在那种环境里，构成生命的物质能否从无到有地自然产生。可以看出，米勒的目标比单纯在实验室里合成某种“活力”物质要激进得多。他的希望是检验在远古地球环境中，各种“活力”物质能否自发地出现。 根据当时人们对原始地球环境的猜测，米勒搭了一个略显简陋的实验装置（见图 1-6）。他在一个大烧瓶里装上水，点上酒精灯不断加热，模拟沸腾的海洋。他还在装置里通进氢气、甲烷和氨气，模拟上古时代的地球大气。米勒还在烧瓶里不断点燃电火花，模拟远古地球大气的闪电。实验的真实情景可以想象：在酒精灯的炙烤下，“海水”不断蒸腾，浓密的水蒸气升入“大气”，形成厚厚的云层。浓云中雷鸣电闪，暴雨倾盆，又在不断搅动沸腾的“海洋”。这套简单的装置，可以说是米勒对原始地球环境一种非常简单、非常粗糙的还原。 短短一天之后，某些奇怪的事情就发生了——烧瓶里的水不再澄清，而是变成了淡淡的粉红色，一定有某些全新的物质生成了。即便有这样的心理准备，当一周之后米勒停止加热，关掉电源，从烧瓶里取出“海水”进行分析的时候，结果还是大大出乎他的意料。海水中出现了许多全新的化学物质，甚至包括五种氨基酸分子！ 众所周知，氨基酸是构成蛋白质分子的基本单位。地球上所有生命体中的蛋白质分子，都是由 20 种氨基酸分子排列组合而成的。而蛋白质是什么？蛋白质是组成地球生命的重要物质，人体内蛋白质分子占到了体重的20%，仅仅少于水分所占的比例。在人体的每一个细胞里，都有超过 10 亿个蛋白质分子驱动着几乎全部生命所需的化学反应：支撑细胞结构、传递细胞信号、复制和翻译遗传信息、产生和消耗能量，等等。说氨基酸分子是构成地球生命的基石，一点也不为过。 米勒只需要短短一周，就在一个容量不过几升的瓶子里制造出了氨基酸，那么在几十亿年前的浩瀚原始海洋里，在数千万年甚至上亿年的时间尺度里，从无到有地构造出生命现象蕴含的全部化学反应，制造出生命所需的所有物质，乃至创造出生命本身，是不是也就不是那么难以想象了？既然如此，我们哪里还需要生命特殊论？至少在物质构成的角度上，包括人类在内的地球生命，并没有什么特殊之处。灵魂也好，活力也好，瞬间变成了多余的假说。 当然，用今天的眼光看，米勒 − 尤里实验的设计和解读是有不少缺憾和问题的。在 2007 年米勒去世后，他的学生仔细分析了 20 世纪 50 年代留下的烧瓶样本，证明其中含有的氨基酸种类要远多于最初发现的五种——甚至可能多至三四十种。这一发现更强有力地说明了制造构成地球生命的物质并非一件很困难的事情。但是另一方面，今天的研究者倾向于认为早期地球大气根本没有多少氨气、甲烷和氢气，反而是二氧化硫、硫化氢、二氧化碳和氮气更多。因此米勒 − 尤里实验的基本假设就是错误的。当然，后来的科学家（包括米勒的学生）也证明了即便是在这样的条件下，只需要加一些限定，仍然可以很快地制造出氨基酸。 作为经典的自然课演示实验，米勒 − 尤里实验在全世界的课堂上被重复过成千上万次。烧瓶里沸腾翻滚的液体，不时击穿浓浓烟雾的电火花，成为许多孩子认识生命现象的第一课。 生命是什么从灵魂论到活力论，从尿素合成到米勒 − 尤里实验，随着我们一点点地抛弃生命特殊论，一步步将神秘莫测的生命现象还原到基本的物理和化学定律，生命和非生命之间的界限在不断模糊。 本来我们以为，生命的本质是某种看不见摸不着、但能够赋予生物体生机和活力的“灵魂”。后来我们认为，生命的本质是某些仅有生命体才能生产的化学物质，或者是某些只有生物体才能驱动的化学反应，又或者是某几条仅有生命中才存在、超脱于基本物理和化学规律之上的法则定理。然而随着越来越多的生命现象能够被人工重现或模拟—— 一开始是物质，接着是化学反应，随后可能是法则和定理——我们好像反而越来越难以确定生命的定义。 也正因为这一点，许多生物学家干脆倾向于避免给生命下一个边界明确的科学定义。在他们看来，有没有这个定义根本不影响我们研究生命现象。毕竟，不需要什么严谨的科学定义，我们也都知道一棵树或一只猫是“活的”，也自然会把树和猫作为生物学的研究对象。相反，非要给出这样一个定义，反倒会让科学研究束手束脚——最好的例子就是已经被证明是错误的活力论。如果说生命的本质是新陈代谢，是与环境之间持续的能量和物质交换，那一台呜呜作响的蒸汽机是不是生命？如果说生命的本质是自我复制，万一我们造出一套能打印自己的 3D 打印机怎么办？如果说生命的本质是对环境做出反应，那自动抓拍超速和闯红灯车辆的摄像头又算什么？ 必须承认，在我们的故事里，讲到米勒 − 尤里实验为止，我们对生命现象的解构仅仅到了物质层面，距离真正理解生命现象背后的运行原理，还差得远呢。不过我们还是得说，科学的进步给了我们足够的自信，让我们在面对仍旧复杂难解的生命现象时，不需要再不由自主地祈求某种神秘存在——不管是灵魂还是活力——的帮助了。尽管我们距离真正理解生命还有很遥远的距离，但是我们的科学知识储备让我们相信，生命现象完全可以被我们所能理解的科学所解释。 例如，在清朝末年的时候，想要给中国人解释照相机的工作原理可能是一件非常危险的事情。历史文献里记载了许多当年的达官贵人在面对相机时的惊慌失措，也记录了许多流传于市井的谣言。例如这东西能吸取人的魂魄，乃是洋鬼子造来害中国人的神兵利器，等等。但是在今天，哪怕是面对世界上最复杂的人造物体——波音飞机、核电站或是神舟飞船，我们也可以自信地判断，它们的运行一定遵循着这个世界的物理和化学定律，并不需要什么神秘的“灵魂”和“活力”。这并不是因为今天的我们比百年前的祖先更聪明睿智，而是因为我们拥有了一定的科学储备，明白人类的科学进步足以支撑这些复杂装置背后的运行原理，哪怕我们自己的所学还远不足以理解这些原理。 这其中的道理被一位物理学家总结得透彻无比。1944 年，量子力学奠基人之一、波动方程的创造者埃尔文 · 薛定谔（Erwin Schrodinger）出版了著名的《生命是什么》一书（见图 1-7）。在这本“跨界”作品里，薛定谔雄辩地指出，尽管在高度复杂的生命体中很可能会涌现出全新的定律，但是这些新定律绝不会违背物理学。遵循这个观念，薛定谔提到生命活动需要 “精确的物理学定律”，他设想生命的遗传物质是一种“非周期性晶体”，而遗传变异则可能是“基因分子的量子跃迁”。他敏锐地提出，生物体需要不停地从环境中攫取“负熵”，才能避免死亡和衰退。而此后半个多世纪的生物学突破一直在印证薛定谔的自信预言。 这种自信，可能也是到此为止我们的故事里最大的收获。 我们希望最终理解生命，理解我们自己。而为了实现这个愿望，我们必须首先假定生命是可以被我们理解的，生命现象里没有超越我们认知能力的神秘物质和规律。这听起来似乎有点危险，不过能让我们稍稍放心的是，从灵魂论到活力论，从尿素合成到米勒 − 尤里实验，从薛定谔的预言到今天，这个假定还看不到有被挑战和推翻的迹象。只有当人类最终完全理解生命现象之后，我们才可以回头骄傲地宣称，生命现象已经被人类智慧所征服，我们终于不再需要这个假定了！ 这一天仍旧遥远，但是我相信它终将到来。 ——本文选自《生命是什么》 █ 浙江大学教授、科普作家、“文津图书奖”“吴大猷金奖”“菠萝化学奖”““全球华语科幻星云奖 ”得主王立铭科普力作 █ 生命科学家饶毅、科幻作家刘慈欣、科幻作家郝景芳、资深媒体人罗振宇、德国癌症研究中心终身研究员刘海坤 联袂推荐 |
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