物质如何被编码而成为生命材料？
《科学》杂志曾于创刊125周年之际发布过125个推动基础科学研究的科学难题，王江火在此后的文章中将通过统一信息论来有选择地尝试解决这些难题。本文将揭示“物质如何被编码而成为生命材料？”。
回答这个问题需要完全跳出现代科学的认知方式，这是因为各种材料和事实证明：现代科学根本上不是一个能够揭示生命及精神的秘密的认知体系，或者说现代科学体系与生命及精神的问题完全不在一个层面上，它根本无法解决这个问题。
那么，怎么才能超越现代科学的认知体系而达到一个更好和全面先进的认知层面呢？这就首先需要我们说服读者能够相信一个全新的、超越现代科学的、更加先进、更加高级的认知时代已经来临——新文明认知体系已经诞生。但是怎么说服不是本文的任务，本文负责怎么通过这种新文明的认知方式来解释“物质如何被编码而成为生命材料”。至于怎么了解新文明的认知方式，则需要读者能够深入到新文明运动中才能体悟。
“物质如何被编码而成为生命材料？”这首先需要向大家解释一个全新的概念——主体程序。作为信息的能量子本来是用来通过成就对极限粒子的合成而造就宇宙物质和时空的，能量子在其整个宇宙演化中，更多地是机械而被动地起到织造物质的作用，何以竟然会最终生成主动性主体程序？很显然，这里面必然有非常奥妙的玄机，但其实这个玄机并不难道破，主要是由于宇宙在其长期的演化过程中形成了特殊信息存在方式——主体程序。主体程序只能来源于客观实在性，而这个客观实在性只能是基于作为信息的能量子本身。
一、原初物质的被动反应性是生命产生的潜在力量
138亿年前宇宙诞生后，宇宙最初的物质是极限粒子，此时能量子的传播方式比较简单，信息主要以极限粒子为载体进行游离式传播，同时也不断有大量的能量子集合成极限粒子，而导致不断形成空间膨胀信息。当能量子合成极限粒子后，便会因为极限粒子质量的不同及极限粒子形成和分解而导致极限粒子的类聚和远离，从而最终形成更大的物质单元——电子、中子、质子的等基本微观粒子。而基本微观粒子会进一步聚集形成氢、氦等简单原子，并在此基础上聚合形成越来越大的团聚体——星云、恒星、恒星系统。这样，彼此独立的基本粒子及其聚合而形成的团聚体共同构成了宇宙最原始的原初物质。这种以氢、氦等简单实在原子及其聚合而形成的恒星及恒星系统构成了原初物质的第一阶段。原初物质在此阶段的信息是单向化的，它缺少自组织结构，因此，它只能被动地承接其它信息而呈现被动反应性，并因这种反应性而被动地调整自己的信息组合方式和结构。不过，原初物质的这种被动反应性并非仅仅造成死寂的世界，它也赋予了物质世界一种活力，使物质世界产生各种各样的相互作用，物质世界因此而呈现千变万化的多向性状态，这是物质世界不断走向复杂化高级化的一种潜在因素，宇宙因此而获得了不断演化的动力并因此而最终生成生命。原初物质的被动反应性是生命产生的潜在力量。
由于物质的反应性，原初物质的这种被动状态必将被宇宙的演化方向所突破。随着宇宙温度的进一步降低，氢、氦等简单原初物质开始进一步结合为更大质量的新物质——分子。分子的诞生是个里程碑，因为这意味着它已经为宏观物质世界的产生奠定了基础，宇宙从此有了丰富多彩的意义，原初物质因此而发展到了第二阶段。
分子的信息不是单在的，它是在单在的信息聚合而成的实体的基础上形成的，因此，它是个复杂的初在物质。不过，这种初在物质虽然复杂，但是却相对不稳定，它很容易改变自己的结合方式，高温下容易分解，常温下又会可能与其它物质化合，这就是无机物的特点。但是，正是因为无机物的这种容易化合的特点，它们才有可能更多地聚合在一起，并最终会通过“双子定律”的作用而形成更大的在体——行星。行星是原初物质中的最大聚合体，它的形成为无机物的相互作用和化合提供了广阔的平台，在此种复杂的信息集合体中，物质的错综交杂必然会演化出更加复杂的在体。此时，物质开始有了更加复杂的结构，物质之间的反应方式也开始向复杂化多样化发展，宇宙开始被赋予更多的灵活性并因此而加速而其演化速度。这种演化的结果会使物质结构进一步复杂化，而最终演化为具有自组织结构的物体，该物体会因信息的组成复杂而具有相对的稳定性和适调性。于是，初在物质发展到了更加高级的阶段——有机体。
二、有机体的适应性孕育着生命的形成
有机体在其组成上必然高于原初物质的简单构成，它应该具有复杂的自组织结构，而复杂的组成意味着该种物质应该是数量众多的化合物即高分子化合物，而在已知的元素中，碳是最具备这一条件的。从化学角度分析，碳原子最外层有4个电子，既不容易失去电子也不容易得到电子，故相对稳定，但是却有利于每个炭原子与其它原子形成稳定的4个共价键，而且碳原子之间也可以形成共价键，既可以形成单键，还可以形成双键和三键；多个碳原子可以结合长长的碳链，也可以形成碳环，这样就为形成大分子提供了条件。碳族还有硅(Si)、锗(Ge)、锡(Sn)、铅(Pb)等元素，它们原子的最外电子层上也都有4个电子，在这些元素中硅(Si)的分布较广，但是在常温下，硅的化学性质太不活泼，除氟气、氢氟酸和强碱外，硅不跟其他物质起反应；另外，它很难像炭原子一样形成多种价键，故难以形成大分子，基本难以聚合成大原子量物质，这些原子量较重的炭族元素在自然界中分布相对较少，更难以形成大的分子。这样，得天独厚的条件使炭原子易形成在自己引领下的自组织，而这就是有机化合物。按照从简单到复杂，有机体的形成主要经过两个阶段：有机小分子的形成阶段和有机大分子的形成阶段。
不过，碳原子对有机分子的形成只是起到了关键性作用，它要真正形成有机分子还需要有其它元素的配合，为何会这样呢？根本原因在于——有机分子的结构和形状需要一些相应的极限粒子在其有机分子周围予以支撑和粘和，而这些极限粒子需要适宜的温度（一般不超过400度）才能形成。在地球早期，有机小分子是溶于水中的无机物通过吸收地球表面的紫外线、闪电等能量子而形成极限粒子的，然后通过极限粒子的支撑和粘和，使周围的碳原子及无机物结合在一起而形成。有机大分子的形成与有机小分子的形成有些类似，但相比而言，有机大分子的形成条件更为苛刻，它需要有足够条件的能量子和相应安全的环境。因此，有机大分子的形成需要宇宙有个相对长时间的演化过程才能形成。
有机物的自组织是在碳原子的引领下形成的，这种自组织在自然界中依据碳信息所能接受的信息源状态而聚合成种类繁多的有机大分子。由于碳的结构特点，使其具有无限构成性，故它可以与外在原子有机聚合成结构越来越复杂的大分子，这种大分子是在碳原子信息与周围信息源的不断交互过程中实现的，这个交互过程所不断形成的大分子应该具有越来越维护自组织的特点来，也就是说，它所不断形成的有机大分子就会越来越不易分解并具有相对独立存在性。这样，不断形成的有机物在其构成上不仅已超越了初在物质的反应性，且已经随着有机物的越来越复杂而呈现出越来越明显的适应性。
适应性是大自然进化的极其光辉的一环，分子及高于分子的物质会通过适应性而能随着环境的改变不断调整自己的结构和成份，而这种调整是有机的，调整后的物质存在应该更具有活力和稳定性。原初物质也是能够随着环境而改变自己，但是它的这种改变往往意味着进行着简单的分解和重组。而适应已经不是物质自身的本性，它应是复杂物质所形成的类似于电脑指令程序的简单类程序。简单类程序是一种被动程序，这种程序缺乏较强的指令功能。有机分子的类程序主要体现在以有机体作为载体的信息（能量子）按照有机体的构成方式，不断地进行有规律的运作流转程式上，而这种有规律的运作流转程式就是能量子集合成相应极限粒子以形成对有机分子的支撑和粘和的程式。有机分子的类程序具有极为重要的作用，主要体现在如下几个方面：
（1）引导碳原子与其它原子形成共价键，合成具有稳定结构的有机分子。在自然随机法则下，有机分子中碳原子很难自行寻找到其它原子进行结合，此时能量子将会按照该有机分子的类程序进行流转合成相应的极限粒子，通过合成极限粒子获得相应的空间为碳原子与其它原子的合成创造条件。
（2）维持有机分子的结构稳定。由于有机体分子往往具有长长的链条，这使其在结构构成上严重依赖周围极限粒子对其结构和形状的支撑，但由于周围极限粒子总会因其周围的质量或性能质量导致分解，使有机体分子有可能因此而失去部分支撑而导致结构变化，而这种结构变化会进一步导致该有机体分解或者性质发生变化。因此，有机分子的结构需要不断进行稳定有序地合成相应的极限粒子进行相应的弥补，以维持有机分子的稳定，此时仍然需要类程序发挥作用，有机体的类程序将使能量子按照程式不断进行极限粒子的合成，以弥补缺失的极限粒子，以用来维持有机体结构的稳定。
有机体的这种类程序即适应性是如何形成的呢？这首先需要我们回到本书第四章第二节中重新认识下原子的结构：“原子内也充斥着巨量的极限粒子，它是由原子核、电子、极限粒子混合构成的实心体”。在统一信息论原子模型中，即使最简单的氢原子，其空间也充斥着数量约为1072个的极限粒子。那么，分子量巨大的的有机分子其内部必然到处充斥着远比基本微观粒子数量大得多的极限粒子，以此维持有机分子的稳定结构。在这儿就存在这样一个问题：有机分子是如何在相对较短的时间形成如此巨大的分子结构的呢？很显然，单纯仅靠能量子一个个粘和形成而成是远远不够的，因为即使按照最短极限时间5.39121×10-44秒形成极限粒子，那么，仅氢原子也需要5.39121×1028秒的天文时间，更何况还需要提供支撑有机分子稳定的大量极限粒子，用以粘和原子形成稳定的结构。因此，有机分子的形成一定需要较大的能量子组合即能量子流进行系统供应，然后以组合的方式系统加工成极限粒子才有可能。而从地球形成早期的环境来看，由于太阳、地球也提供了足够的太阳光、地热、闪电等能量子，使地球上到处充斥着这种能量子流。这样，在当时的情况下(假定组成有机物的各个原子已经形成)，碳原子的周围必然会因能量子流不断被加工成极限粒子而形成对其它原子的粘和，而这种粘和的成功需要有如下几个条件：
①碳原子与其它原子形成共价电子对；②碳原子与其它原子的距离足够近；③足够量的极限粒子用以粘和原子形成稳定结构。
以上是形成有机物的先决条件，缺一不可。如果碳原子与其它原子之间具备这种条件，那么，它们之间将通过能量子流形成相应极限粒子予以粘和形成稳定的有机结构；反之，则不提供能量子流，而不能形成极限粒子予以粘和，从而就不会形成有机结构。由此，我们可以看出，有机物形成所需要的能量子流与计算机的能量子流具有明显的一致性。假如我们把提供能量子流的情况视为高电位势并标记为二进制“1”的话，那么，不提供能量子流的情况就可以视为低电位势并标记为二进制“0”。由此可见，在有机体的形成过程，有机体实际上就已经基于自然本身而形成了逻辑电路，而这种逻辑电路造成了能量子流的序列组合，形成了类似于计算机程序的类程序，而与计算机程序具有一致性。不过，类程序是基于自然而形成的，它的指令性功能还不甚明显；而计算机程序是人工设计的，具有明显的指令性。不过，这并不影响它们本质上的一致性，人工设计的程序只有真正体现为自然法则，才能很好地应用于自然。这样，基于自然原因而形成的类程序就由此而诞生，物质世界因此而出现了适应性法则。
有机体这种类程序具有不同于一般无机物的特征，它甚至已经萌发出了自主性的萌芽。不过，类程序毕竟仅是基于自然而形成的被动程序，指令性功能相对较低，更不具备主体性，但它会引领着有机物演化成更加高级的有机大分子并导致生命的主体程序最终诞生。类程序是物质内化的萌芽，也是宇宙精神的萌芽，这是宇宙演化关键所在，萌芽的内化意味着生命体的即将诞生。蛋白质、核苷酸等物质就是扮演着这种关键角色。
碳元素对适应性和类程序的形成起到了最为关键的作用，因此，自然界的生命形式主要是碳基生命。
三、主体程序的出现引领着生命的诞生
在形成生命大分子的过程中，核酸及蛋白质的合成具有特别重要的意义。蛋白质的合成需核酸的信息(指令)，核酸的合成又需要蛋白质(酶)催化，这一过程是在原始地球的条件下形成的。
蛋白质是由不同氨基酸按一定顺序通过肽键连接而成的肽构成的。氨基酸序列就是蛋白质的一级结构，它决定着蛋白质的空间结构和生物功能。蛋白质是一类含氮的生物高分子，分子量大，结构复杂。例如，血红蛋白的分子式是C3032H4816O812N780S8Fe4。蛋白质的结构如此复杂，正是说明了蛋白质的形成应该是处于类程序的引领下通过逐渐演化形成的，若非如此，仅仅靠分子偶然相遇和苛刻的物理条件是不可能做到的，因为这种机遇几乎等于0。不过，通过自组织所形成的蛋白质虽具有蛋白质的组成成分，但是在缺少核酸的情况下，它是无法做到自我复制的，因此，该种蛋白质还不具备生物体内蛋白质的许多功能，我们可称之为类蛋白质。在类程序的引领下，使类蛋白的演化逐渐趋向复杂化，反过来又促进了类程序的不断程式化，这使得这种类蛋白质的自组织程序功能已经非常接近程序的指令了，它离具有真正指令性功能的程序的形成仅一步之遥了。当类蛋白质的类程序已接近于指令程序时，它并不满足于现状，它会通过多种途径使自己质跃为程序指令。不过，单纯的自然物质是最终不能自行质跃为程序指令的，它需要有一种和它相适配的有机分子来共同制造自身及程序的飞跃。这样，在机遇的光顾下，类蛋白质的类程序终于遇到了一种特殊的物质——核苷酸。
核苷酸链是由核苷和磷酸组成的，在氨基酸组合而成的肽链所形成的力场的作用下，脱氧核苷酸中的四种碱基核苷酸——腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C）会组装出长长的核苷酸链，由于这种核苷酸链同样是在类程序的引领下形成的，也具有极其复杂的结构，而这种复杂的结构恰好非常适配于蛋白质，使核苷酸链中的碱基配对与蛋白质中的肽链形成相互“耦合”。这种“耦合”的直接导致了蛋白质和核苷酸能量子流的相互交流，使二者形成信息呼应，而这种呼应会随着时间的推移以及核苷酸链与蛋白质链中的信息的交互作用而逐步增强，最终使核苷酸链成为类蛋白质链的标识码（如图）。这样，发生于类蛋白质和核苷酸上的类程序就发生了本质性的变化，类蛋白质自组织中的类程序就质跃为核苷酸链上的程序指令。此时，蛋白质和核酸已经通过程序化的对应关系形成了一种逐渐稳定的互补绑定关系，真正生命意义的蛋白质和核酸就产生了。
核酸是由许多核苷酸聚合成的生物大分子化合物，广泛存在于所有动物、植物细胞、微生物内、生物体内，核酸常与蛋白质结合形成核蛋白。不同的核酸，其化学组成、核苷酸排列顺序等不同。根据化学组成不同，核酸可分为核糖核酸（简称RNA）和脱氧核糖核酸（简称DNA）。DNA是储存、复制和传递遗传信息的主要物质基础，RNA在蛋白质合成过程中起着重要作用。其中，转移核糖核酸（简称tRNA）起着携带和转移活化氨基酸的作用；信使核糖核酸（简称mRNA）是合成蛋白质的模板；核糖体的核糖核酸（简称rRNA）是细胞合成蛋白质的主要场所。
RNA指令蛋白质合成过程的建立是在进化早期形成的。氨基酸或核苷酸在开始聚合时，其顺序完全是随机的，但一旦形成了第一个聚合物(核酸尤其如此)，这个聚合物即可影响其它聚合物的生成，核酸本身互补的化学特性(物质本身的性质)将起很大作用。例如，如果首先聚合成一条核酸链为A-A-A……，这条链将作为模板影响以后核酸链的合成，即U-U-U……将比其它核苷酸链更易生成。在原始海洋中核酸的合成虽无生物催化剂，但无机催化剂是存在的，因此核酸的聚合与复制在原始海洋中是具备条件的。在最初形成的多核苷酸自我复制过程中可能会出现错误，通过多次复制及错误，可能生成与最初样板完全不同的多核苷酸链。这些多核苷酸(RNA)由于其核苷酸顺序不同， 分子内的碱基互补所生成的立体结构也不相同，立体结构不同将导致各种RNA 复制的难易程度和稳定程度不同，在实验室中已看到在某一条件下那些易于复制并且稳定的RNA将成为优势的种类。因此，RNA的种类将受到自然选择的作用。在自然选择过程中，通过竞争占优势的种类复制速度快、复制准确，且产品稳定。根据外界的条件，某些RNA将在其所携带的信息及功能上占优势。另外，氨基酸随机聚合而成的某些多肽也具有催化作用，而某种蛋白质也可能催化某种RNA的复制，如果某种RNA能指令合成可催化自身复制的蛋白质，这种RNA在自然选择中将是强者。
自然界演化出蛋白质和核酸产生后，它们业已形成了维持其存在的一致倾向性，这种维持其存在的一致倾向性使其呈现了一种不同于自然物质的生存性，即生命主体性，作为蛋白质和核酸的统一体也因被赋予了一种超然的自主性而呈现生命状态，生命体因此而诞生。这样，通过物质的反应性和适应性两个阶段，大自然终于进化成具有程序指令的主体程序及其自主组织了，主体和作为主体性存在的生命同时得以诞生（生命体和精神同时成为物质之后的第三性）。主体性表现为程序指令性，主体的实质就是指令生命体进行自主自动运作的程序，即主体程序。主体程序就是基于生命机体的形成过程而自然形成的特定语言编码序列，是通过环境的激发而自动运行的指令程序。主体程序仍然体现为能量子即信息的组合序列，其实质仍然是基于能量子流所形成高电位势和低电位势的两种信息组合（如图）。主体程序与计算机程序没有本质区别，他们都是由标识为“0”、“1”的逻辑电路所构成，故原则上是可以相互理解甚至相互贯通的。主体程序与计算机程序的区别主要体现在几个方面：
（1）程序构成的复杂程度不同。目前的电子计算机程序最多有64位字长，而主体程序的字长要复杂得多。（2）形成程序的能量子流数量级不同。形成主体程序的能量子流数量级低于计算机程序。（3）工作电位不同。标识计算机程序的逻辑门电路主要有双极型晶体管逻辑门电路、单极型MOS逻辑门电路，它们工作电源电源在3～18V的范围内；而主体程序的工作电压约为0.1v以下。
主体程序已不再是被动的机械程序，而是体现为一种自主地维护蛋白质和核酸系统稳定的倾向性，即体现为主体程序。主体程序以生命体为载体，但本身具备非物质性，这使我们由此而找到了精神产生的现实根源和实质：主体程序运作过程对外彰显为精神性，精神的实质也就是主体程序。这样，主体、主体程序、生命体、精神具有实质上的一致性，他（区别于纯自然的它）们均是宇宙长期演化到蛋白质和核酸阶段后，由量变而最终质跃的必然结果。
主体程序作为一种非物质运行方式是不能独立存在的，他必须借助于承载自己的载体——生命体才能彰显，而生命体也因主体程序才呈现生命性。生命体显然已经明显区别于原初的、物质存在，因为他拥有了主体。这种主体性主要体现在三个方面：①功能性，构筑了自动获取能量的功能体系；②生存性，主体具有维持自己生存的本能，会通过适应环境自行进行有利于自己的调节，这主要表现在对外界的适用性调节上，如刺激调节、安保调节、生长调节、活动调节等；③繁衍性，主体能通过基因遗传的方式复制自己的程序片段以体现主体我的延伸。主体的上述三个方面通过其程序体现出来，程序性是主体的实质，没有程序就无法体现主体性，但程序只是主体之所以为主体的必要条件而不是充分条件，要判断一种程序是否能成为为主体，关键在于其是否具备上述三个特征。主体的上述三个特征就足以说明生命我对自在的完全超越性，作为主体程序的生命体显然是宇宙演化过程中自发地形成的。宇宙演化赋予生命所形成的程序与目前水平的计算机程序具有一定的相似性，它们实质上都是指令程序，但是指令的组成方式和功能具有很大差别，生命程序具有主体性，是主体程序；而目前的计算机程序还仅仅是人工设计的被动程序，则还不具备主体性能。生命的指令程序从一开始就是主体的,否则,他无法运行程序,这一点使其大大超过了现阶段的计算机，生命的指令程序仅在运行速度上低于计算机。生命的指令程序之所以是主体的,根源于他的无奈,他只能从自然的演化中形成并在自然的演化中造就自己的主体性。
另外，细胞的上述三个功能性特征还应是建立在程序的最优化基础上，也就是说生物的主体程序总会自动调节，按照适合于自己生存的最优化方向进行内化发展，这是由宇宙的正向演化规律和生物进化的优胜劣汰规律规定的。根据最优化特征，我们就可以解释史前动物形体逐渐变小的原因，从而搞清楚恐龙消失的原因并非是基于偶然的灾变，而是由于大型动物在进化过程中内化质变出一种更加优秀的主体程序，而这种主体程序需要摆脱庞大的身躯才能高效运行。
讲到这里，已基本上向大家说清楚了“物质如何被编码而成为生命材料”这个现代科学所不能解释的问题。当然，也许还需要进一步揭示作为生命界最基本单元的细胞是如何形成的，但这个问题则是无法在这样一个小篇幅里解决的。如果大家有兴趣，可以阅读《新文明》、《紫微星明》、《在之演化》、《统一信息论》等专著。