生命是什么？|DNA|进化

　　生命是什么？

　　这是个大问题。我在学校得到的答案是生物必考题MRS GREN清单之类的东西——生物体会表现出如下特征：运动（movement）、呼吸（respiration）、应激反应（sensitivity）、生长（growth）、繁殖（reproduction）、排泄（excretion）和吸收营养（nutrition）。

　　这番简洁明了的总结确实概括了生物体的行为表现，但对于“生命是什么”，却算不上令人满意的解释。我想换一种思路。根据我们已经逐步理解的五个生物学的重要概念，我将总结出一套可以用来定义生命的基本原则。这些原则将让我们更深入地了解生命是如何运作、如何开始的，以及将我们星球上的所有生命联系在一起的关系的本质。

　　当然，很多人都试图回答这个问题。薛定谔在1944年出版的极富先见之明的著作《生命是什么》中，阐述了他对遗传和信息的看法。他提出了“生命密码”的构想，现在，我们都知道那就是写在DNA中的信息。但在书的结尾，他暗示了一种近似活力论的结论：要真正解释生命是如何运作的，我们可能需要一种全新的、尚未被发现的物理法则。

　　科学家们为了探索生命的本质付出了大量的努力|Pixabay

　　几年后，激进的英裔印度籍生物学家J.B.S。哈尔丹也写了一本题为《生命是什么》的书，并在书中宣称：“我不会回答这个问题。事实上，我很怀疑这个问题会不会有完整的答案。”他把活着的感觉与我们对颜色、痛苦或努力的感知相比较，以示“我们无法用别的说法来描述它们”。我对哈尔丹的说法深有共鸣，但这也让我想起了美国最高法院法官波特在1964年定义色情时所说的话：“我看到就知道了。”

　　诺贝尔奖获得者、遗传学家赫尔曼·马勒（Hermann Muller）就没这么犹豫了。他在1966年用简单的一句话将生物单纯定义为“具有进化能力的东西”。马勒正确地指出了思考“生命是什么”的关键，就在于确立达尔文的通过自然选择进化的伟大思想。进化论是一套机制——事实上也是我们所知的唯一机制——能在不借助超自然的造物主的情况下，产生出多样的、有组织、有目的性的活的实体。

　　进化论是人们思考生命本质的关键|Pixabay

　　拥有通过自然选择进化的能力，这是我用来定义生命的第一个原则。正如我在自然选择那一章中所说的，它取决于三个基本特征。为了进化，生物体必须能够繁殖，必须有一套遗传系统，并且，遗传系统必须表现出变异性。任何具有这些特征的实体都可以且必将进化。

　　我的第二个原则是，生命形态是有边界的有形实体。它们与身外的环境分离，但又有互动沟通。这个原则来自细胞的概念，细胞是能清楚体现生命所有标志性特征的最简单的实体。这个原则强调了生命的实体性，将计算机程序和文化实体排除在了生命形式之外，哪怕它们似乎也可以进化。

　　生命形态是有边界的有形实体|Pixabay

　　我的第三个原则是，生命体是化学、物理和信息机器。它们构建自身的新陈代谢，并以此维持自身的存续、成长和繁殖。这些生命体通过管理信息来自我协调和调控，以让生命体作为有目的性的整体来运作。

　　这三个原则共同定义了生命。任何按照这三个原则运作的实体都可以被认为是有生命的。

　　要想充分了解生命体的运作方式，就要更详尽地阐述构成生命基础的非凡的化学形式。这一化学的一个主要特征是，它是围绕着主要由碳原子连接而成的大聚合物分子构建的。DNA就是其中一种，它的核心目的是作为一个高度可靠的、长期存储信息的载体。为此，DNA螺旋结构将含有信息的核心元素——核苷酸碱基——置于螺旋体的核心位置，让它们处于稳定且良好的保护之下。正因为有这样稳妥的保护，研究古代生物DNA的科学家们才能从生于远古、死于远古的生物体中获取DNA并对其进行测序，其中包括一匹在永冻层中冰冻了近百万年的马！

　　今天我们都知道，DNA里藏着生命的密码|Pixabay

　　但是，储存在基因DNA序列中的信息不能一直处于隐藏状态而不发挥作用。信息必须转化为行动，以生成支撑生命的新陈代谢活动和实体结构。储存在化学性质稳定但相当无趣的DNA中的信息必须转化为有化学活性的分子：蛋白质。

　　蛋白质也是碳基聚合物，但与DNA不同的是，蛋白质上大部分化学性质可变的部分位于聚合物分子的外部。这就是说，它们会影响蛋白质的三维形态，也会影响它们与外部世界的相互作用。最终，这使它们能够发挥诸多功能，构建、维持和再造化学机器。与DNA不同的是，如果蛋白质受损或被破坏，细胞可以轻而易举地构建一个新的蛋白质分子来替代它们。

　　我想不出比这更优雅的解决方案了：这些线性碳基聚合物的多种布局既能生成化学性质稳定的信息储存装置，又能产生高度多样化的化学活动。我发现，生命的化学的这一面既极其简单，又卓越非凡。生命体将复杂的高分子化学与线性信息存储相结合的方式实在令人叹服，我推测，这个原理不仅是地球生命体的核心，也很可能是宇宙中任何地方的生命的核心构造。

　　生命体能将复杂的高分子化学与线性信息存储结合在一起|Pixabay

　　尽管我们和所有已知的生命形式都依赖于碳基聚合物，但我们对生命的思考不应该受制于地球上的生物化学经验。我们可以天马行空地去想象，宇宙中其他地方的生命以别的方式运用碳，甚或压根就不是构建于碳基之上的生命体。比如说，英国化学家和分子生物学家格雷厄姆·凯恩斯-史密斯（Graham Cairns-Smith）就曾在20世纪60年代构想了一种原始的生命形式，它会基于结晶状黏土颗粒进行自我复制。

　　凯恩斯-史密斯想象中的黏土颗粒是以硅为基础的，科幻小说作家都很热衷于幻想硅基外星生物。和碳原子一样，硅原子最多可以组成四个化学键，我们已经知道它们可以形成聚合物：硅酮密封胶、黏合剂、润滑剂和厨具的主要成分都是硅。原则上，硅基聚合物可以很大，而且多样，足以包含生物信息。

　　然而，尽管硅在地球上的含量远远高于碳，地球上的生命却是基于碳的。这或许是因为在地球表面的现成条件下，硅不像碳那么容易与其他原子形成化学键，因而不能为生命制造出足够的化学多样性。不过，如果在假想地外生命时彻底排除硅基生命，或完全基于其他化学成分的生命，觉得它们不可能在宇宙中其他地方的不同条件下茁壮生长成生命体，就太愚蠢了。

　　思考生命是什么时，人们很容易在生命和非生命之间划出一条鲜明的分界线。细胞显然是有生命的，所有由细胞集合而成的生物体也是有生命的。但也有居于两者之间、类似生命的形态。

　　病毒是个很好的例子。它们是有基因组的化学实体，有的基于DNA，有的基于RNA，包含了制造包裹每个病毒的蛋白质外衣所需的基因。病毒可以通过自然选择进化，这一点符合马勒的定义，但别的方面就不那么清晰了。尤其是从严格意义上说，病毒不能自我繁殖。相反，它们繁殖的唯一途径是感染生物体的细胞，劫持被感染细胞的新陈代谢。

　　你认为病毒算生命体吗？|Pixabay

　　所以，当你感冒时，病毒会进入你的鼻腔细胞，利用它们的酶和原料来反复多次地繁殖病毒。随着病毒大量滋生，鼻子里受感染的细胞破裂并释放出了成千上万的感冒病毒。这些新的病毒会感染附近的细胞，并进入你的血液，继而感染其他地方的细胞。这是一种非常有效的策略，可以让病毒持续存在，但这也意味着病毒不能脱离其宿主的细胞环境单独运作。换句话说，它完全依赖于另一个生命体。你差不多可以这样说：在宿主细胞中具有化学活性和繁殖能力时，病毒是活着的，但当它在细胞外作为化学惰性病毒存在时，它又不算是活着的，病毒就在这两种状态间不断切换。

　　有些生物学家就此得出结论，病毒的存续严格依赖于另一个生命体，这就意味着病毒不是真正的生命体。但我们还要记住很重要的一点：几乎所有生命形态，包括我们人类，也都依赖于其他生命体。

　　你很熟悉的身体，其实是一个由人类细胞和非人类细胞的混合物组成的生态系统。我们自身有30万亿左右的细胞，但生活在我们身上和我们体内的细菌、古细菌、真菌和单细胞真核生物等不同群落的细胞总量远远超过这个数字。许多人还携带着比它们更大的动物，包括各种肠道蠕虫，生活在我们皮肤上并在我们的毛囊中产卵的八条腿的小螨虫。在这些与我们亲密无间的非人类同伴中，有很多都严重依赖我们的细胞和身体，但我们也依赖其中的一些。比如，内脏中的细菌会产生某些我们自身的细胞无法制造的氨基酸或维生素。

　　我们也不应该忘记，我们吃的每一口食物都是由其他生物体制造的。甚至有许多微生物，比如我研究的酵母菌，也完全依赖于通常由其他生物体制造的分子。比如那些包含葡萄糖和氨的分子，这些成分是制造含碳和氮的大分子所必需的。

　　生物大分子|Pixabay

　　植物似乎更加独立。它们可以吸收空气中的二氧化碳、地里的水，并利用太阳能来合成它们需要的许多更加复杂的分子，包括碳基聚合物。但即便是植物，也要依赖在根部或根部附近发现的细菌，从空气中捕捉氮。没有那些细菌，植物就不能制造构成生命的大分子。事实上，据我们目前所知，没有任何一种真核生物能够独自办成这件事。这就意味着，没有任何一种已知的动物、植物或真菌物种能够完全从零开始、赤手空拳地完成产生自身细胞的化学过程。

　　因此，要说真正独立的生命体——堪称完全独立，能无牵无绊地自由生活的——恐怕就是那些乍一眼看起来相当原始的生命形式了。其中包括微型蓝藻，通常被称为蓝绿藻，它们既能进行光合作用，又能自己捕获氮；还有古细菌，它们能从海底火山的热液喷口获取所需的能量和化学原料。这太令人震惊了：这些相对简单的生物不仅比人类生存的时间长得多，还比我们更加自立。

　　不同生命形式间的深度相互依存也反映在我们细胞的基本构成中。产生我们身体所需能量的线粒体原本是完全独立的细菌，它们掌握了制造ATP的能力。但在15亿年前，命运发生了一些意外的转折，有些线粒体细菌住进了另一种类型的细胞内。随着时间的推移，宿主细胞变得极其依赖这位入驻的细菌客人所制造的ATP，以至于让线粒体成了永久住客，成为细胞内的固定装置。这种互利关系得以巩固，很可能标志着整个真核生物系的开始。有了可靠的能量供应来源，真核生物的细胞就拥有了变得更大、更复杂的能力。反过来，这又促成了动物、植物和真菌演化出今天这般繁茂的多样性。

　　这一切都表明，生物体有一个分级的渐变光谱，从完全依赖他者的病毒，到更为自给自足的蓝藻、古细菌和其他众多植物。我坚持认为这些不同的形态都是有生命的，因为它们都是自我导向的有形实体，可以通过自然选择来进化，虽然它们也在不同程度上依赖于其他生物体。

　　从这种更广泛的生命观出发，我们看待生命世界的眼光也会变得更丰富。地球上的生命都从属于一个单一的、巨大的、相互关联的生态系统，其中包含了所有生物。这种基本的关联不仅来自生命体之间相互依存的深刻关系，还源于一个事实：追根溯源，所有生命体都有一些共同的进化根源，因而在基因层面相互关联。

　　长久以来，生态学家一直很赞成这种深层关联、相互关联的生命观。这个观点最早源于19世纪初的探险家、自然学家亚历山大·冯·洪堡的思想，他认为所有生命都被一个互相连接的网络关联在一起。这种相互关联性是生命的核心，虽然这么说可能让人意外，但应该能让我们有充分的理由停下来，更深入地思考人类活动对生态世界里的其他生命体造成了怎样重大的影响。

　　在我们身边，生命无处不在，精彩非凡。但是，生命——活着——究竟意味着什么呢？在本书中，诺贝尔奖得主保罗·纳斯爵士尝试用每个读者都能理解的方式定义生命。他带着动人的谦逊，清晰阐明了五个堪称生物学支点的重要概念：细胞、基因、自然选择的进化、生命的化学、生命的信息，带我们理解生命的复杂与奇妙，了解生物学的发展与演进，体会人类与所有生命的息息相关。

　　作者：保罗·纳斯

　　译者：于是