生命的征途——我们从何而来？
生命是伟大的。当俄刻阿诺斯在原始的地球上烹调出了分子浓汤，我们的伟大便成了一种命运。
撰文 | 李唐（山东大学物理学院）
编辑 | 咖喱 金庄维
人类，作为一种能够反思自身存在的存在者，一直与自然为邻。当我们感叹造物者的功绩时，便不由地赞颂繁复的生命——我们已知最伟大的创造形式。可以说这是一种本质间的惺惺相惜，因为我们也是生命。然而，这种美与复杂的并存却从埃及天神阿图姆（atum）的第一滴眼泪落下后就困扰着人们。也许，神话传说是先驱们在人类幼年时代对生命起源的最初探寻。创世纪并不囿于冰冷的宇宙，更是生命的诞生。
柏拉图和亚里士多德哲学中的“永恒本质”排除了探索生命诞生过程的可能性，这与基督教的思想不谋而合；后者认为神创后的世界并没有发展性，生命只是全能上帝的一手造物。15世纪的文艺复兴重建了人类文明对理性的信心，科学作为新的信仰而崛起，牛顿物理大厦的闪耀顶峰激励着人们对普遍规律的探索。但受机械论影响的自然神学仍然坚信上帝的“物理学”，正如英国哲学家乔治•贝克莱（george berkeley）所说：“他（上帝）知道和了解一切事物，并以这样一种方式、按照如他自己制定的这样一些规律把他们显示在我们的眼前，这些规律被我们称之为自然法则。”从这种意义上说，世界来源于神创法则的机械构造。他们关注有机体中所体现的上帝的创造意志。在这些信徒的眼中，创世以后便有了蛇，吃土和用肚子行走的习惯仅仅来自神的惩罚。
随着地质学的进步以及化石的发现，进化的思想开始萌动。法国生物学家拉马克（jean-baptiste lamarck）第一个提出了进化的概念。随后，达尔文将无数动植物的相似性作为进化的强大证据，以巨著《物种起源》宣告了进化论的诞生。从此在科学的宇宙中，进化之树上结满了生命的果实。这场伟大的革命激励我们去回溯，寻找生命演化的最初图像。
杳无福音的炼狱创生
在现代，人们普遍认为地球起源于约46亿年前。当时的地球犹如但丁在《神曲》中描绘的地狱——充满烈焰的恐怖之地。虽然没有魔鬼和哀嚎的鬼魂，但有充满破坏欲的陨石不时来袭。能量的积蓄使得诸如火山喷发那样的地质活动频频发生，原始地球的表面类似将熔岩当作护城河的魔堡。但这也释放了地壳内的气体（包括水蒸气），从而形成原始大气。
图1. 原始地球表面的想象场景（图源：old.pep.com.cn）
当地球从初生的火中渐渐冷却下来，生命便有了诞生的第一必要条件，因为没有哪种生命能够带着极高的温度诞生——一出生就可能被还原为黑色碳原子。这时水蒸气开始冷凝，带来可能持续了千年的暴雨——那是远古时代的一大奇景。
目前最早的生命证据可能来自38.5亿年前的格陵兰岛——即油母岩质，一种生命体在腐烂后形成的 “化学化石”。2015年，科学家在锆石晶体里面发现疑似41亿年前生命遗迹的石墨斑点，但质疑的声音不绝于耳。更为可靠的证据，比如2017年在澳大利亚发现的陆地热泉沉积物，则在约35亿年前。其实，早在液态水产生（约42亿年前）以后，大自然便开始准备和酝酿，迎接即将到来的辉煌时代。
达尔文的池塘
我们设想一个温暖的小池塘，里面有各种氨、磷酸盐、光、热、电等等，可通过化学反应形成的蛋白质化合物准备经历更复杂的变化。
——达尔文
目前已知的生命体都是由化学分子组成的，在生命的形成过程中必定存在参与反应的分子以及能使它们运动的媒介——水便是最可能的候选。在20世纪中叶，美国科学家米勒（stanley l. miller）设计并完成了一项开创性的实验。他设计了一个装置，里面混合了甲烷、氨、氢气和水，并不断放电以模拟闪电；这种环境和原始海洋的上空是类似的。令人惊奇的是，反应器中产生了许多生命必须的有机分子，包括多种构成蛋白质的基元——氨基酸。这再一次说明，那些认为生命物质与普通无机物之间有本质区别的人错了。但是，有很多重要的有机物并没有在反应中现身；而且产物的浓度也比较低，部分分子可能很快就会变性。这不是一个好消息，但造物的进程并没有停滞不前，我们的探索也要前行。
反应条件是一个可能的限制。如果环境的温度更高，反应速度会大大加快，还会生成新的反应和产物。海底的热水口（热能来自地球内部的熔岩）是一个较为理想的场所：高温下产生的分子可以随着水流在温度较低的深海保存下来；这里还有丰富的含硫化学物质，它们性质活泼，能够为其它反应供能，也可以成为后来微生物的食粮，而且这并不依赖于光是否存在。上个世纪科学家也确实在相似的环境中发现了丰富的生命。一些矿石和泥土上的凹陷、缝隙可能是分子的富集之地。那里相对封闭，较小的空间能增加反应物的浓度。更难得的是其中可能富含活性物质，它们的拿手好戏是加快反应。
随着时间的推移，分子也在进化。作为现代生物新陈代谢系统的简化版本，各种不同的化学反应联合起来，形成一个首尾相接的反应链条。它们环环相扣，但每一环都不会消失。随着新反应原料和能量的输入，整个循环过程启动，最终产生的不是代谢废料而是全新的分子，甚至是多个小分子形成的聚合物。这种可能的原始反应网络最终进化为生命活动的核心。
艺术的传承
除了新陈代谢，繁殖也是生命的一个关键特征，而其基础在于复制。前面提到的聚合物可以以自己为模板，通过分子间的作用力吸引特定的分子前来配对，从而完成复制。这与利用木模打制银器是类似的。值得注意的是，在这个过程中信息开始了传递。一种更有趣的方式是作为基元的单体分子利用矿物表面（如黏土）的作用自我组织起来，形成聚合物。在这里，那些坑坑洼洼就像唱片一样储存了复制需要的信息。但是，复制出来的大分子可能受到外界的影响而发生突变，而且不同的系统之间也会发生干扰。它们需要个人空间。
构建这种空间的原料可能是脂质，它与你体内的脂肪是同类物质。这种蝌蚪状的分子具有亲水的头部，它们和水分子见面便会来一次法式热吻，而疏水性的尾部则会嫌弃地离开。如果两层脂质尾对尾地嵌套成圆球，里面便会成为舒适的私人别墅。这并不是隔离区，如果你愿意打开窗户，阳光般有价值的物质还是可以进来溜达的。这种结构具有相当的合理性，今天的细胞膜也仍然以磷脂（脂质的一种）构建的双分子层为基础。
图2. 磷脂构成的双分子层示意图（图源：modx.hanluninfo.com）
如果没有乐谱和艺术家的传承，今日便难以听到马勒的交响曲，他的灵感只会是昙花一现。复制使生命的艺术得以保留，在前代创造的基础上不断进化；人类也正是利用文字保存文明的根基，从而使理智的高塔矗立。那么承担生命复制重任的是谁呢？
既是鸡也是蛋
经过漫长的岁月，生命终于演化出了可靠的信息模板——dna；其全名是脱氧核糖核酸，目前所有的细胞生物都是以之作为遗传物质。它可以携带不同的标签，我们用a、t、c、g来区别，这四种不同dna的有序排列便可以储存信息。比它多了一个氧原子的兄弟，核糖核酸rna则主要过着给dna跑腿传令的日子。它的标签也有四种：a、t、c、u，亦能构成丰富的组合。a、t、c可以证明二者的亲缘关系，而u表示rna是个有个性的孩子。
但是，dna的复制需要以它为蓝图构造的蛋白质的帮助，后者能降低反应所需的能量，我们称其为催化剂。二者的依赖关系使一个问题扑朔迷离：dna和蛋白质谁是前辈？生物学家喜欢将其称为先有鸡还是先有蛋的问题。然而，科学家在rna那儿发现了突破口。长链rna既可以作为遗传信息的载体，也可以通过折叠产生的不同结构而具有催化的性质。它是理论家和工程师的完美结合。在生命形成的初级阶段，rna可能发挥了重要作用。但优势有时也是劣势；核糖核酸具有催化活力，这恰恰意味着其性质过于活泼而难以稳定地保存信息，于是，随着进化的选择，储存信息的重任便全权交给了稳重的dna。
细胞社会学：个体到组织
当有了遗传信息的保存和传递手段、起隔离作用的膜以及初级的化学反应网络，作为生命单元的细胞便有了组装的基础。
这些原始的泡泡逐渐进化出了一套dna指导下的建筑学方法，它们利用dna长链上三个相邻的分子作为和不同氨基酸接头的暗号。我们将这种排列称为密码子。和原dna配对后，携带遗传信息的信使rna和载着各种氨基酸的运输rna再次依靠密码配对，组装出初等的蛋白质。当然，这一过程是要耗能的，泡泡们也自然期望获得稳定的能源。有些泡泡发明了小型的反应炉，其核心便是一类能促成反应链的高效催化剂——酶。大批利用光合作用或化学能量的反应炉被安置在内部一定的区域之中，只要加入可以反应的原料，它们马上就可以提供足以维持整体运作的可观能量。懒惰但聪慧的泡泡将可以自足的小泡吞进去给自己提供能量，而里面安逸的环境也使其流连忘返——这种互利的生活使它们渐渐成为一个共同体，生物学家将这种关系称为共生。这是目前最可靠的关于细胞中叶绿体和线粒体起源的学说；但是，这不一定就是最终答案，我们也许更期待科学再一次从正确走向错误。
我们已经在理论中组合出了基本的细胞。但它们并不是个体的孤岛，细胞是可以通过其间的连丝或化学分子进行通信的。当众多细胞聚集起来，一些社会性的现象便会出现。单细胞的阿米巴原虫在食物匮乏时会释放信号分子使大家集合，形成一个更大的软体集团，并向食物移动。部分原虫会变成茎直立起来，将其它细胞撑到空中并扩散出去；这些英勇的伞兵会在其它资源丰富的地方继续繁殖，但茎细胞会渐渐死去。这是他们为了种群的延续而采取的策略。
我们从中看到了细胞的分化，正如每个人在社会中都有其角色。这种有效的分工机制被自然选择保留了下来，并不断进化。随着分工的细化和整体组织复杂性的提升，细胞产生了社会结构——从家庭、民族、党派到国家，直至全球化、一体化的世界。所有的多细胞生物，包括我们人类均由此而生。
偶然的必然
当我们沿着理智所架构的生命足迹一路走来，结局往往是明晰的困惑。演化的脉络似乎清晰，但难以掩盖细节不足所致的焦虑。即便是科学已取得长足进步的现代，生命的诞生依旧让我们惊叹。在原始的地狱中，竟存在如此复杂、精巧结构的圣诞，正如英国天文学家弗雷德•霍伊尔（sir fred hoyle）所比喻的：生命的自发组配就像旋风席卷过垃圾场却造出了一架功能齐全的波音747飞机。也难怪早先的特创论者一再坚称生命的神创性。但我们必须追问：生命是偶然吗？
我们优雅的宇宙受到物理定律的支配，正是这样的信念驱动着科学探索。宇宙是生命的所属地，她孕育了生命。即使我们接纳地外起源的假说，生命也必然经历了一个分子组装的化学过程，除非你是神之智慧的拥护者。比起由上帝之恩泽所创造的存在巨链，我们相信诉诸物理学更能得到探寻生命概率的深刻启示。
前面我们已经看到，地球的原始环境确实能产生出生命分子，但关键在于它们有序的组织。热力学第二定律告诉我们，系统的混乱度只会随时间持续增长，这似乎表明生物是不受游戏规则约束的玩家，他们一定有不为人知的小把戏。但是，这条定律有一个前提：这个系统是没有能量和新物质流入的。显然，生命是开放的。
分子们的自我组织需要外界能量所带来的信息，就像砖块和工人的组合不会筑起高楼，它们还需要设计师提供指导未来的信息。新兴的混沌学告诉我们，系统往往是敏感的，初始条件的微小不确定性都会导致将来截然不同的结果。牛顿时代的理想——科学精确的预言性在分子系统里破灭，因为我们不可能得到每个分子无限精确的位置和速度。而正是这种不确定性在输入能量的推动下产生了有序的组织，普利高津将其称为耗散结构——“来自能量耗散的有序结构”。
他曾写道：“耗散结构很可能为通信引入了一种最简单的物理机制。”信息依然发挥着重要作用。我们看到，有序可能来自初始之时不确定的偶然。机械式的自然观已经崩塌，我们要跳出确定性的死气沉沉。也许这会使科学的完美主义者失望，但正如雨果所写：“万物中的一切并非都是合乎人情的美，……畸形靠着优美，……光明与黑暗相共。”在这里，不确定性的黑暗却给我们带来不再冰冷的宇宙，生命的荣光照耀世界。
那么，生命就是一种偶然吗？虽然生命的概率低到人们为自己的诞生而感恩，但宇宙的物理定律确实是作为现代版的“第一推动力”使得尘埃演化出生命。我们居住的宇宙允许生命的诞生。宇宙百亿年的历史和极丰富的物质已超越了我们想象的边际，在近乎无穷的演变历程中，概率不过是人类有限理智的幌子，生命的出现只是时间上的问题。就像物理学家戴森（freeman dyson）在《宇宙波澜》中所写：“宇宙在某种意义上也许已经知道我们的到来。”
存在着并沉思着
我们不得不再次思考薛定谔曾提出的问题：生命是什么？我们已经知道生命的那些生物学特征：新陈代谢、对外界有反应、繁殖……但这并不代表我们已能完美地回答这个问题。高等的生物不过是单个行为简单的细胞的组合，而细胞也不过是分子的聚合体。类似的现象出现在亚马逊雨林的行军蚁身上。单只蚂蚁的行为十分简单，但它们的集合却能表现出觅食、躲避灾害的高级能力。二十世纪后半叶兴起的协同学曾广泛地研究过这类现象，甚至涵盖社会学和经济学。也许，生命乃至意识都是一种由复杂性涌现出的现象。在生物和人类社会这些复杂系统中存在普遍的规律，就像赫尔曼•哈肯的理想——“探寻一个统一的宇宙观”。
宇宙有意义吗？亚里士多德认为事物都有一种潜在的朝向“目的”的动态力量。一些科学家提出宇宙的意义在于最终演化出会思想的生命，“思维进而是宇宙的一种能力，它借此反思它本身，发现它自身的结构，理解如此固有的存在。”这是一种浪漫主义的宇宙观，具有文学式的感性魅力。在意识是一种复杂之涌现的观点下，宇宙的理性并不是可以弃之不顾的荒谬言论。我们也不得不向古希腊哲学家那不受禁锢的丰富想象力脱帽致敬。
但是，无论我们是否反思，宇宙依然存在，困扰的只是科学家和哲学家而已。此刻，我们存在；不远的将来，我们亦存在。在我们每个人的世界中，都有一种向未来存在的可能性。也许宇宙的终极定律描述的便是一种可能性，一种从“无”到“有”、横跨历史的可能性。它驱使宇宙必然而然地演化，我们因此而存在，生命因此而存在，世界因此而存在。在我看来，这有根据的存在本身便是意义的所在。
我们前面说的所有问题都还没有完善的答案，真正的物理学还属于未来，海格力斯之柱也还遥远。但未来的物理学并不缥缈，它必然会与信息这一重要元素结合，能解释生命等复杂系统的涌现现象、时间的方向以及意识的产生。
海德格尔（martin heidegger）曾写道：“所有的伟大事物都只能从伟大发端，甚至可以说其开端总是最伟大的。”生命是伟大的。当俄刻阿诺斯在原始的地球上烹调出了分子浓汤，我们的伟大便成了一种命运。既然我们存在，就应该思考，使这份伟大愈加崇高，让人类的历史能以荣誉装饰。我们终将带着理性的尊严，“诗意地栖居”于我们的世界。
注释
【1】俄刻阿诺斯：希腊神话中大洋河的河神。大洋河是希腊人想象中环绕整个大地的巨大河流，代表了世界上的全部水域。在大多数欧洲语言里，“海洋”一词来自俄刻阿诺斯的名字。
【2】埃及天神阿图姆（atum）：古埃及神话赫尔默普利斯神系传说，大神阿图姆的眼泪落地后形成了人类。
【3】“创世以后便有了蛇，吃土和用肚子行走的习惯仅仅来自神的惩罚”：基督教传说蛇欺骗夏娃吃下禁果。《创世纪》中写道：神……对蛇说：“你既做了这事，就必受咒诅，比一切的牲畜野兽更甚；你必用肚子行走，终身吃土。”
【4】陨石：现在坠落的陨石会在大气层中因摩擦而损失部分质量，较小的会直接烧毁，这是大气层保护地球生命的一个方面。
【5】“一出生就可能被还原为黑色碳原子”：准确来说动植物燃烧后的残骸以无机盐为主要成分，但碳元素所占的比例较大。
【6】“2015年，科学家在锆石晶体里面发现疑似41亿年前生命遗迹的石墨斑点”：这项工作主要由ucla的mark harrison完成，见参考文献1。
【7】“2017年在澳大利亚发现的陆地热泉沉积物”：见参考文献2。
【8】“作为基元的单体分子利用矿物表面（如黏土）的作用自我组织起来”：这种想法最早由英国生化学家凯恩斯-史密斯（a. graham cairns-smith）提出，后来得到了一些初步实验的证据。
【9】古斯塔夫•马勒（gustav mahler,1860－1911）：奥地利杰出的作曲家和指挥家。
【10】“作为生命单元的细胞”：不具备细胞结构的病毒虽然也是生命，但它们只有在活细胞中才能表现出生命的特征。
【11】“生命的自发组配就像旋风席卷过垃圾场却造出了一架功能齐全的波音747飞机”：见参考文献3，第68页。
【12】“上帝之恩泽所创造的存在巨链”：中世纪的经院哲学家托马斯•阿奎那（thomas aquinas）将宇宙描述为一个由事物构成的完备等级，就像一个巨大的存在之链。
【13】普利高津（ilya prigogine，1917—2003）：比利时物理化学家，因提出“耗散结构”理论荣获1977年诺贝尔化学奖。该理论甚至显著影响了部分社会科学领域。普利高津博学多识，思想前卫而深刻，堪称一代科学大师。
【14】“耗散结构很可能为通信引入了一种最简单的物理机制”：见参考文献4。
【15】“万物中的一切并非都是合乎人情的美，……光明与黑暗相共”：见参考文献5，第359页。
【16】第一推动力：牛顿曾认为行星的运动原因除了万有引力的作用，还有上帝的第一推动力。
【17】“薛定谔曾提出的问题：生命是什么”：见参考文献11。
【18】赫尔曼•哈肯（hermann haken，1927-）：德国物理学家，协同学的创始人。这句话引自参考文献12第3页。
【19】“思维进而是宇宙的一种能力……理解如此固有的存在”：这句话引自参考文献9，第395页，是其作者的观点。
【20】海格力斯之柱：海格力斯之柱树立之时，上面刻有警告铭文“non plus ultra”，意为“此处之外，再无一物”，表示海格力斯之柱就是已知世界的尽头。
【21】“所有的伟大事物……开端总是最伟大的”：见参考文献13，第17页。
【22】“诗意地栖居”：《人，诗意地栖居》是德国19世纪浪漫派诗人荷尔德林的一首诗。
参考资料
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[11] 薛定谔，《生命是什么》，湖南科技出版社（2011）
[12] 赫尔曼•哈肯，《协同学》，上海世纪出版集团
[13] 海德格尔，《形而上学导论》，商务印书馆
[14] n.h.巴顿等著，《进化》，科学出版社
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