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生命：进化生物学、遗传学、人类学和环境科学的黎明 18 THE ADJACENT POSSIBLE 相邻可能
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Stuart Kauffman斯图亚特·考夫曼理论生物学家，加拿大卡尔加里大学生物复杂性及信息技术学院院长。
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没有人掌管着普遍规律的进化、生物圈的进化或经济圈的进化。各个系统以某种方式让它们把共生进化组合起来。
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——《相邻可能》
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斯图亚特·考夫曼：薛定谔在名著《生命是什么》（What is Life？）中问道：“生物学秩序的来源是什么？”他的想法是，这取决于量子力学和某些非周期性晶体所携带的微观信息，后来证明这些微观信息就是DNA和RNA，所以他是完全正确的。但如果你问他是否知道是什么让一些事物拥有生命？很明显他也不知道。尽管我们现在对细胞机器有了零星的认识，但我们还不知道是什么让它们拥有生命力。不过我有可能意外地发现了一个可能是生命意义的定义。
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在过去一年半的大多数时间里，我一直在关注自主主体（autonomous agent），并且也一直在做笔记。一个自主主体就是某种可以独自在一定环境中行动的事物。实际上，所有自由的活有机体都是自主主体。通常，当我们观察到，一个细菌在葡萄糖梯度里向上游游动时，我们会说，这个细菌要去获取食物。这就是说，我们从目的论角度来谈论细菌，就好像它是代表自己而行动的。令人震惊的是，宇宙一直在产生以这种方式行动的事物。这是怎样在这个世界中发生的呢？
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当我思考这一点时，我注意到，细菌只是一个物理系统；它只是一堆分子结合在一起，并相互影响着的一个系统。所以，我好奇的是，一个物理系统要具有哪些必要特征，才能成为一个自主主体呢？思考数月之后，我想到了一个暂定的定义。我定义的自主主体就是，既能繁殖自身又能至少完成一个热力做功循环的事物。这样看来，其实所有自由的活细胞都是自主主体，除了一些怪异的特殊例子。它们都可以完成做功循环，就像当细菌游向葡萄糖的高浓度环境时旋转它的鞭毛一样。你身体里的细胞一直都在为做功循环而忙碌着。
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我有了这个定义之后，我的下一步工作就是，去创造和记录一个假想的化学自主主体：它原来就是一个开放的热力化学系统，它能够繁殖自身，而且在这个过程中执行了热力做功循环。所以我必须要学习做功循环的知识，但这完全是一类新型的化学反应网络，之前还没有人研究过。之前我们有了自繁殖分子系统和分子马达，但是没有人把二者结合成一个系统，一个既能繁殖又能进行做功循环的系统。
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想象一下，在细胞里面有两种分子A和B，它们能够进行3种不同的反应：A和B可以创造出C和D，它们又能创造出E，或者它们能够创造出F和G。有3种不同的反应路径，每一种反应沿着反应坐标都有位垒。一旦细胞生出细胞膜，A和B就会分裂进入膜里，它们的转动、振动、平移运动都会被改变。这反过来又改变了位垒和细胞壁的形状。改变位垒的高度恰好也改变了反应的约束条件。因此，细胞通过热力做功建造出一个被称为膜的结构，这反而又操纵了反应的约束条件，这就是说，细胞通过操纵约束条件去构建约束。
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另外，细胞通过热力做功构建了一种酶，其可以把氨基酸聚集在一起。若这种酶和转变阶段结合在一起，就是把A和B转换到C和D，而不是转变成E或F和G，所以，它就催化了一种特殊的反应：它使能量降低到符合一种自由度很小的特殊路径的条件。在这种情况下，你可以得到C和D，但不能得到E、F和G。D也许会发生转变，它会黏着到跨膜通道上，并释放一些振动能量，从而让膜裂开，并让一个离子进入，离子会进一步在细胞里做些事情。所以这个循环工作就是，细胞通过发生反应去建构约束，然后导致能量以特殊的方式释放。这项工作之后会继续循环下去，这个过程实在很令人着迷。
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有几个要点需铭记在心。第一，你无法在平衡状态中进行做功循环，这就意味着自主主体的内在概念就是一个非均衡概念。第二，一旦发展了这个概念，我们只需要10年、15年或20年，就能实现生物学和纳米技术之间的结合，到那时我们将能创造出自主主体，它可以复制自身并进行做功循环。所以，我们需要一场技术革命，因为自主主体不是仅仅会站在那里说话，向四周传递信息而已，实际上它们还可以建造东西。
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第三点就是，这或许会是一个对生命合适的定义。在未来30～50年，我们要么会创造出新的生命形态，要么会发现新的生命，在火星上、在泰坦星上，或其他地方。我希望，我们能够发现完全不同于地球生命的生命，因为这将开启两个问题：第一，到那时一门普遍的生物学将会是什么样的，这一生物学会免于地球生物学的约束吗？第二，是否存在掌管整个宇宙的生物圈的法则？我倾向于认为存在这样的法则。当时，我们不知道其存在。我们甚至不知道主导地球生物圈的法则是什么。但是，我提出了三四个可能的法则，不过还没有定论。
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所有这些都指向了一种对组织理论的需求，我们可以通过评论工作，去思考这种理论。如果你问物理学家：“什么是做功？”他会说：“做功是通过一定距离的力的作用。”比如说，当你打曲棍球时，你越加速击打冰球，你作用到它上面的力的增量就越小。这一过程的积分除以冰球运动的距离，就是你所做的功。但这个结果就只是一个数字而已。
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但是，在任一具体的做功案例中，都有对这一过程进行数值计算的流程。这让功的一些特征遗失在其数字表征里了。彼得·阿特金斯（Peter Atkins）写的一本关于热力学第二定律的书中，他对做功的定义和我的很契合。他说，做功本身就是一件事情：能量有约束地释放。想想古老的蒸汽机里的汽缸和活塞：蒸汽往下推动活塞，把汽缸顶部的蒸汽随机转化成活塞的直线运动。在这一过程中，很多的自由度被转化成少量的自由度。
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很明显，约束就是汽缸和活塞，实际上活塞就在汽缸里面，而且在活塞与汽缸之间还有一些润滑油，这样蒸汽就不会飘出去，活塞上还附着有一些活动杆。但是，这些约束从何而来？实际上在每一个例子中，都需要做功过程去创造约束：有些人要去制造汽缸，有些人要去制造活塞，还有些人把它们组装起来。
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所以是做功制造了约束，也是约束进行了做功，这就是一个有趣的循环。但这个想法并没有出现在我们对做功的定义中，但在很多例子里，当然也在有机体里，这个想法在物理学上都是正确的。这就意味着，我们缺乏理论，这也指明了组织进程的重要性。
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一个细胞的生命周期非常简单。它会在能量的释放上通过做功去建构约束条件，也还有其他类型的工作。它会构建结构。细胞并不仅只是携带信息，它们还会创造事物，直到一些特别的事情发生：一个细胞完成了一个封闭的工作任务流，创造出自己的复制品。
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尽管哲学家康德当时并不知道细胞，但是他在200多年前曾这样说过：“一个有组织的存在能够自我组织进行繁殖整个自身，创造出更多的自身。”尽管细胞也能这样做，但这一事实在我们的物理学中并没有一席之地。它不存在于我们对物质的定义中，不存在于我们对能量的定义中，不存在于我们对信息的定义中，也不存在我们对熵的定义中。它是某种异类。它与组织、组织的繁殖、工作、约束的构建有关。所有这些都要吸纳入某种新的组织理论中。
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通过考虑“麦克斯韦精灵”（Maxwell’s demon），我可以进一步推进上面的思考。每个人都知道麦克斯韦精灵：他设想，把一个有分隔的盒子里的快分子和慢分子分开，把快分子放在盒子的一格，通过瓣阀把慢分子放在另一格。假设有一个精灵会构建出温度梯度，并通过一个平衡装置把功从中提取出来。已经有大量的科学研究表明，在平衡状态下，这个假设永远都不会成立。所以，让我们径直走向非平衡装置，去提出新的问题吧。
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想象一个有分隔和瓣阀的盒子。在盒子的左边有n个分子，右边有n个分子，但是左边的分子比右边的分子移动得更快。所以盒子的左边更热，可以作为自由能的一个来源。如果你把一个风车放在瓣阀附近，并打开瓣阀，就会在短时间内在盒子里从左到右产生一股风，使得风车朝向瓣阀旋转。这个系统检测到一个自由能的来源，风车背面的叶片就会因为这股风而朝向风车，然后做的功就被提取出来了。物理学家会说，精灵所做的就是一种度量，去检测自由能的来源。我提出的新问题是，精灵怎么知道要进行什么样的度量？
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现在精灵做了一个很奇特的实验。精灵利用一个神奇照相机拍了一张照片，来度量盒子左右两边所有分子的位置。但是通过这一实验，精灵并不能推断出，左边的分子比右边的分子速度更快。如果你隔一秒钟拍下两张照片，或者如果你度量转化到盒壁的动能，你才可以做出推断，但只有一幅照片是不能做出推断的。所以，精灵是怎么知道要做什么实验的呢？答案就是，精灵根本就不知道要做什么实验。
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让我们回到生物圈。如果一些能检测和利用新的自由能的有机体，出现了一次随机变异，并对这个有机体有益，那么它就会被自然选择机制选中。整个生物圈就是一个庞大的互相连接的工作网络，并通过做功去建造事物，这样阳光会很充分地洒下来，红杉树被创造出来，很多生物也借居于树皮上。生物圈的复杂网络就是一个连接的工作任务、约束建构等的集合。生物圈根据自然选择而运作，它能做麦克斯韦精灵做不到的事情。生物圈是我们所知的宇宙中最复杂的事物之一，这就使得我们需要一种理论，去描述生物圈所做的事情：它是怎么组织起来的？做功是怎么延续的？约束是怎么构建的？还有新的自由能来源是怎么被发现的？当前我们还没有这样的理论，完全没有。
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现在，我致力于思考一个重要的问题。我所面对的阻碍在于，不清楚怎么去构建数学理论，所以我不得不谈谈达尔文所谓的“适应性”，然后再谈谈他所谓的“前适应性”（pre-adptation）。
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你可以观察一颗心脏问：“它的功能是什么？”达尔文会回答说：“心脏的功能是泵血。”这没错，这也是心脏被自然所选择的原因。但是，你的心脏也会发出声音，这可不是你的心脏的功能。这种回答也导致了一种简单但令人不解的结论：一个有机体的组成部分的功能决定了整体的功能，意思就是，去分析一个有机体的一个部分的功能，你需要了解整个有机体及其环境。这是比较容易的部分。但关于有机体有一种不可分割的整体论就没那么容易了。
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还有一个奇怪的部分：达尔文谈到了前适应性，他的意思是说，一个有机体的一部分所引发的结果，也许会在一些有趣的环境中有用，然后就被自然所选择了。那只会飞的松鼠格特鲁德（Gertrude）的童话故事就证明了这一点：大约在6 300万年前，有一只极丑的松鼠，它皮肤的赘肉把手腕和脚踝连在了一起。因为它实在太丑了，以至于同伴们都不愿和它玩耍或约会。有一天，它独自在一棵木兰树上吃午餐。旁边的松树上有一只名叫伯莎（Bertha）的猫头鹰，伯莎看了一眼格特鲁德，想要吃掉它，然后顺着阳光伸出爪子飞下来。格特鲁德受到了惊吓，从木兰树上飞了下来，在惊慌中窜逃了。它摆脱了那个稀里糊涂的伯莎，着陆后，它变成了松鼠家族里的女英雄。一个月后，它和一只帅气的松鼠结婚了，由于皮肤赘肉的基因通过孟德尔式的遗传传给了它的孩子，所以它们的孩子也拥有同样的赘肉。这大致就是我们现在有会飞的松鼠的原因吧。
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