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1700267493 生命:进化生物学、遗传学、人类学和环境科学的黎明 [:1700264694]
1700267494 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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1700267496 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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1700267498 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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1700267500 ——《相邻可能》
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1700267502 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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1700267504 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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1700267506 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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1700267508 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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1700267510 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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1700267512 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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1700267514 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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1700267516 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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1700267518 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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1700267520 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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1700267522 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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1700267524 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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1700267526 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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1700267528 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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1700267530 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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1700267532 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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1700267534 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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1700267536 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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1700267538 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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1700267540 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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1700267542 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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