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生命的起源:所有生命的共同祖先在40亿年前是怎样诞生的? 第四章生命是什么?
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这不是一个生物学问题
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薛定谔在1943年出版了一本名为“生命是什么?”的小册子,开创性地把生命现象与普遍的热力学现象统一起来,这给后世带来了深远的影响。但遗憾的是,数不清的科学读物往往只是不厌其烦地复述着薛定谔的看法,却极少把这个问题更进一步地拓展下去。
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那么,在这本书里,我们不但会详细地讨论薛定谔给出的定义,还要尝试着向前迈进一步:薛定谔把生命纳入了一般的热力学现象,并无神秘之处,那么,生命的起源,也是一个一般的热力学现象,这是必然的吗?
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因此,这一章虽然没有讨论任何生命起源的细节问题,但它给整本书提供了根本的纲领。
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要讨论生命的起源,我们理应先来回答“生命是什么”这个更基本的问题。
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但这个庞大的问题实在让人茫然无措,因为地球上的生命形态已然丰富到更仆难数,宇宙中的其他地方还有怎样离奇的生命形态越发无从想象,要从现象中归纳一个定义,实在不知从何说起。
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所以不妨倒过来,换个问法,事情反而容易很多:如果外星飞船上扔下来一个东西,行为复杂极了,那么你准备怎么判断它是外星生命还是外星机器,是活的还是死的?
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显然,从地球生命身上获得的生物学常识在这里派不上用场,因为我们没有任何理由认为外星生命拥有和地球生命一样的器官、组织或细胞,甚至有机分子,也就不能用生物知识辨别从它身上切下来的那个东西到底是什么。我们只能从头开始,把它当作一个普通的物理对象,用物理学上的各种研究方式弄清楚它的运作原理,最后再根据研究结果,判断它作为物理对象能否被归入有生命的那一类。
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所以你看,“生命是什么”并不是一个生物学的问题,而是一个物理学的问题,如此也就毫不奇怪,这个问题被认可程度最高的答案来自一个最重量级的物理学家——薛定谔,就是那个提出“既死又活的猫”的薛定谔。
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1933年,薛定谔因建立薛定谔方程而荣获诺贝尔物理学奖。之后,他又对生命现象表现出了极大的兴趣,开始投入这个崭新的研究领域。约10年之后,也就是1944年,他出版了小册子《生命是什么?》,给我们带来许多深刻的启示。在此后的半个多世纪,生命科学的许多重大突破都印证了这个伟大物理学家的远见卓识。
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·定义·
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尤其是对“生命”这个概念的阐述,时至今日,几乎所有科学读物的回答都提炼自薛定谔这本小册子的第六章《有序、无序和熵》,虽然各自表述不同,但总的来说都等价于这样一句话:
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生命是维持在非平衡态上的物理系统,这通过从环境中汲取“负熵”实现。[1]
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前半句中所谓“平衡态”,是指一种“泯灭了一切差异,而变得处处均匀”的状态——绝大多数物理系统,如果没有得到专门的维护,没有从外界获得物质和能量的支持,那么它的任何运动都会使自己更加接近这种平衡态。
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如果需要一些例子,那最简单的是:桌子上有颗滚动的玻璃珠,它最后总会因为各种阻力而变得相对静止[2]。再比如,屋子里有一杯水,它的温度如果不是室温,就会变成室温,接下来,这些水还要不断蒸发,最后成为水蒸气,与屋子里的空气成为均匀的一体。还比如,冲速溶咖啡的时候,我会丢一块方糖进去搅一搅,但就算我不搅拌,那块方糖也迟早会溶解在咖啡里,变成均匀的一杯[3]。反过来,加糖咖啡里不会自动结晶出一块方糖。
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不过既然是说“绝大多数”,就应该有一些反例。有些人会想到机械,比如一辆燃烧汽油前进的车辆,我们似乎可以发现它在制造速度的差异和能量的不均。但请注意,所有零件都会在接触中持续磨损,燃烧和摩擦产生的热量也会加速钢铁、橡胶和油漆的氧化。汽车开够一定的里程,就将变成一堆不能动的废铁,如果没有人来翻新它,这堆废铁将比新车更快地与空气发生氧化反应,最后灰飞烟灭,完全融入地球这个整体中去——所以汽车行驶的过程,恰恰是它走向平衡的过程。
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当然,已经存在的任何机械都不过如此,哪怕21世纪最先进的仿生机器人,那些精妙的动作也都只会让那个平衡诅咒早日成谶罢了,都不是这个规律的反例。
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不过,既然提到了仿生机器人,那么我们就来看看“生”这种事情,它的确是长期以来最令人困惑的“反例”了。
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·持存·
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是啊,刚才的定义很明确地说“生命是维持在非平衡态上的物理系统”,也就是说,生命活动非但不会泯灭系统内部的差异,不会把自己变成一团均匀的物质,而且会维持各种尺度上的差异,形成复杂而有序的结构。任何人只要稍稍观察,就会发现这是一种异常强烈的对比。
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正所谓“吴宫花草埋幽径,晋代衣冠成古丘”,“野草溪花媚晚凉,残基犹说晋咸康”,诗人们总在无生命的宫殿土崩瓦解之时,被周遭葳蕤茂盛的野花杂草唤起伤感——因为离开了人的维护,坍圮的废墟必将不可阻挡地陷入混沌的平衡,而这些植物却因为没有了人的干预,自由地制造着秩序。
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与那些土崩瓦解的断井颓垣不同,无论多么柔弱的植物,都会开枝散叶,向上生长和攀缘,争取高处的阳光[4],它们在形态上充满了精致的细节,让古往今来的艺术家从中汲取了无限的创作素材,其中到处都是物质分布的差异、组织分化的差异、材料应力的差异。如果你能进入细胞内的微观世界,还会发现到处都是千姿百态的分子机器,比伊斯坦布尔的集市还要熙熙攘攘,比波音公司的流水线还要井井有条,其中到处都是分子浓度的差异、扩散方向的差异和电子势能的差异。
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复杂而有序的又何止植物呢?那些怀古的诗人也同样是最好的例子,因为不论他们的内心是多么凄凉,身体却散发着恒定的热量,与环境形成了持续的温度差异,这是因为他们体内的细胞分化成了各种不同的组织,形成了不同的器官,构成了不同的系统。“食饱拂枕卧,睡足起闲吟”,诗人的消化系统从上一餐的饮食里汲取了糖分,呼吸系统从空气中获得了氧,它们通过循环系统抵达全身的每一个细胞,经过各种生化反应,在维持一切生理活动之余制造了大量的热——那个感喟不朽的大脑就消耗20%的热量,它包含了约220亿个神经细胞,每一个都在细胞膜两侧积累了堪比雷暴的电势差,由此形成的神经冲动一刻不停地穿梭往来,形成了已知宇宙中最复杂的信息处理系统。
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