生命是什么

2年前 (2022) 程序员胖胖胖虎阿

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生命是什么生物即化学

序言：金句

史蒂文·温伯格：解释的箭头始终朝下。即更高复杂性层级的现象通常可以用较低层级的规律来解释，因此我们通常用化学规律来解释生物现象，用物理规律来解释化学现象，而不是反过来操作。
20世纪顶尖的分子生物学家卡尔·乌斯：有机体是汹涌的洪流中一种坚韧的模式——这是存在于能量流中的模式。
爱因斯坦：不是所有算数的东西都能被数清，也不是所有能被数清的东西都算数。
系统倾向于朝着混乱和无序的状态发展，而不是秩序和功用。

初级：生命特质

如果我们想理解生命是什么，我们最好以思考生命体和非生命体的区别为起点开始我们探索的旅程。最终要理解生命，我们必须要理解它们所具有的特殊性质，包括这些性质本身以及它们形成的历程。

一、多样性

理解生命多样性的关键在于两个化学世界的拓扑结构——“常规”的世界和复制世界以及这两个世界之间的差异。

生命是什么 “常规”化学空间聚合特质和复制因子空间发散特质内的分支示意图

“常规”的化学系统通常被认为是封闭的，而复制系统则随时都要保持着开放的状态。开放的状态意味着，在复制反应过程中，该系统需要外界源源不断地供给反应所需的物质和能量。这种差异导致增强动态动力学稳定性的路径是发散型而非聚合型。

二、纯手性

生命系统中的许多分子都是手性分子，而生命纯手性的特征是生命的不稳定性和远离平衡态特质的体现。

复制是自催化的，因而一个具有自催化反应特点的系统才能诱发纯手性的形成。仅具有一种手性构型的系统不如异手性系统稳定，但此结论只在热力学角度成立。而在复制系统中真正起作用的是动态动力学稳定性，此情况下纯手性比异手性系统更加稳定。纯手性系统的复制效率要高于异手性系统，造成的结果就是纯手性系统展现了显著的动态动力学稳定性。

三、目的性

所有生物都有某种“目的”，生物的行为都为其自身服务。从某种根本意义上，我们好像同时生活在两个被各自的规则所控制的世界里。非生物的世界由物理和化学定律控制，而生物世界则按照目的性的规则来运行，但控制非生物世界的物理化学原则依然适用。即在生物世界中，目的性才应该是我们做出预测和判断的依据。

在科学革命发生之前人类的宇宙观具有某种统一性——目的论将生物和非生物的世界都囊括其中，但科学革命直接使得我们必须解答这两个世界为什么存在，以及这两个世界之间存在什么关系的问题。科学革命非但没有满足人类探索自身在宇宙中位置的冲动，反而好像还阻碍了人们对物质世界，其中包括了生物和非生物的世界进一步的理解。

关于生命何以出现的核心问题——生命的设计、功能和目的是如何产生并融合到非生命物质中去的——至今没有被解决，它依然是令自然科学界烦恼的难题。我们回答生命是什么之前就试图去定义生命，这是本末倒置的做法。

在科学的世界里我们采取科学的方法来认识周围的世界。科学方法的核心是归纳法，其论证方法可追溯到古希腊的哲学思想。归纳推理的方法——发现规律、总结概况——是所有科学理解的核心。

无论我们将其称作“原理”“定律”“模型”“假说”（这些词之间的差异仅在于它们的适用范围而已），还是称其为“规律”，我们所有试图发现宇宙规则的努力，其实都无法完全把握自然的真相。我们发现的规律不过是自然真相的投影，只不过有的更准确，有的偏差较大而已。归纳推理中一种叫作还原论的特殊方法具有特别的价值。整体论是与还原论相对的观点。整体的意义要大于部分的总和，这是对还原论的反驳。但其实整体论的核心是还原论的思想。

整体论分析生物系统复杂性的方法，不过是将复杂的系统分割为更简单的元素，但强调这些元素在复杂系统中的相互作用。即，整体论所倡导的不过是一种修正形式的还原论方法，这种方法认为一个系统中的因果关系比自下而上的线性因果关系更加复杂。

科学上传统的还原论方法可以被视为一种通过局部的性质来理解整体的方法，但现在我们要学会通过整体来理解局部。生命体和非生命体之间的差异必须被还原为生物和非生物两个世界中物质本质的差异，尤其是这些物质之间互相影响和反应的方式。

四、动态稳定性

动态性
动态性是生命的显著特征——永恒的生命并不存在，因为短暂和动态性就是生命的基础。

活细胞是高度组织化的个体，它们的组织性体现于，其中所有的零部件都为整体的运行服务。而钟表是一个静态的系统，其零部件是持久不变的，但每一个生命系统都是动态的，其各个部分都不断被更新。蛋白质是生命的原型分子，细胞内的蛋白质被不断地更新，即细胞中的蛋白质在一个严格调控的过程中不断地被降解，并重新合成。
稳定性与不稳定性

如果一个生命系统要成为成功的复制因子，那么该系统必然在动态动力学上是稳定的，而在热力学上是不稳定的。世界上充满了动态动力学稳定，但热力学不稳定的复制系统。这两种可能会相互对立的稳定性，在能量收集机制的帮助下得以和谐共存。

①化学反应只能沿着系统能量下降的方向进行，不稳定的反应物将转化为更稳定的产物。

物质世界中的稳定性可被分为静态稳定性和动态稳定性：一个“常规的”化学世界中，系统的稳定状态指的是其内部不会发生反应，其本质是缺乏反应。但在一个复制系统中，该系统的稳定性，“稳定”指的是维持现状并且保持前后一致，只有在其中发生反应、不断进行自我复制的基础上才能实现。

②根据热力学规律，可以发生的反应并不一定会发生，即便发生也有可能因为动力原因使得反应速率十分缓慢。反应系统需要克服能垒才能让反应发生。

如果想要理解复制世界中发生的反应，我们要先考虑控制那个世界的法则，而不是控制所有物质系统的宏观的热力学定律。广义而言，分子复制和生物进化的反应都遵循热力学第二定律的说法是正确的，但这就像用热力学定律来解释汽车损坏的原因一样，虽正确但没有什么实际意义（纯理论无实践）。

③模板分子的自我复制是化学反应，这类反应具有独特的动力学特质。自我复制作为一个自催化反应，可使模板分子指数级地增加，直到将支援该分子的基本组成单位用尽为止。

事实上，我们完全可以说任何化学反应都可以用合适的物质来催化。生命的本质就在于催化反应和自催化反应之间的巨大差别。

五、有序复杂性

无生命世界的复杂性来源是“随意”的，而生命体世界的复杂性没有这么随意，反而非常确定。在生命有序的复杂性中，哪怕做出最微小的改变，都可能带来无法预料的后果。活细胞通过不断利用能量来维持其结构的组织和完整性，即细胞的运作模式。达尔文的进化论主要处理的是生物系统的问题，但生命的起源是一个化学问题，只有通过化学或物理理论才能找到最佳的解决方式。

只要理解了动态动力学稳定性的本质，就能够解释这非凡的复杂性。“复杂化”是复制世界中所特有的过程，而不是在“常规”的化学世界中可以经常见到的聚合现象。动态动力学稳定性才是适用于复制世界的稳定性，其中物质聚合所遵循的规律将增强动态动力学稳定性，而不是热力学稳定性。怎样都行要从化学和生物上理解进化过程所遵循的规律，只需要牢记一点——动态动力学稳定性最大化。

斯图尔特·考夫曼在其发人深省的著作《科学新领域的探索》Investigation中简洁地总结道：在过去的30年里，分子生物学尽管取得了出色的成果，但是生命本身的核心问题依然隐藏在我们的视野之外。我们知道大量的分子机制、代谢路径、膜的生物合成方法，我们了解了许多过程和部件。但我们依然不清楚是什么给予了细胞生命，问题的核心依然是一个谜。

究竟问题何在？答案一言以蔽之，“复杂性”——生命的有序复杂性。

非生命体转化为生命体的两个阶段：化学的和生物的

中级：生命历程

生命是什么生物学的身份危机：全面理解生物学所需要解决的三个关键问题

事实上从进化的时间跨度上来看，这就是一个完整的复杂化过程。两个阶段的主要区别在于，第一个化学阶段是低复杂性阶段，而第二个所谓的生物阶段是高复杂性阶段，这两个阶段都发生在复制个体之内。事实上，如果我们承认复杂化是一个关键的进化过程，那么我们可以得到一个惊人的结论，那就是以往公认的进化因果顺序需要重新修正。

我们的目标是在一个学科的视野下重新对图进行解读，因而我们应该选择的学科是层级较低的化学，而不是层级较高的生物。生物是化学的一个分支——复制化学，生物学中的还原论分析可解决生命的组织问题。

一、信息 = 精确催化

信息概念是我们理解分子生物学关键过程的核心，如DNA分子的核苷酸序列中包含着重要的遗传信息。“信息”和热力学第二定律之间的联系：创造信息当然这一切的前提是消耗必要的能量。这就是生命新陈代谢过程产生的原因——为了给生命的机械运转提供必要的能量，并且维持生命远离平衡态的状态。

二、自然选择 = 动力学选择

生物学中的“自然选择”不过是对化学中“动力学选择”的模仿：“自然选择”是生物学术语，而“动力学选择”是化学术语。但化学所提供的解释更加根本，且论及了选择过程中更深层次的问题（化学系统从本质上来说更加简单，因而化学问题比生物问题更容易量化；生物系统的复杂性要高出许多个量级，因而我们也更难对它们进行详细的化学分析）。

三、适应性 = 动态动力学稳定性

将“适应性”和“动态动力学稳定性”联系起来的直接结果就是，“适应性”最好被视为一个群体而非个体特征。生命是一个进化现象，而进化是群体而非个体所要经历的过程。个体所做的不过是出生然后死亡。如果只关注个体，我们将会错过生命的许多内涵。究竟什么是独立的生命体，它们真的存在吗，这个问题的答案可能比我们所想的更加复杂。

适应性即生存和繁殖的能力，而进化过程的终极目标是将这种能力最大化。达尔文提出的这一概念完全是定性的描述，但也无法量化，因其难度太大（并不是所有涉及量的事情都可以被量化）。无论如何，认识到“适应性”不过是对一种特殊稳定性的生物表达，能够帮助我们将生物置于物理的语境之下，同时也能帮助我们实现将物理与生物学融合起来的目标。

四、适应性最大化 = 动态动力学稳定性最大化

不应该将非生命物质转化为简单生命的过程视为随机的化学事件，而应该将其视为一个由已知驱动力推进的完整过程。进化背后的驱动力并不是人们一直认为的“自然选择”——“自然选择”只是实现进化的手段，而不是其动力。所有的化学反应背后的驱动力是热力学第二定律。所有复制系统都明显倾向于朝着更高效的方向转变，该转变的驱动力可以被视为一种增强动态动力学稳定性的冲动。

高级：何为生命

一、外星生命

将生命系统转化为非生命系统是那么轻而易举，而我们都清楚地知道这个过程是不可逆的——生命很容易被摧毁，但从化学的角度而言难以合成。合成生命系统的难题不在于物质，而在于组织方式。即便具备所有活细胞的组成成分，而将这些物质组合起来，从而形成一个有生命的个体依然非常困难。问题的关键在于，生命是物质的动态状态，这意味着组成活细胞的生物分子处于不断变化中。

二、合成生命

三、生命是如何出现的

生命起源问题的关键在于我们现在依然没有合成生命确切的“配方”：从历史的层面而言，需解决一个“如何”的问题，即生命是如何产生的，而从非历史的层面而言，要关注“为什么”的问题，即为什么非生命的物质会不遵循其自身的结构规律，而是朝着更加复杂的生物方向转变，并最终形成简单的生命形式。探寻前生命状态下生命起源的历史条件，对于解决生命起源的问题并没有很大的贡献。揭示生命起源的非历史规律才是真正的挑战。

由于所有生命系统都具有新陈代谢和自我复制的能力，那到底哪种能力更早出现？这两种能力的性质决定了它们出现的顺序可能取决于化学规律。“代谢优先”和“复制优先”的争论，实际上可表述为是完整的自催化化学循环，先自发产生还是分子复制因子的模板先出现。代谢优先/复制优先二分法，直接影响三个问题——“生命是什么”、“生命是如何产生的”、“我们该如何理解生命的产生”——的答案。通过将化学阶段和生物进化阶段合并为一个过程，我们很有可能解决这一论争（代谢优先 vs 复制优先）本质上的不确定性，即与其将二者视为相互冲突的过程，不如用一个将复制和代谢联系起来的观点取而代之。这种所罗门王式的解决方法指出了复制和原始代谢过程的出现可能都是生命出现早期阶段的重要因素。只有将这二者结合起来生命才能从简单的非生命源头中诞生。

复杂化过程之所以会发生，是为了提升系统的稳定性——不是热力学稳定性，而是动态动力学稳定性。这个解释从非历史角度解决了生命起源的问题，且与查尔斯·达尔文重要的生物进化思想无缝衔接。通过将进化的核心生物概念重新解读，并“翻译”为相应的化学概念，我们可以明确地发现自然发生阶段和生物进化确实是同一个化学过程。

复杂化过程的真正本质是网络的形成，复杂化和网络的形成实际上是一回事。网络是在水这一介质中建立起来的——水是宇宙的汁液，它独特的性质对于建立起生命的反应网络具有重要的意义。个体性是生命的策略，而不是生命的特征。所谓的“个体性”，只是进化，为了增强系统的复制能力和抵抗力所采用的一种手段。网络的视角能够改变我们思考生命的方式，并且再度证实生命现象应该被理解为一个过程而非一种形式，形式只是对过程的偶然呈现。实际上，至少从人类的角度而言，关注生命的网络特质而非个体特质，可以帮助我们从全新的角度来理解疾病和防治疾病。