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(gè)常見的辦法是列舉出生命的特征：繁殖、生長(zhǎng)、通過(guò)新陳代謝來(lái)利用能量、對(duì)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(shuō)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(duì)于不生育的獅虎獸也是一樣的道理。生長(zhǎng)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(guò)新陳代謝獲得能量，不過(guò)我的車也一樣。生命對(duì)周圍環(huán)境有所響應(yīng)，然而水銀溫度計(jì)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(lái)定義生命。他們認(rèn)為，生命的本質(zhì)是通過(guò)由新陳代謝的廢物和熱量產(chǎn)生的熵來(lái)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(duì)熵這個(gè)術(shù)語(yǔ)做一些澄清。一些不考究的教師會(huì)用一個(gè)簡(jiǎn)單但具有誤導(dǎo)性的詞語(yǔ)“混亂度”來(lái)稱呼它。熵并不是“混亂度”，而是對(duì)粒子間能量分布的精準(zhǔn)度量—無(wú)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(dòng)的一組粒子的能量，也被稱為相干能量，是會(huì)耗散的。因此，一個(gè)彈跳的球最終會(huì)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(dòng)而最終停下來(lái)。相對(duì)地，一個(gè)靜止的球永遠(yuǎn)不會(huì)像活物那樣自發(fā)地開始彈跳，因?yàn)榧词瓜旅娴牡匕逯写嬖谧銐虻臒崮埽@個(gè)能量也是不可用的，并分散在地板原子的隨機(jī)振動(dòng)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(huì)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(zhǎng)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(dòng)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(lái)的物理學(xué)家中，最著名的莫過(guò)于諾貝爾獎(jiǎng)得主歐文 ·薛定諤（1887—1961）。他在《生命是什么》中曾談道，一個(gè)生命體“傾向于接近熵最大的危險(xiǎn)狀態(tài)，也就是死亡。它只能從環(huán)境中不斷獲取負(fù)熵來(lái)遠(yuǎn)離這種狀態(tài)，即活著……事實(shí)上，就高等動(dòng)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(lái)描述食物的有序結(jié)構(gòu)。此外，在一些生物體的生長(zhǎng)過(guò)程中，熵的增加主要來(lái)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(píng)價(jià)：“［對(duì)于我們對(duì)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(shuō)法反而起了消極作用。”

盡管如此，宇宙中不斷增長(zhǎng)的熵的一個(gè)不尋常的副產(chǎn)品就是演化出有序、低熵結(jié)構(gòu)，比如說(shuō)生命體。事實(shí)上，最有效的熵增過(guò)程是由所謂耗散結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。它是一個(gè)由大量耗散能量的粒子形成的相干結(jié)構(gòu)。一個(gè)簡(jiǎn)單的例子是沸水中的對(duì)流現(xiàn)象，即熱水的抬升伴隨著邊緣冷卻水的下沉。這種對(duì)流單體有助于能量分散，從而比沒有它時(shí)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(lái)定義生命的嘗試都無(wú)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(guò)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(gè)定義。

拋開鮑林的批評(píng)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(jì)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(shí)，無(wú)論是何處的生命都可能必須擁有一套基因組。這里所說(shuō)的基因組是指會(huì)有微小復(fù)制錯(cuò)誤的遺傳藍(lán)圖，使得生物體能夠從其祖先演化而來(lái)并決定了生命的其他特征，例如新陳代謝。對(duì)個(gè)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?yàn)樗俏ㄒ荒芙忉屔锒鄻有院蜕鲜鲋T多生命特征之由來(lái)的過(guò)程。在達(dá)爾文的自然選擇理論中，種群中個(gè)體的遺傳變異意味著一些個(gè)體的適應(yīng)能力強(qiáng)于其他個(gè)體，從而在繁殖上更加成功。自然選擇會(huì)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(gè)定義并不能幫助我們?cè)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)尋找生命。難道我們一定要等到演化發(fā)生后才能檢測(cè)出生命嗎？一個(gè)更好的定義要用到過(guò)去時(shí)：“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(guò)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(cè)儀器都沒有設(shè)計(jì)成用來(lái)探測(cè)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(hào)”著陸器尋找火星生命，主要的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在火星土壤中識(shí)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(shí)，水被認(rèn)為是無(wú)色無(wú)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(gè)水分子都由兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子組成。這樣想來(lái)，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?cè)诙x生命的過(guò)程中所遇到的許多問(wèn)題都可以歸結(jié)為：我們只有地球生命這一個(gè)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(chǔ)存能量。無(wú)論是一個(gè)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(gè)謎題。