何為生命？

天體生物學(xué)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(huán)境的應(yīng)激、演化性適應(yīng)，以及細(xì)胞層次上與解剖學(xué)上的有序結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)秩序，例如細(xì)胞，但是鹽晶體也是有序結(jié)構(gòu)。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(fā)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(huán)境有所響應(yīng)，然而水銀溫度計也可以。

還有一些科學(xué)家試圖用熱力學(xué)，即熱和能量及它們與物質(zhì)的關(guān)系來定義生命。他們認(rèn)為，生命的本質(zhì)是通過由新陳代謝的廢物和熱量產(chǎn)生的熵來維持一種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，比如細(xì)胞和遺傳物質(zhì)。

在這里需要對熵這個術(shù)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(dǎo)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(zhǔn)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(yùn)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(dǎo)致其相干能量轉(zhuǎn)化為分子與原子的不相干熱運(yùn)動而最終停下來。相對地，一個靜止的球永遠(yuǎn)不會像活物那樣自發(fā)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(jī)振動中。這種現(xiàn)象受控于熱力學(xué)第二定律，即宇宙中的熵永遠(yuǎn)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(zhì)。高品質(zhì)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(xué)中，這種高品質(zhì)的能量有著較低的熵。

將熵與生命聯(lián)系起來的物理學(xué)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(tài)，也就是死亡。它只能從環(huán)境中不斷獲取負(fù)熵來遠(yuǎn)離這種狀態(tài)，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(jìn)食那些復(fù)雜程度不一但物質(zhì)極度有序的有機(jī)物。在被利用完之后這些物質(zhì)將回到充分分解的形式”。遺憾的是，薛定諤引入了科學(xué)中并不存在的概念“負(fù)熵”來描述食物的有序結(jié)構(gòu)。此外，在一些生物體的生長過程中，熵的增加主要來自產(chǎn)熱而非食物降解成代謝廢物。被認(rèn)為是20世紀(jì)最偉大化學(xué)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(xiàn)……他將‘負(fù)熵’的概念與生命相關(guān)聯(lián)的說法反而起了消極作用?！?/p>

盡管如此，宇宙中不斷增長的熵的一個不尋常的副產(chǎn)品就是演化出有序、低熵結(jié)構(gòu)，比如說生命體。事實上，最有效的熵增過程是由所謂耗散結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的。它是一個由大量耗散能量的粒子形成的相干結(jié)構(gòu)。一個簡單的例子是沸水中的對流現(xiàn)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(fù)雜的耗散結(jié)構(gòu)。然而，到目前為止，使用熱力學(xué)來定義生命的嘗試都無法明確地區(qū)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(chǎn)生環(huán)境熵以維持局部有序的、遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的耗散結(jié)構(gòu)”。但是，一團(tuán)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(jī)體必須運(yùn)行一種類似于計算機(jī)程序的機(jī)制，這就是我們現(xiàn)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(fù)制錯誤的遺傳藍(lán)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(dǎo)致的連續(xù)世代種群所發(fā)生的變化，即演化，也發(fā)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(dá)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(yīng)能力強(qiáng)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(yīng)性。

考慮到演化的中心地位，天體生物學(xué)家通常把生命定義為“可以自我維持的、能夠進(jìn)行達(dá)爾文演化的化學(xué)系統(tǒng)”。很可惜，這個定義并不能幫助我們設(shè)計實驗來尋找生命。難道我們一定要等到演化發(fā)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(xué)系統(tǒng)，并且已經(jīng)通過演化獲得了其現(xiàn)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(shè)計成用來探測潛在地外生命的基因組成。例如，20世紀(jì)70年代，NASA曾發(fā)射“海盜號”著陸器尋找火星生命，主要的設(shè)計目標(biāo)是在火星土壤中識別類似于地球微生物的新陳代謝現(xiàn)象（詳見第六章）。

哲學(xué)家卡羅爾 ·克萊蘭和科學(xué)家克里斯托弗 ·希巴曾經(jīng)指出，我們現(xiàn)在定義生命的嘗試很像17世紀(jì)一些科學(xué)家試圖定義水。那時，水被認(rèn)為是無色無味的液體，在一定溫度下沸騰和結(jié)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(tǒng)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(jié)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(zhì)，用蛋白質(zhì)調(diào)控生化反應(yīng)速率，依靠相同的含磷分子儲存能量。無論是一個細(xì)菌還是一頭藍(lán)鯨，它們的基礎(chǔ)生物化學(xué)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(fā)現(xiàn)了生命，那天體生物學(xué)可以幫助我們解開這個謎題。