生物与非生物的差异源于何处？

李凯908

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是什么缔造了生物？是什么让生物能够做出诸多令人惊叹之事，而非生物却无法做到？生物与非生物的差异源于何处？哪怕是一个低等的细菌，都能完成如此美妙神奇之事，然而却没有任何一位工程师能够制造出可与生物相匹敌之物。生命宛如一种魔法，其奥秘隐匿于令人困惑的复杂性之中。过去数十年来，生物学取得的巨大进步反倒强化了这种神秘感。是什么赋予生物那神秘的魅力，使其既非凡又独特，与其他物理系统截然不同？所有这些独特性最初源自哪里？若不引入全新的基本概念，物理学与生物学之间那巨大的鸿沟——原子和分子领域与生物体领域之间的鸿沟——便无法弥合。生物体有其目标和使命，这是数十亿年演化的结果，而原子和分子只是盲目地遵循物理规律。不过，生物体必定是以某种方式从原子和分子中产生的。尽管科学界已经广泛认可“我们需要将生命重构为一种物理现象”这一观点，但事实证明，科学家们往往还是低估了全面理解生命起源和生命本质的难度。试图探寻非生命与生命之间“缺失的连接”，并在单一理论框架下将两者联系起来的研究，催生出了一个全新的交叉科学领域，它融合了生物学、物理学、计算机科学和数学。这一变革背后的统一概念是信息。此信息并非日常意义上的信息，而是一种类似能量的抽象概念，它能使物质形成生命。从字面意义上讲，信息流模式能够展现出自身的生命特征，例如，在细胞间穿梭涌动，在大脑中盘旋，在生态系统和社会中交互并呈现出自身的系统动力学机制。正是在这种丰富而复杂的信息流动过程中，行为主体的概念应运而生，这一概念与意识、自由意志和其他令人费解的难题相关。生物系统正是通过将信息整合成有序模式的方式，在分子领域的混沌之中构建出生命的独特秩序。科学家才刚刚开始将信息的力量理解为一种能够真正改变世界的“因”。近期，结合了信息、能量、热和功的自然规律已被应用于生物体，从DNA（脱氧核糖核酸）层面到分子机制，再到神经科学和社会组织，甚至延伸到行星尺度。从信息理论的视角来看，生命产生的图景与传统的生物学解释大相径庭，传统解释侧重于解剖学和生理学方面的变化。
20世纪40年代，生物学的发展远远滞后于物理学。关于生命基本过程的细节仍是一个巨大的谜团，而且生命的性质似乎违背了物理学的一个基本定律——热力学第二定律。根据该定律，宇宙万物普遍倾向于衰败和无序。在都柏林的演讲中，薛定谔提出了这样一个问题：“发生在生物体空间边界内的时空事件，如何用物理学和化学来解释？”换句话说，生物体那些令人困惑的属性最终能否被还原为原子物理学或者其他事物呢？薛定谔提出的这个问题极为重要，因为生命要从无序中产生有序且符合热力学第二定律，就必然存在分子实体。该实体能够以某种方式为形成生物体而编码指令，同时自身要足够复杂以容纳大量信息，此外，还要足够稳定以抵御热力学的降解效应。如今我们知道，这种分子实体就是DNA。将逻辑和数学的基础、自我指涉的悖论、计算理论、热机科学、纳米技术领域大量的研究成果、远离平衡态热力学的新兴领域以及神秘的量子物理学整合起来，这无疑是一场智力的冒险。所有这些主题的统一特征是信息，信息既是一个常见且实用的概念，也是一个基于生物学和物理学的抽象数学概念。查尔斯·达尔文写过一段著名的文字：“凝视树木交错的河岸，许多种类的植物覆盖其上，群鸟鸣于灌木丛中，各种昆虫飞来飞去，蚯蚓在潮湿的泥土里爬过，表明这些构造精巧的生命形式彼此不同，却又以复杂的方式相互依存，它们都是由在我们周围发生作用的法则创造出来的。”然而，达尔文未曾想到的是，串联起这种显而易见的物质复杂性（生命的“硬件”）的，竟然是更为惊人的信息复杂性（生命的“软件”）。后者对我们而言是隐性的，却有助于生物体的适应和创新。正是在信息领域，我们邂逅了生命真正的创造力。
科学界有句名言：如果某个东西真实存在，我们就应该能够测量它（甚至有可能对它征税）。但是，我们能够计量生命，或者测量“活着的程度”吗？这似乎是一个抽象的问题，但近年来却显示出一定的直观性。当然，我们根本没有生命计量仪。更重要的是，我们完全不清楚这种计量仪的工作原理是什么，它到底能测量什么呢？理查德·道金斯引入了一个有趣的比喻来阐述生物演化过程，他称之为“不可能的山峰”。复杂生命的出现不可能一蹴而就，它必须从非常简单的微生物开始，经过漫长的自然选择才能逐渐演化为复杂生命。在道金斯的比喻中，如今的复杂生命形式（比如人类）的祖先数十亿年来一直在攀登越来越高的山峰（这意味着在演化过程中生命形式变得越来越复杂）。很有道理！但是，生命产生的第一步，或者说从非生命到生命的转变，是如何发生的呢？从简单化学物质的混合到最初的活细胞形成，中间的路径是什么，是否也要攀登化学意义上的“不可能的山峰”呢？似乎必然如此。要从简单分子的随机混合物转变为一种功能完备的生物，显然不可能通过化学层面上惊人的一跃来实现，必定要经历一段漫长的旅程，而且有各种中间步骤。没人知道那些步骤是什么。事实上，我们甚至无法回答一个更为基本的问题：从非生命到生命，从无生命的物质到生物，是一段漫长、渐进、不间断的进阶之路，还是一系列不连贯的重大变化，就像物理学所说的相变（例如，从水变成蒸汽）。
地球上所有生命的信息基础都是通用的遗传密码。用字母表示的特定序列是形成某种特定蛋白质所需的信息，这些信息存储在DNA的片段中。这些字母包括A、C、G、T，分别代表腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤和胸腺嘧啶分子，它们统称为碱基，能够以任意组合的方式沿着DNA分子排列。不同的组合为不同的蛋白质编码。蛋白质由被称为氨基酸的其他类型分子形成，一种典型的蛋白质包含数百个氨基酸，这些氨基酸首尾相连形成长链。氨基酸的种类繁多，但据目前所知，生命仅使用了有限的20种（有时是21种）。蛋白质的化学性质取决于氨基酸的精确排序。由于碱基只有4种，而氨基酸有20种，所以DNA不可能用单一碱基为每个氨基酸编码；相反，它会同时用三个碱基为一个氨基酸编码。因此，用4个碱基字母能够产生64种三元组合，也称为密码子（例如，ACT、GCA等）。这64种可能的组合远多于20种氨基酸，所以存在冗余：许多氨基酸对应着两个或更多不同的密码子。少数密码子还被用作“标点符号”，例如“句号”（意味着“停止”）。
这一过程还需要转移RNA的参与。这些RNA短链分子有20种变体，每种变体只能识别某种特定的密码子并与其结合。重要的是，必须由合适的氨基酸与转移RNA结合，才能与编码该氨基酸的密码子相匹配，这些氨基酸等待着被运去制造不断增长的氨基酸长链。当核糖体完成合成工作时，氨基酸长链就会形成功能蛋白质分子。要使这一过程顺利进行，20种氨基酸中必须有一种合适的氨基酸能够附着在相应的转移RNA变体上。这一步骤是由一种名为“氨酰tRNA合成酶”的特定蛋白质协助完成的。这种蛋白质的名字并不重要，重要的是这种蛋白质的形状对于转移RNA和相应的氨基酸来说都是特定的，因此它可以将正确的氨基酸附着在相应的转移RNA变体上。由于有20种不同的氨基酸，所以也必定有20种不同的氨酰tRNA合成酶。需要注意的是，氨酰tRNA合成酶是信息链中的关键连接点。生物信息存储在一类分子（DNA）中，但要服务于完全不同类型的分子（蛋白质）。这两类分子“说”的是完全不同的“语言”！但氨酰tRNA合成酶能够“说”两种语言：它们既能识别密码子，又能识别20种氨基酸。这些起连接作用的分子对于通用的遗传机制来说绝对是至关重要的，所有已知生命都要用到这种遗传机制。因此，该机制必定十分古老，而且一直运转良好。所有生命都依赖于它！
如今，生命的信息基础已经渗透到各个科学领域。生物学家称，基因（DNA中明确的碱基序列）包含了“编码指令”，这些指令可被转录和翻译。当基因被复制时，信息会先被拷贝，然后被校对；如有必要，错误也会被纠正。在组织尺度上，负责发送信号的分子会在相邻细胞间传递信息，其他分子则随血液循环在器官间传递信号。即便单个细胞也能够收集和处理其所处环境的信息，并做出相应的反应。当然，生物体最卓越的信息处理系统是大脑，它常被人们比作数字计算机（但这种类比不太有说服力）。在生物个体层面之上，还存在着社会结构和生态系统。蚂蚁和蜜蜂等社会性昆虫通过传递信息来协调群体活动，例如觅食和选择筑巢地点等。鸟儿会聚集成群，鱼儿也是如此，这表明信息交换是它们协作行为的核心。灵长类动物会自行聚集成群，并通过许多精妙的沟通方式来维系复杂的社会规范。人类社会已经创建了像互联网这样的全球性信息处理系统，因此，许多科学家现在选择用信息属性来定义生命，也就不足为奇了。生物物理学家埃里克·史密斯这样表达这一观点：“就一个化学系统而言，能量在其中的流动和存储与信息的流动和存储有关。”