**生命≠活著**
新浪科技綜合-2020年01月13日11:09
何謂生命？
在房間角落的沙發上，一隻貓兒正在咕嘟咕嘟叫。直覺告訴我們：這隻貓兒是一個活物，而這張沙發不是。但我們的直覺並不總是可靠，牛頓認為存在一種不受外部影響，統一流逝的時間，以及以各地鐘錶測量的“相對時間”，牛頓的理論和我們的認知很相似。兩個世紀後，愛因斯坦推翻了“絕對時間”的觀念，引入了一種僅能被當地鐘錶所測量的時間概念。在愛因斯坦之前，誰能想到時間在太陽上，月亮上，乃至我們每個人的手錶上，流逝的速率都不盡相同？誰能想到時間並非普遍絕對？若不是了解到這點，今天的智能手機都沒法用上GPS定位。
隨著科學大步流星地前進，我們對物理現實的理解愈發深刻，而且不時違反直覺。對構成人體的原子和夜空中的星辰，我們了解頗多，但同時對作為生命範例的人類個體，又知之甚少。事實上，生命科學家們一直在爭論究竟何為生命。亞里士多德首先提出，生命是能夠成長和繁殖之物。讓他驚嘆的是，作為馬與驢雜交的後代，騾子總是不育。但我們不能因為一頭騾是不育的，就認為它是死的。類似爭論永無休止：有人說生命體必須新陳代謝——攝入化合物，轉化為能量，然後排泄廢物。那麼飛機引擎符合這個定義嗎？簡而言之，沒有任何理論，因此也沒有任何衡量標準，能夠證實或者證偽我們的假設——貓是活的，而沙發不是——甚至不能證明你在閱讀此文時是活著的。
問題不在於沒人嘗試。量子物理奠基人之一薛定諤邁出了理解生命根本原則的重要一步。或許薛定諤更廣為人知的是他的思想實驗，關於一隻活死貓，處於所謂的死生“疊加“態。但同樣重要的是他於1943年在都柏林高等研究所舉辦的一系列講座，題目引人深思：《生命是什麼》。講座於次年成書出版，激勵了一代代科學家去更深入地理解生命。其中最著名的要數詹姆斯·沃森（James Watson）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick）對DNA結構的研究，而DNA正是薛定諤所預測的“一種構成遺傳物質的非週期性晶體” 。
在《生命是什麼》中，薛定諤闡釋了生命與熱力學第二定律之間明顯的矛盾。熱力學第二定律指出一個物理系統中的熵，或言無序度，總是在增長。依照這一定律，宇宙中的秩序必然在減少，那麼由於生命存在所增加的秩序又要如何解釋？薛定諤的回答是，生命需要吸收“負熵”（negative entropy），或自由能——即我們常說的食物和陽光。根據第二定律，陽光加熱地球時破壞掉的有序度，必大於由於植物生長所增加的有序度。
然而，證明生命與物理學定律兼容，並不等同於生命能被物理學定律所解釋，後者是一個更強的命題。薛定諤尤其感興趣的是，在分子動力學意義上的噪音的持續影響下，生命體是如何依舊有秩序地行事的。這個問題時至今日未被解答。而更難解釋的是，生命如何從非生命中誕生。
這些問題讓薛定諤自己也困惑不已。在《生命是什麼》的結尾，他評論道，或許我們需要“一種新的物理定律”來解釋生命。距此書出版已經過了七十餘年，許多人曾嘗試定義生命，或至少定義生命的主要性質。然而目前為止，解釋性理論依舊無處可尋。
追索“生命定律”
也許我們對生命的直覺是錯的，這直覺基於不完美的感知，而光靠看並不能認前貓與沙發的本質聯繫。普適的規律和定理，對貓兒或沙發成立，對原子或星係也成立，在任何情況下都成立，所以物理學家才孜孜不倦地要挖掘出這個世界隱藏的結構。以能量守恆定律為例：沒有任何過程能創造或者毀滅能量，你的貓不行，整個銀河係也不行。要想認識到這一定律，重點是認識到動能和熱能可以統一起來。
當我們試圖定論生命的物理基礎為何，我們必須考慮到每一個生命個體，都是這個普世生命現象的部分。否則，“生命”便不再是一種客觀性質，而成了各個特例的集合。如果事實如我們所料，也如薛定諤所暗示的那樣，需要發明一套“新的物理定律”才能解釋生命，那麼我們必須徹底重新審視的，不只有我們認識生命的方法，還有理解物理定律的方法。“生命定律”當如物理定律一樣普適。我們希望“生命定律”不僅適用於地球生命，也可以描述地外生命；它不只局限於生物學，更適用於廣義的物理世界。
對於生命是否自有一套特殊法則，或者同一套法則是否能同時運用於生命和非生命，爭論早已有之。主張生機論（Vitalism）的哲學家們認為活物的特別之處在於具有活力（vital force），它不僅區分了活物與死物，也是化學中有機物與無機物的差別。活力理論理應可以解釋為什麼細菌不會從泥土裡自己生長出來。1859年，發明了“巴氏殺菌法”的路易斯·巴斯德證明了細菌不能自發產生。他的結論是任何生命都必須誕生於其他生命。
不過，今天我們知道細菌之所以不能夠自發誕生，並不能歸咎於活力的缺乏。真正缺的是信息，這裡指的是細菌的細胞結構和基因構成。這些信息來自數十億年的演化，不能自發地從缺乏信息的系統中產生，無論你有多少泥土都沒有用。某種意義上這種信息才是真正的“活力”，它們是生命與非生命真正區分。然而，信息不是僅存在於特殊物質的某種神秘力量，而是歷經時間空間之變遷，由演化選擇產生。要想理解生命起源，我們必須知道何種物質能夠獲得這類信息，它們又是如何做到的。
生物體是台構造機
要回答這個問題，我們要比克勞德·香農走得更遠。香農在1948年對信息論作出了突破性的貢獻，其中一大關鍵在於忽略信息的意義。無論對於無線電還是別的通訊方式，香農並不關注信息本身的內容。他感興趣的是，那些信息是否會降低接受者對發送者狀態的不確定程度。
為此，他僅僅計算概率。如果明天可能下雨，也可能出太陽，兩者可能性相同，這時你看到一則百分百準確的天氣預報說明天會下雨，那麼可能發生的事件就減少到了原來的一半。於是，你獲得了1比特的信息。如果拋一塊硬幣，看到了哪一面朝上，或者觀察一個黑洞，發現它左旋或右旋，你也獲得了信息。上述兩次觀察，都給了你1比特的信息。信息純粹是預期可能情況的減少，實質是不確定性的降低，無論消息內容為何——信號的含義與香農的理論無關。
要建立一套生命理論，我們需要將香農忽略的意義放回去，還要放到物理學的框架裡。當台球互相碰撞，它們便互相關聯——要預測一個球的路徑，可以藉助對另一顆球的觀察。這是香農關注的信息：信息就是第一顆球未來可能狀態數量的減少，取決於你對第二顆球之速度角度有多少了解。不同的是，當生命獲得周遭環境的信息時，後者並不是用來預測隨機狀態之可能性，而是關於在環境中何以生存得更好，以及後代如何復制這些信息。我們稱這種信息為“功能信息”。
上世紀另一個博學者則從數學角度來看待繁殖和信息傳遞。約翰·馮·諾伊曼是許多領域的先鋒，對計算機、博弈論、經濟學都有開創性貢獻。他認識到，要想讓有機生物，或者一個可自我複制的機器（他稱之為“通用構造機”）去建造自己，一是要有一個闡釋具體步驟的程序，二是要找到一個方法，能夠複製程序，將之轉移到新個體。構造機得比沙發之類的東西更加精妙。只要有信息就能造出沙發，但構造機能夠通過處理信息製造新的東西，比如它們自身的變種，而這奠定了演化機制的基礎。換句話說，它們能運用信息。這樣說來，一隻貓就是一台可編程的構造機，你也是，但是沙發不是。但是，無論要想創造貓還是沙發，演化過程都不可或缺。
因此，一個能夠解釋有生命的系統的信息理論，將必須解釋信息的兩個層面——信息如何被獲取，又如何被使用。這一信息於演化中獲得，通過適者生存和自然選擇。而正如薛定諤指出，信息的使用則在於：通過吸走負熵，支持有機體生長過程中有序性的增長。生物體能夠做到這一點，因為它們是自帶自我生產方法的構造機。
“生命”和“活著”的區別
在此，我們需要分辨兩個關於信息獲取和使用概念：我將分別稱為“生命”（life）和“活著”（alive）。“活著”指的是對負熵的持續使用；它是“死亡”的對立面。當一隻貓活著時，它可以通過進食得到負熵，用以為自身細胞創造秩序，構建自我。活物是構造機。一隻死貓就不能再做這些事了。活著需要肌體維持穩態——在整體上克服擾動，保持生物體內的平衡。
而“生命”指的則是創造必要信息的一個過程，它同時也創造出活物以及造出它們所需要的信息。生命還包括獲取信息來創造出非活物，例如沙發。在這個過程中，創造出來的信息會被不斷複製，並跨越不同的物理主體：從父母到子女，從一個人到另一個。
隨著時光流逝，生命創造出長串的信息——這就是演化生物學家們說的“譜系”（lineages），它們從所有貓的祖先，延續至沙發上坐著的這隻貓；從世上第一個座位，到這張沙發；從元初生命到這隻貓兒肚裡的細菌。科學家們把這些譜系稱作“未完譜系”（open-ended lineages），意思是它們有潛力繼續演化，拓展出新的產物。目前已知的生命就是我們的生物圈，後者囊括了地球上所有的譜系，和它們在未來將要演化出的新譜系。活物是“發生系統”（generating systems）：它們創造新的可能性，在時間和空間上拓展演化的廣度。因此，貓和沙發都屬於“生命”，但只有貓“活著”。
要理解為什麼要區分“生命”和“活物”，不妨考慮一個在辯論“生命”定義時經常提及的例子：病毒。生物學界對病毒是否屬於活物存在意見分歧。它們沒有自己的穩態機理，而是藉助劫持宿主細胞的運轉機制來生產更多病毒。因此，按一般標準看，病毒並非活物，因為它們並不是可以自我繁殖的“構造機”。
但它們仍然可以是“生命”。病毒就像細胞、貓或人類一樣，都經歷了一個漫長的，收集功能性信息的過程，並從中誕生。如果我們想要解釋生命的起源，就必須要能夠解釋這個過程的起源。一隻死貓不是活物，但它是“生命”，因為它也從一個收集功能性信息的漫長過程中誕生。如果我們能解釋死貓的源頭，我們就能解釋生命的起源；如果我們發現了死掉的火星貓，就可以認為我們在火星上找到了生命。因此，分清生物體（活物）和產生這個物體所需信息的過程（生命）非常重要。
或許每一次宇宙中出現生命，都會出現我們所說的活物，或者至少擁有某些我們認為屬於活物的特徵。它們大概會用信息和負熵來自我維持。但是不是所有生命都會為其所在的每一處帶來活物呢？哪一些活物之特徵，構成了未完結的演化和生物圈擴張的基礎呢？對此我們並不清楚。
傳承演化，生生不息
設想一下，你造出了一個精緻的3D打印機，取名“愛麗絲”；愛麗絲可以打印自己。提供給它自身設計圖的信息，並提供複製此信息的機制：現在，愛麗絲是一個實打實的馮·諾依曼構造機了—— 那你算是在地球上創造了新生命嗎？
假設你通過設計，又給愛麗絲額外一些信息：她得以從石頭中提取礦物作為原材料，生產新的3D打印機。那麼愛麗絲和她的後代算是“生命”嗎？你懶得成天給這些跑來跑去的小玩意兒找原材料，所以就給其中一個名叫“伊芙”的後代裝備了更多信息：她現在會使用太陽能充電板，自己外出搜尋礦物了。那麼伊芙算是“生命”嗎？
此項新穎設計讓你一舉成名，此前還從未有人製造出能自我繁殖、完全自治且無需監管的3D打印機。為了創造這個“構造機”，你輸入了大量信息和程序。你十分在乎你的大作，可是你的保險公司擔心如果伊芙佔領地球會帶來嚴重後果。於是，你想了個辦法，讓這個小小的自治3D打印機搭上某次火星任務的便車，順利偷渡。假設伊芙在火星上的一個隱秘的峽谷過上了美滿的生活，並且造出了一大群自身的複本。幾百萬年之後，人類發現了這個峽谷，並追踪到了3D打印機的演化進程。它們的演化產生了許多3D打印機亞種，有的大有的小，有藍的也有紅的，還有為了材料而捕食其他3D打印機的。它們跟你最初的設計可是非常不同。
上述思想實驗的價值在於：它能讓我們更深刻地理解“生命”和“活著”的意義。直覺上我們認為生命出現了，甚至可能認為這些新機器人是活物。這些3D打印機成為“生命”了嗎？如果是，又是在哪個節點變成的？它們是活物嗎？這些3D打印機形成了一個譜系。在火星上，譜系產生了分支，每一個分支都通過自然選擇，擁有了獨立演化出的功能。但在地球上，這個譜系的起源是你的設計；而你自己則屬於那個四十多億年的，始於地球生命起源的譜系。值得一提的，3D打印機譜系和你的譜係其實不可分割。如果地球上不曾有這一段收集功能性信息的悠久進程，這些3D打印機就不會出現，就像你自己也不會出現一樣。正因如此，想要真正研究其他獨立的生命，我們必須去發現地外生命，而非在實驗室裡“創造生命”。
在嘗試創造人造生命時，我們自身的介入是無以避免的。我們的任何創造物都是人類所屬譜系的延伸，因此也代表著同一個生命。生物譜係也許是地球上所有物理構造中最古老的之一，因為它們不但從未停止繁衍，而且它還在信息驅動下，不斷擴張演化。
現在讓我們把目光轉向功能性信息，那些造就了我們的信息。其中一些在四十億年前生命起源之時就已經獲得，但其餘大部分都是在演化過程中逐漸得到的。我們在5億4千萬年前知道了身體如何組建，幾百萬年前學會了消化熟食。我們是一團信息，這些信息在不同的情景下獲取，有些由我們胃裡的細菌獲得，而另一些則是則通過文化吸收的。
從譜系的角度來看，那些3D打印機從始至終都是“生命”，我們的思想實驗中並不存在一個由非生命變成生命的轉折點。但在它們的演化過程中，有一些事情的確改變了，在火星上幾百萬年間，它們獲取了功能性信息，並能夠用這些信息去做曾經無法做到的事情。它們與我們眼中的“活物”越來越相似。在這個意義上，我們可以認為這些3D打印機是新出現的活物，而每一個打印機都為生命帶來了全新的可能性。
我們的目標是理解地球上甚至其他星球上的生命，弄明白它們的起源。為此我們需要從根本上改變我們思考生命的方法。“薛定諤的貓”可能並不是我們現在該考慮的問題——不論生死，它都是“生命”。
在房間角落，盤坐著的是四十億年的傳承，以貓為形，名曰生命。
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