來源：神經(jīng)現(xiàn)實
何謂生命？
在房間角落的沙發(fā)上，一只貓兒正在咕嘟咕嘟叫。直覺告訴我們：這只貓兒是一個活物，而這張沙發(fā)不是。但我們的直覺并不總是可靠，牛頓認(rèn)為存在一種不受外部影響，統(tǒng)一流逝的時間，以及以各地鐘表測量的“相對時間”，牛頓的理論和我們的認(rèn)知很相似。兩個世紀(jì)后，愛因斯坦推翻了“絕對時間”的觀念，引入了一種僅能被當(dāng)?shù)冂姳硭鶞y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表上，流逝的速率都不盡相同？誰能想到時間并非普遍絕對？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(xué)大步流星地前進(jìn)，我們對物理現(xiàn)實的理解愈發(fā)深刻，而且不時違反直覺。對構(gòu)成人體的原子和夜空中的星辰，我們了解頗多，但同時對作為生命范例的人類個體，又知之甚少。事實上，生命科學(xué)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，作為馬與驢雜交的后代，騾子總是不育。但我們不能因為一頭騾是不育的，就認(rèn)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(zhuǎn)化為能量，然后排泄廢物。那么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(biāo)準(zhǔn)，能夠證實或者證偽我們的假設(shè)——貓是活的，而沙發(fā)不是——甚至不能證明你在閱讀此文時是活著的。
—Marco Angarita
問題不在于沒人嘗試。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?；蛟S薛定諤更廣為人知的是他的思想實驗，關(guān)于一只活死貓，處于所謂的死生“疊加“態(tài)。但同樣重要的是他于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：《生命是什么》。講座于次年成書出版，激勵了一代代科學(xué)家去更深入地理解生命。其中最著名的要數(shù)詹姆斯·沃森（James Watson）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick）對DNA結(jié)構(gòu)的研究，而DNA正是薛定諤所預(yù)測的“一種構(gòu)成遺傳物質(zhì)的非周期性晶體”。
在《生命是什么》中，薛定諤闡釋了生命與熱力學(xué)第二定律之間明顯的矛盾。熱力學(xué)第二定律指出一個物理系統(tǒng)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，那么由于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(fù)熵”（negative entropy），或自由能——即我們常說的食物和陽光。根據(jù)第二定律，陽光加熱地球時破壞掉的有序度，必大于由于植物生長所增加的有序度。
然而，證明生命與物理學(xué)定律兼容，并不等同于生命能被物理學(xué)定律所解釋，后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(xué)意義上的噪音的持續(xù)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《生命是什么》的結(jié)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(jīng)過了七十余年，許多人曾嘗試定義生命，或至少定義生命的主要性質(zhì)。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，這直覺基于不完美的感知，而光靠看并不能認(rèn)前貓與沙發(fā)的本質(zhì)聯(lián)系。普適的規(guī)律和定理，對貓兒或沙發(fā)成立，對原子或星系也成立，在任何情況下都成立，所以物理學(xué)家才孜孜不倦地要挖掘出這個世界隱藏的結(jié)構(gòu)。以能量守恒定律為例：沒有任何過程能創(chuàng)造或者毀滅能量，你的貓不行，整個銀河系也不行。要想認(rèn)識到這一定律，重點是認(rèn)識到動能和熱能可以統(tǒng)一起來。
當(dāng)我們試圖定論生命的物理基礎(chǔ)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(xiàn)象的部分。否則，“生命”便不再是一種客觀性質(zhì)，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(fā)明一套“新的物理定律”才能解釋生命，那么我們必須徹底重新審視的，不只有我們認(rèn)識生命的方法，還有理解物理定律的方法?！吧伞碑?dāng)如物理定律一樣普適。我們希望“生命定律”不僅適用于地球生命，也可以描述地外生命；它不只局限于生物學(xué)，更適用于廣義的物理世界。
對于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于生命和非生命，爭論早已有之。主張生機論（Vitalism）的哲學(xué)家們認(rèn)為活物的特別之處在于具有活力（vital force），它不僅區(qū)分了活物與死物，也是化學(xué)中有機物與無機物的差別。活力理論理應(yīng)可以解釋為什么細(xì)菌不會從泥土里自己生長出來。1859年，發(fā)明了“巴氏殺菌法”的路易斯·巴斯德證明了細(xì)菌不能自發(fā)產(chǎn)生。他的結(jié)論是任何生命都必須誕生于其他生命。
不過，今天我們知道細(xì)菌之所以不能夠自發(fā)誕生，并不能歸咎于活力的缺乏。真正缺的是信息，這里指的是細(xì)菌的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和基因構(gòu)成。這些信息來自數(shù)十億年的演化，不能自發(fā)地從缺乏信息的系統(tǒng)中產(chǎn)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(qū)分。然而，信息不是僅存在于特殊物質(zhì)的某種神秘力量，而是歷經(jīng)時間空間之變遷，由演化選擇產(chǎn)生。要想理解生命起源，我們必須知道何種物質(zhì)能夠獲得這類信息，它們又是如何做到的。
生物體是臺構(gòu)造機
要回答這個問題，我們要比克勞德·香農(nóng)走得更遠(yuǎn)。香農(nóng)在1948年對信息論作出了突破性的貢獻(xiàn)，其中一大關(guān)鍵在于忽略信息的意義。無論對于無線電還是別的通訊方式，香農(nóng)并不關(guān)注信息本身的內(nèi)容。他感興趣的是，那些信息是否會降低接受者對發(fā)送者狀態(tài)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(zhǔn)確的天氣預(yù)報說明天會下雨，那么可能發(fā)生的事件就減少到了原來的一半。于是，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(fā)現(xiàn)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(yù)期可能情況的減少，實質(zhì)是不確定性的降低，無論消息內(nèi)容為何——信號的含義與香農(nóng)的理論無關(guān)。
要建立一套生命理論，我們需要將香農(nóng)忽略的意義放回去，還要放到物理學(xué)的框架里。當(dāng)臺球互相碰撞，它們便互相關(guān)聯(lián)——要預(yù)測一個球的路徑，可以借助對另一顆球的觀察。這是香農(nóng)關(guān)注的信息：信息就是第一顆球未來可能狀態(tài)數(shù)量的減少，取決于你對第二顆球之速度角度有多少了解。不同的是，當(dāng)生命獲得周遭環(huán)境的信息時，后者并不是用來預(yù)測隨機狀態(tài)之可能性，而是關(guān)于在環(huán)境中何以生存得更好，以及后代如何復(fù)制這些信息。我們稱這種信息為“功能信息”。
上世紀(jì)另一個博學(xué)者則從數(shù)學(xué)角度來看待繁殖和信息傳遞。約翰·馮·諾伊曼是許多領(lǐng)域的先鋒，對計算機、博弈論、經(jīng)濟學(xué)都有開創(chuàng)性貢獻(xiàn)。他認(rèn)識到，要想讓有機生物，或者一個可自我復(fù)制的機器（他稱之為“通用構(gòu)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，能夠復(fù)制程序，將之轉(zhuǎn)移到新個體。構(gòu)造機得比沙發(fā)之類的東西更加精妙。只要有信息就能造出沙發(fā)，但構(gòu)造機能夠通過處理信息制造新的東西，比如它們自身的變種，而這奠定了演化機制的基礎(chǔ)。換句話說，它們能運用信息。這樣說來，一只貓就是一臺可編程的構(gòu)造機，你也是，但是沙發(fā)不是。但是，無論要想創(chuàng)造貓還是沙發(fā)，演化過程都不可或缺。
因此，一個能夠解釋有生命的系統(tǒng)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。這一信息于演化中獲得，通過適者生存和自然選擇。而正如薛定諤指出，信息的使用則在于：通過吸走負(fù)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(chǎn)方法的構(gòu)造機。
“生命”和“活著”的區(qū)別
在此，我們需要分辨兩個關(guān)于信息獲取和使用概念：我將分別稱為“生命”（life）和“活著”（alive）?！盎钪敝傅氖菍ω?fù)熵的持續(xù)使用；它是“死亡”的對立面。當(dāng)一只貓活著時，它可以通過進(jìn)食得到負(fù)熵，用以為自身細(xì)胞創(chuàng)造秩序，構(gòu)建自我。活物是構(gòu)造機。一只死貓就不能再做這些事了。活著需要肌體維持穩(wěn)態(tài)——在整體上克服擾動，保持生物體內(nèi)的平衡。
而“生命”指的則是創(chuàng)造必要信息的一個過程，它同時也創(chuàng)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(chuàng)造出非活物，例如沙發(fā)。在這個過程中，創(chuàng)造出來的信息會被不斷復(fù)制，并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(chuàng)造出長串的信息——這就是演化生物學(xué)家們說的“譜系”（lineages），它們從所有貓的祖先，延續(xù)至沙發(fā)上坐著的這只貓；從世上第一個座位，到這張沙發(fā)；從元初生命到這只貓兒肚里的細(xì)菌?？茖W(xué)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(xù)演化，拓展出新的產(chǎn)物。目前已知的生命就是我們的生物圈，后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?；钗锸恰鞍l(fā)生系統(tǒng)”（generating systems）：它們創(chuàng)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(fā)都屬于“生命”，但只有貓“活著”。
要理解為什么要區(qū)分“生命”和“活物”，不妨考慮一個在辯論“生命”定義時經(jīng)常提及的例子：病毒。生物學(xué)界對病毒是否屬于活物存在意見分歧。它們沒有自己的穩(wěn)態(tài)機理，而是借助劫持宿主細(xì)胞的運轉(zhuǎn)機制來生產(chǎn)更多病毒。因此，按一般標(biāo)準(zhǔn)看，病毒并非活物，因為它們并不是可以自我繁殖的“構(gòu)造機”。
但它們?nèi)匀豢梢允恰吧薄２《揪拖窦?xì)胞、貓或人類一樣，都經(jīng)歷了一個漫長的，收集功能性信息的過程，并從中誕生。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。一只死貓不是活物，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(fā)現(xiàn)了死掉的火星貓，就可以認(rèn)為我們在火星上找到了生命。因此，分清生物體（活物）和產(chǎn)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(xiàn)生命，都會出現(xiàn)我們所說的活物，或者至少擁有某些我們認(rèn)為屬于活物的特征。它們大概會用信息和負(fù)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？哪一些活物之特征，構(gòu)成了未完結(jié)的演化和生物圈擴張的基礎(chǔ)呢？對此我們并不清楚。
傳承演化，生生不息
設(shè)想一下，你造出了一個精致的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(shè)計圖的信息，并提供復(fù)制此信息的機制：現(xiàn)在，愛麗絲是一個實打?qū)嵉鸟T·諾依曼構(gòu)造機了——那你算是在地球上創(chuàng)造了新生命嗎？
假設(shè)你通過設(shè)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(chǎn)新的3D打印機。那么愛麗絲和她的后代算是“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”的后代裝備了更多信息：她現(xiàn)在會使用太陽能充電板，自己外出搜尋礦物了。那么伊芙算是“生命”嗎？
此項新穎設(shè)計讓你一舉成名，此前還從未有人制造出能自我繁殖、完全自治且無需監(jiān)管的3D打印機。為了創(chuàng)造這個“構(gòu)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(dān)心如果伊芙占領(lǐng)地球會帶來嚴(yán)重后果。于是，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(wù)的便車，順利偷渡。假設(shè)伊芙在火星上的一個隱秘的峽谷過上了美滿的生活，并且造出了一大群自身的復(fù)本。幾百萬年之后，人類發(fā)現(xiàn)了這個峽谷，并追蹤到了3D打印機的演化進(jìn)程。它們的演化產(chǎn)生了許多3D打印機亞種，有的大有的小， 有藍(lán)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(shè)計可是非常不同。
上述思想實驗的價值在于：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(rèn)為生命出現(xiàn)了，甚至可能認(rèn)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(jié)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(chǎn)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(shè)計；而你自己則屬于那個四十多億年的，始于地球生命起源的譜系。值得一提的，3D打印機譜系和你的譜系其實不可分割。如果地球上不曾有這一段收集功能性信息的悠久進(jìn)程，這些3D打印機就不會出現(xiàn)，就像你自己也不會出現(xiàn)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(fā)現(xiàn)地外生命，而非在實驗室里“創(chuàng)造生命”。
在嘗試創(chuàng)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(chuàng)造物都是人類所屬譜系的延伸，因此也代表著同一個生命。生物譜系也許是地球上所有物理構(gòu)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(qū)動下，不斷擴張演化。
—Sergio S
現(xiàn)在讓我們把目光轉(zhuǎn)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(jīng)獲得，但其余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(xué)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，有些由我們胃里的細(xì)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”，我們的思想實驗中并不存在一個由非生命變成生命的轉(zhuǎn)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，并能夠用這些信息去做曾經(jīng)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(rèn)為這些3D打印機是新出現(xiàn)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(biāo)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?！把Χㄖ@的貓”可能并不是我們現(xiàn)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。
