大班独角兽mg正确爆甲:什么是生命？

什么是生命？ / 磊

引子：

在大家密切关注各种时政新闻（比如时下的G20峰会，全球经济衰退引发的各种负面问题），在耳闻目睹各种价值体系，政治，经济利益之间彼此碰撞，大脑不停地被冲刷的时候，我想带大家进入另一个层面的思考——人类和所处世界本源的问题。刚好今年的2月12日是自然学家达尔文诞生200周年纪念日，本文也算是我对达尔文迟到的纪念。达尔文在他享誉世界的著作《On the origin of species（物种起源）》中提出了物种在自然选择下演化的理论，通过对不同物种翔实的对比，对现今纷繁多样的世界的产生提出了有别于之前人类一直信奉的神创论的科学解释。关于达尔文的生平可参见：

http://en.wikipedia.org/wiki/Charles_Darwin （英文）

神创论和演化论

在科学如此高度发达和高速发展的今天，事实上对于人类和世界本源的问题，我们依然有很多未知。甚至到今天为止，物种演化的理论依然不能完全摒除神创论对世界起源的解释。尽管已经有越来越多的证据，证明人类并非特殊的物种，而和其他的动物共有相似的遗传密码，但是如果要完全证明神创论只不过是人类认识欠缺的历史产物，而非客观存在，并使得我们有足够的理由把《圣经》对自然形成的解释彻底扔进废纸篓，或是只是把它当作神话故事作为日常消遣读物的话，还有几个大的问题，我们依然没有确切的答案——生命是如何从无生命物质中演化而来？无生命物质（我们所处的宇宙）又是从何而来的？

关于宇宙的由来，基于现实观测到的证据，宇宙物理学家提出了大爆炸理论，认为现有的宇宙是由一个温度极高，密度极大的初始状态，迫于这样巨大的能量迅速迸发催生了各种粒子和物质，然后空间不断膨胀而形成了现在的面目。当然，关于宇宙是否确实是这样产生的，还有很多未知需要解答。并且，即使现有宇宙的起源问题得到解答，人们依然可以问宇宙初始时，那么高能量，高密度的初始状态的起源又是什么呢？就这个问题，我还询问了中国科学院理论物理研究所的李淼老师，他回答说：“流行的理论是之前有一个暴涨时期，温度几乎等于零，在暴涨结束时，驱动暴涨的场的能量转化为辐射能，温度升高，这个短暂的过程叫再加热。”李淼老师的个人博客：http://limiao.net/ （中文）。

我没有再询问李淼老师关于暴涨的细节，在把大家的思绪带向大众并不需要的太过于艰深的专业知识之前，我们不妨想想另外一个同样重要的，或者说是对于我们人类而言或许更为重要的问题——生命是如何产生的？假使神创论并非对现存世界的终极解答，那么我们必定需要从所知的无生命现象中寻找生命活动产生的解释，换句话说，我们在有生命物质中所观测到的现象，是否可以利用所知的由非生命物质的研究而总结而来的物理和化学的知识去解释呢？假使这是完全可行的，那么生命活动从物理和化学的机制上说和非生命体并无任何根本的不同，那么在这层意义上我们完全有理由彻底拒绝神创论对生命产生的解释。当然，这只是个假设，我们离自信地宣称物理学和化学可以彻底解释一切生命学现象的那一天依然还很遥远。但是，即便如此，我们至今的诸多发现，似乎越来越明确地指向了这一个方向——物理和化学很可能是对生命现象的终极解答。

生命过程是单纯的物理，化学过程吗？

1944年，伟大的物理学家，量子物理学的重要奠基人（1933年诺贝尔物理学奖获得者），Erwin Schrödinger（薛定谔）出版了一本书——《What is life (什么是生命)？》，第一次从物理学的角度提出了对解开生命科学奥秘的问讯。书中提出了aperiodic crystal (非周期性晶体)的概念，认为其化学键中包含遗传信息。这被后来的诺贝尔医学，生理学奖获得者Francis Crick （克里克）认为是DNA双螺旋结构被揭示（1953年）之前的理论描述。

薛定谔生平介绍：http://en.wikipedia.org/wiki/Erwin_Schr%C3%B6dinger （英文）

书《What is life》的链接：http://home.att.net/~p.caimi/schrodinger.html （英文）

克里克的生平介绍：http://en.wikipedia.org/wiki/Francis_Crick （英文）

如果说薛定谔对于什么是生命的问讯是物理学家开始思考和探索生命科学奥秘的标志的话，它却并没有能够给与人们生命形式的物理学解释。到了今天，从收集到的事实碎片，我们虽然还远不能够给大家拼接出关于生命活动的物理学解释的完整图像，但是，依稀，我们可以若隐若现地看到它的逐渐呈现。在给大家呈现这些有解的物理图象之前，我想再借用几个提问引出科学对于某些具体问题的解答。

首先，生命体具有什么非生命体不具备的特征呢（我们已经知道生命体的化学组成在无生命世界都可以找到）？我们知道生命体能自我控制，调节，表现在可以繁殖，能够进行新陈代谢，可以应对外界环境的变化而改变自身去适应环境，等等。生命体能够如此准确地自我调控，或者说是它的活动是高度受控的有序的，相对而言，非生命体的活动则显得缺乏控制因而要无序得多。然而物理学中的热力学第二定律，即熵定律，则说对于一个给定的封闭系统，在没有外界能量供给的情况下，系统是倾向于越来越无序的，我们称这个现象为熵的增加（不过利用无序程度来定义熵是有问题的，下文我会详细说明）。这样一来，生命活动不是与热力学第二定律完全矛盾吗，因为它是高度有序的啊？如果相矛盾，试图利用物理解释生命现象不是成了无稽之谈了吗？但是，且慢，在下结论之前，让我们把几个概念先搞清楚。首先，我们知道生命体不是孤立的系统，它与所处环境既有物质也有能量交换，而熵定律的适用范围限定于封闭系统——和外界既没有物质，也没有能量交换。这样看来，把生命体单独拿出来看，是对熵定律的错误套用。也就是说，我们应该把生命体和它所处的环境一起作为一个系统（假定这个系统是封闭的）来考虑。那么这个重新定义的系统，熵是否是增加的呢？另外，究竟什么是熵，只是一个系统无序程度的标度吗（似乎不好理解）？长话短说，熵的物理学本质反映的是不可被利用，或者是难以被利用的能量。我们知道能量守恒原理（能量既不能被制造，也不能被消灭），能量只是在不同的形式之间相互转换。熵定律实际上是在说，初始能量倾向于转化成越来越难被利用的形式。比方说，我们有块电池，它可以用来驱动电动玩具什么的。它在工作时，除了储存的化学势能可以转化为电能，再转化为驱动电动玩具的动能以外，它还产生热能，除了电池本身会发热，线圈也会发热，电动玩具与地面摩擦也会产生热能。这些热能的产生，很难被利用来驱动电动玩具，于是可以被有效利用的能量被不停地消耗，最终我们发现电池没电了。这就是熵的增加。但是，生命体这种高度有序的调控形式，也和熵定律相匹配吗？如果是，熵增加的生物学意义是什么？前文提到，熵增加本质上反映的是对可利用能量的消耗的增加。毋庸置疑，生命体从环境中不停地获取更易被利用的能量，并将其消耗，更准确地说是将获取的能量转化为更难被利用的形式返回给环境。生命体自身不多复杂化，有序调控化的结果，是加速了这种能量消耗，或者说转化的形式。这样看来，生命体形成的过程，不仅不违背熵定律，反而是遵循熵定律的结果。

熵的物理定义：http://en.wikipedia.org/wiki/Entropy （英文）

深入阅读：

Schneider, E.D, Kay, J.J., 1995, “Order from Disorder: The Thermodynamics of Complexity in Biology”, in Michael P. Murphy, Luke A.J. O’Neil (ed.), “What is Life: The Next Fifty Years. Reflections on the Future of Biology”, Cambridge University Press, pp. 161-172.

Christoph Adami, Charles Ofria, and Travis C. Collier, Evolution of Biological Complexity, PNAS, 97(9), 4463-4468, 2000.

就熵定律和生命形成，生命形式的复杂化，或者说演化过程，我不在这里展开详细说明。如有任何问题，我们可以在评论中做近一步讨论。之所以不便于展开说明，是因为这只是物理与生命科学交集的冰山一角。前文中，我提到生命体可以自我控制，调节，对外界环境的改变做出反应。关于这方面，其实我们还可以问很多问题。比如，生命体这些生命活动究竟是怎样完成的，它的本质是物理或者化学的吗？坦白的讲，对于这个问题，我们还不知道答案。不过，尽管很多生物学的相互作用我们还不能将其描述成单纯的物理或者化学作用，越来越多的证据表明，在这些生命活动中基本的物理学规律和化学原理都起了很大的作用。

物理，化学与生物关联的部分实例

器官水平

化学和生物的密不可分大概不需要我举任何例子来说明。那我就先举一些和大家生活联系紧密，比较熟悉也很容易理解的物理和生物相关的例子，比如视觉。大概大家都知道眼睛的构成组分中角膜以及晶状体就如同透镜一样，于是关于其成像可以完全套用几何光学中光的折射的知识。当然，人的眼睛比一般的光学透镜要先进，因为晶状体可以通过睫毛肌牵动改变晶状体的曲率（注：角膜的焦距不可变），从而调节其焦距，于是近景和远景都可以通过晶状体焦距的调整而清晰可见。如果焦距调节的功能出现障碍，产生的结果就是视线模糊，因为物体聚焦后的焦平面（因为物体不是点，所以呈像会聚也不是单一的焦点，而是面）不在视网膜（相当于一个显示屏）上，也就是说视网膜上呈像是发散的，因此显示的效果就是模糊的。这也是近视和远视产生的共同物理原因。关于近视和远视的区别只是一个是在视网膜前成像，一个是在视网膜后。有兴趣的可以点击下列链接了解更多：

晶状体：http://en.wikipedia.org/wiki/Lens_(anatomy) （英文）

角膜：http://en.wikipedia.org/wiki/Cornea （英文）

近视：http://en.wikipedia.org/wiki/Myopia （英文）

远视：http://en.wikipedia.org/wiki/Hyperopia （英文）

细胞水平

也许视觉的例子太过特殊，拿人来看，浑身上下，这么“物理”的构造也没几个，尽管我可以简要地再举若干个大家很熟悉的例子，比如听觉的产生，无非是鼓膜在声波的刺激下振动产生的感应而已。那么物理在生命体（人体）中的显现也就仅限于这些很“物理”的构造吗？当然不仅仅是这样。既然我们说到视觉，听觉这些知觉，那么我们就顺着这个话题说一说视觉信号（光）和听觉信号（声波）的传导。为避免不必要的冗长和过多的细节，我从简说明。当光子触到光受体细胞，会使得细胞所含的光受体色素蛋白构象（蛋白的氨基酸一维序列由于静电引力，氢键，范德华力等的作用折叠而成的三维结构）发生变化，以此催生了一系列的生物化学反应，这些生化反应导致神经细胞膜内外的一些特定的离子浓度发生变化，从而改变膜内外的电化学势。电化学势的改变使得神经细胞释放神经递质，神经递质传导到相连的细胞，又使得它的电化学势改变，如此反复，最初的光信号就以电信号的方式在神经细胞之间进行传递。由此我们可见，整个过程涉及的是一整套的化学和物理的过程。对于听觉信号的传导，除了初始的过程不同，信号传导最终都统一到以电信号的方式进行。更多细节请点击一下内容：

光受体细胞：http://en.wikipedia.org/wiki/Photoreceptor_cells （英文）

听觉系统：http://en.wikipedia.org/wiki/Auditory_system （英文）

或许这个例子依然有点特殊，因为不是所有的生命体都有神经细胞。那我们看看更普适的例子。在这之前，请允许我将话头引向本文最开始的例证部分，我提到说化学和生物密不可分，事实上人们发现所有的生命活动都是以化学为基础的，因此人们说生物的本质是化学的。有趣的是，通过对化学的研究，人们发现一切化学现象，都可以归结为分子中原子，电子的运动以及相互作用，也就是说化学的本质是物理的。那么基于这样的事实，我们是否可以直接推论，生物的本质其实是物理的呢？这个逻辑背后有个问题需要阐明的是——生命活动中所包含的化学，和非生命活动中的化学是否是完全一致的？换句话说，两者的区别只是在于物质构成的区别，而并没有其特殊的化学原理呢？如果这是正确的，它是否说明：1）生命体的某些性质（比如说个体差异性等）可以在不具生命活动能力的物体上体现；2）人工合成物质存在生命体所有的某种生命活动的现象，比如说自我装配等；3）生命体所有的自我控制调节能力等并不是像人们想象的那样完全预先设定好的，（如果是，生命体中所包含的化学就含有不为人知的神秘因素，比如“上帝”）；4）只要我们的人造系统足够复杂，我们可以制造生命？

分子水平

去寻找这些问题的解答实在是让人觉得振奋和激动！有趣的是，为了解答这些问题，我们不约而同地来到了分子水平这样更精微的尺度上来窥探究竟，这也在一定程度上暗示了“…everything that living things do can be understood in terms of the jigglings and wigglings of atoms------------R.P. Feynman”。

关于上述提到的第一个问题，一个非常有趣的是发现是，完全相同的单个分子在严格控制的相同的环境下，也显现出个体差异性。1997年，斯坦福大学的Steven Chu对任意弯曲盘绕的聚合物分子（DNA分子，需要说明的是尽管是生物分子，但单独存在体外环境时不具备生命力）在微流体室内在微流产生的力的作用下解开盘绕的动态研究中，发现这些相同的聚合物分子却显现出非常不同的盘绕状态。实验显示分子的个体差异性起源于分子在水相环境中的初始构造的极其微小的差别（无法检测），而这个微小差别在任意的热运动中被放大，以至于之后呈现出明显的个体差异性。在某种程度上，该实验显示某些随机的作用或状态，对于生命的形成可能具有重要的作用（下文中也有例子为此提供证据）。近些年来，越来越多的单分子实验证实了分子的个体差异性，由于篇幅问题，我就不再赘述。

新闻来源：http://news.stanford.edu/pr/98/980211unfold.html （英文）

相关论文：Thomas T. Perkins, Douglas E. Smith, Steven Chu，Single Polymer Dynamics in an Elongational Flow，Science，Vol. 276. no. 5321, pp. 2016 - 2021，1997.

关于第二个问题——人工物质的自我装配，这实际上在化学，材料科学中的研究已经非常热门。自装配主要依靠的分子之间自发可逆的非共价键作用（例如范德华力，氢键，离子键等）。

相关阅读：http://en.wikipedia.org/wiki/Self_assembly （英文）

关于第三个问题，生命现象是否被未知因素预先完全设定好？就目前的证据而言，似乎并不是这样。很多生命过程的完成依赖于随机事件和热运动，这听起来似乎有点不可思议。而且最让人觉得不可思议的是，在DNA转录成RNA这样应该受到精确控制的过程中，RNA聚合酶（促成转录过程中最重要的蛋白）的布朗运动（无序的热运动）对于定位DNA上的启动子（一段特定的基因序列，可以认为是启动转录过程的发号令）具有重要作用。无独有偶，在细胞中担当运输重任，携带货物（cargo）的驱动蛋白（kinesin）在微管（microtubule）上移动时，也是依靠自身在水相环境的布朗运动（无定向）来寻找其和微管的结合位点进而产生定向运动将货物拉到目的地的。有趣的是，另一种分子马达，依赖ATP供能从而拉动货物在肌动蛋白（actin）上行走的肌球蛋白（myosin）的运输，也是依赖于布朗运动的。当肌球蛋白不负载时，肌球蛋白扩散迅速，很容易与肌动蛋白（可以想象成是肌球蛋白运输时的特定轨道）分离，由于离开轨道，它便不起任何运输作用，类似于无人时就停开的自动电梯。而当负载时，肌球蛋白的扩散速率迅速降低，于是有足够的时间寻找下一步运动时与肌动蛋白的结合位点。此外，促使肌球蛋白抬腿进行下一步动作，为之提供能量的ATP与肌球蛋白的结合也被发现是随机的。近一步阅读可参看以下内容：

RNA聚合酶：http://en.wikipedia.org/wiki/RNAP （英文）

M Guthold, X Zhu, C Rivetti, G Yang, N H Thomson, S Kasas, H G Hansma, B Smith, P K Hansma, and C Bustamante，Direct observation of one-dimensional diffusion and transcription by Escherichia coli RNA polymerase，Biophys J., 77(4): 2284–2294, 1999.

驱动蛋白：http://en.wikipedia.org/wiki/Kinesin （英文）

肌球蛋白：http://en.wikipedia.org/wiki/Myosin （英文）

Toshio Yanagidaa, Masahiro Uedaa, Tsutomu Muratac, Seiji Esakia,and Yoshiharu Ishii, Brownian motion, fluctuation and life, Biosystems, 88 (3), pp: 228-242, 2007.

关于第四个问题，也是生命学研究的终极目标之一 ——我们能否制造生命？目前的答案是——否定的。虽然有很多论文声称做出了人造细胞，不过从实质上而言只是生物反应器而已。当然，我们依然乐观的相信，一旦生命现象中所有重要的化学和物理机制都被人类所了解的话，人工合成生命很可能并非是个梦想。如果是这样，在某种程度上，人类是否成为了所谓的上帝呢？