生命不等于活着
2020-01-13 08:07

生命不等于活着

本文来自微信公众号:神经现实(neureality),作者: LACHMANN&WALKER,题图来自:图虫


何谓生命?


在房间角落的沙发上,一只猫儿正在咕嘟咕嘟叫。直觉告诉我们:这只猫儿是一个活物,而这张沙发不是。但我们的直觉并不总是可靠,牛顿认为存在一种不受外部影响,统一流逝的时间,以及以各地钟表测量的“相对时间”,牛顿的理论和我们的认知很相似。两个世纪后,爱因斯坦推翻了“绝对时间”的观念,引入了一种仅能被当地钟表所测量的时间概念。在爱因斯坦之前,谁能想到时间在太阳上,月亮上,乃至我们每个人的手表上,流逝的速率都不尽相同?谁能想到时间并非普遍绝对?若不是了解到这点,今天的智能手机都没法用上GPS定位。


随着科学大步流星地前进,我们对物理现实的理解愈发深刻,而且不时违反直觉。对构成人体的原子和夜空中的星辰,我们了解颇多,但同时对作为生命范例的人类个体,又知之甚少。事实上,生命科学家们一直在争论究竟何为生命。亚里士多德首先提出,生命是能够成长和繁殖之物。让他惊叹的是,作为马与驴杂交的后代,骡子总是不育。但我们不能因为一头骡是不育的,就认为它是死的。类似争论永无休止:有人说生命体必须新陈代谢——摄入化合物,转化为能量,然后排泄废物。那么飞机引擎符合这个定义吗?简而言之,没有任何理论,因此也没有任何衡量标准,能够证实或者证伪我们的假设——猫是活的,而沙发不是——甚至不能证明你在阅读此文时是活着的。


  Marco Angarita


问题不在于没人尝试。量子物理奠基人之一薛定谔迈出了理解生命根本原则的重要一步。或许薛定谔更广为人知的是他的思想实验,关于一只活死猫,处于所谓的死生“叠加“态。但同样重要的是他于1943年在都柏林高等研究所举办的一系列讲座,题目引人深思:《生命是什么》。讲座于次年成书出版,激励了一代代科学家去更深入地理解生命。其中最著名的要数詹姆斯·沃森(James Watson)和弗朗西斯·克里克(Francis Crick)对DNA结构的研究,而DNA正是薛定谔所预测的“一种构成遗传物质的非周期性晶体”。


在《生命是什么》中,薛定谔阐释了生命与热力学第二定律之间明显的矛盾。热力学第二定律指出一个物理系统中的熵,或言无序度,总是在增长。依照这一定律,宇宙中的秩序必然在减少,那么由于生命存在所增加的秩序又要如何解释?薛定谔的回答是,生命需要吸收“负熵”(negative entropy),或自由能——即我们常说的食物和阳光。根据第二定律,阳光加热地球时破坏掉的有序度,必大于由于植物生长所增加的有序度。



然而,证明生命与物理学定律兼容,并不等同于生命能被物理学定律所解释,后者是一个更强的命题。薛定谔尤其感兴趣的是,在分子动力学意义上的噪音的持续影响下,生命体是如何依旧有秩序地行事的。这个问题时至今日未被解答。而更难解释的是,生命如何从非生命中诞生。


这些问题让薛定谔自己也困惑不已。在《生命是什么》的结尾,他评论道,或许我们需要“一种新的物理定律”来解释生命。距此书出版已经过了七十余年,许多人曾尝试定义生命,或至少定义生命的主要性质。然而目前为止,解释性理论依旧无处可寻。


追索“生命定律”


也许我们对生命的直觉是错的,这直觉基于不完美的感知,而光靠看并不能认前猫与沙发的本质联系。普适的规律和定理,对猫儿或沙发成立,对原子或星系也成立,在任何情况下都成立,所以物理学家才孜孜不倦地要挖掘出这个世界隐藏的结构。以能量守恒定律为例:没有任何过程能创造或者毁灭能量,你的猫不行,整个银河系也不行。要想认识到这一定律,重点是认识到动能和热能可以统一起来。


当我们试图定论生命的物理基础为何,我们必须考虑到每一个生命个体,都是这个普世生命现象的部分。否则,“生命”便不再是一种客观性质,而成了各个特例的集合。如果事实如我们所料,也如薛定谔所暗示的那样,需要发明一套“新的物理定律”才能解释生命,那么我们必须彻底重新审视的,不只有我们认识生命的方法,还有理解物理定律的方法。“生命定律”当如物理定律一样普适。我们希望“生命定律”不仅适用于地球生命,也可以描述地外生命;它不只局限于生物学,更适用于广义的物理世界。



对于生命是否自有一套特殊法则,或者同一套法则是否能同时运用于生命和非生命,争论早已有之。主张生机论(Vitalism)的哲学家们认为活物的特别之处在于具有活力(vital force),它不仅区分了活物与死物,也是化学中有机物与无机物的差别。活力理论理应可以解释为什么细菌不会从泥土里自己生长出来。1859年,发明了“巴氏杀菌法”的路易斯·巴斯德证明了细菌不能自发产生。他的结论是任何生命都必须诞生于其他生命。


不过,今天我们知道细菌之所以不能够自发诞生,并不能归咎于活力的缺乏。真正缺的是信息,这里指的是细菌的细胞结构和基因构成。这些信息来自数十亿年的演化,不能自发地从缺乏信息的系统中产生,无论你有多少泥土都没有用。某种意义上这种信息才是真正的“活力”,它们是生命与非生命真正区分。然而,信息不是仅存在于特殊物质的某种神秘力量,而是历经时间空间之变迁,由演化选择产生。要想理解生命起源,我们必须知道何种物质能够获得这类信息,它们又是如何做到的。


生物体是台构造机


要回答这个问题,我们要比克劳德·香农走得更远。香农在1948年对信息论作出了突破性的贡献,其中一大关键在于忽略信息的意义。无论对于无线电还是别的通讯方式,香农并不关注信息本身的内容。他感兴趣的是,那些信息是否会降低接受者对发送者状态的不确定程度。


为此,他仅仅计算概率。如果明天可能下雨,也可能出太阳,两者可能性相同,这时你看到一则百分百准确的天气预报说明天会下雨,那么可能发生的事件就减少到了原来的一半。于是,你获得了1比特的信息。如果抛一块硬币,看到了哪一面朝上,或者观察一个黑洞,发现它左旋或右旋,你也获得了信息。上述两次观察,都给了你1比特的信息。信息纯粹是预期可能情况的减少,实质是不确定性的降低,无论消息内容为何——信号的含义与香农的理论无关。


要建立一套生命理论,我们需要将香农忽略的意义放回去,还要放到物理学的框架里。当台球互相碰撞,它们便互相关联——要预测一个球的路径,可以借助对另一颗球的观察。这是香农关注的信息:信息就是第一颗球未来可能状态数量的减少,取决于你对第二颗球之速度角度有多少了解。不同的是,当生命获得周遭环境的信息时,后者并不是用来预测随机状态之可能性,而是关于在环境中何以生存得更好,以及后代如何复制这些信息。我们称这种信息为“功能信息”。



上世纪另一个博学者则从数学角度来看待繁殖和信息传递。约翰·冯·诺伊曼是许多领域的先锋,对计算机、博弈论、经济学都有开创性贡献。他认识到,要想让有机生物,或者一个可自我复制的机器(他称之为“通用构造机”)去建造自己,一是要有一个阐释具体步骤的程序,二是要找到一个方法,能够复制程序,将之转移到新个体。构造机得比沙发之类的东西更加精妙。只要有信息就能造出沙发,但构造机能够通过处理信息制造新的东西,比如它们自身的变种,而这奠定了演化机制的基础。换句话说,它们能运用信息。这样说来,一只猫就是一台可编程的构造机,你也是,但是沙发不是。但是,无论要想创造猫还是沙发,演化过程都不可或缺。


因此,一个能够解释有生命的系统的信息理论,将必须解释信息的两个层面——信息如何被获取,又如何被使用。这一信息于演化中获得,通过适者生存和自然选择。而正如薛定谔指出,信息的使用则在于:通过吸走负熵,支持有机体生长过程中有序性的增长。生物体能够做到这一点,因为它们是自带自我生产方法的构造机。


“生命”和“活着”的区别


在此,我们需要分辨两个关于信息获取和使用概念:我将分别称为“生命”(life)和“活着”(alive)。“活着”指的是对负熵的持续使用;它是“死亡”的对立面。当一只猫活着时,它可以通过进食得到负熵,用以为自身细胞创造秩序,构建自我。活物是构造机。一只死猫就不能再做这些事了。活着需要肌体维持稳态——在整体上克服扰动,保持生物体内的平衡。


而“生命”指的则是创造必要信息的一个过程,它同时也创造出活物以及造出它们所需要的信息。生命还包括获取信息来创造出非活物,例如沙发。在这个过程中,创造出来的信息会被不断复制,并跨越不同的物理主体:从父母到子女,从一个人到另一个。


随着时光流逝,生命创造出长串的信息——这就是演化生物学家们说的“谱系”(lineages),它们从所有猫的祖先,延续至沙发上坐着的这只猫;从世上第一个座位,到这张沙发;从元初生命到这只猫儿肚里的细菌。科学家们把这些谱系称作“未完谱系”(open-ended lineages),意思是它们有潜力继续演化,拓展出新的产物。目前已知的生命就是我们的生物圈,后者囊括了地球上所有的谱系,和它们在未来将要演化出的新谱系。活物是“发生系统”(generating systems):它们创造新的可能性,在时间和空间上拓展演化的广度。因此,猫和沙发都属于“生命”,但只有猫“活着”。



要理解为什么要区分“生命”和“活物”,不妨考虑一个在辩论“生命”定义时经常提及的例子:病毒。生物学界对病毒是否属于活物存在意见分歧。它们没有自己的稳态机理,而是借助劫持宿主细胞的运转机制来生产更多病毒。因此,按一般标准看,病毒并非活物,因为它们并不是可以自我繁殖的“构造机”。


但它们仍然可以是“生命”。病毒就像细胞、猫或人类一样,都经历了一个漫长的,收集功能性信息的过程,并从中诞生。如果我们想要解释生命的起源,就必须要能够解释这个过程的起源。一只死猫不是活物,但它是“生命”,因为它也从一个收集功能性信息的漫长过程中诞生。如果我们能解释死猫的源头,我们就能解释生命的起源;如果我们发现了死掉的火星猫,就可以认为我们在火星上找到了生命。因此,分清生物体(活物)和产生这个物体所需信息的过程(生命)非常重要。


或许每一次宇宙中出现生命,都会出现我们所说的活物,或者至少拥有某些我们认为属于活物的特征。它们大概会用信息和负熵来自我维持。但是不是所有生命都会为其所在的每一处带来活物呢?哪一些活物之特征,构成了未完结的演化和生物圈扩张的基础呢?对此我们并不清楚。


传承演化,生生不息


设想一下,你造出了一个精致的3D打印机,取名“爱丽丝”;爱丽丝可以打印自己。提供给它自身设计图的信息,并提供复制此信息的机制:现在,爱丽丝是一个实打实的冯·诺依曼构造机了——那你算是在地球上创造了新生命吗?


假设你通过设计,又给爱丽丝额外一些信息:她得以从石头中提取矿物作为原材料,生产新的3D打印机。那么爱丽丝和她的后代算是“生命”吗?你懒得成天给这些跑来跑去的小玩意儿找原材料,所以就给其中一个名叫“伊芙”的后代装备了更多信息:她现在会使用太阳能充电板,自己外出搜寻矿物了。那么伊芙算是“生命”吗?


此项新颖设计让你一举成名,此前还从未有人制造出能自我繁殖、完全自治且无需监管的3D打印机。为了创造这个“构造机”,你输入了大量信息和程序。你十分在乎你的大作,可是你的保险公司担心如果伊芙占领地球会带来严重后果。于是,你想了个办法,让这个小小的自治3D打印机搭上某次火星任务的便车,顺利偷渡。假设伊芙在火星上的一个隐秘的峡谷过上了美满的生活,并且造出了一大群自身的复本。几百万年之后,人类发现了这个峡谷,并追踪到了3D打印机的演化进程。它们的演化产生了许多3D打印机亚种,有的大有的小, 有蓝的也有红的,还有为了材料而捕食其他3D打印机的。它们跟你最初的设计可是非常不同。



上述思想实验的价值在于:它能让我们更深刻地理解“生命”和“活着”的意义。直觉上我们认为生命出现了,甚至可能认为这些新机器人是活物。这些3D打印机成为“生命”了吗?如果是,又是在哪个节点变成的?它们是活物吗?这些3D打印机形成了一个谱系。在火星上,谱系产生了分支,每一个分支都通过自然选择,拥有了独立演化出的功能。但在地球上,这个谱系的起源是你的设计;而你自己则属于那个四十多亿年的,始于地球生命起源的谱系。值得一提的,3D打印机谱系和你的谱系其实不可分割。如果地球上不曾有这一段收集功能性信息的悠久进程,这些3D打印机就不会出现,就像你自己也不会出现一样。正因如此,想要真正研究其他独立的生命,我们必须去发现地外生命,而非在实验室里“创造生命”。


在尝试创造人造生命时,我们自身的介入是无以避免的。我们的任何创造物都是人类所属谱系的延伸,因此也代表着同一个生命。生物谱系也许是地球上所有物理构造中最古老的之一,因为它们不但从未停止繁衍,而且它还在信息驱动下,不断扩张演化。


Sergio S


现在让我们把目光转向功能性信息,那些造就了我们的信息。其中一些在四十亿年前生命起源之时就已经获得,但其余大部分都是在演化过程中逐渐得到的。我们在5亿4千万年前知道了身体如何组建,几百万年前学会了消化熟食。我们是一团信息,这些信息在不同的情景下获取,有些由我们胃里的细菌获得,而另一些则是则通过文化吸收的。


从谱系的角度来看,那些3D打印机从始至终都是“生命”,我们的思想实验中并不存在一个由非生命变成生命的转折点。但在它们的演化过程中,有一些事情的确改变了,在火星上几百万年间,它们获取了功能性信息,并能够用这些信息去做曾经无法做到的事情。它们与我们眼中的“活物”越来越相似。在这个意义上,我们可以认为这些3D打印机是新出现的活物,而每一个打印机都为生命带来了全新的可能性。


我们的目标是理解地球上甚至其他星球上的生命,弄明白它们的起源。为此我们需要从根本上改变我们思考生命的方法。“薛定谔的猫”可能并不是我们现在该考虑的问题——不论生死,它都是“生命”。


在房间角落,盘坐着的是四十亿年的传承,以猫为形,名曰生命。


拓展阅读:

[1] http://www.whatislife.ie/downloads/What-is-Life.pdf[2] http://math.harvard.edu/~ctm/home/text/others/shannon/entropy/entropy.pdf[3] https://aeon.co/essays/how-a-polymath-transformed-our-understanding-of-information[4] https://archive.org/details/theoryofselfrepr00vonn_0[5] “未完演化和未完性” Packard, Norman, Mark Bedau, Alastair Channon, & Takashi Ikegami. (2019). ‘Open-Ended Evolution and Open-Endedness: Editorial Introduction to the Open-Ended Evolution | Special Issue’. Retrived from:

https://doi.org/10.1162/artl_e_00282.


本文来自微信公众号:神经现实(neureality),作者: LACHMANN&WALKER                

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