何為生命？

天體生物學提出了如何定義生命的難題。換言之，我們要在地球之外尋找的究竟是什么？一個常見的辦法是列舉出生命的特征：繁殖、生長、通過新陳代謝來利用能量、對環境的應激、演化性適應，以及細胞層次上與解剖學上的有序結構。但是出于以下原因，這種定義生命的方式并不能令人滿意。首先，枚舉只是描述了生命是怎樣的，而不能說明生命是什么。其次，這些特征大部分并不是生命所特有的。生命有結構秩序，例如細胞，但是鹽晶體也是有序結構。我的一些朋友沒有孩子，但是他們毋庸置疑是活的—我想這對于不生育的獅虎獸也是一樣的道理。生長發育適用于生物體，但同樣適用于蔓延的火。a所有的生命都通過新陳代謝獲得能量，不過我的車也一樣。生命對周圍環境有所響應，然而水銀溫度計也可以。

還有一些科學家試圖用熱力學，即熱和能量及它們與物質的關系來定義生命。他們認為，生命的本質是通過由新陳代謝的廢物和熱量產生的熵來維持一種穩定結構，比如細胞和遺傳物質。

在這里需要對熵這個術語做一些澄清。一些不考究的教師會用一個簡單但具有誤導性的詞語“混亂度”來稱呼它。熵并不是“混亂度”，而是對粒子間能量分布的精準度量—無論是原子還是分子。能量在空間上是分散的，因此一同運動的一組粒子的能量，也被稱為相干能量，是會耗散的。因此，一個彈跳的球最終會因摩擦導致其相干能量轉化為分子與原子的不相干熱運動而最終停下來。相對地，一個靜止的球永遠不會像活物那樣自發地開始彈跳，因為即使下面的地板中存在足夠的熱能，這個能量也是不可用的，并分散在地板原子的隨機振動中。這種現象受控于熱力學第二定律，即宇宙中的熵永遠不會減少。熵增（或能量的分散）不改變能量的總量，卻影響能量的品質。高品質的能量集中而不分散，就像聚集在一桶油中的原子核，或者像頻率高、波長短的光子一樣。這種光子包括可以曬傷人的紫外光和為植物生命活動供能的可見光。在物理學中，這種高品質的能量有著較低的熵。

將熵與生命聯系起來的物理學家中，最著名的莫過于諾貝爾獎得主歐文 ·薛定諤（1887—1961）。他在《生命是什么》中曾談道，一個生命體“傾向于接近熵最大的危險狀態，也就是死亡。它只能從環境中不斷獲取負熵來遠離這種狀態，即活著……事實上，就高等動物而言，我們非常了解它們何以保持生存的秩序，即進食那些復雜程度不一但物質極度有序的有機物。在被利用完之后這些物質將回到充分分解的形式”。遺憾的是，薛定諤引入了科學中并不存在的概念“負熵”來描述食物的有序結構。此外，在一些生物體的生長過程中，熵的增加主要來自產熱而非食物降解成代謝廢物。被認為是20世紀最偉大化學家的萊納斯 ·鮑林（1901—1994）曾直言不諱地評價：“［對于我們對生命的理解，薛定諤］沒有做出絲毫貢獻……他將‘負熵’的概念與生命相關聯的說法反而起了消極作用。”

盡管如此，宇宙中不斷增長的熵的一個不尋常的副產品就是演化出有序、低熵結構，比如說生命體。事實上，最有效的熵增過程是由所謂耗散結構實現的。它是一個由大量耗散能量的粒子形成的相干結構。一個簡單的例子是沸水中的對流現象，即熱水的抬升伴隨著邊緣冷卻水的下沉。這種對流單體有助于能量分散，從而比沒有它時更有效地增加熵。所有活的生命體都是復雜的耗散結構。然而，到目前為止，使用熱力學來定義生命的嘗試都無法明確地區分生命與非生命。比如，作家埃里克 ·施耐德曾把生命定義為“通過產生環境熵以維持局部有序的、遠離平衡狀態的耗散結構”。但是，一團火也能滿足這個定義。

拋開鮑林的批評不談，薛定諤正確地指出，有機體必須運行一種類似于計算機程序的機制，這就是我們現在所稱的基因組。確實，無論是何處的生命都可能必須擁有一套基因組。這里所說的基因組是指會有微小復制錯誤的遺傳藍圖，使得生物體能夠從其祖先演化而來并決定了生命的其他特征，例如新陳代謝。對個體特征選擇導致的連續世代種群所發生的變化，即演化，也發揮了非常重要的作用，因為它是唯一能解釋生物多樣性和上述諸多生命特征之由來的過程。在達爾文的自然選擇理論中，種群中個體的遺傳變異意味著一些個體的適應能力強于其他個體，從而在繁殖上更加成功。自然選擇會偏好能留下更多后代的基因，因此生物譜系不斷積累遺傳適應性。

考慮到演化的中心地位，天體生物學家通常把生命定義為“可以自我維持的、能夠進行達爾文演化的化學系統”。很可惜，這個定義并不能幫助我們設計實驗來尋找生命。難道我們一定要等到演化發生后才能檢測出生命嗎？一個更好的定義要用到過去時：“生命是可以自我維持的、包含基因組的化學系統，并且已經通過演化獲得了其現有特性。”迄今為止，所有搭載在航天器上的生命探測儀器都沒有設計成用來探測潛在地外生命的基因組成。例如，20世紀70年代，NASA曾發射“海盜號”著陸器尋找火星生命，主要的設計目標是在火星土壤中識別類似于地球微生物的新陳代謝現象（詳見第六章）。

哲學家卡羅爾 ·克萊蘭和科學家克里斯托弗 ·希巴曾經指出，我們現在定義生命的嘗試很像17世紀一些科學家試圖定義水。那時，水被認為是無色無味的液體，在一定溫度下沸騰和結冰。沒有原子理論，沒人知道水是一些分子的集合，每個水分子都由兩個氫原子和一個氧原子組成。這樣想來，也許我們目前還缺乏定義生命所需要的生命系統理論。

我們在定義生命的過程中所遇到的許多問題都可以歸結為：我們只有地球生命這一個例子。所有地球上的生物體都以核酸作為遺傳物質，用蛋白質調控生化反應速率，依靠相同的含磷分子儲存能量。無論是一個細菌還是一頭藍鯨，它們的基礎生物化學組成都是一樣的。因此，我們很難分清地球生命的哪些屬性是其特有的，哪些又是“生命”所普遍適用的。如果我們真的在地球之外發現了生命，那天體生物學可以幫助我們解開這個謎題。