生命的本质是什么？逆向探索地球上生命起源的过程

本书已经呈现了高度精密的生命拼图中的许多碎片，在最后一章中我们将试着把这些碎片拼凑起来，并且勾勒出一个生命理论的概貌，以回答薛定谔那个朴素的问题：“生命是什么？”检验这个理论的方法比较简单。这个理论应该能够用简单的化学术语来解释为什么生命具有那些特殊的性质，能够阐明生命体从非生命体中诞生这一过程所遵循的规律，并且试着就分子如何合成生命体给出一个笼统的解释。

在总结生命理论之前，我们不要忘了另外一个关于物质的已被确认的理论——量子理论。照理说，这个理论应该可以预测任何化学系统的性质和未来的行为。这暗示了生命理论可能也是这个普遍理论的一部分。从理论上来说这一点确实没错，但是这样来看待生命会让问题变得更加难以捉摸。在实际应用中，量子理论只能处理一般的化学系统，而生物系统从整体上而言过于复杂了，所以该方法在这样的系统中并不适用。试着去问一位计算量子化学家，看他能不能解决一个需要明确考虑整个系统复杂性的生物学问题，他很有可能会做个鬼脸然后走开。所以，我们需要另外一个关于生命的理论。“另外”不代表着孤立。这里所指的“生命理论”就像俄罗斯套娃一样，不过是包含在更普遍的“物质理论”中的一个小套娃罢了。但是正如前文强调的那样，尽管生命极其复杂，我们还是能够构想出一个生命的理论。该理论假设生命起源于简单的系统，生命的本质也恰好体现在其简单的起源之中。通过探究设想中的生命起源，我们将能够把握生物学的核心并解决生物学中一些最基本的问题。不过，为了能够触及问题的关键，我们需要先突破“复杂性”的重重阻隔，然后才能揭开其中隐藏的奥秘。要突破“复杂性”的问题，我们需要沿着逆时间轴的方向进行探究。复杂性是逐步建立起来的，因此我们应该从概念上回溯这个过程，直到触碰到问题的核心。只有逆向探索地球上生命出现的过程，我们才有可能发现“活着”的本质是什么；只有触及了问题关键，我们才有可能开始理解生命为什么出现并清晰地认识生命是什么。

该方法将我们引向了系统化学。在前面的章节中，我们已经详细讨论过这个研究简单复制系统的化学分支。通过研究简单的复制系统，我们发现了一个了不起的联系——达尔文理论这个基本的生物定律可以被整合到一个更普遍的化学进化理论中去。该理论同时适用于生命体和非生命体。我认为这样的整合理论才能构成生命理论的基础。将化学和生物从根本上联系起来具有深刻的意义，例如自然发生阶段和生物进化的统一就是这种联系所产生的意义之一。自然发生和生物进化是一个连续的过程，自然发生（从非生命体转变为最早的生物）是低复杂性过程，而生物进化则是高复杂性过程。这二者的统一能够阐明简单非生物进化到复杂生命体的物理本质。通过揭示将非生物和生物联系起来的过程，“什么是生命”这个问题的核心开始逐渐显现。生命的出现起始于简单复制系统的产生，这个看似不重要的事件打开了通往一种与众不同的化学——复制化学——的大门。进入复制化学的世界后，我们发现了自然中的另一种稳定性——物质的动态动力学稳定性。这一性质让物质善于进行自我复制。探索复制化学的世界能够帮助我们解释为什么一个简单而原始的复制系统在过了一段时间后会变得愈发复杂，原因就是：为了增强它的动态动力学稳定性。

的确，生命系统与大量的化学反应有关，但是生命的本质和生命过程的开始都离不开复制反应。复制反应的独特之处并不在于它的产物是什么，而在于产物有多少。为了进一步说明复制反应的独特性质，下面我们来考虑一个例子。假如一个质量大约为10-21克的复制分子每分钟可以复制一次，那么在接下来的5个小时内，这个复制分子（从理论上来说）将增长为一个质量超越整个宇宙的群体！试想一下，一个复制分子以中等的速度进行复制，在短短几个小时内就可以用尽整个宇宙的资源！复制反应十分独特，它与其他任何出现在化学教科书中的化学反应都完全不同。它具有令人惊叹的动力——这种通过指数增长获得的力量颠覆了传统的化学规则。当然，热力学第二定律也适用于复制系统，但是复制反应的巨大动能似乎避开了这个定律无处不在的束缚。稳定性是化学中的基本概念，但是这惊人的动力创造出了一种独特的稳定性，它与我们在化学中所熟悉的其他稳定性不同。根据我们第4章中的讨论，在“常规”的化学中，如果一个物质不发生反应，那么该物质是稳定的。但是在复制系统的世界里，一个物质如果要保持稳定（这里的“稳定”指的是维持性质的一致），那么该物质就必须发生反应，要生成更多的自我备份。从维持一致的角度而言，一个物质越擅长于自我复制，那么该物质也就越稳定。

这就是动态动力学稳定性概念的核心。不过，这也意味着在复制因子的世界里反应遵循着一个类似于热力学第二定律的规则——复制效率低下的复制因子群体通过不断发生反应成为更加高效（更加稳定）的复制因子。当然，这些群体的行为同时也符合热力学第二定律的要求。在这所谓“另一个世界”的复制世界中所发生的化学反应与“常规”世界中的反应相比，可以说是十分独特的。所以这种化学又有另一个名字——生物学。因此，生物学也就是一种特别复杂的复制化学。“活着”的状态也可以被视为一种新的物质状态——物质的复制状态。这一状态的特性产生于复制个体所特有的动态动力学稳定性。通过这些讨论，我们得到了以下对于生命的定义：生命是通过复制反应得到的一个能够自我保持动力学稳定的动态反应网络。这段定义中的每个词都包含了定义中的一个要素。“自我保持”意味着该系统必须具有获取能量的能力，这样才能摆脱热力学第二定律的束缚；“动力学稳定”和“动态”两个词描绘的是动态动力学稳定性；还有一些词语可以从字面的意思上来理解，比如“网络”和“复制”。不过，我们稍后会在生命的网络层面这个重要问题上再进一步展开讨论一下。当然，基于这样的定义，死亡不过是一个系统从动态的复制世界逆向回到热力学世界（“常规”的化学世界）。(www.xing528.com)

现在我们总算搞清楚了。尽管生命是一个极其复杂的现象，生命的规律却出奇地简单。生命不过是由特殊的链状分子（对地球上的生命而言，该分子就是核酸）持续地复制、变异、复杂化和选择的循环所产生的化学反应网络。其他的化学系统很可能也具有这样的性质，不过这一猜想目前还没有通过实验得到研究和证明。因此，生命就是指数增长的力量作用于特定化学复制系统而产生的化学结果而已。

动态动力学稳定性的核心理论观点并不是什么新闻。托马斯·马尔萨斯（Thomas Malthus）在他出版于1798年的经典著作《人口学原理》（An Essay on the Principle of Population）中充分认可了指数的数学力量。1910年，阿尔弗雷德·洛特卡对于动力学理论的早期研究也充分展现了在化学和生物系统中指数增长所带来的动力学结果。反常的是，以上就是人们要理解生命时所需的全部“硬性理论”了。注意，其中并不涉及量子力学这个不断打击人们信心的晦涩领域。从这个角度来说，生命是一个经典的现象，物理学家们试图将生命的特性归结于物质的根本的量子性质并无必要。当然，量子效应在许多化学领域中的重要性都是毫无疑问的，不过让人惊讶的是，有机化学和生物化学很大程度上可以在不考虑量子问题的基础上被理解。生命的复杂性带给我们许多困惑，也阻碍了人们领会以马尔萨斯、洛特卡、特罗兰、曼弗雷德·艾根和彼得·舒斯特等人为代表的研究所带来的启示。现在我们可以说明生命现象与其非凡的复杂性之间的关系了：复杂性并不是生命现象的原因或是本质，复杂性是生命现象的结果。复制反应导致了复杂性的产生，而不是相反的情况。自催化系统的基本理论和近来对于简单复制系统的研究相互关联了起来，它们所建立起来的网络让我们终于能够拼凑起生命谜题的碎片。

当然，只有能够对一系列现象做出解释的理论才是真正有效的。在下文中，我们将回顾第1章里讨论过的生命特质，包括生命的复杂性、目的性、动态性、多样性、生命远离平衡态的状态还有它的手性特质。我们希望探究这些特质如何能通过我们提出的生命理论而得到解答。最后，按照科学方法的要求，我希望根据概述的生命理论来做出一些预测。