生命的征途——我們從何而來？
生命是偉大的。當俄刻阿諾斯在原始的地球上烹調出了分子濃湯，我們的偉大便成了一種命運。
撰文 | 李唐（山東大學物理學院）
編輯 | 咖喱 金莊維
人類，作為一種能夠反思自身存在的存在者，一直與自然為鄰。當我們感嘆造物者的功績時，便不由地贊頌繁復的生命——我們已知最偉大的創(chuàng)造形式?？梢哉f這是一種本質間的惺惺相惜，因為我們也是生命。然而，這種美與復雜的并存卻從埃及天神阿圖姆（Atum）的第一滴眼淚落下后就困擾著人們。也許，神話傳說是先驅們在人類幼年時代對生命起源的最初探尋。創(chuàng)世紀并不囿于冰冷的宇宙，更是生命的誕生。
柏拉圖和亞里士多德哲學中的“永恒本質”排除了探索生命誕生過程的可能性，這與基督教的思想不謀而合；后者認為神創(chuàng)后的世界并沒有發(fā)展性，生命只是全能上帝的一手造物。15世紀的文藝復興重建了人類文明對理性的信心，科學作為新的信仰而崛起，牛頓物理大廈的閃耀頂峰激勵著人們對普遍規(guī)律的探索。但受機械論影響的自然神學仍然堅信上帝的“物理學”，正如英國哲學家喬治?貝克萊（George Berkeley）所說：“他（上帝）知道和了解一切事物，并以這樣一種方式、按照如他自己制定的這樣一些規(guī)律把他們顯示在我們的眼前，這些規(guī)律被我們稱之為自然法則?！睆倪@種意義上說，世界來源于神創(chuàng)法則的機械構造。他們關注有機體中所體現(xiàn)的上帝的創(chuàng)造意志。在這些信徒的眼中，創(chuàng)世以后便有了蛇，吃土和用肚子行走的習慣僅僅來自神的懲罰。
隨著地質學的進步以及化石的發(fā)現(xiàn)，進化的思想開始萌動。法國生物學家拉馬克（Jean-Baptiste Lamarck）第一個提出了進化的概念。隨后，達爾文將無數(shù)動植物的相似性作為進化的強大證據(jù)，以巨著《物種起源》宣告了進化論的誕生。從此在科學的宇宙中，進化之樹上結滿了生命的果實。這場偉大的革命激勵我們去回溯，尋找生命演化的最初圖像。
杳無福音的煉獄創(chuàng)生
在現(xiàn)代，人們普遍認為地球起源于約46億年前。當時的地球猶如但丁在《神曲》中描繪的地獄——充滿烈焰的恐怖之地。雖然沒有魔鬼和哀嚎的鬼魂，但有充滿破壞欲的隕石不時來襲。能量的積蓄使得諸如火山噴發(fā)那樣的地質活動頻頻發(fā)生，原始地球的表面類似將熔巖當作護城河的魔堡。但這也釋放了地殼內的氣體（包括水蒸氣），從而形成原始大氣。
圖1. 原始地球表面的想象場景（圖源：old.pep.com.cn）
當?shù)厍驈某跎幕鹬袧u漸冷卻下來，生命便有了誕生的第一必要條件，因為沒有哪種生命能夠帶著極高的溫度誕生——一出生就可能被還原為黑色碳原子。這時水蒸氣開始冷凝，帶來可能持續(xù)了千年的暴雨——那是遠古時代的一大奇景。
目前最早的生命證據(jù)可能來自38.5億年前的格陵蘭島——即油母巖質，一種生命體在腐爛后形成的 “化學化石”。2015年，科學家在鋯石晶體里面發(fā)現(xiàn)疑似41億年前生命遺跡的石墨斑點，但質疑的聲音不絕于耳。更為可靠的證據(jù)，比如2017年在澳大利亞發(fā)現(xiàn)的陸地熱泉沉積物，則在約35億年前。其實，早在液態(tài)水產生（約42億年前）以后，大自然便開始準備和醞釀，迎接即將到來的輝煌時代。
達爾文的池塘
我們設想一個溫暖的小池塘，里面有各種氨、磷酸鹽、光、熱、電等等，可通過化學反應形成的蛋白質化合物準備經歷更復雜的變化。
——達爾文
目前已知的生命體都是由化學分子組成的，在生命的形成過程中必定存在參與反應的分子以及能使它們運動的媒介——水便是最可能的候選。在20世紀中葉，美國科學家米勒（Stanley L. Miller）設計并完成了一項開創(chuàng)性的實驗。他設計了一個裝置，里面混合了甲烷、氨、氫氣和水，并不斷放電以模擬閃電；這種環(huán)境和原始海洋的上空是類似的。令人驚奇的是，反應器中產生了許多生命必須的有機分子，包括多種構成蛋白質的基元——氨基酸。這再一次說明，那些認為生命物質與普通無機物之間有本質區(qū)別的人錯了。但是，有很多重要的有機物并沒有在反應中現(xiàn)身；而且產物的濃度也比較低，部分分子可能很快就會變性。這不是一個好消息，但造物的進程并沒有停滯不前，我們的探索也要前行。
反應條件是一個可能的限制。如果環(huán)境的溫度更高，反應速度會大大加快，還會生成新的反應和產物。海底的熱水口（熱能來自地球內部的熔巖）是一個較為理想的場所：高溫下產生的分子可以隨著水流在溫度較低的深海保存下來；這里還有豐富的含硫化學物質，它們性質活潑，能夠為其它反應供能，也可以成為后來微生物的食糧，而且這并不依賴于光是否存在。上個世紀科學家也確實在相似的環(huán)境中發(fā)現(xiàn)了豐富的生命。一些礦石和泥土上的凹陷、縫隙可能是分子的富集之地。那里相對封閉，較小的空間能增加反應物的濃度。更難得的是其中可能富含活性物質，它們的拿手好戲是加快反應。
隨著時間的推移，分子也在進化。作為現(xiàn)代生物新陳代謝系統(tǒng)的簡化版本，各種不同的化學反應聯(lián)合起來，形成一個首尾相接的反應鏈條。它們環(huán)環(huán)相扣，但每一環(huán)都不會消失。隨著新反應原料和能量的輸入，整個循環(huán)過程啟動，最終產生的不是代謝廢料而是全新的分子，甚至是多個小分子形成的聚合物。這種可能的原始反應網絡最終進化為生命活動的核心。
藝術的傳承
除了新陳代謝，繁殖也是生命的一個關鍵特征，而其基礎在于復制。前面提到的聚合物可以以自己為模板，通過分子間的作用力吸引特定的分子前來配對，從而完成復制。這與利用木模打制銀器是類似的。值得注意的是，在這個過程中信息開始了傳遞。一種更有趣的方式是作為基元的單體分子利用礦物表面（如黏土）的作用自我組織起來，形成聚合物。在這里，那些坑坑洼洼就像唱片一樣儲存了復制需要的信息。但是，復制出來的大分子可能受到外界的影響而發(fā)生突變，而且不同的系統(tǒng)之間也會發(fā)生干擾。它們需要個人空間。
構建這種空間的原料可能是脂質，它與你體內的脂肪是同類物質。這種蝌蚪狀的分子具有親水的頭部，它們和水分子見面便會來一次法式熱吻，而疏水性的尾部則會嫌棄地離開。如果兩層脂質尾對尾地嵌套成圓球，里面便會成為舒適的私人別墅。這并不是隔離區(qū)，如果你愿意打開窗戶，陽光般有價值的物質還是可以進來溜達的。這種結構具有相當?shù)暮侠硇?，今天的細胞膜也仍然以磷脂（脂質的一種）構建的雙分子層為基礎。
圖2. 磷脂構成的雙分子層示意圖（圖源：modx.hanluninfo.com）
如果沒有樂譜和藝術家的傳承，今日便難以聽到馬勒的交響曲，他的靈感只會是曇花一現(xiàn)。復制使生命的藝術得以保留，在前代創(chuàng)造的基礎上不斷進化；人類也正是利用文字保存文明的根基，從而使理智的高塔矗立。那么承擔生命復制重任的是誰呢？
既是雞也是蛋
經過漫長的歲月，生命終于演化出了可靠的信息模板——DNA；其全名是脫氧核糖核酸，目前所有的細胞生物都是以之作為遺傳物質。它可以攜帶不同的標簽，我們用A、T、C、G來區(qū)別，這四種不同DNA的有序排列便可以儲存信息。比它多了一個氧原子的兄弟，核糖核酸RNA則主要過著給DNA跑腿傳令的日子。它的標簽也有四種：A、T、C、U，亦能構成豐富的組合。A、T、C可以證明二者的親緣關系，而U表示RNA是個有個性的孩子。
但是，DNA的復制需要以它為藍圖構造的蛋白質的幫助，后者能降低反應所需的能量，我們稱其為催化劑。二者的依賴關系使一個問題撲朔迷離：DNA和蛋白質誰是前輩？生物學家喜歡將其稱為先有雞還是先有蛋的問題。然而，科學家在RNA那兒發(fā)現(xiàn)了突破口。長鏈RNA既可以作為遺傳信息的載體，也可以通過折疊產生的不同結構而具有催化的性質。它是理論家和工程師的完美結合。在生命形成的初級階段，RNA可能發(fā)揮了重要作用。但優(yōu)勢有時也是劣勢；核糖核酸具有催化活力，這恰恰意味著其性質過于活潑而難以穩(wěn)定地保存信息，于是，隨著進化的選擇，儲存信息的重任便全權交給了穩(wěn)重的DNA。
細胞社會學：個體到組織
當有了遺傳信息的保存和傳遞手段、起隔離作用的膜以及初級的化學反應網絡，作為生命單元的細胞便有了組裝的基礎。
這些原始的泡泡逐漸進化出了一套DNA指導下的建筑學方法，它們利用DNA長鏈上三個相鄰的分子作為和不同氨基酸接頭的暗號。我們將這種排列稱為密碼子。和原DNA配對后，攜帶遺傳信息的信使RNA和載著各種氨基酸的運輸RNA再次依靠密碼配對，組裝出初等的蛋白質。當然，這一過程是要耗能的，泡泡們也自然期望獲得穩(wěn)定的能源。有些泡泡發(fā)明了小型的反應爐，其核心便是一類能促成反應鏈的高效催化劑——酶。大批利用光合作用或化學能量的反應爐被安置在內部一定的區(qū)域之中，只要加入可以反應的原料，它們馬上就可以提供足以維持整體運作的可觀能量。懶惰但聰慧的泡泡將可以自足的小泡吞進去給自己提供能量，而里面安逸的環(huán)境也使其流連忘返——這種互利的生活使它們漸漸成為一個共同體，生物學家將這種關系稱為共生。這是目前最可靠的關于細胞中葉綠體和線粒體起源的學說；但是，這不一定就是最終答案，我們也許更期待科學再一次從正確走向錯誤。
我們已經在理論中組合出了基本的細胞。但它們并不是個體的孤島，細胞是可以通過其間的連絲或化學分子進行通信的。當眾多細胞聚集起來，一些社會性的現(xiàn)象便會出現(xiàn)。單細胞的阿米巴原蟲在食物匱乏時會釋放信號分子使大家集合，形成一個更大的軟體集團，并向食物移動。部分原蟲會變成莖直立起來，將其它細胞撐到空中并擴散出去；這些英勇的傘兵會在其它資源豐富的地方繼續(xù)繁殖，但莖細胞會漸漸死去。這是他們?yōu)榱朔N群的延續(xù)而采取的策略。
我們從中看到了細胞的分化，正如每個人在社會中都有其角色。這種有效的分工機制被自然選擇保留了下來，并不斷進化。隨著分工的細化和整體組織復雜性的提升，細胞產生了社會結構——從家庭、民族、黨派到國家，直至全球化、一體化的世界。所有的多細胞生物，包括我們人類均由此而生。
偶然的必然
當我們沿著理智所架構的生命足跡一路走來，結局往往是明晰的困惑。演化的脈絡似乎清晰，但難以掩蓋細節(jié)不足所致的焦慮。即便是科學已取得長足進步的現(xiàn)代，生命的誕生依舊讓我們驚嘆。在原始的地獄中，竟存在如此復雜、精巧結構的圣誕，正如英國天文學家弗雷德?霍伊爾（Sir Fred Hoyle）所比喻的：生命的自發(fā)組配就像旋風席卷過垃圾場卻造出了一架功能齊全的波音747飛機。也難怪早先的特創(chuàng)論者一再堅稱生命的神創(chuàng)性。但我們必須追問：生命是偶然嗎？
我們優(yōu)雅的宇宙受到物理定律的支配，正是這樣的信念驅動著科學探索。宇宙是生命的所屬地，她孕育了生命。即使我們接納地外起源的假說，生命也必然經歷了一個分子組裝的化學過程，除非你是神之智慧的擁護者。比起由上帝之恩澤所創(chuàng)造的存在巨鏈，我們相信訴諸物理學更能得到探尋生命概率的深刻啟示。
前面我們已經看到，地球的原始環(huán)境確實能產生出生命分子，但關鍵在于它們有序的組織。熱力學第二定律告訴我們，系統(tǒng)的混亂度只會隨時間持續(xù)增長，這似乎表明生物是不受游戲規(guī)則約束的玩家，他們一定有不為人知的小把戲。但是，這條定律有一個前提：這個系統(tǒng)是沒有能量和新物質流入的。顯然，生命是開放的。
分子們的自我組織需要外界能量所帶來的信息，就像磚塊和工人的組合不會筑起高樓，它們還需要設計師提供指導未來的信息。新興的混沌學告訴我們，系統(tǒng)往往是敏感的，初始條件的微小不確定性都會導致將來截然不同的結果。牛頓時代的理想——科學精確的預言性在分子系統(tǒng)里破滅，因為我們不可能得到每個分子無限精確的位置和速度。而正是這種不確定性在輸入能量的推動下產生了有序的組織，普利高津將其稱為耗散結構——“來自能量耗散的有序結構”。
他曾寫道：“耗散結構很可能為通信引入了一種最簡單的物理機制。”信息依然發(fā)揮著重要作用。我們看到，有序可能來自初始之時不確定的偶然。機械式的自然觀已經崩塌，我們要跳出確定性的死氣沉沉。也許這會使科學的完美主義者失望，但正如雨果所寫：“萬物中的一切并非都是合乎人情的美，……畸形靠著優(yōu)美，……光明與黑暗相共?！痹谶@里，不確定性的黑暗卻給我們帶來不再冰冷的宇宙，生命的榮光照耀世界。
那么，生命就是一種偶然嗎？雖然生命的概率低到人們?yōu)樽约旱恼Q生而感恩，但宇宙的物理定律確實是作為現(xiàn)代版的“第一推動力”使得塵埃演化出生命。我們居住的宇宙允許生命的誕生。宇宙百億年的歷史和極豐富的物質已超越了我們想象的邊際，在近乎無窮的演變歷程中，概率不過是人類有限理智的幌子，生命的出現(xiàn)只是時間上的問題。就像物理學家戴森（Freeman Dyson）在《宇宙波瀾》中所寫：“宇宙在某種意義上也許已經知道我們的到來。”
存在著并沉思著
我們不得不再次思考薛定諤曾提出的問題：生命是什么？我們已經知道生命的那些生物學特征：新陳代謝、對外界有反應、繁殖……但這并不代表我們已能完美地回答這個問題。高等的生物不過是單個行為簡單的細胞的組合，而細胞也不過是分子的聚合體。類似的現(xiàn)象出現(xiàn)在亞馬遜雨林的行軍蟻身上。單只螞蟻的行為十分簡單，但它們的集合卻能表現(xiàn)出覓食、躲避災害的高級能力。二十世紀后半葉興起的協(xié)同學曾廣泛地研究過這類現(xiàn)象，甚至涵蓋社會學和經濟學。也許，生命乃至意識都是一種由復雜性涌現(xiàn)出的現(xiàn)象。在生物和人類社會這些復雜系統(tǒng)中存在普遍的規(guī)律，就像赫爾曼?哈肯的理想——“探尋一個統(tǒng)一的宇宙觀”。
宇宙有意義嗎？亞里士多德認為事物都有一種潛在的朝向“目的”的動態(tài)力量。一些科學家提出宇宙的意義在于最終演化出會思想的生命，“思維進而是宇宙的一種能力，它借此反思它本身，發(fā)現(xiàn)它自身的結構，理解如此固有的存在?！边@是一種浪漫主義的宇宙觀，具有文學式的感性魅力。在意識是一種復雜之涌現(xiàn)的觀點下，宇宙的理性并不是可以棄之不顧的荒謬言論。我們也不得不向古希臘哲學家那不受禁錮的豐富想象力脫帽致敬。
但是，無論我們是否反思，宇宙依然存在，困擾的只是科學家和哲學家而已。此刻，我們存在；不遠的將來，我們亦存在。在我們每個人的世界中，都有一種向未來存在的可能性。也許宇宙的終極定律描述的便是一種可能性，一種從“無”到“有”、橫跨歷史的可能性。它驅使宇宙必然而然地演化，我們因此而存在，生命因此而存在，世界因此而存在。在我看來，這有根據(jù)的存在本身便是意義的所在。
我們前面說的所有問題都還沒有完善的答案，真正的物理學還屬于未來，海格力斯之柱也還遙遠。但未來的物理學并不縹緲，它必然會與信息這一重要元素結合，能解釋生命等復雜系統(tǒng)的涌現(xiàn)現(xiàn)象、時間的方向以及意識的產生。
海德格爾（Martin Heidegger）曾寫道：“所有的偉大事物都只能從偉大發(fā)端，甚至可以說其開端總是最偉大的?！鄙莻ゴ蟮摹?span style="color: rgb(64, 118, 0);">當俄刻阿諾斯在原始的地球上烹調出了分子濃湯，我們的偉大便成了一種命運。既然我們存在，就應該思考，使這份偉大愈加崇高，讓人類的歷史能以榮譽裝飾。我們終將帶著理性的尊嚴，“詩意地棲居”于我們的世界。
注釋
【1】俄刻阿諾斯：希臘神話中大洋河的河神。大洋河是希臘人想象中環(huán)繞整個大地的巨大河流，代表了世界上的全部水域。在大多數(shù)歐洲語言里，“海洋”一詞來自俄刻阿諾斯的名字。
【2】埃及天神阿圖姆（Atum）：古埃及神話赫爾默普利斯神系傳說，大神阿圖姆的眼淚落地后形成了人類。
【3】“創(chuàng)世以后便有了蛇，吃土和用肚子行走的習慣僅僅來自神的懲罰”：基督教傳說蛇欺騙夏娃吃下禁果?！秳?chuàng)世紀》中寫道：神……對蛇說：“你既做了這事，就必受咒詛，比一切的牲畜野獸更甚；你必用肚子行走，終身吃土。”
【4】隕石：現(xiàn)在墜落的隕石會在大氣層中因摩擦而損失部分質量，較小的會直接燒毀，這是大氣層保護地球生命的一個方面。
【5】“一出生就可能被還原為黑色碳原子”：準確來說動植物燃燒后的殘骸以無機鹽為主要成分，但碳元素所占的比例較大。
【6】“2015年，科學家在鋯石晶體里面發(fā)現(xiàn)疑似41億年前生命遺跡的石墨斑點”：這項工作主要由UCLA的Mark Harrison完成，見參考文獻1。
【7】“2017年在澳大利亞發(fā)現(xiàn)的陸地熱泉沉積物”：見參考文獻2。
【8】“作為基元的單體分子利用礦物表面（如黏土）的作用自我組織起來”：這種想法最早由英國生化學家凱恩斯-史密斯（A. Graham Cairns-Smith）提出，后來得到了一些初步實驗的證據(jù)。
【9】古斯塔夫?馬勒（Gustav Mahler,1860－1911）：奧地利杰出的作曲家和指揮家。
【10】“作為生命單元的細胞”：不具備細胞結構的病毒雖然也是生命，但它們只有在活細胞中才能表現(xiàn)出生命的特征。
【11】“生命的自發(fā)組配就像旋風席卷過垃圾場卻造出了一架功能齊全的波音747飛機”：見參考文獻3，第68頁。
【12】“上帝之恩澤所創(chuàng)造的存在巨鏈”：中世紀的經院哲學家托馬斯?阿奎那（Thomas Aquinas）將宇宙描述為一個由事物構成的完備等級，就像一個巨大的存在之鏈。
【13】普利高津（Ilya Prigogine，1917—2003）：比利時物理化學家，因提出“耗散結構”理論榮獲1977年諾貝爾化學獎。該理論甚至顯著影響了部分社會科學領域。普利高津博學多識，思想前衛(wèi)而深刻，堪稱一代科學大師。
【14】“耗散結構很可能為通信引入了一種最簡單的物理機制”：見參考文獻4。
【15】“萬物中的一切并非都是合乎人情的美，……光明與黑暗相共”：見參考文獻5，第359頁。
【16】第一推動力：牛頓曾認為行星的運動原因除了萬有引力的作用，還有上帝的第一推動力。
【17】“薛定諤曾提出的問題：生命是什么”：見參考文獻11。
【18】赫爾曼?哈肯（Hermann Haken，1927-）：德國物理學家，協(xié)同學的創(chuàng)始人。這句話引自參考文獻12第3頁。
【19】“思維進而是宇宙的一種能力……理解如此固有的存在”：這句話引自參考文獻9，第395頁，是其作者的觀點。
【20】海格力斯之柱：海格力斯之柱樹立之時，上面刻有警告銘文“Non Plus Ultra”，意為“此處之外，再無一物”，表示海格力斯之柱就是已知世界的盡頭。
【21】“所有的偉大事物……開端總是最偉大的”：見參考文獻13，第17頁。
【22】“詩意地棲居”：《人，詩意地棲居》是德國19世紀浪漫派詩人荷爾德林的一首詩。
參考資料
[1] Stuart Wolpert, Life on Earth likely started at least 4.1 billion years ago-much earlier than scientists had thought, UCLA Newsroom, October 19,2015.
[2] Tara Djokic, Martin J. Van Kranendonk, Colin R. Ward, Earliest signs of life on land preserved in ca. 3.5 Ga Hot spring deposits, Nature Communication 8, 15263(2017)
[3] 保羅?戴維斯，《第五項奇跡》，譯林出版社（2004）
[4] I.Prigogine,I.Stengers, Order out of Chaos, Bantam Books(1984) .
[5] 葉郎，《美學原理》，北京大學出版社（2009）
[6] 但丁，《神曲》，人民文學出版社（2002）
[7] Samuel Enoch Stumpf, James Fieser, Socrates to Satre and Beyond: A History of Philosophy, The Mc Graw-Hill Companies(2003).
[9] 克里斯蒂安?德迪夫，《生機勃勃的塵埃》，上?？萍冀逃霭嫔纾?999）
[10] Melanie Mitchell, Complexity:A Guided Tour, Oxford(2009).
[11] 薛定諤，《生命是什么》，湖南科技出版社（2011）
[12] 赫爾曼?哈肯，《協(xié)同學》，上海世紀出版集團
[13] 海德格爾，《形而上學導論》，商務印書館
[14] N.H.巴頓等著，《進化》，科學出版社
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