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**生命≠活著**-新浪科技綜合-

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                           **生命≠活著**

                    新浪科技綜合-2020年01月13日11:09

何謂生命?

在房間角落的沙發上,一隻貓兒正在咕嘟咕嘟叫。直覺告訴我們:這隻貓兒是一個活物,而這張沙發不是。但我們的直覺並不總是可靠,牛頓認為存在一種不受外部影響,統一流逝的時間,以及以各地鐘錶測量的“相對時間”,牛頓的理論和我們的認知很相似。兩個世紀後,愛因斯坦推翻了“絕對時間”的觀念,引入了一種僅能被當地鐘錶所測量的時間概念。在愛因斯坦之前,誰能想到時間在太陽上,月亮上,乃至我們每個人的手錶上,流逝的速率都不盡相同?誰能想到時間並非普遍絕對?若不是了解到這點,今天的智能手機都沒法用上GPS定位。

隨著科學大步流星地前進,我們對物理現實的理解愈發深刻,而且不時違反直覺。對構成人體的原子和夜空中的星辰,我們了解頗多,但同時對作為生命範例的人類個體,又知之甚少。事實上,生命科學家們一直在爭論究竟何為生命。亞里士多德首先提出,生命是能夠成長和繁殖之物。讓他驚嘆的是,作為馬與驢雜交的後代,騾子總是不育。但我們不能因為一頭騾是不育的,就認為它是死的。類似爭論永無休止:有人說生命體必須新陳代謝——攝入化合物,轉化為能量,然後排泄廢物。那麼飛機引擎符合這個定義嗎?簡而言之,沒有任何理論,因此也沒有任何衡量標準,能夠證實或者證偽我們的假設——貓是活的,而沙發不是——甚至不能證明你在閱讀此文時是活著的。

問題不在於沒人嘗試。量子物理奠基人之一薛定諤邁出了理解生命根本原則的重要一步。或許薛定諤更廣為人知的是他的思想實驗,關於一隻活死貓,處於所謂的死生“疊加“態。但同樣重要的是他於1943年在都柏林高等研究所舉辦的一系列講座,題目引人深思:《生命是什麼》。講座於次年成書出版,激勵了一代代科學家去更深入地理解生命。其中最著名的要數詹姆斯·沃森(James Watson)和弗朗西斯·克里克(Francis Crick)對DNA結構的研究,而DNA正是薛定諤所預測的“一種構成遺傳物質的非週期性晶體” 。

在《生命是什麼》中,薛定諤闡釋了生命與熱力學第二定律之間明顯的矛盾。熱力學第二定律指出一個物理系統中的熵,或言無序度,總是在增長。依照這一定律,宇宙中的秩序必然在減少,那麼由於生命存在所增加的秩序又要如何解釋?薛定諤的回答是,生命需要吸收“負熵”(negative entropy),或自由能——即我們常說的食物和陽光。根據第二定律,陽光加熱地球時破壞掉的有序度,必大於由於植物生長所增加的有序度。

然而,證明生命與物理學定律兼容,並不等同於生命能被物理學定律所解釋,後者是一個更強的命題。薛定諤尤其感興趣的是,在分子動力學意義上的噪音的持續影響下,生命體是如何依舊有秩序地行事的。這個問題時至今日未被解答。而更難解釋的是,生命如何從非生命中誕生。

這些問題讓薛定諤自己也困惑不已。在《生命是什麼》的結尾,他評論道,或許我們需要“一種新的物理定律”來解釋生命。距此書出版已經過了七十餘年,許多人曾嘗試定義生命,或至少定義生命的主要性質。然而目前為止,解釋性理論依舊無處可尋。

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追索“生命定律”

也許我們對生命的直覺是錯的,這直覺基於不完美的感知,而光靠看並不能認前貓與沙發的本質聯繫。普適的規律和定理,對貓兒或沙發成立,對原子或星係也成立,在任何情況下都成立,所以物理學家才孜孜不倦地要挖掘出這個世界隱藏的結構。以能量守恆定律為例:沒有任何過程能創造或者毀滅能量,你的貓不行,整個銀河係也不行。要想認識到這一定律,重點是認識到動能和熱能可以統一起來。

當我們試圖定論生命的物理基礎為何,我們必須考慮到每一個生命個體,都是這個普世生命現象的部分。否則,“生命”便不再是一種客觀性質,而成了各個特例的集合。如果事實如我們所料,也如薛定諤所暗示的那樣,需要發明一套“新的物理定律”才能解釋生命,那麼我們必須徹底重新審視的,不只有我們認識生命的方法,還有理解物理定律的方法。“生命定律”當如物理定律一樣普適。我們希望“生命定律”不僅適用於地球生命,也可以描述地外生命;它不只局限於生物學,更適用於廣義的物理世界。

對於生命是否自有一套特殊法則,或者同一套法則是否能同時運用於生命和非生命,爭論早已有之。主張生機論(Vitalism)的哲學家們認為活物的特別之處在於具有活力(vital force),它不僅區分了活物與死物,也是化學中有機物與無機物的差別。活力理論理應可以解釋為什麼細菌不會從泥土裡自己生長出來。1859年,發明了“巴氏殺菌法”的路易斯·巴斯德證明了細菌不能自發產生。他的結論是任何生命都必須誕生於其他生命。

不過,今天我們知道細菌之所以不能夠自發誕生,並不能歸咎於活力的缺乏。真正缺的是信息,這裡指的是細菌的細胞結構和基因構成。這些信息來自數十億年的演化,不能自發地從缺乏信息的系統中產生,無論你有多少泥土都沒有用。某種意義上這種信息才是真正的“活力”,它們是生命與非生命真正區分然而,信息不是僅存在於特殊物質的某種神秘力量,而是歷經時間空間之變遷,由演化選擇產生。要想理解生命起源,我們必須知道何種物質能夠獲得這類信息,它們又是如何做到的

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生物體是台構造機

要回答這個問題,我們要比克勞德·香農走得更遠。香農在1948年對信息論作出了突破性的貢獻,其中一大關鍵在於忽略信息的意義。無論對於無線電還是別的通訊方式,香農並不關注信息本身的內容。他感興趣的是,那些信息是否會降低接受者對發送者狀態的不確定程度

為此,他僅僅計算概率。如果明天可能下雨,也可能出太陽,兩者可能性相同,這時你看到一則百分百準確的天氣預報說明天會下雨,那麼可能發生的事件就減少到了原來的一半。於是,你獲得了1比特的信息。如果拋一塊硬幣,看到了哪一面朝上,或者觀察一個黑洞,發現它左旋或右旋,你也獲得了信息。上述兩次觀察,都給了你1比特的信息。信息純粹是預期可能情況的減少,實質是不確定性的降低,無論消息內容為何——信號的含義與香農的理論無關。

要建立一套生命理論,我們需要將香農忽略的意義放回去,還要放到物理學的框架裡當台球互相碰撞,它們便互相關聯——要預測一個球的路徑,可以藉助對另一顆球的觀察。這是香農關注的信息:信息就是第一顆球未來可能狀態數量的減少,取決於你對第二顆球之速度角度有多少了解。不同的是,當生命獲得周遭環境的信息時,後者並不是用來預測隨機狀態之可能性,而是關於在環境中何以生存得更好,以及後代如何復制這些信息。我們稱這種信息為“功能信息”

上世紀另一個博學者則從數學角度來看待繁殖和信息傳遞。約翰·馮·諾伊曼是許多領域的先鋒,對計算機、博弈論、經濟學都有開創性貢獻。他認識到,要想讓有機生物,或者一個可自我複制的機器(他稱之為“通用構造機”)去建造自己,一是要有一個闡釋具體步驟的程序,二是要找到一個方法,能夠複製程序,將之轉移到新個體。構造機得比沙發之類的東西更加精妙。只要有信息就能造出沙發,但構造機能夠通過處理信息製造新的東西,比如它們自身的變種,而這奠定了演化機制的基礎。換句話說,它們能運用信息。這樣說來,一隻貓就是一台可編程的構造機,你也是,但是沙發不是。但是,無論要想創造貓還是沙發,演化過程都不可或缺。

因此,一個能夠解釋有生命的系統的信息理論,將必須解釋信息的兩個層面——信息如何被獲取,又如何被使用。這一信息於演化中獲得,通過適者生存和自然選擇。而正如薛定諤指出,信息的使用則在於:通過吸走負熵,支持有機體生長過程中有序性的增長。生物體能夠做到這一點,因為它們是自帶自我生產方法的構造機。

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“生命”和“活著”的區別

在此,我們需要分辨兩個關於信息獲取和使用概念:我將分別稱為“生命”(life)和“活著”(alive)。“活著”指的是對負熵的持續使用;它是“死亡”的對立面。當一隻貓活著時,它可以通過進食得到負熵,用以為自身細胞創造秩序,構建自我。活物是構造機。一隻死貓就不能再做這些事了。活著需要肌體維持穩態——在整體上克服擾動,保持生物體內的平衡。

而“生命”指的則是創造必要信息的一個過程,它同時也創造出活物以及造出它們所需要的信息。生命還包括獲取信息來創造出非活物,例如沙發。在這個過程中,創造出來的信息會被不斷複製,並跨越不同的物理主體:從父母到子女,從一個人到另一個。

隨著時光流逝,生命創造出長串的信息——這就是演化生物學家們說的“譜系”(lineages),它們從所有貓的祖先,延續至沙發上坐著的這隻貓;從世上第一個座位,到這張沙發;從元初生命到這隻貓兒肚裡的細菌。科學家們把這些譜系稱作“未完譜系”(open-ended lineages),意思是它們有潛力繼續演化,拓展出新的產物。目前已知的生命就是我們的生物圈,後者囊括了地球上所有的譜系,和它們在未來將要演化出的新譜系。活物是“發生系統”(generating systems):它們創造新的可能性,在時間和空間上拓展演化的廣度。因此,貓和沙發都屬於“生命”,但只有貓“活著”。

要理解為什麼要區分“生命”和“活物”,不妨考慮一個在辯論“生命”定義時經常提及的例子:病毒。生物學界對病毒是否屬於活物存在意見分歧。它們沒有自己的穩態機理,而是藉助劫持宿主細胞的運轉機制來生產更多病毒。因此,按一般標準看,病毒並非活物,因為它們並不是可以自我繁殖的“構造機”。

但它們仍然可以是“生命”病毒就像細胞、貓或人類一樣,都經歷了一個漫長的,收集功能性信息的過程,並從中誕生。如果我們想要解釋生命的起源,就必須要能夠解釋這個過程的起源。一隻死貓不是活物,但它是“生命”,因為它也從一個收集功能性信息的漫長過程中誕生。如果我們能解釋死貓的源頭,我們就能解釋生命的起源;如果我們發現了死掉的火星貓,就可以認為我們在火星上找到了生命。因此,分清生物體(活物)和產生這個物體所需信息的過程(生命)非常重要

或許每一次宇宙中出現生命,都會出現我們所說的活物,或者至少擁有某些我們認為屬於活物的特徵。它們大概會用信息和負熵來自我維持。但是不是所有生命都會為其所在的每一處帶來活物呢?哪一些活物之特徵,構成了未完結的演化和生物圈擴張的基礎呢?對此我們並不清楚。

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傳承演化,生生不息

設想一下,你造出了一個精緻的3D打印機,取名“愛麗絲”;愛麗絲可以打印自己。提供給它自身設計圖的信息,並提供複製此信息的機制:現在,愛麗絲是一個實打實的馮·諾依曼構造機了—— 那你算是在地球上創造了新生命嗎

假設你通過設計,又給愛麗絲額外一些信息:她得以從石頭中提取礦物作為原材料,生產新的3D打印機。那麼愛麗絲和她的後代算是“生命”嗎?你懶得成天給這些跑來跑去的小玩意兒找原材料,所以就給其中一個名叫“伊芙”的後代裝備了更多信息:她現在會使用太陽能充電板,自己外出搜尋礦物了。那麼伊芙算是“生命”嗎

此項新穎設計讓你一舉成名,此前還從未有人製造出能自我繁殖、完全自治且無需監管的3D打印機。為了創造這個“構造機”,你輸入了大量信息和程序。你十分在乎你的大作,可是你的保險公司擔心如果伊芙佔領地球會帶來嚴重後果。於是,你想了個辦法,讓這個小小的自治3D打印機搭上某次火星任務的便車,順利偷渡。假設伊芙在火星上的一個隱秘的峽谷過上了美滿的生活,並且造出了一大群自身的複本。幾百萬年之後,人類發現了這個峽谷,並追踪到了3D打印機的演化進程。它們的演化產生了許多3D打印機亞種,有的大有的小,有藍的也有紅的,還有為了材料而捕食其他3D打印機的。它們跟你最初的設計可是非常不同

上述思想實驗的價值在於:它能讓我們更深刻地理解“生命”和“活著”的意義直覺上我們認為生命出現了,甚至可能認為這些新機器人是活物。這些3D打印機成為“生命”了嗎?如果是,又是在哪個節點變成的?它們是活物嗎?這些3D打印機形成了一個譜系在火星上,譜系產生了分支,每一個分支都通過自然選擇,擁有了獨立演化出的功能。但在地球上,這個譜系的起源是你的設計;而你自己則屬於那個四十多億年的,始於地球生命起源的譜系值得一提的,3D打印機譜系和你的譜係其實不可分割。如果地球上不曾有這一段收集功能性信息的悠久進程,這些3D打印機就不會出現,就像你自己也不會出現一樣。正因如此,想要真正研究其他獨立的生命,我們必須去發現地外生命,而非在實驗室裡“創造生命”

在嘗試創造人造生命時,我們自身的介入是無以避免的。我們的任何創造物都是人類所屬譜系的延伸,因此也代表著同一個生命生物譜係也許是地球上所有物理構造中最古老的之一,因為它們不但從未停止繁衍,而且它還在信息驅動下,不斷擴張演化。

現在讓我們把目光轉向功能性信息,那些造就了我們的信息。其中一些在四十億年前生命起源之時就已經獲得,但其餘大部分都是在演化過程中逐漸得到的。我們在5億4千萬年前知道了身體如何組建,幾百萬年前學會了消化熟食。我們是一團信息,這些信息在不同的情景下獲取,有些由我們胃裡的細菌獲得,而另一些則是則通過文化吸收的。

從譜系的角度來看,那些3D打印機從始至終都是“生命”,我們的思想實驗中並不存在一個由非生命變成生命的轉折點。但在它們的演化過程中,有一些事情的確改變了,在火星上幾百萬年間,它們獲取了功能性信息,並能夠用這些信息去做曾經無法做到的事情。它們與我們眼中的“活物”越來越相似。在這個意義上,我們可以認為這些3D打印機是新出現的活物,而每一個打印機都為生命帶來了全新的可能性。

我們的目標是理解地球上甚至其他星球上的生命,弄明白它們的起源。為此我們需要從根本上改變我們思考生命的方法。“薛定諤的貓”可能並不是我們現在該考慮的問題——不論生死,它都是“生命”。

在房間角落,盤坐著的是四十億年的傳承,以貓為形,名曰生命。

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台長: 幻羽

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