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生命是怎么一回事儿
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杰弗里在他那天堂般的小岛上，有充分的时间进行思考。几年之后，当我们再次坐在同一张石桌边上时，他又回归到了最为宏大的问题之上：“生命是什么？”但是，他也将这个大而又大的问题转换为一种更有意思的说法。他补充道：“生命是解决办法，那么，它解决的问题是什么？”毕竟，行星围绕太阳运转的轨迹就是这些天体用来“解开”牛顿引力定律方程的答案。电子围绕轻原子核所做的运动，就是“解开”量子力学方程的答案。那么，生命究竟是用来“解答”哪一个方程的呢？
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我很欣赏他讲述这个问题的方式。很遗憾，我给不出答案，所以避开了他的问题。我说过，生命一直在不断地进化中，因此，生命就是解开进化这个方程式的答案。但这就引来了另一个问题：“什么是进化？”这又是一个宏大的问题，因为生物学就是围绕进化展开的。之后我意识到，关键的课题实际应该是——进化从何开始。我们知道，生命体能够进化。进化将一套生命体系转化成为另外一套，但进化本身是如何出现并形成的？这似乎就是我们想要探索的整个领域之中的核心议题。
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虚空之中，是怎样的一股力量，将曾经令罗伯特·布朗倍感兴奋的混沌的无机分子，改变成为像布朗本人这样聪明、活生生、有组织的生物化学奇迹？在想象中各种可能性的煽动下，我立刻开始着手设计一套化学反应实验方案，从中，我能看到非生命体逐渐转化成为生命体的过程，也就是从单纯的“无生命”化学到生物学的转变。我想到，两个化学单元可以通过“聚合”的方式，形成新的序列。我们可以将两个子单元想象成二进制代码中的0和1。在我的脑海中，清晰地闪现出这一聚合反应凭借简单的二进制子单元，激发出了无数可能的代码组合。就是这样，我坐在天堂小岛的石桌边，构思出了一个全新的概念——“前生”。
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下面简单介绍一下我思考这个问题的过程。我利用简单的单元代表生命最初的化学建构，可以是RNA，也可以是其他类型的分子形式。这一基础建构以随机和自发的方式，组合成为信息串，就像字母拼出单词一样。我对生命之初这一活动的发展速度很感兴趣。或者，换一种说法就是，我的研究重点在动力学上，研究拥有不同序列的信息串能以多快的速度生长。有着不同编码的信息串会以不同的速度越变越长，其中一些接受化学结构的速度比另一些更快。生长速度之间的微小差异，会导致信息串总量的不同。
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从数学中我们可以看出，由于更长的信息链需要更多的装配反应，因此就不会像较短的信息链那么常见。但如果一些装配反应速度更快，那么这些快速装配的结构序列就会更加庞大，就好像以更快的速度转动压面条机的手柄，就能制作出更长的面条一样。这种长寿面胜过刀削面的结果，就是选择的一种表现形式。用这种方式看待这碗“原生”面条汤，我发现，选择的过程先于复制的过程是可能出现的，而且能以一种自然而然的方式表现出来。
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有些信息串也会发生突变（想象一下各种不同形状的意大利面，有管状的空心粉，还有螺纹状的等），而这种新型的突变成果也可能发展得更加成功。有时，某一个信息串会比其他序列有着更快的反应速度，标志着一种特定形式的合作。而进行全盘考虑就会发现，所有的可能性加总在一起，就形成了这栩栩如生的化学系统，随时可能孕育出动态的进化过程。如此来看，受制于选择和突变力量的分子，依然缺乏生命所需的最后一个条件——复制。而这些分子也在不可逆的力量驱使之下，朝着这个方向发展。
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到目前为止，我们还没有考虑过复制，仅仅研究了形成基本分子所需的反应。现在，如果某些信息串的确具有复制的能力，那么我们就能研究复制过程中是否存在选择的机制，从而去探寻生命从“前生”中脱颖而出所需的精确条件。更为简单的单元——单分子结构，是构成“前生”的主要物质。生命是在“前生”中诞生的。但这之后，前生和生命之间，却就单分子结构这种基本原料展开了竞争。最终，这场竞争会发展成为对具有复制能力的分子的选择。
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从繁殖的起源到选择的起源，我们的关注点发生了改变，而这一改变也具有重要的意义。普遍的观点认为，大约在40亿年以前，我们的星球到达了“奇点”，这标志着生命多样性的最终诞生，并由此发展成为我们今天周遭可见的一切。这场生物学“大爆炸”，从一群采取合作态度的分子跨越无生命化学和生物化学分水岭的一刹那开始，便铸起了繁殖链条中的第一道连结环，进化成为各式各样或蠕动、或游动、或爬行、或行走的生命体。
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在对生命起源的传统理解中，第一个复制基因横空出世的一刹，是极为珍贵稀有、稍纵即逝的瞬间，并由此引导出了随后发生的进化。这一刹那如此幸运，转瞬间的电光石火便造就了所有生命熔融的奇迹。就像希腊宇宙论中所讲的一样，从“茫茫无边的黑暗”虚空与混沌之中，主管原生大地的盖娅女神诞生了。但从我们就“前生”进行的研究中可以看出，这样一个神奇的时刻可能根本就不存在，没有“奇点”，也没有生物学“大爆炸”。我们能看到的，只是一个循序渐进的转化过程。在化学与生物化学，“前生”与生命之间，其界限本身就是模糊不清的。生命并不存在确定的起始点，而是从一片昏聩黑暗之中，逐渐显现的一股生机。
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在那漫长的远古时期，前生的内涵越来越丰沛。如此丰沛的“前生”，就为生命的勃发奠定了良好的基础。换句话说，有了丰富的化学发展环境，再加上充分的时间与空间条件，一定会出现有复制能力的适宜分子。这样，地球上这一片混沌的无生命化学物质，便开始对各种复制分子进行测试，这就使得某一个分子最终跨过生命门槛的可能性大大增加。
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可见，生命的起源也许并不是开始于创世纪的一个偶然的火花，而是地球上酝酿了数十亿年之久的化学物质。在前生的化学反应过程中，存在着合作的契机。有些序列出现催化反应，这意味着加快了某种前生化学反应的速度。从这个思路出发，我们可以想到，两种互为补充的前生化学序列，会利用催化反应来进一步彼此完善。某一种分子增加了另一种分子的形成速度，反之亦然。前生中相互合作分子的存在，是一种非常可信的假设。事实上，可以这样理解单串RNA的复制：一串RNA制造出了起补充作用的另一串，以此类推。如此看来，合作行为的确比生命本身的历史更为久远。
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这样，我们就掌握了关于生物初始的一种更为微妙的观点。几个基本单元串最终发展出了自我复制的能力，而如果周围有足够多的化学单元，就还能够进行繁殖。可以复制的分子串与无法复制的分子串相比，能更加快速地吞并基础单元。因此，在前生与生命本身之间，就存在着如此的竞争关系。通过我们的计算，只有当复制的速度超过一定的临界值时，前生才会被拥有复制能力的分子串所压倒。最终，生命会战胜首先占领这个星球的前生分子。这样看来，生命就好像是前生患上的一种传染病，并摧毁了其分子形式的祖先。或者换一种拟人的说法就是，前生遭到了生命的盘剥。
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这一思想还有着更加广泛的意义，值得我们在这里稍微跑一下题。随着计算机资源越来越丰富，互联网将遍及整个星球的越来越强大的电脑连接为一体，这个世界将会因此而发生些什么，我们拭目以待。想象一下，当拥有进化能力的软件，或称软生命，能形成以计算机为基础的生命形式，并自发地以40亿年前地球上出现第一个生命体相类似的方式产生进化行为时，又会发生什么样的事情。
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遗传物质点亮生命之光
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一旦出现了像遗传物质RNA等拥有复制能力的分子串群体，接下来又会发生什么？我们下了很大工夫，用数学方法来描述RNA聚合物等分子聚合体在化学反应的作用下，会随着时间的发展而发生怎样的改变。根据RNA聚合物中的遗传“字母”排序的不同，自我复制的速度也有着多样化的特征：有些RNA排序产出“子孙后代”的速度会更快一些。换句话说，这些以更快速度繁殖的RNA，更具有“适应性”。
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然而，复制是很容易出现失误的，因此必须将这一因素考虑在内。由于繁殖过程中错误不断，因此，后代的序列不需要与父母保持一致。如此一来，繁殖时随机出现的化学事件，就能够创造出拥有不同序列的全新RNA分子，虽然这些RNA分子与父母之间仍保持着亲缘关系。这一系列拥有紧密亲缘关系的RNA，被称为“准种”。德国的诺贝尔奖得主，化学家曼弗雷德·艾根（Manfred Eigen）曾与维也纳大学的彼得·舒斯特共同就生命之初存在的各种分子复制的现象和结果进行了研究。
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为了着手进行研究，他们需要对进化的各种可能性进行构思。1932年，美国遗传学家休厄尔·怀特（Sewall Wright）提出了“适应度景观”（fitness landscape）的思想。这一理念为艾根和舒斯特所接纳并加以拓展，用来描述RNA进化和生命的起源。首先，他们构建出了所谓的序列空间，将同样长度的RNA链条置于栅格之中，令彼此相邻的RNA仅存在一个化学字母（基）的差别。现在，任意两条RNA序列之间的距离，就等于突变的数量（字母之间的差异）。令序列产生差异的突变数量越多，两者之间的距离就越远。
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每条RNA序列都有特定的繁殖速度，也就是这条序列的“适应度”。相对适应度较高的序列，其繁殖速度会更快，随着在竞争中逐渐胜过适应度较低的慢速序列，这些高适应度序列的数量也会越来越多。如果将每条给定RNA序列的适应度用纵轴表示，而序列空间用横轴表示，那么我们就得到了具有RNA进化特征的“适应度景观”。
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将上述信息纳入脑海，我们就能想象出，快速复制的序列会形成山脊般的图像，而速度最快的一条则是那最高的山巅。在适应度景观之中，复制速度最慢的序列在最低的山谷中憔悴衰败。而当临近的RNA序列拥有相似的适应度时，就会形成地势平缓的平原图像。这样一来，寻找拥有最佳复制能力RNA序列的工作，就相当于在一片宏大而波澜起伏的适应度景观之中，找到那座最为壮观的波峰。
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不断进化的群体会在一系列小规模遗传变化的作用下，在适应度景观之中不断向上攀升，直到抵达巅峰的位置。而进化的微妙之处就在于，这一给定的巅峰并不一定就是最高点。这样一来，群体很可能会被困在这一点上，直到偶发的突变打开一条通往更高适应性巅峰的全新道路。否则，去往更高巅峰的道路就会从低谷间穿过，这也可以说是“以退为进”这个古老策略在“准种”领域的体现。
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适应度景观是多维的。如果你想要画出这样一个栅格，里面是长度为2和3的二进制序列，那么所需要的维度就要和序列的长度相等。如果想要画出人类免疫缺陷病毒的序列空间，就需要10 000个维度。对于人类的整个遗传互补——人类的基因图谱来说，需要大约30亿个维度。与此相比，生命之初的遗传物质串就要短上许多，但尽管如此，还是超越了人类对其所在的多维空间的构想能力。
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我希望读者能开始理解，进化的各种可能性处于很高的多维空间之中，实际上，这些空间比宇宙本身更为“辽阔”。这些空间如此浩瀚，在一片高维度“喜马拉雅山脉”之中，拥有独特而奇异生命形式的“香格里拉”，很可能如绿洲般存在于适应性景观之中，而穷尽我们宇宙的整个生命周期，进化的机制也很可能无法发现这些绿洲的存在。
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生命的博弈
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艾根和舒斯特于20世纪70年代后期提出“准种”理论之时，他们也创造出了理解生命和进化的新契机。准种可以在高维度的适应度景观中四处游走，寻找巅峰，而这些巅峰代表的正是拥有高度适应值的区域。但艾根和舒斯特认为，自然选择的目标，不是最具适应性的序列，而是最具适应性的准种。这是一个很重要的区别，因为最具适应性的序列可能仅代表准种之中非常小的一部分。事实上，这些序列甚至很可能并不时刻存在。而且，最高的巅峰也许并不与最具适应性的准种相符，随后我会作出进一步解释。
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