薛定諤和他那隻著名的“貓”

撰文 | 彼得·沃德（華盛頓大學生物學、地球與空間科學教授、古生物學家）

喬·克什維克（加州理工學院地球生物學教授）

2006年，科學圈子裡開始流傳一則令人十分好奇的訊息，說到一組關於生、死和似乎奇怪、讓人不安的兩者混合狀態的實驗。一開始，這些發現像謠言一樣在同行間萌生、流傳，接著，它在各種科學會議的連續會談中慢慢成熟，最終在此前默默無聞的一位生物學家的一系列優秀論文中完全盛放。不久特別是在2010年麥克阿瑟基金會授予他此項工作“天才獎”之後，馬克·羅斯（Mark Roth）就不再“名不見經傳”。羅斯是一位開拓者，率先進入到一片遙遠的國度，這一國度不僅可以告訴我們很多關於什麼是“生命”的資訊，也可以告訴我們什麼是“活著”，以及（不只是現在，還有很久以前——地球上的生命第一次“活過來”的時候）兩者是否缺一不可。

羅斯發現，亞致死劑量的硫化氫會使哺乳動物進入一個只能稱為“假死”的狀態。雖然這個名稱中附加了大量通俗文化的包袱（主要來自科幻領域），但實際上這個詞相當恰當地描述了發生在這些中毒動物身上的事情。這些受試動物的活躍性或運動能力，不僅在能夠觀察的範圍內停止了（它們不再運動，其呼吸頻率和心率大大減慢），而且在更基本的層面停止了。正常組織和細胞功能大大降低。然後發生了更加出乎意料的事情：哺乳動物失去了調節體溫的能力。它們不再是恆溫的了，而是回到了更原始的脊索動物狀態：變成外溫性的，或冷血的狀態。但它們既沒有死，也不是真正地活著，雖然就哺乳動物最基本的一項特徵判斷，它們好像死了，但那是暫時的。它們的生命活動在一段有限的時間裡暫時停止，但當停止施用這種氣體的時候，所有功能都恢復了正常。除了明顯的醫療應用外，這一新的認識在很大程度上闡釋了生命是什麼，以及生命不是什麼。

扁形蟲

這是他的一個關鍵實驗：他用扁形蟲（一種簡單的動物，但仍然是動物）做實驗。然而，與微生物相比，任何動物都不“簡單”。他降低扁形蟲呼吸的氧含量。像所有的動物一樣，扁形動物不僅需要氧氣，而且需要很多氧氣。隨著盛有扁形蟲的密閉容器中的氧含量降低，扁形蟲們逐漸放慢了動作，進而停止運動。即使刺它們、戳它們，都不會引起任何反應。但是，羅斯並沒有就此結束實驗。事實上，他不停地降低扁形蟲水箱中的氧含量，結果它們又恢復了生命狀態。扁形蟲經歷了不死不活的“休眠”狀態。生和死，是兩種更為複雜的狀態，似乎遠遠超過我們大多數人目前的認知。

01 最簡單的有機體的生與死

哺乳動物是最複雜的動物。在這些實驗中，有趣的實驗物件顯然是活著的：它們的心臟依然跳動，血液繼續流入靜脈和動脈，神經活躍，生命必要的離子轉運繼續發揮作用，只不過是以較慢的速率。然而，在更簡單、更小的生命體中，如細菌和病毒，仍然存在生命運作的問題，特別是當它們被放置在沒有氣體或非常寒冷的環境中時。這些，都不是理論問題而已，因為每一天，微生物都被猛烈的風暴拋向地球大氣層的最高層，並發現自己到達如此之高的位置，以至於失去了地球的臭氧保護層的庇護（臭氧層是抵禦來自太空的紫外線的主要防衛物）。這是研究“生與死”的第二個前沿領域：對地球“最高的生命”的研究。

在高層大氣中待了數天或數週之後，這些地球上最新發現的生態系統中的成員又重返地球（正在研究對流層生物群的科學家，把這些生物命名為“高層生命”，這個名稱不太精準）。但在太空時，它們是活的嗎？

雖然從太空時代早期開始，我們就知道在飛機能到達的最高海拔，可以發現細菌和真菌孢子，但這並無助於我們回答“在地球這一最大棲息地中，可以找到多少不同的物種”這一問題。這塊最大的棲息地，在空間容量上令第二大棲息地（從上到下的整個海洋）相形見絀。但一項從2010 年開始的工作證明，在任何給定的時間裡，這塊棲息地都可能有成千上萬種細菌、真菌和數不清的病毒類群。華盛頓大學的研究團隊也發現，在俄勒岡州的一座高山上所探測的空氣中， 中國的沙塵暴經常把真菌、細菌和病毒拋到北美西海岸。

然而，可以在如此之高的大氣中發現微生物（等於大氣可以作為運送洲際病毒武器的傳輸系統）除了具有內在的生物學意義，還有一個新的基本的理解，構成本書故事的一部分，那就是：地球上最初的生命遠離起源地、分散傳播出去的方式，可能是透過大氣傳輸。既然在不到一天的時間內，生命就能透過空氣從一個大陸移動到另一個大陸，為什麼還要透過反覆無常的湧流慢慢地漂浮在海洋裡呢？稍後，我們將再議地球生命史上高層生命的意義；但這裡的問題是—在洲際大氣旅行中，它們是活著的還是休眠了？在最基本的生命型別中，我們發現，生死之別，即使不是偽命題，也是相當不完備的。

人們透過三種途徑收集高空生物：用退役的美軍高空偵察機；用高空氣球；以及當大風暴在亞洲升空、越過太平洋，充分地“吃入”大氣，使用高山上的空氣“嗅探器”可以捕捉到的一丁點兒下降的對流層空氣。這一點兒空氣中充滿微生物。我們從現在已知的常出現細胞和病毒的浩瀚大氣層的高空中收集細菌，收集到的細菌是瀕死的。但將它們帶回地球，置於它們可能曾經生活、演化的高度一些時間之後，它們又恢復了生機。

我們大多數人會同意，對於哺乳動物，甚至對於所有的動物來說，死的就是死的。但在更簡單的生命中，情況並非如此。事實證明，在我們對什麼是生、什麼是死的傳統理解之間，還有一片廣大的處女地值得探索。這一新發現的領域對地球生命史的“開篇”有著重要的啟示，它告訴我們，“死”的化學物質，當受到適合的結合和刺激，也可以變成活的。生命，至少是簡單的生命，不總是活著的。但現在，科學試圖探尋是否存在一個介於兩者之間的狀態。地球上最初的生命可能就誕生在我們所稱的“死地”，或者說某一處接近於“活”的地方。

02 生命的定義

“生命是什麼”這個問題，是幾本書的書名，其中最著名的是20世紀早期物理學家歐文·薛定諤所著。這本小薄書之所以構成一座里程碑——不僅是因為它書寫的內容，還因為作者所研究的科學學科。薛定諤是一位物理學家，在他生活的時代及以前，物理學家一直蔑視生物學研究，因為他們認為這些不值得研究。薛定諤開始以物理學家的方式思考有機體，用物理術語表達即“生命體裡最關鍵部分中的原子排列以及這些排列間的相互作用，從根本上不同於物理學家和化學家迄今為止試驗性和理論性研究的物件。”雖然《生命是什麼》這本書的大部分都在討論遺傳和變異的性質（這本書寫於DNA發現前的20年，當時遺傳的性質還是一個難解之謎），但在書的最後，薛定諤慎重考慮了“生命”的物理學原理，他寫道“生命物質避免了朝向靜寂的衰敗”和生命以“負熵為生”。

薛定諤

生命透過新陳代謝來實現這一點，表現為進食、飲水、呼吸或物質的交換，新陳代謝一詞的詞根來自於其原始的希臘語定義。新陳代謝就是生命的金鑰（關鍵）嗎？也許是。——至少對一位生物學家來說，答案是肯定的。作為物理學家的薛定諤，領會到了一些更為深刻的東西：“認為最基本的事兒是物質交換，這是一個荒謬的觀點。氮、氧、硫等任意原子，都不亞於其同類的其他原子；在交換它們的過程中能得到什麼呢？”那麼，這種包含在我們的食物中、讓我們遠離死亡、被我們稱為生命的珍貴“東西”究竟是什麼？對於薛定諤來說， 這很容易回答。“每一個過程、事件，每一個自然發生的事情，都意味著在它發生之處的那部分世界的熵在增加。因此，一個活的有機體在不斷地增加它的熵。”這就是薛定諤的“生命的秘密”：生命是引起熵增加的物質。由此，一種比較生與死的新方法形成了。

於是，對於薛定諤來說，生命的維持要依賴從環境中攝取“秩序”，他稱之為“負熵”（他自己也承認這是一種笨拙的表達）。因此，生命是大量分子透過不斷從所處環境中吸取“秩序”，從而在高度有序的水平上維持自身的裝置。薛定諤提出：生物體不僅從無序中創造了有序，而且從有序中創造了有序。

那麼，生命就是一臺改變有序和無序的性質的機器嗎？從物理學的角度來看，生命可以被理解為一系列的化學機器，全部緊密地安放在一起，並以某些方式整合起來，透過消耗能量保持有序。幾十年來，這是對於生命最具影響力的定義。但半個世紀之後，其他人開始質疑並修正這些觀點。有些人，是像薛定諤這樣的物理學家，如保羅·戴維斯（Paul Davies）和弗里曼·戴森（Freeman Dyson）。但其他人都是訓練有素的生物學家。

保羅·戴維斯

保羅·戴維斯，在其著作《第五個奇蹟》（The Fifth Miracle）中，用一個不同於“生命是什麼”的提問，靠近了“生命是什麼”的問題。這個提問就是——生命做什麼？根據他的主張，定義生命的是活動。這些主要活動如下：

生命做什麼？

生命進行新陳代謝：

所有生命體都加工化學物質，以此把能量注入體內。但這種能量有什麼用呢？我們所說的新陳代謝，是指有機體對能量的處理和釋放，它們也是生命獲取負熵、維持內部秩序所必需的方式。思考這個問題的另一種方式是根據化學反應。如果生命體從主動發生化學反應（不是在生命體內部）的狀態轉變為停止反應，生命體就不再是活的。生命不僅可以維持這種非自然的狀態，而且也可以找到能發現和收穫必要能量的環境來維持這種狀態。地球上的一些環境比其他地方更適合生命的化學反應（如一個溫暖的、陽光明媚的珊瑚礁之上的海面，或黃石國家公園的一眼熱泉），在這樣的地方，我們發現了大量的生命。

生命具有複雜性和組織性：

事實上，不存在由少量（即使是幾百萬）原子組成的簡單生命。所有生命都是由大量的原子以錯綜複雜的方式排列組成的。這種複雜性的組織是生命的一個特徵。複雜性不是一臺機器，而是一種屬性。

生命進行繁殖：

戴維斯講出了關鍵性問題，即生命不僅必須複製它本身，還要複製允許進一步複製的機制。正如戴維斯所說，生命還必須包括一套複製裝備。

生命進行發育：

複製完成之後，生命會繼續改變，這可被稱為發育。這個過程完全不像機器。機器不會生長、改變形狀，甚至改變功能。

生命進行演化：

這是生命中最基本的特性之一，也是它存在的不可分割的部分。戴維斯將這一特性描述為“永久性與變化性”的悖論。基因必須能夠複製，如果它們不能非常有規律性地做到這一點，生命體就會滅絕。然而，另一方面，如果複製是完美的，就不會有變異，也不可能發生透過自然選擇的演化。演化是適應的關鍵，沒有適應就沒有生命。

生命是自主的：

這一點可能最難定義，然而卻是“活著”的核心。一個生命體是自主、自決的；沒有其他生物體的不斷輸入，它也可以生存。但這裡仍然有一個未解之謎：“自治”是如何在一個生命體的許多部分和運作中產生的？

這最後一點，對生命至關重要的分子的短暫壽命，作為理解生命最早在哪裡形成的一條重要線索被嚴重低估。美國國家航空航天局（NASA）對生命的定義更簡單，但最受卡爾·薩根（Carl Sagan）的青睞，即生命是一套具有達爾文演化能力的化學系統。這裡有三個關鍵概念。首先，我們正在處理的是化學物質，而不只是能源或電子計算系統；第二，這不僅是化學物質，還涉及化學系統。因此，存在化學物質之間的相互作用，而不僅僅是物質本身。最後，化學系統必須經歷達爾文式的演化，這意味著如果環境中存在的個體超過可用能量能夠維持的個體數量，其中一些生命將難以維繫。那些倖存下來的，是因為他們攜帶了有利的遺傳性狀，可以傳遞給它們的後代，因此給了後代更強大的生存能力。卡爾·薩根和美國國家航空航天局的定義的優點是——不再混淆“生命”和“活著”。

“死”的化學物質以這樣的方式結合形成“活”的生命，其“驅動力”是什麼？產生生命的主要驅動力是一種新陳代謝系統，是後來增加了複製能力，還是相反—先有複製能力，後添加了新陳代謝系統？如果是前者，就是原始代謝系統（必定封閉在細胞樣的空間中）後來獲得了複製和整合一些攜帶資訊的分子的能力；如果是後者，則是複製的分子（如核糖核酸或一些變體）獲得了使用能量系統幫助其複製的能力，並在後來被封閉在細胞中。所以，在化學分子層面，我們可以看到代謝與複製問題存在非常鮮明的對比：是先有蛋白質，還是先有核酸？兩者在什麼情況下，能在化學反應之間為生命賦能？然而，如果一個活細胞的基本特徵是動態平衡（在不斷變化的環境中保持穩定且基本不變的化學平衡的能力），就必須先有新陳代謝。攝食之後再繁殖似乎是目前公認的觀點，但在處理生命起源的問題時一樣，仍然存在令人不安的問題。

注：本文節選自《新生命史：生命起源和演化的革命性解讀》，由商務印書館出版。

製版編輯 | Morgan