生命是什么_未来50年

时间:2020-02-21  栏目:百科知识  

生命是什么_未来50年

S.考夫曼

Stuart Kauffman

在这个分子生物学凯歌高奏的时代,在第一个人类基因组草图产生的时候,人们可能认为我们应该知道怎么回答这个问题了:生命是什么?但我们不知道。我们零星地知道一些分子机器、新陈代谢循环、遗传网络路线以及膜生物合成的方法,但我们不知道一个自在活泼的细胞是怎么活起来的。问题的核心还是一个谜。

我想,我们将在未来50年回答那个问题,而答案需要物理学和化学的显著改变,更不必说生物学了。实际上,就生物学而言,对生命是什么的基本问题的认识,将开辟一个广义生物学的时期,而不仅限于我们唯一知道的关于地球生物的生物学。我们将有能力问,是否存在统治宇宙任何地方的生物圈的定律?

并不是说聪明的头脑拿不出一个答案。最有名的也许是跟本文标题相同的一本书,发表在战火纷飞的1944年,作者正是大物理学家薛定谔。[64]不过,薛定谔的精彩著作却把另一个问题作为核心,其答案似乎并没有回答他的(和我的)题目呈现的问题。他那个核心问题是关于生命系统中惊人的秩序的起源。薛定谔在回答中指出,秩序不可能来自统计平均,我们都知道那里的涨落尺度大概是粒子数的平方根。他利用新近的X射线诱导的基因突变率,正确认识到一个基因最多可以由数百到数千个原子组成。均方根尺度的涨落不能表现生命的那些可遗传特征。于是,薛定谔做了大胆的思想飞跃:他指出,生命的秩序需要稳定的化学键——特别是共价键——它们依赖于量子物理学,而不是经典物理学。接着他指出,简单的晶体“说”不出多少东西,因为单位晶体的结构知道了,它的全同重复也不能增添“说”得更多的力量。所以,薛定谔精明地把希望寄托在非周期的晶体,其具体结构将包含确定生命发展的微码。他做对了——9年以后,沃森和克里克才发现非周期DNA固体的结构;大约再过10年,我们才认识到这种微码起着遗传密码的作用。

不过,如果说薛定谔敏锐地预见了生命秩序的起源,那么,他是否也回答了他的问题,生命是什么?我想没有。我不能立刻说我为什么那么相信这一点。这篇文章是为了解释关于这个问题的另一种尝试。

我从一个不同的图像和问题说起。想象一个逆着葡萄糖梯度游动的细菌。不必为细菌赋予什么意识,我们都会毫不犹豫地说,它在寻找食物。就是说,细菌在环境中为自己而活动。我把能在环境中为自己活动的系统叫做自治行为者。一切自由活动的细胞和有机体都是自治行为者。但是,细菌“只不过”是分子以一定方式组织起的一个物理系统。所以,我的问题变了,不是“生物学秩序的起源是什么”,而是“什么物理系统才能成为自治行为者”。

我先把我暂时的答案告诉你们:我相信一个自治行为者一定是能自我繁殖并能实现至少一个热力学功循环的物理系统。就细菌而言,它旋转的鞭毛“发动机”因为反抗它周围的液体介质而做功。细菌能自我繁殖,而且能在游动中做功。

这就立刻引出一大堆需要注意的问题。当我描述细菌在为自己活动时,其实是在用我们描写人类活动的语言。关于人类,“做”“活动”、“目的”、“选择”等概念都是我们熟悉的,深深嵌在维特根斯坦(Wittgenstein)的语言游戏[65]或我们所有人的生活方式中。即使我们要怀疑是否能把“为自己活动”的概念恰当地用于细菌,同样会产生一个令人困惑的问题:活动、做和目的等用于生活在物理世界中的人的字眼是从哪里来的?我们自己也不过是物理系统。所以,我要跳过关于其他思想的哲学问题,以及我们想把语言游戏向生物世界延伸多远的问题。我个人的意见是,我们确实把我们的语言延伸到了自由活动的生命,甚至单细胞细菌,更不用说一对筑巢的小鸟和追逐你扔出的小木棍的狗。这也证明了我关于细菌的问题。如果我是对的,那么,自治行为者就是我们关于“做”和“行为”,从而也是我们“为自己活动”等语言游戏的充分而必要的条件。

在我的自治行为者的试验定义中,我也许无意间发现了生命的适当定义。行为者与生命当然有着相同的外延,尽管难免存在边缘的例子——如杂交物种等——它们显然也是生命,但不能繁衍后代。我不会顽固地坚持自己的自治行为者的定义是充分的,也不认为它一定能满足生命——但我想它可能是的。

现在简单说几句科学中的定义循环。想想牛顿著名的f=ma,问问自己,如何独立于m来定义f?力是使质量加速的东西,惯性质量是反抗力的加速的东西。庞加勒主张(我赞同这个观点,但并不是所有物理学家都同意),f=ma是一个定义循环,力和质量是彼此相互定义的。定义循环没有妨碍天体力学的巨大成功。听达尔文的宣言:自然选择选择适应性,而适应性是能使生命更容易产生后代的特征。这也是一个定义循环,它也没有阻碍进化论光大达尔文的思想。

我的自治行为者的定义也是一种定义循环,同时还跳进了新的语言游戏——关于做与行为的游戏。“自我繁殖”和“功循环”都是独立于自治行为者而定义的,就这点说,我的定义并不真的是定义循环。但是,进一步把自治行为者等同于为自己行为的能力,却是定义循环。当然,那并不意味着定义没有优点和科学意义。我曾力图去认识和解析包含在我那简单的自治行为者定义里的东西,结果走进了一条概念分析的小路,说明它至少包含了一些令人感兴趣的东西。别人一定会问它最终是不是有用。

我们粗略地来看一个可能的化学系统,它既能自我复制,也能实现功的循环。首先,系统处在某个能自我复制的部分。它可以是6个核苷酸的一段DNA,能激发两段3个核苷酸的序列相结合,它们一旦结合起来,就转变为跟原来一样的6个核苷酸的DNA;它也可以是31个氨基酸的序列,能激发两个片段的结合——15个氨基酸的一段与17个氨基酸的一段——形成跟原来的一样的31个氨基酸的序列。顺便说一句,斯克里普斯的加德里(Ghadiri)小组成功实现了蛋白质的自我复制,决定性地证明了分子的复制不必建立在DNA和RNA类分子的模板复制的基础上。

至于自治行为者定义中的功循环,可以通过某些假想的化学过程来实现。在那些反应中,焦磷酸盐PP分解为两个一磷酸盐P+P,同时损失一定的自由能。那个自由能耦合在额外复制的6个核苷酸的DNA或31个氨基酸的序列中。这里,“额外”的意思是,假如复制反应没有结合焦磷酸盐产生的自由能源,就不会复制出那么多的分子。一旦焦磷酸盐分解了,我想象可能还有一个自由能的来源——那些吸收光子并受光子激发的电子。当电子回到它原来的未激发状态,这个自由能被用来驱动焦磷酸盐的再合成,超过没有电子能量激发时所能达到的平衡浓度水平。功循环的存在基于这样一个事实:在从PP到P+P然后又回到PP的反应循环中,磷酸盐使反应循环“转了一圈”,而不是达到平衡。这是实现热力学功循环的一个分子发动机。

我那个试验性的定义有许多显著的特点。首先,系统只有在远离化学平衡时才成立;行为者的活动是非平衡概念。其次,系统是一类新的完全实在的非平衡化学反应网络,结合自我复制与功循环的网络。只是我们过去从来没有把二者结合起来。不过我们现在可以用实验来考察它们了。第三,物理学家安德森(Philip Anderson)曾向我指出,总系统通过额外合成6个核苷酸的DNA或31个氨基酸的序列,储存了供后来修正错误的能量,我们细胞里的DNA修复酶就做着这样的事情。

写到这点为止,本文还算是正统的科学。下面的事情会越来越奇怪,也可能有更多的问题。

第一个问题是更仔细来分析“功”的概念。对物理学家来说,功不过是力作用一段距离。用球棍击球加速的时候要做功,构成加速运动的正是这些小小的ma项的总和。

但是功真就那么简单吗?在任何具体的功的情形,力是“有组织”地作用在物体上做功的。物理学家在他们的初始和边界条件中隐藏了过程的组织思想。可是初始和边界条件又从何而来呢?这是物理学家通常没有回答的问题。就分析炮弹射出大炮的运动说,完全可以忽略以前的事情,只考虑炮、高程、火药、炮弹的重量、气流等初始条件,然后进行下一步计算。但是,造炮、装火药、发射等都需要做功。这样一路追溯下去,完成一颗炮弹的发送大概要回到宇宙大爆炸。生物圈讲的是过去35亿年来不断出新的初始和边界条件的产生,物理学把“现在”这个系统孤立出来,不足以回答为什么会进化地涌现那样常新的初始和边界条件。

为了认识功的概念有不完备的地方,第二个办法是要认识到一个孤立的热力学系统——例如在热力学上孤立的一个盒子里的气体——是不能做功的。但是,假如用薄膜将盒子分为两部分,则一个部分可以对另一个部分做功。例如,第一部分的压力较高,薄膜就会向第二个部分移动,从而对它做力学的功。这样的功不可能在宇宙实现,除非宇宙也至少分为两个区域。另外,宇宙的薄膜又从哪儿来呢?

我感觉最合我意的“功”的定义出自阿特金(Peter Atkin)关于热力学第二定律的一本书。他在书中指出,功是一样“东西”——即能量在约束条件下的释放。考虑一个内有活塞的圆柱,活塞与圆柱顶之间充满压缩的工作气体。气体可以膨胀,对活塞做功,将它压下。约束是什么呢?显然,是圆柱、活塞和活塞在圆柱中的位置,以及约束在其中的气体。那些约束从哪儿来呢?我们来看,做圆柱要做功,做活塞要做功,然后,把气体和活塞放进圆柱也要做功,于是,我们遇到一个以前没有留意过的有趣的新循环。看来,为了产生约束我们需要做功,而为了做功我们需要约束!

实际上,当我们试图解开薛定谔包裹在他那非周期性晶体微码中的信息概念时,为了“说”出有物理意义的东西,只有通过对能量释放——能量在释放时形成功——的约束进行重新组合。更重要的是,释放出来做功的能量,可以对能量的释放构成更多的约束,那些约束又做更多的功,功又形成更多的约束。注意,这些都不是我们过去在物理学和化学中学过的概念。人们现在才开始逐渐感到所有这些加在能量释放的约束——作为功,它们能对能量释放构成更多的约束——密切联系着某个充分的关于过程组织的理论。那样一个理论,我们目前甚至连轮廓也没看见,当然,那轮廓也不会包含在信息论里。

我说这一点也不仅是文章写作的需要。分裂的细胞就做着我上面说的那些事情。例如,细胞做热力学功,从脂肪酸和其他组成要素形成脂类分子。然后这些脂类分子可以回落到低能量的结构——一个双脂层,能形成被称作脂质体的空腔“气泡”。实际上,细胞膜就是这样一个形成空心球的双脂层。这时候,膜本身被细胞拿来改变约束。考虑一对假想的有机小分子A和B,它们可以经历三种完全不同的化学反应:(www.benninghoven.com.cn)

1)A和B能反应产生C和D;

2)A和B能反应产生E;

3)A和B能反应产生F和G。

每个反应都有反应坐标[66]。这样,当A和B反应产生C和D时,化学势阱和势垒将引导着分解的分子A和B形成产物分子C和D。同样,势阱和势垒引导着反应形成E、F和G分子。这样,化学势阱和势垒就构成A和B反应的约束。进一步,假定A和B从细胞内部的水溶液分离出来转化为细胞膜。一旦进入细胞膜,A和B分子的运动模式,如平动、转动和振动,都将发生改变。这反过来又会改变将A和B与C和D(或E、或F和G)分隔的化学势阱或势垒的深度。这样,细胞膜的形成(做了热力学功的)改变了A和B所能产生的化学反应的约束。而且,细胞也做热力学功,将氨基酸结合成为蛋白酶,那正是约束A和B并将其转化为C和D(而不是E、或F和G)的物质。这样,细胞做的热力学功形成了特殊路径的能量(这里是化学能)释放的约束。能量一旦释放出来,又做功形成新的约束。

我说的是正确的,但没有以通常的方式来谈。实际上,细胞所做的是我后来所谓的“繁衍功”——它将一个地方的有组织的能量释放,与其他地方的约束的形成和有组织的能量释放联结起来,形成一个闭合的过程,细胞就通过这样的过程完成大概的自我复制。任何正在分解的细胞都在实现过程的这种组织,一个细胞分裂为两个、四个、以至千千万万,最后形成一个生物圈。不过令人惊奇的是,我们还没有什么语言——至少,据我所知还没有那样的数学语言——能描述这个闭合的过程。过程的这种自我繁衍的组织包含在自治行为者的定义中。注意,尽管我讲的这些没有违背物理学定律,但物理学和化学似乎也不存在讨论它们的语言。我们还应该看到,“自治行为者”的试验性定义开始显现出多么丰富的内容。不过,我还是凭直觉感到,细胞似乎多少表现出一种不为我们的信息概念所把握的组织形式——那个概念从来没有考虑过在现实的物理世界真实发生的任何事情上构造什么约束。实际上,生物圈的细胞增生繁殖的协同演化过程,也是更加微妙和精致的演化路径不断出现的过程——在约束下通过那些路径获取和释放自由能;而约束的路径又产生新的约束和结构,繁衍的功从约束中汲取新的功,形成更加微妙的结构。我们只需要想想热带雨林。雨林的繁茂没有任何中心力量的作用,而它却产生了蓬勃的相互交错的多样的连环过程。是的,生物圈产生了有组织的功的繁衍的连环模式。但是,如何把这个概念数学化,我连怎么起步都不知道。

我不知道如何把这个概念数学化的原因,也许说明了本研究最奇异、最令人沮丧、也可能最深刻的一面:生物圈可能实际正做着谁也不可能预见的什么事情。如果真是那样,牛顿、爱因斯坦、玻尔和玻尔兹曼为我们指引的科学道路就有局限。生物圈可以持续改变它的“相空间”。我不知道有没有能描写这种过程的数学框架。我还想指出,如果我说的是正确的,它将给概率的频率解释带来巨大的灾难——在概率论中,我们实际上可以事先谈论所有的可能性。

这个问题联系着达尔文所说的预适应性。不过我们先说说一般的适应性。我们心脏的功能是什么?当然,我们心脏的功能是输运血液。它也产生心跳,但那不是它的功能。所以,心脏的功能只是它所产生的结果的一部分。达尔文会说,自然为我们心脏选择的功能是输运血液,不是产生心跳。就是说,为了了解上面讲的A和B或生命的任何部分的功能,我们必须在整个环境中去认识整个生命。自治行为者是从绝对的整体论来认识它们的。

现在谈预适应性。达尔文的观点是,生命的某个部分产生的结果,在正常环境下可能没有选择意义,但在特殊环境下也许有意义从而被选择。注意,几乎所有的主要适应性和所有(或多数)一般适应性都是这样产生的。于是才出现了飞行、视力、听力、肺、咽喉,等等你能想到的一切。

我的困惑是这样的。你认为你能预先罗列所有可能的(例如,针对现存的生命形式)达尔文的预适应性吗?更正式地说,你能事先限定所有可能的预适应性吗?我还没有遇到谁认为那答案是肯定的。我们甚至连这个预适应性的清单如何开头也不清楚。现在,我深信这种说法是对的,但不知道它是经验总结还是数学推论,也不知道现在如何去证明。

现在我们来听听小松鼠格特鲁德的故事。她生长在2350万年前,经历过一个孟德尔的优势基因突变,于是留下两层皮肤,每层都从腕延展到踝。格特鲁德那么丑,没有同族的伙伴同她一起说话,一起吃东西,一起玩儿。一天,格特鲁德正在一棵玉兰树上沉思,被邻近松树上的大枭贝莎看见了。呀,多美的午餐!贝莎想着,张着利爪闪电般俯冲下去。格特鲁德吓坏了,“嘎嘎”呼叫着张开双臂跳下树去,格特鲁德飞起来了!贝莎疑惑地眼睁睁望着她逃走了。于是,格特鲁德成了她的种族的英雄,1个月后跟一个漂亮的小伙儿在举族同欢的盛大典礼上结婚了。因为那个起主导作用的基因突变,不久诞生了许许多多的长着两层皮肤的松鼠宝宝,我们今天看到的会飞的松鼠,或多或少是这样来的。

那么,你能事先告诉我们那褶皱的皮肤能在那天成为翅膀吗?也许。你能说细菌中某个模糊的分子突变能让细菌探出纤毛虫的钙质流体然后向它发起进攻吗?我想不能。更一般地说,我们正好没有先验的概念能说所有可能的达尔文的预适应性是什么,也不能说所有可能的环境是什么。

现在请注意,这些不可预言的事情一刻也没有减缓进化的脚步。达尔文的预适应性时刻在产生。于是,生物圈似乎在做着我们不能预先说明的事情——不是因为量子不确定性或混沌动力学行为,而是因为我们事先一点儿概念也没有。

这反过来又意味着生物圈的相关可能性的空间——它的相空间——也是不可能预言的。于是,生物圈具有我们不可预言的创造力。这就跟牛顿给我们的谆谆教诲形成了尖锐的矛盾:在物理学中,一般可以预言所有可能性的集合——也就是相空间——然后借助定律与初始和边界条件来计算粒子在相空间里的前进轨道。

我想我们不可能在生物圈里事先描述这种相空间(所有可能性的空间)。物理学家可能会说,“不过,假如你以经典的方式来处理这个系统,总会存在关于系统(以某种方式孤立的)粒子的所有位置和速度的经典的n维相空间。”也许是那样的,可是,我们还不知道哪些相关的集合变量(如格特鲁德的翅膀)才是揭开生物圈秘密的决定性变量。于是,我们似乎面临着以前从未认识到的知识的极限。进化的生物圈做着不可预言的事情,我们还没有起码的概念。我想,技术的进步也是这样的:100年前没人能预见互联网。

有趣的是,我们不能预言未来技术的事实,假如正确的话,粉碎了统治着当代经济学理论的核心:“竞争性一般均衡”——它一开始就假定我们能预言所有可能的货物和服务,然后证明市场干净了——即所有货物都按合同价卖给买家了。但是我们不能事先知道所有可能的货物和服务,所以那个统治的经济理论一开始就错了。它把焦点放在清理市场,忽略了一个在全球经济中起着决定作用的事实:货物和服务的多样性已经跟物种的多样性一样暴涨了。为什么?

物理学的基本定律是时间可逆的。我们已经相信,时间的出现是因为热力学第二定律的不可逆性。我不反对这一点,不过我好奇的是生物圈中源于达尔文预适应性的隐藏在过去与未来的区别中的时间箭头。那似乎不是第二定律在起作用,而是达尔文的变异与选择。

还有最后一点。宇宙是不会重复的,也不是各态历经的。考虑200个氨基酸的蛋白质数目。因为有20种氨基酸,那种蛋白质的所有可能的数目就是20的200次方,即大约10的260次方。现在,已知宇宙间的粒子数大概是1080,我们可以问问自己,从宇宙130亿年前大爆炸以来是否造出了所有可能的蛋白质。快速的化学反应需要1飞秒(10-15秒),于是,自大爆炸以来在1飞秒的时间尺度上可能发生碰撞的粒子对的数目为1080×1080×1033,等于10193。这是一个大数,但同200个氨基酸的蛋白质的数量10260相比,却是微不足道的。于是,即使宇宙的一生除了造蛋白质外什么都不做,也需要重复1067次才可能造出所有可能的200个氨基酸的蛋白质。因此,一旦超越原子核的水平,在有机分子的复杂性水平上(更不必说生命、法律系统或雪弗莱汽车),宇宙在很大程度上是不重复的。这意味着当格特鲁德实现她的第一次飞行时,她改变了宇宙的物理和分子的演化。许多或大多数自治行为者的行为也是如此。我们是走在独特轨道上的过客,我们能产生实在的影响,不是吗?美国人赶在苏联的前面登上月球,在上面留下了一点儿东西,从而改变了太阳系的轨道动力学。

我们从起点出发已经走了很远——开始的时候,我们想知道什么样的系统能为自己活动。我不能确信自己是否在无意间发现了充分的生命的定义,不过我还是倾向于认为我可能发现了。而且,我相信未来50年能在实验中看到产生更多这样的系统。当它们彼此协同演化时,我们将惊奇地看着眼前发生的事情却不能预言将要发生什么。正如《侏罗纪公园》里的“混沌家”的著名台词说的,“生命发现了一条路。”他没有补充一句,我们一般不可能预先有任何线索说明那条路将是什么。生命天生是开放的,它的认识需要将物理学和化学提高到一个新的水平,在那里,从预言的范畴说,未来是开放的,而不是可以预料的。

考夫曼(Stuart Kauffman)

考夫曼(Stuart Kauffman)是宾夕法尼亚大学生物化学荣誉退休教授,理论生物学家,研究生命起源和分子组织的起源。他是麦克阿瑟荣誉学者和圣塔菲研究所终身教授。25年前,他创立了表现出一类自组织(他称为“免费的秩序”)的随机网络的考夫曼模型。考夫曼博士是Bios集团公司的主要创建伙伴和科学总负责人——公司将复杂性科学应用于商务管理问题。他是《秩序的起源》(Origins of Order)和《探索》(Investigations)的作者,还写了《宇宙为家》(At Home in the Universe:The Search for the Laws of Self-Organization[67]