|
五一期间，在附近的公园看到鲜花的绽放和奔跑的少年，感受到了春天的气息和生命的活力，这不仅让我思考生命是什么？它从哪里来？如何进化为我们这个五彩缤纷的世界？带着这个问题，我阅读了《生命是什么：40亿年生命史诗的开端》，作者是色列本古里安大学教授，埃迪.普罗斯，他是一个着迷于生命本质的科学家，这本书就是他关于这个话题的代表作，他从底层学科——化学的视角，阐释了可能来源以及演化背后的动力，深受启发，分享与你。你认为生命是什么？你可能会说动植物，细菌等，但是如何给它下个定义？人工智能算不算生命？它们中有些能移动，能自己充电，还能自我修复，你可能还是不认可它们是生命。那什么是生命？关于这个问题，有很多不同的定义，如下是几个比较典型的：①弗里曼.戴森（Freeman Dyson）:一个能够获取，储藏处理以及利用信息来规划其活动的物质系统；②维克托.库宁（Victor Kunin）:一个能够不断得到单位和能量供应，并受到保护的核酸和蛋白质酶聚合系统；③古斯塔夫.阿列纽斯（Gustaf Arrhenius）:能够实现如下功能的系统：自我组织，自我复制，通过变异而进化，新陈代谢，集中密闭；④雷米.亨内特（Remy Hennet）:生命简单来说就是一种有序的不稳定状态。以上是书中列出的关于生命的定义，但他们之间没有重叠，而且关注的重点不一样，比如，第1个定义更多的关注的是信息的角度，第2关注的是生命的基础硬件；第3个关心的是生命的特性；第4个强调的是生命的热力学特征。而最为广泛的定义可能是NASA基于宇宙生物学项目，在1992年提出的：生命是一个能够发生达尔文式进化的自我维持的化学系统。这虽然是一个很有吸引力的定义，但也存在着缺陷，因为这个定义在个体的生命层面不适用。比如骡子，它是由马和驴杂交而生的，它就不具有生殖能力，更不能繁衍后代以及进行达尔文式的进化，但我们不能说它不是生命。所以作者认为NASA这个定义也不够完整，那作者的定义是什么呢？我们会放在本文的结尾揭晓。作者在介绍生命是什么之前，花了一章的篇幅来探讨他在研究这个问题当中所使用的方法论：还原论和整体论。还原论的核心观点“一个整体可以被理解为其各个组成部分之间的相互作用”，比如你要理解一个汽车，你可以将其拆解为车身，底盘，发动机等系统，并分析他们的相互作用。整体论强调整体的意义大于部分之和，它源于系统论，它的一个重要特性"涌现"，这是单个部分所有没有的特性。整体论或者系统思考是我自己之前很推崇的，因为我们周围的很多事情都可以看成是系统，而且它的“涌现”特性很吸引人。而作者旗帜鲜明的指出，还原论更重要，特别是对于研究生命是什么更加的重要，他认为整体论只不过是修正过后的还原论。即使是我们说的“涌现”，作者看来大多数情况是能通过还原论理解的。比如我们所使用的手机，它有很多的功能，这些功能看似是很神奇地从构成它的部件中涌现的，但它别后的功能都是可以层层拆解得到的，否则我们就无法设计它了。而这也是我之前很推崇《系统架构》的原因，因为看似涌现的功能，它背后是有设计逻辑的，是可以通过层层分解来实现的。无论是还原论还是整体论，它们只不过是建立因果关系不同方向，前者是从下往上，后者是从上往下，而我们可以借用小时作文的思路整合它们：总-分-总，先整体感知和理解，再分解到个各个部分，最后在综合，形成更深层的理解。而最怕的是，搞不清楚背后原理，就用所谓的“整体论”大而化之，把原本可以解析清楚的，变成高深莫测的东西。作者为什么要介绍这两种方法论？我理解这和他后面对生命的分析和定义有很大的关系，那就是要从生命最底层的作用机理去理解，再上升到生命的整个过程来理解，本书u两种方法都用到了，比例大概是80/20（还原论/整体论）。前面提到了NASA对生命的定义，其中提到“符合达尔文式进化”，达尔文的进化论的确是我们对生命发展的一个开创性见解。但这个见解有一个前提假设——生命已经出现，但没有回答更根本的一个问题：如何从非生命到生命?而作者就试图尝试从化学的角度回答这问题，并为生命的发展提供一个更加底层的解释框架——化学，这是一个比生物学或者生态学更加底层的解释，对于生命起源，我不认为作者给出了确凿的答案，但是很有启发，而新的解释框架在解释物种复杂化方面，我认为的确更加具有解释力。
3.1 生命从而而来？
我们先不断定生命就一定起源于化学反应，但是我们现在能够观察到到所有的生命体系都包含成千上万个化学反应，而生命体的基本组成单位——细胞，也是能够将高度复杂化的化学反应整合起来的系统。这一方面增加了我们认识生命的难度，但另外一方面也告诉了我们，从化学角度去理解生物的起源是一个大概率的切入点。什么是化学反应？化学反应是将某些化学物质转化为另外一些化学物质的过程。比如将氢气和氧气合成水的爆炸反应，将蛋白质分解为基本的组成单位氨基酸的反应，都属于常见的化学反应。而化学反应也遵循热力学第二定律，也就是说有些反应常常一点火花或者是催化剂就很容易发生，但其逆反应却几乎不会自动发生。比如将氢气和氧气变成水很容易，但是将水变成氢气和氧气，这个过程很难自动发生。换句话说，化学反应通常是从更高的自由能到更低的自由能，水的自由能要低于氢气和氧自由能的总和，所以它们合成水更容易，而且氢气和氧气当中储存的多余的能量也将以热量的形式释放出来，这个反应过程如下图所示。
图中还能看到一个重点，虽然氢气和氧气的自由能要比水高，但是反应曲线并不是一直下降的，需要先上升再下降，这意味着在反应之前必须要能够克服一个障碍——能垒，这就是为什么要有火花或者说是催化剂来推动这个反应的发生，只不过火花和催化剂的作用不同，前者是增加能量，后者是降低能量壁垒的高度，这样即使反应的起始能量没有增加，反应系统也能够跨越能量壁垒。所以，一个反应能够发生，至少需要两点，第一，产物的自由能要低于反应物的自由能；第二，反应初始要客服能垒。
作者指出，任何化学反应都可以用合适的物质来进行催化，在生物系统当中起到催化作用的通常被称作酶。如果没有合适的酶，大部分反应会进行十分缓慢，甚至完全不会发生。通常而言，反应的产物和催化剂是不同的，比如前面的氢气和氧气合成可以产生水，但这个水是不会成为催化剂，它的催化剂是另外的金属或者说是金属的化合物。但如果产物和催化物是同一种物质，也就是说产物会同时催化自身的生成，那么这种反应方式叫做"自催化"。一般反应这种“自催化”反应区别非常大，书中提到了一个例子，如果提供一分子的催化剂，通过计算知道，生成相同数量的产物，一般反应可能需要百万年，而催化反应可能只需要一秒钟吗，而作者认为生命的本质就在于“自催化”，只不它有另外的一个名称——“复制”。1967年伊利诺伊大学的微生物学家，索尔.施皮格尔曼（Sol Spiegelman）在试管当中进行了分子的复制试验，这是分子生物学当中的一个伟大试验，他将一个简单的RNA链条置于RNA基本组成单元和让反应加速的酶混合在一起，RNA就开始自动复制，这个过程很像"自催化"，因为新生成的RNA链条，会诱导基本单元连连接起来，加速自我复制的过程。当然，这里的前提是，基本单元是充足的，且要有初始的模板链条，否则很难很难无中生有自动产生RNA链条。当然，你可能会怀疑，这个反应前期还是需要酶的参与啊，而这个酶大概率在生命之初不会有，但是1986年德国顶尖的化学家，君特.冯.凯德罗夫斯基，他实现了没有任何酶的作用情况下，实现了复制反应。但目前为止，还是没有回答从非生命到生命之间的机理。美国化学家，斯坦利.米勒（Stanley Miller）1953年给了我们一线希望，他将氢气，氨气，甲烷和水蒸气混合在一起，因为这是在当时被认为是前生命时期，大气成分的主要组成成分，他朝混合气容器中通电来模拟原始闪电，在这过程中有了一个惊人的发现，那就是里面产生了氨基酸，而氨基酸是蛋白质的基本组成单位，蛋白质又是生命的重要组成部分，这为解开从非生命到生命之谜带来重要启发。
但这只是加强了人们的信念，但这种可能性并不能说明生命就是就是这么产生的。就像如果你理解钟表的运行原理，就意味着你能够通过弹簧，齿轮和表盘等做出一块表，正如物理学家,诺贝尔奖得主理查德.费曼讲过，"我不能理解我创造不出来的东西"，所以，放到生命起源这个问题，如果我们不能够在现实当中创造出一个最简单的生命，那么其实我们很难说真正搞清楚了从非生命到生命的起源。本书也没有完全解释清楚，如何从非生命到生命，只不过说我们大概推测，这可能是一个化学的过程，但至于是什么样的化学过程，目前还没有答案。但是作者从化学的解释达尔文的演化论，却让我信服，因为正如在《好好思考》：如何建立基于思维模型的知识体系？分享的，如果能用更加底层的原理解释一个现象，就更加接近本质。稳定性比较好理解，就是在一定时间内维持不变，分为静态稳定和动态稳定性，我们在《增长的本质》：秩序从何而来？中有过类似的分享。书中以泰晤士河为例说明动态稳定，泰晤士河河道和数千年前样子并没有发生太大的变化，它作为一个整体是比较稳定的，但它的水流本身并不是固定不变的，而是处在不断改变的过程当中，是通过每个水分子的不稳定性来呈现其稳定性，正所谓“铁打的营盘，流水的兵”，而生命也是这样，书中认为生命其实是一个化学复制系统，通过个体的复制和消亡来保持族群的稳定，就像单个的人类都会死去，但是人类的族群会延续。而这种复制的化学系统遵循一个定律：倾向于从（动态）动力上不太稳定的状态，转变为（动态）动力上更加稳定的状态。如何增加这种稳定性？书中指出两个重要方法——复杂化和新陈代谢。为什么复杂化能够增加动态稳定性？作者引用了杰拉尔德.乔伊斯的研究，他发现当两种不同的RNA（取名RNA1，RNA2）分子所处的环境当中具有某种底物，让它们都能进行复制和进化，但不足以共存的时候，如果RNA1的复制效率更高，那么RNA2就会逐渐消失，也就是说复制速度更快的，把速度更慢的复制因子推向了灭亡。回顾达尔文对适应性的定义是：适应性就是生存和繁殖的能力，进化过程的终极目标就是将这种能力最大化。我们可以说RNA1的适应性更高。但是，接下来有一个很不同寻常的现象，如果RNA1和RNA2可以在五种而不是一种底物条件下进行复制，那么这两种RNA分子将会以一种出人意料的方式共存，刚开始的时候它们会不同程度利用5种底物，但是在一定时间之后，每一种RNA都进化出了专门针对某种底物将其复制效率最大化的能力，结果就是两种RNA实现了共存。而这个对应的就是生物学中的"生态位"的概念，每种物种都进化出适用于自己的生存方式。更有意思的是，杰拉尔德.乔伊斯实验室最新发现，如果有个RNA分子由a和b两个RNA片段构成的，通过诱导溶液当中，自由状态下的a和b两个组成部分相互连接，实现自我复制，这样复制可以发生，但是效率很低，如果要让它的数量翻倍的话，需要17个小时。但有意思的是，如果把单个的RNA分子（还是包含a和b两段）替换成两个离散的RNA分子组合的双分子系统后，复制会快速的加剧，在一个小时之内就进行了翻倍。为什么会出现这种差异呢？因为在这个双分值RNA系统当中，每个分值的进行并不是自我分支，而是两个RNA分子相互诱导对方进行复制，这个复制叫做“交叉催化”。复制过程变得更加复杂了，系统中的部分不是单独复制，而是作为系统整体复制。这个现象在生物界中很常见，比如细胞作为一个整体进行自身拷贝时，不是细胞每个成分单独进行复制。这有什么意义？它的意义在于简单的复制系统只能低效率的复制，而复杂的系统能够高效的实现复制。这就是为什么我们在生物界当中，能够随处可见一些共生关系。放到人类的协作社会当中就是分工协作，一个人做不好的事情可以通过合作来有效的完成。所以，分工能够提高效率，它更底层的原理其实是化学当中的复制反应系统，所以社会越来越复杂是必然趋势，因为它可以提高复制的能力，提高动态稳定性。除了增加复杂度，复制系统还有一个提升其动态稳定性的方法——捕捉能量的能力，它对应的就是新陈代谢，为什么它能也能增强复制系统的稳定性？因为，从化学角度来讲，一个复制系统需要进行复制，组成它的单元要进行激活，通常处于被激活状态的组成单位少于未激活状态的单元，而激活就意味着它需要能够给它提供能量。所以，如果复制系统能够捕捉能量（无论是光合作用，还是吃其它动植物），就可以将能量转移给复制单位，从而激活组成单位，增加处于激活状态的组成单位，提高复制效率。所以，更宽泛一点，人类的发展其实也使用能量效率发展的过程，对于个体而言，就是提高我们的体力和精力，如果能传递给周围的人，就能激活协作意愿。在《西部世界》第二季的最后一集，“多美丽”对伯纳德的话很符合我的主题——"我们会死，但是我们的物种会延续。"
死亡是每个生命体宿命，但却是其物种延续的基础，所以，从这个角度来看，我们的死亡是有一丝意义的。不过对人类而言，个体比较幸运，还有另外一条延续的路径——模因， 这是 理查德·道金斯在《自私的基因》中提出的概念， 指“在诸如语言、观念、信仰、行为方式等的传递过程中与基因在生物进化过程中所起的作用相类似的那个东西。”牛顿死了，但是牛顿定律让我们记得他；李白死了，但是他的诗句让我们记得他；乔布斯死了，但是苹果让我们记得他。生命是什么？它是通过复制反应得到一个能够自我保持动力学稳定的动态反应网络。生命个体通过复制和死亡，保证族群的动态稳定，没有人是一座孤岛，每个人都是大陆的一片，整体的一部分， 贝多芬和肖邦他们并没有消失，他们只是变成了音乐。
|
