书名：生命是什么

    作者：王立铭

    ISBN：978-7-115-49563-1

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    3

    第 5 章 分工：伟大的分道扬镳

    第一个细胞是怎么来的？

    看见分离之墙

    生命的外壳

    第 4 章 细胞膜：分离之墙

    RNA世界

    不是鸡不是蛋，既是鸡又是蛋

    思想实验中的生命演化史

    第 3 章 自我复制：基业长青的秘密

    生命来自热泉口

    化学渗透：生命的微型水电站

    以负熵为生

    从砖头瓦块到生命大厦

    第 2 章 能量：生命大厦建筑师

    生命是什么

    烧瓶里的原始地球

    活力论的兴衰

    三种灵魂

    第 1 章 生命是什么：从灵魂论到物理学

    序曲 地球人和外星人

    用生物学思维理解生命

    我们的未来：生命的主人

    我们的过去：生命的无奈

    前言

    推荐语

    推荐序三

    推荐序二

    推荐序一

    4

    人类心智：白板还是蓝图

    本能不自由

    自由意志：确实有，还是最好有？

    第 10 章 自由意志：最重要的幻觉

    “我”到底是什么？

    镜像神经元和人工智能的自我意识

    我思故我在

    镜子里的自己

    第 9 章 自我意识：我是谁

    语言：伟大社会的基础

    求偶社交：对面的女孩看过来

    性别的出现和复杂社交

    团结就是力量

    小细菌的大社会

    第 8 章 社交：从乌合之众到伟大社会

    假如记忆可以移植

    聪明老鼠

    20纳米

    单身派对定律

    刺激-反射：一个极简主义者的大脑

    第 7 章 学习和记忆：应对多变世界

    从信号到信息，从视觉到全部世界

    从“要有光”到“我看见了”

    上帝说：“要有光!”

    第 6 章 感觉：世界的模样

    从细胞分工到君临地球

    分工：希望和代价

    吃还是被吃？在下定决心的一刻，选择早已做出？

    哪怕自由意志不存在，我们还是我们

    尾声 关于生命，我们知道的和我们不知道的

    后记

    参考文献

    图片来源

    5本书献给我亲爱的妻子沈玥。

    6

    7

    成，然而搭砖头的方式仍然超出人的理解范围。

    学，但生命不等于物理化学。生命大厦完全由原子、分子砖头组建而

    推导而出，也是某种非常难以理解的小概率事件。生命涌现于物理化

    这意味着什么呢？很有可能，即使生命的密码完全能从物理定律中计算

    宙中绽放开花无数次了，但我们仍然没听到任何来自宇宙的声音。

    其他生命证据。哪怕从理论上讲，在同样的物理条件下，生命应该在宇

    命的发展历程。从另一方面讲，我们人类在茫茫宇宙中，至今还没找到

    算出生命密码。然而三百多年过去，我们仍然不能从物理定律里算出生

    一切都是物理，我们能算出太阳星辰和齿轮杠杆，早晚有一天我们也能

    从一方面讲，从 17 世纪开始盛行的机械决定论声称：没什么神奇的，而即便如此，几千年过去，人类仍然没能完全解释生命问题。

    女娲，创造了宇宙中不灭轮回的灵魂，也创造出了现代基因科学。

    思议的神奇现象，而为了解释这种不可思议，人类创造了上帝，创造了

    这个问题驱动着神话、宗教、哲学和科学的发展。生命显然是某种不可

    询问：丰富多变智慧的生命，是如何从冷冰冰的自然界中产生的？

    最古老的问题。从远古人类刚刚诞生文明智慧的时候，就有思想者不断

    这些问题，是人类世界的本质问题。它们一点都不新，甚至是人类几个

    导出结局吗？

    产生的？生命是完全遵照物理定律生成的吗？生命也可以从条件直接推

    从条件推导结局。那么问题就来了：在这样的物理大厦中，生命是如何

    而按照物理大厦四大力学，全宇宙都是遵照力和场的规律建构出来的，中，生命到底是如何产生的？物理大厦之美，让所有学生心醉神迷，然

    本科学的是物理，因而一直被生命问题所困扰：在完备的物理规律世界

    我对生命问题一直有着强烈的好奇和兴趣。

    2016 年雨果奖得主、《北京折叠》作者 郝景芳

    推荐序一

    8

    今，不能不说是一件神奇的事。人类对生命研究越多，就越会发现我们

    们作为一种结构复杂的多细胞智慧生命，竟然从无中生有，并幸存至

    存于幸运，在一系列不同寻常的小概率事件和大浪淘沙般的消亡中，我

    所有的这些书写，都是为了引起我们对生命的反思。我们生于幸运，幸

    入浅出，引人思考。

    彻，在不多的篇幅中，把自古哲人对于生命和人类意识的争论，写得深

    和故事信手拈来。而更难得的是，他对人类的哲学历程也理解得十分透

    智者之光。他对分子生物学和遗传进化的学识积累非常深厚，科学实验

    我很喜欢立铭的文笔，科学理性，但又充满个性化的思考，带着温暖的

    满悬念，人类的生命科学史就在讲述中壮丽展开。

    题，在追寻答案的过程中，一重答案又引出另一重问题，逻辑清楚又充

    让人欲罢不能。从微观世界到大脑中的宇宙，书里抛出一个又一个大问

    所有这些问题，都扣人心弦。一层层展开，如探秘小说不断逼近结局，被动的机器，而不是智慧生命？

    们已经能在工厂里造出更复杂的原子、分子机器，但是它们为什么只是

    凑到一起之后，怎么就神奇地产生了我们人类的感觉、意识和智慧？我

    以解决最困难的科学问题：所有这些由原子分子组成的蛋白质和核酸，最后，即使是细胞和生命机体真的克服了这一系列深渊困境，也仍然难

    那么生命的部件又是怎样合成的？

    到一起的？把一大把零件扔在地上，它们是不会凑到一起变成汽车的，制的核酸和完整的细胞膜都可以产生，但这些东西是怎样神奇般地组装

    之后他又讲了生命中匪夷所思的地方：即便吸收能量的蛋白质、自我复

    一切的关键，那么第一个自我复制的分子又是怎么生成的？

    的生成。秩序是如何从无秩序中自发出现的？如果说自我复制的分子是

    衡态，热力系统总是趋向于无秩序，而生物恰恰起始于非均衡态和秩序

    然后他讲出生命生成中最难的一环：秩序生成。化学反应总是趋向于均

    白质分子和 DNA，仍然是充满神秘的事。

    但是最初的氨基酸如何组装成由几百万个原子组成、功能复杂的巨型蛋

    首先是生命的材料。在宇宙的电闪雷鸣中，制造小小的氨基酸并不难，序，清清楚楚地写出了几个层面的谜题。

    立铭这本书，写出了生命多个层面的神奇之处。他按照生命的发生顺生命的神秘。在珍惜得来不易的命运之外，我们更应敬畏宇宙自然的神

    奇宽广和无限可能。

    愿你享受这段阅读之旅!

    9推荐序二

    北京大学讲席教授 饶毅

    10

    夫的狗”的学习记忆和经验；从个别物种获得的自我意识，到对自由意

    光，从刺激 - 反射引起的被动、无记忆、简单的膝跳反射，到“巴甫洛

    境交流互动的本钱。生命从被动演化一步步走向主动选择：从黑暗到感

    在环境的压迫和驱使下，生命逐渐演化出了感觉系统，拥有了和地球环

    的基础，本质上也是社会分工精细化、利己利他利群体的产物。

    不体现了生命以留下后代为目的的分工互利。而语言作为信息交流共享

    工，个体内有了组织间分工，生命有了性别分化和群体分工……这些无

    膜为生命与外界建立起“分离之墙”后，逐渐地，细胞内有了细胞器分

    输物质的功能，RNA 性质的“核酶”兼具 DNA 和蛋白质的作用。在细胞

    初期，某些分子身兼数职，例如最初的 ATP 合成酶兼具制造能量和运

    为了应对环境“永恒的变化”，分工与合作体现在方方面面。在生命起源

    化规律。

    史是与环境永不停息的奋斗史，始终体现着“物竞天择，适者生存”的演

    自由意志五大元素，以唯物论和还原论的哲学思维，生动地展现了生命

    间的分工五大元素，将生命的智慧分为感觉、学习、社交、自我意识和

    在书中，作者将生命的驱动力分为物质、能量、自我复制、细胞、细胞

    者探讨生命的起源和驱动力。

    命的尝试引入，再回归到地球生命本身，通过科学史的叙事方式带领读

    为了让一般的读者了解复杂的生物科学，作者从科学家在外太空探索生

    主动，操起“上帝的手术刀”，改变演化方向，取代自然选择。

    成“看客”和“产品”，随着现代科学技术的发展，我们将逐渐从被动变为

    本书从演化的视角透视生命的本质，将人类在演化历史中的角色比喻

    书。

    这是一本让普通读者理解我们到底是谁、从何而来、将向何处去的好志是否存在的探讨……

    作者以物质为基础，以实验为依据，将这些与认知相关的重要事件和科

    学发现通过关键的例子展示给大家，让读者通过追寻智慧的思绪和案

    例，展开一场思想旅行，从中收获生物学思维方式，用生物演化的视角

    重新理解生命。另外，书中的案例都来自原始的研究论文，严格遵循科

    学研究的规范，并附有相关的参考文献，方便读者有据可查。

    为了帮助读者理解，书中使用了大量生动的比喻。例如将生命比喻

    为“大厦”，将能量比喻为“生命大厦建筑师”，将能量差比喻为“水坝”；

    在起源的先后问题上，多次用“鸡”和“蛋”做比喻；把需要能量而秩序化

    的生命比喻为“以负熵为生”；在分析自我复制时，将“中心法则”中的

    RNA 比喻为“二郎神的第三只眼睛”；将记忆的赫布定律形象地比喻

    为“单身派对定律”。这大大提高了本书的趣味性和可读性。

    本书与薛定谔的经典著作《生命是什么》同名，希望读者能在现代科学

    技术发展的背景下，真正地理解生命究竟是什么。

    11推荐序三

    德国癌症研究中心终身研究员 刘海坤

    12

    化作为轴线，在其妙笔之下，一出跌宕起伏、惊险刺激的几十亿年的大

    过幸好我们有贯穿生命科学的第一原则：进化论。立铭选择了生命的演

    象。想要从中提炼出生命的基本特质并书写出来，是极具挑战性的。不

    生命科学的尺度跨越了纳米到宏大的地球生态系统，宏大繁复，包罗万

    个问题自然而然地引出了本书的创作主旨——生命是什么？

    是困扰美国国家航空航天局寻找外星生命的科学家的一个主要问题。这

    式。而寻找外星生命的一个前提是我们要有能力分辨什么是生命，这也

    的“德雷克公式”，杰出的人类一直尝试用理性去想象外星生命存在的模

    的“费米悖论”，令人遐想的“戴森球”，以及可以推算外星生命概率

    星生命是否存在？然后讲了几个精彩的科学故事，例如，非常有说服力

    离地球，瞄向太空。他首先提出了一个令全人类都感到好奇的问题：外

    生命是什么？立铭在开篇并没有尝试直接回答这个问题，而是把视角转

    以我称之为一部“野心”之作。

    的方式进行解析的。本书的主题明显比立铭前两部书更宏大而深刻，所

    铭便是从多个维度中提取出最重要而又互相承接的维度，并以层层递进

    放式的问题，那就可以在很多有趣的维度上进行解释并充分演绎了。立

    象的最难回答的问题之一，学术界也没有统一的答案。但如果这是个开

    生命是什么？如果是对“生命”这个概念的解释，那么这可能是我们能想

    么》。

    难耐。万幸近日从立铭处得到样书，遂一气读完，就是这本《生命是什

    在用心打造一本新著，再后来读到他精彩的新书书稿的后记，更加心急

    谢病的科学传奇》和《上帝的手术刀：基因编辑简史》)，后来知道他

    我之前读过立铭的两本精彩大作(《吃货的生物学修养：脂肪、糖和代

    的优秀青年科学家。

    王立铭是科普界的明星，也是国内少有的可以在科普与科研间自由切换冒险戏剧就此拉开序幕。他先从科学产生之前古代哲学家对生命本质的

    探讨谈起，之后科学家登上舞台，一个个精彩的科学故事展现了人类不

    断从多维度接近、理解并尝试解析生命本质的曲折过程。再后他把镜头

    迅速推进到著名的米勒-尤里实验，该实验令人惊奇地证明了生命起源

    的基本分子(如氨基酸)可以在实验室模拟的古代地球环境里快速产

    生。这基本解决了生命原材料的来源问题，随之引申出当代科学三大重

    要问题之一：生命的起源问题。

    在漫长的宇宙历史中，最神奇的事件之一莫过于生命的诞生。在前进化

    论时代，大多数人类甚至认为地球上生命的多姿多彩是神迹存在的最好

    证明。正如物理学家对理解宇宙起源的“大爆炸”充满了无穷的向往和想

    象，生物学家对理解生命诞生这一从无到有的重要时刻也抱有同样的情

    感。虽然我们无法排除生命起源于外星的可能性，但理解并尝试重构生

    命诞生的原始过程是很多科学家一生的追寻。

    对于这部分内容，立铭首先提出了产生生命的物理先决条件——能量。

    薛定谔(立铭的偶像之一，物理学黄金时代的代表，量子力学奠基人之

    一)在 1944 年出版的影响深远的科普名著《生命是什么》里提到，由

    热力学第二定律推论，在一个封闭系统中，熵只会增加，即变得无序。

    而生命是高度有序的系统，所以生命应以负熵为生，需要能量的摄入来

    维持稳定而有序的存在 。这一推论显示出生命的基本法则不违背物理

    基本法则。实际上，我们目前已知的所有生命的基本法则都不违背物理

    或化学基本法则，不过，迄今为止还没有物理学理论能够把对生命的解

    释包含其中。以此为引，立铭请出了他非常喜欢而且在书中不吝言辞赞

    美的 ATP 及其合成酶。这一部分写得非常精彩，是本书的高潮部分之

    一。我不敢在此剧透，强烈推荐读者自己阅读体验。

    薛定谔后来修改过“负熵”这个概念，感兴趣的读者可以进一步阅读相关文献。

    解决了能量问题之后，想象力丰富的立铭随即把一个个精彩的理性科学

    发现与其浪漫的想象力结合在一起，构想出了生命诞生之初的“前生

    命”形式的几个可能版本(从 1.0 到 4.0)，蛋白质、DNA 和 RNA 轮番

    登上舞台。他尝试从各个角度探讨生命起源的可能途径。这部分内容展

    现了立铭作为著名科普作家的写作功力。生命诞生前的时刻对科学家来

    说都是神秘和晦涩的，立铭通过丰富的想象力把各种可能性转变为一幕

    幕精彩的文字影像。

    所有上述准备都是为了生命诞生的这一刻。这是一个可以自我复制生命

    1

    1

    13分子和个体的生命单位，一个活着的细胞。这应该是一个有能力把遗传

    信息传递到几十亿年之后的细胞，一个有能力转动进化之轮的细胞 。

    可以说，生命的诞生标志就是第一个细胞的诞生。在这个环节，立铭强

    调了细胞膜的产生是关键的一步，因为这是把酶、遗传物质和其他生命

    必需的分子聚集在同一空间的关键。我个人认为，对第一个细胞的多种

    想象是立铭可以进一步加以发挥的地方，可能因为篇幅原因，立铭并没

    有在此进一步打开其想象力的闸门。而随之而来的细胞的分工即多细胞

    生命的出现则打开了生命爆发的闸门，这直接导致了更为复杂的生命以

    及具有高等智慧的人类的出现。立铭称之为“君临地球”。

    细胞学说是第一个真正把所有生命都包含在内的学说，它的诞生时间(1839 年)远远早于发

    现 DNA 遗传物质的时间(1944 年)。

    虽然进化本身并非是从低级到高级的，但复杂生命的产生却是长期进化

    的结果。而在漫长的生命进化史中，最杰出的产物非人类的大脑莫属。

    作为神经科学家的立铭在书的后半部分为读者展示了大脑的功能(感

    知、学习记忆和社交)，并讨论了在哲学上都极有难度的抽象概念：自

    我意识和自由意志。这部分为我们呈现了一幕幕精彩而又真实的科学故

    事，从视觉的神经解码，到语言的生物基础，再到多重人格和人工智

    能，为我们展示了一个已经非常精彩而在未来会更加精彩纷呈的科学世

    界。

    科学研究在带来新知的同时总是带来新的未知，生命科学的未知遍布各

    个领域。曾经被生命科学吸引的物理学天才费曼戏言，在生物学领域，随便一个问题，我们都没有答案；而在物理学领域，则要花相当多的时

    间才能找到没有被解决的重要问题。这一现状并没有太多改变，立铭最

    后讨论的生命科学的已知和未知也会让读者浮想联翩，我想这部分对于

    有抱负的下一代科学家会有相当大的吸引力。所以，读完本书，你可能

    没有找到“生命是什么”这个问题的答案，但你对“生命是什么”的理解一

    定会有质的提升，而且可能会发现，理解生命可能并不需要急着回

    答“生命是什么”这个问题。

    好科普难写，兼具深度与高度的原创科普作品极少。我个人认为，立铭

    的作品是中文科普世界里凤毛麟角的存在。他对科学有独有的深刻解读

    方式，也有在科普世界里少见的写作视角。难能可贵的是，他在书里引

    用了该领域最新的科学进展和最精彩的科学故事。这本书的架构和逻辑

    在英文科普著作里也很少见，可见立铭对此做过仔细的推敲琢磨。好的

    科普书重要的作用不是科普知识点，因为知识早晚会变得陈旧，而是普

    2

    2

    14及科学的思维和判断方式。这一点读者应能从立铭讲故事的字里行间体

    会到，他展现了精彩科学发现背后的内在逻辑，从推理到实验验证，丝

    丝入扣。

    另外，从行文风格也可以看出立铭是具有人文情怀的作家，他的作品充

    满了积极对待未知世界的态度和坚信更好未来的信念。他这本书的风格

    让我想起了我最喜欢的法国科学大师和优秀的科普作家弗朗索瓦 ? 雅各

    布(Fran?ois Jacob，1965 年因操纵子模型获诺贝尔生理学或医学奖)。

    他的科普著作《生命的逻辑》探讨的角度和思路与立铭这本书有交相辉

    映之处。

    立铭这本书取名《生命是什么》，有向偶像薛定谔的《生命是什么》致

    敬之意。薛定谔的这部名著令人惊叹地影响和启发了分子生物学时代的

    许多科学名家，最出名的当属 DNA 双螺旋结构的发现者之一沃森。我

    想立铭花如此多的心血打造这本同名著作的“野心”也在于此，他一定希

    望本书能够启发中国下一代科学家，使他们在青少年时代就能领略到真

    正的科学思维，吸引有志于科学的青少年踏上真正的科学之路。我至今

    记得自己在年轻时阅读薛定谔这本著作时对科学产生的懵懂而又向往的

    情愫。我相信立铭也做到了这一点，因为即使中年如我，在阅读本书的

    过程中，脑海里也不断产生新的问题：假设在宇宙中另存一个物理上一

    模一样的太阳系，那么在该太阳系里的地球上，能进化出和我们这个星

    球上一样的生命类型吗？人类出现在那里的概率是否可以通过德雷克公

    式推导出来？自称掌握了基因编辑这把“上帝的手术刀”的人类真的可以

    跳出自然选择吗？在生命产生初期，是否产生过不基于 DNA 传递遗传

    信息的生命形式而被筛选掉了？最早产生的细胞里的基因组到底有多

    大？进化论是否是放之宇宙而皆准的生命法则？

    对于立铭花两年时间打造的这本精品，这篇短短的推荐序无法揭示其全

    部的精彩。在此衷心推荐给各个领域的读者亲自阅读，希望您有自己的

    收获。当然，我尤其推荐给对科学感兴趣的青少年，我也会推荐给自己

    的后辈，我女儿就非常喜欢“戴森球”的故事。我想，作为科普作家的立

    铭一定不止一次想象过这样一天，一位中国科学家在斯德哥尔摩的领奖

    台上致获奖辞：“我踏上科学之路，是因为小时候读的一部王立铭教授

    的科学名著——《生命是什么》。”

    15推荐语

    2015 年雨果奖得主、科幻作家、《三体》作者 刘慈欣

    生命，如果不是因为其确实存在，本来可以很容易地证明其不可能存

    在。《生命是什么》正是讲述了这样一个大自然的奇迹。立铭用生动、诗意的笔触，带我们经历地球生命几十亿年史诗般的演化历程；通过对

    生命现象全景式的描述，让我们领略那令人难以置信的神奇。

    本书吸引我的地方，首先是广阔的视角，从生命的起源到自我意识，从

    分子生物学到社会学，使读者对生命科学有了一个全景式的了解；其次

    是本书明晰而生动的叙述，真正把生命科学作为活的科学展现出来，让

    读者感受到了生命的神奇和诗意。

    本书在带给我们不断的惊叹和感慨的同时，让我们重新认识生命世界，也重新认识我们自己。

    16

    17

    首先，对于我们的身体，我们并没有绝对的话语权。

    体、智慧，还是人类的衰老、死亡，其实都是演化的产物。

    续了 40 多亿年的无可奈何。今天我们拥有的一切，无论是我们的身

    回望过去，生命其实一直都是漫长演化历史中的看客和产品，是一场持

    我们的过去：生命的无奈

    们是谁，从哪里来，向何处去。

    想军火库里必不可少的武器。只有借助生命科学，我们才能真正看清我

    因此，不管是理解我们的过去，还是规划我们的未来，生命科学都是思

    野心。

    变甚至主导未来人类演化的方向。这是生命科学带给我们最大的自负和

    演化的过程中，从看客和产品，变成命运的指挥官和主人，去影响、改

    个史无前例的机会，那就是可以借助生命科学的力量，主动参与到生命

    究，伴随着过去几十年来人类对生物学技术的持续开发，我们迎来了一

    史拐点上。伴随着过去两千多年来人类对生命现象和人类智慧的深入探

    说它自负，是因为现在的生命科学让地球人类站在了一个极其重要的历

    品。面对生物学规律，我们必须保持谦卑。

    们身上的优势和弱点，我们引以为豪的智慧，都是这场伟大冒险的产

    自一场跨越 40 亿年时间的伟大冒险，我们生活中习以为常的一切，我

    40 亿年前的一系列化学反应，我们整个人类世界和全部人类文明都来

    我们居住的地球形成于 46 亿年前的星云涌动，最早的地球生命诞生于

    实只是演化的产物。

    说它谦卑，是因为几乎所有的生物学发现都在提醒我们：生命和智慧其

    的一门科学。

    在我看来，在人类所有的科学领域中，生命科学是最谦卑、也是最自负

    这是一本带你了解生命科学、和你一起理解地球生命和人类智慧的书。

    前言

    18

    虽然我们创造了灿烂的文明，产生了理性的思考，但这一切很难说是我

    其次，对于人类智慧的形成，我们也没有话语权。

    对于我们的身体，我们没有绝对的话语权。

    最底层的生物学逻辑里，控制疾病或健康的，仍然是生物演化的历史。

    今天，对于疾病或健康，尽管有些因素我们已经能够自主控制，但是在

    物质中。

    然这件武器“杀敌一千，自损八百”，但还是长期保留在了现代人的遗传

    致严重的镰刀型贫血症，但是它是我们的祖先对抗疟疾的唯一武器。虽

    而死。因此，在漫长的人类演化历史上，血红蛋白基因的突变虽然会导

    可怕的疾病。亚历山大大帝很可能就是死于疟疾，康熙皇帝也差点因此

    在现代抗疟疾药物(特别是奎宁和青蒿素)发明之前，疟疾是一种非常

    而让这些人对疟疾有了一定程度的抵抗力。

    面，更加容易破裂死亡，这样反而歪打正着地让疟原虫跟着死掉了，从

    这时候，那些携带了一份血红蛋白变异基因的红细胞就会显出脆弱的一

    而如果感染了疟疾，疟疾的真凶疟原虫进入人体后会入侵人的红细胞。

    患病；如果只有一份血红蛋白基因出现了变异，生活就是完全正常的。

    一份来自母亲。当两份 DNA 上的血红蛋白基因都出现变异时，人就会

    疾!我们知道，每个人体内都有两份 DNA 遗传物质，一份来自父亲，是导致这种疾病的基因突变居然也是有好处的——它可以帮助抵抗疟

    背后的原因特别耐人寻味。虽然镰刀型贫血症是一种很严重的疾病，但

    子打不着的东西，地理分布居然很相似呢？

    理分布有很高的重合度。为什么镰刀型贫血症和疟疾这两种看起来八竿

    洲和南亚次大陆分布得非常集中。而且，它与世界范围内疟疾发病的地

    况，就会发现这种病并没有平均散布在各个大陆上，在撒哈拉以南的非

    其实，如果仔细观察世界范围内镰刀型贫血症突变基因的地理分布情

    然这种遗传变异这么危险，为什么没有在生命演化过程中被淘汰掉呢？

    这种疾病，还有 4000 万人携带这种疾病的变异基因。你可能会问，既

    一般 40 岁出头就会死亡。直到现在，全世界每年都会有 10 万多人死于

    管并影响很多器官的工作。如果没有精细的治疗和医疗维护，这些病人

    传变异，导致人体血管里的红细胞非常脆弱，很容易破碎，从而阻塞血

    说，就是人体负责生产血红蛋白的基因(HgB)上出现了一个微小的遗

    你可能听说过镰刀型贫血症这种病。这是一种很严重的遗传病，简单来

    19

    化不排斥死亡，甚至在某些条件下，它会主动选择让我们死亡。

    我们都厌恶死亡，但是死亡是我们每个人生命的必然终点。而且生物演

    最后，在衰老和死亡这个终极问题上，我们更加没有话语权。

    大堆猿猴和人类亲戚里脱颖而出，君临天下。

    聪明勤奋，仅仅是因为几十万年前一些偶然的遗传变异，才让我们从一

    所以，人类之所以成为今天的人类，不是因为人类多么奋发图强，多么

    进程中的塑造。

    创造出来的。它们的背后其实是冷冰冰的生物学规则，是漫长演化历史

    自尊心和责任感……这些我们引以为荣的智慧火花，也都不是人类凭空

    再比如我们的学习能力，我们的爱情，我们对同类的关心爱护，我们的

    存在着紧密的联系。

    类特有的 FOXP2 基因与人类出现语言机能、形成人类社会和人类文明

    所有的人类亲戚、走出非洲的时间。根据这些线索，生物学家估计，人

    在距今 10 万~20 万年前。这可能恰恰是现代人出现在非洲大陆、打败

    而且，演化生物学的模拟分析显示，人类特有的 FOXP2 基因大概出现

    以，人类拥有独特的语言能力是一个意外。

    的近亲黑猩猩相比，人类的 FOXP2 基因仅仅存在极其微小的突变。所

    面，是不是人类和其他动物有着特别明显的区别呢？可惜没有。和我们

    的无意义堆积，没有正确的语法。那么，这么重要的基因，在分子层

    己的舌头和嘴唇，无法说出清晰的语句，即便说得出话，也基本是词汇

    语言的形成息息相关。如果这个基因出了毛病，人就无法灵敏地控制自

    有不少证据显示，人类基因组上一个名为 FOXP2 的基因很可能和人类

    的能力。然而，人类这种独特的语言功能可不是自己努力学习的成果。

    法。所谓语法，就是把各种单词按照一定规则、随心所欲地拼接在一起

    发展出了语言，也能传递简单的信息，但是只有人类语言才发展出了语

    在地球上数百万种动物中，人类的语言是独一无二的。虽然不少动物也

    说、政治思想和科学技术，才可能组成社会，建立国家。

    言，人类个体之间才可以高效率地交流经验和思想，才可能产生神话传

    以人类语言为例。语言是复杂的人类社会最重要的基石之一。依靠语

    们人类自己的功劳。

    20

    的巨轮，从演化的看客和产品，真正变身为生命的主人。

    进的发展，人类开始尝试运用生命科学这一有力的武器，逆转生命演化

    放眼未来，随着人类对生命活动的理解越来越深，随着生物技术突飞猛

    我们的未来：生命的主人

    向，做自己生命的主人。

    能地想要追求更长的寿命和更高的生命质量，想要改变演化的进程和方

    而当我们掌握了生命科学，了解了更多自然和生命的秘密之后，就会本

    卑，一点点小心地揭开大自然的密码本，偷看几眼生命的设计图。

    品，从来都不是自己的主人。在自然法则面前，生命科学只能保持谦

    衰老和死亡，归根结底都是 40 多亿年演化的结果。生命只是看客和产

    无论是我们引以为豪的身体、智慧、文明，还是我们深恶痛绝的疾病、必然归宿。

    过，我们生活过，我们又衰老和死亡，这一切都是生命演化历史造就的

    所以，对于生存还是死亡这个大问题，选择权也不在我们手里。我们来

    死亡。

    反比的。这个能让年轻男性充满男子气概的东西，也能让他迅速衰老和

    是男性发病第二多的癌症。也有证据显示，睾酮的水平和人类寿命是成

    系。男性的睾酮含量越高，得癌症的概率就越大。特别是前列腺癌，这

    然而，睾酮可算不上什么好东西，它和人类许多疾病都有着密切的关

    会被自然选择所青睐，就更容易留下自己的后代。

    很大关系。所以，那些在年轻的时候充满战斗力和交配欲望的男性，就

    说一个男人看起来有没有“男子气概”，这件事和他体内睾酮的多少就有

    量、反应速度……这些都和睾酮有关系。打个不太严谨的比方，我们常

    它的功能非常重要。男性器官的形成、精子的发育、生殖能力、肌肉力

    一个经典的例子是男性的睾酮。这是人体里一种特别重要的雄性激素，命在此之前就已经完成了。

    让这个生物很快地生病、衰老和死亡，也无所谓，毕竟它传宗接代的使

    在严酷的生存竞争中存活下来。哪怕在之后的岁月里，这个遗传变异会

    熟、求偶、交配、繁殖，那么这个生物就会被自然选择所青睐，更容易

    比如，如果一个遗传变异能够帮助生物在年轻的时候更好地发育、成

    21

    基因编辑技术是人类开始主导演化进程的第一次尝试。

    开发成武器，毁灭敌人的遗传物质，制造地球末日呢？但是无论如何，造成永久性的社会撕裂和不平等？更可怕的是，会不会有人将这项技术

    会利用这项技术，率先改造自己的子女，实现财富和地位的遗传，甚至

    类千姿百态的多样性，让世界从此千篇一律呢？有钱人和特权阶级会不

    她智力超群，貌美如花，永远赢在起跑线上。那么，这样会不会破坏人

    和设计，那么人类未来就有可能有针对性地设计自己的下一代，让他 沿着这个逻辑推演下去，如果可以对人体遗传物质进行随心所欲的修改

    们自己的演化历史了!

    可以亲自走上手术台，运用神话传说里只有上帝才拥有的力量，创造我

    所以，人类已经不再满足于仅仅做演化历史的看客和产品了，我们已经

    性地改变生物演化历史的进程!

    是人类历史上第一次主动而且有目的地修改人类自身的遗传物质，永久

    究一经问世就引发了全球范围内的巨大争议和热烈讨论。毕竟，这可能

    编辑技术，在人类胚胎中尝试进行了人类血红蛋白基因的修饰。这项研

    年，中山大学的黄军就实验室利用一种名为 CRISPRCas9 的全新基因

    际应用，但是很多研究已经充分证明了该技术的可行性。比如，2015

    虽然这件事难度很大，目前仍面临很多技术问题，还没有真正地推向实

    代，就可以永久地走上另一条演化道路了。

    基因突变从此在这个家族里消失。这个小婴儿及其未来所有的子孙后

    改镰刀型贫血症的致病基因，让婴儿完全摆脱这种疾病的困扰，让这个

    可以想象，有了这把“上帝的手术刀”，人类就可以在受精卵里精确地修

    现问题的 DNA 位点，然后把错误的位点剪切，再替换成正确的位点。

    展。该技术的核心在于，能够在生物庞大的基因组信息中精准寻找到出

    在最近十几年时间里，一类名为“基因编辑”的技术取得了突飞猛进的发

    但是在今天，人类居然可以拿起手术刀，主动参与生命演化的进程了。

    对人类身体的塑造，也是留给人类的苦难(和财富)。

    为代价，换来了更多人对疟疾的天然抵抗力。这是漫长的生命演化过程

    区区一个位点的微小变异导致的。这个微小变异以牺牲一部分人的健康

    我们继续以镰刀型贫血症为例。这种疾病是人体内血红蛋白基因出现了

    首先，基因编辑技术的发展，让我们有可能主动掌控自己的身体。其次，人类开始利用生物学技术破解智慧的秘密，主导智慧演化的进

    程。

    我们知道，语言能力是人类智慧的重要组成部分，而这很可能源自 10

    万~20 万年前的一次偶然的基因突变。从那时起，我们成为了语言天

    才，并且凭借这项独门绝技建造了人类社会，创造了独一无二的人类智

    慧和伟大文明。

    而今天，神经生物学家已经不再满足于被动地接受这个结果，开始主动

    破解智慧的秘密了。我们正在逐渐理解大脑的工作原理，并且尝试主动

    影响大脑的运转，让人类学得更快，记忆力更强，更有智慧。

    比如，2013 年，美国麻省理工学院的科学家就做了这样的尝试。他们

    通过解析小鼠大脑中特定区域的活动规律，从中获得了记忆的存储信

    息。然后，他们通过随心所欲地改变神经细胞的活动，就可以擦除这段

    记忆，甚至人工虚拟出记忆，让老鼠产生身临其境的幻觉。

    此外，还有人试图利用计算机芯片来改变和创造记忆。2015 年，美国

    南加州大学的神经科学家尝试在人脑中植入芯片，采集大脑神经细胞的

    活动信息，然后利用计算机从中提取出信息，再转换为记忆，重新植入

    大脑。换句话说，他们已经试图人工创造出学习和记忆的过程了。

    这些技术最早会用于治病救人，帮助病人恢复正常的大脑功能。但是相

    信未来这些技术一定会逐渐应用于健康人和普通人。那么人类将可以直

    接在人脑中虚拟现实、移植记忆、拷贝知识、创造智慧。这也就意味

    着，人类将会迎来利用生物学技术主导智慧演化的全新历史。

    最后，现代生物学技术可以让我们更接近生命的真相，甚至改变人类

    的终极宿命。

    在过去数十年里，生物学家在衰老问题的研究上倾注了大量的心血。如

    今，科学家通过改变遗传基因和生活环境，可以让实验室里的生物活得

    更长久、更健康。

    22

    活得更长久，衰老更慢。这可能是通过影响胰岛素相关的生物信号来影

    研究证明，有些方法能有效延长动物的寿命，比如节食。少吃能让动物

    23

    头就有人类制造的卡车那么大；而对于人眼看不见的单细胞生物来说，生命蓝鲸来说，它的尺寸是用“米”或者“十米”来计量的，蓝鲸的一条舌

    首先，生命在空间尺度上存在着巨大的差异。例如，对于地球上最大的

    很可能是尺度问题。

    地球上的生命现象和活动纷繁复杂，千差万别。理解生命最大的难题，用生物学思维理解生命

    对即将到来的未来。

    们都应该在头脑中装备好生物学的研究方法和思维模型，从而更好地应

    的魔盒？不管是欢欣鼓舞还是忧心忡忡，是恐慌畏惧还是心如止水，我

    现实。届时，我们人类将要亲手打开的，是阿拉丁的神灯，还是潘多拉

    在科学新闻或者科幻电影里，但是很可能在一两代人的时间内就会变成

    理解地球生命和人类智慧。也许，这些生物技术在短时间内还只能出现

    此时此刻，我们比以往任何时候都更需要了解生命科学，更需要深刻地

    为自身命运的主宰者!

    控智慧和愚笨、健康和疾病，甚至衰老和死亡，试图取代自然选择，成

    们，虽然仅知晓生命秘密的冰山一角，但是已经开始跃跃欲试，试图操

    缘巧合造就了今天独一无二的我们和灿烂辉煌的人类文明；而未来的我

    历史的拐点上。曾经的我们在演化历史的长河中随波逐流，是无数个机

    因此，无论是身体、智慧，还是生死，今天，我们确实已经站在了人类

    能改变这种宿命了。

    代生物学技术，人类已经开始慢慢接近这个终极宿命的真相，甚至有可

    所以，虽然衰老和死亡看起来是人类无法抗拒的最终宿命，但是借助现

    学机理，人类就可以利用同样的方法实现长生不老了。

    起光泽，心脏血管的机能也会重新焕发生机。只要能够找到其中的生物

    输入老年动物体内，就能实现“返老还童”——老年动物的毛发会重新泛

    还有一种方法是换血。人们在 70 年前就发现，如果把年轻动物的血液

    床试验。

    可以帮助人们延缓衰老、延长寿命？如今，世界各地都有很多这样的临

    治疗糖尿病的药物。因此，有生物学家设想：治疗糖尿病的药物是不是

    响动物衰老过程的。胰岛素是一种重要的激素，它和糖尿病有关，也是

    24

    都蕴藏着来自古老祖先的遗传信息，都记录着过去几十亿年来地球气候

    门、丰富多彩的地球生物世界。也就是说，今天每一种地球生命的体内

    环境中反复选择，形成了不同的生存和繁殖策略，最终构成了五花八

    部脱胎于同一种共同祖先，经过了几十亿年的演化，在丰富多变的地球

    那么反过来，我们就可以用生物学思维来理解今天的地球生命。它们全

    具有什么样的基因，可能具备什么样的生命特征。

    和遗传信息进行分析、归类和溯源，就可以大致猜测出我们的共同祖先

    物，在今天的地球上并没有。但是对现今地球生命体内广泛存在的基因

    意思是现今地球生命的最后共同祖先。当然，LUCA 是一种假想中的生

    年，我们都共享一个祖先。有人还给这个祖先起了个名字，叫 LUCA，渐演化而来的，不管是植物还是动物，是细菌还是真菌，回溯几十亿

    我们知道，现今所有的地球生命都是通过漫长的自然选择和生存竞争逐

    本质，找寻塑造地球生命和人类智慧的核心要素。

    下，跨越尺度的鸿沟，剥开生命现象复杂的外壳，探索地球生命现象的

    因此，我们需要掌握一种思维方式，在地球生命演化的自然历史框架

    会失去方向。

    的生命和特别的生命活动背后都有特殊的道理，那么我们的研讨可能就

    着共同的物质和科学基础，遵循同样的生物学原理？如果在每一种特殊

    底是什么？我们能不能真的确定，在这些尺度迥异的地球生命之间，有

    象的时候，我们该怎么框定讨论范围？该如何搞清楚具体讨论的对象到

    这些尺度上的巨大差别带来了天然的难题——当我们在讨论地球生命现

    有着天壤之别。

    比如个体的数量、繁殖能力、寿命、智力等，在不同的地球生命之间都

    除了空间尺度和移动距离的尺度之外，还有很多生命现象的度量尺度，级。

    一生能够生长的高度也不过是毫米数量级。这两者之间差了十几个数量

    多生物从出生到死亡所发生变化的距离几乎为零。比如，很多苔藓植物

    的距离长达数百万千米，足够在地球和月球之间往返三次。相反，有很

    的小鸟，每年都要在地球的北极和南极之间飞一个来回，一生之中飞翔

    其次，移动距离的衡量尺度也有着天差地别。比如，有一种叫北极燕鸥

    级。

    它们的尺寸是用“微米”来计量的。这两者之间相差了差不多七个数量环境变迁的历史，以及对生物特征的修饰和筛选。每个活着的地球生命

    都是一部鲜活的地球自然历史。把这段自然历史的要点解析出来，我们

    就能找到地球生命现象的底层逻辑和普遍规律。

    也许，当我们这场思想旅行结束的时候，所有的细节(例如分子、生物

    以及各种生命活动的名称)都没有在你脑海里留下深刻的印象。但是我

    期待，不管你从事什么职业，有没有生物学的知识储备，都能够从一个

    全新的维度来理解地球生命的本质，来理解地球生命如何产生，如何变

    化，如何繁盛至今。我相信，在这个历史性的时刻，我们讨论的很多问

    题和逻辑，在人类社会中，在我们的日常生活中，都能找到隐隐约约的

    对应。我也非常期待，这会帮助你更好地理解我们到底是谁，从何而

    来，又向何处去。

    25序曲 地球人和外星人

    在地球之外，是否还有别的生物生存繁衍？是否也有和地球人类一样的

    智慧生命，在万里之外眺望着我们？

    从月宫里的嫦娥，到火星上的“运河”，人类从古到今都不缺乏仰望星

    空、神游于凡俗之外的幻想家。对于外星生命的样貌，自然也有各种各

    样奇妙的想象。外星人科幻的开山之作当属科幻大师赫伯 ? 乔治 ? 威尔

    斯(Herbert George Wells)的《世界大战》(The War of the Worlds)。

    在这部小说中，来自火星的外星人长着一个硕大无比的脑袋，没有手

    脚，依靠两排长长的触须行走。而在大导演斯皮尔伯格的想象中，大脑

    袋、长脖子、小身体的外星人 E.T. 长得又丑又萌，只有一双巨大的眼

    睛流露出善意。在大多数科幻作品里，为了方便读者想象，外星人往往

    以类似地球人类的样貌出现。但是从能自动脱水卷成一个小卷儿的三体

    人，到能够与树木直接形成神经网络的阿凡达，我们还是能看到各种关

    于外星人样貌的神奇想象。

    在我看来，对外星人的想象可能源自人类内心一种特别的孤独感。我们

    习惯生活在热闹的人群中，喜欢那种邻家鸡犬声、海内存知己的感觉。

    伴随着地理大发现和信息的全球流通，地球成了地球村，人类开始成为

    一个血脉相连的整体。作为一个群体概念出现的地球人类，当然也希望

    有自己的邻居和知己。而我们追寻的目光，必然在地球之外，在茫茫夜

    空，在宇宙深处。

    1968 年，在阿波罗 8 号飞船离开地球、飞向月球的航程中，几位宇航

    员第一次亲眼目睹了我们这颗蓝色星球的全貌(见图 1)。于是在天文

    尺度上，全人类瞬间连接成了一个有机的整体，而那种孤独感可能也同

    时达到了顶峰：在这茫茫星海里，是否还有我们的同类和朋友？

    26

    27

    那么，地球人类真的有邻居吗？如果有的话，他们在哪儿？

    剂，因为它让我们看到自己的母亲星球是如此美丽、脆弱和孤独

    独。甚至有人说，这张照片是世界性环境保护运动的发令枪和催化

    第一感觉都是孤独，一种镶嵌在黑天鹅绒般的深邃宇宙背景中的孤

    蓝色的母亲星球刚刚跃升过月球的“地平线”。许多人看到这张照片的

    是正在月球轨道航行的阿波罗 8 号的宇航员。在这张照片里，我们蔚

    图 1 著名的“地出”照片，拍摄于 1968 年 12 月 24 日平安夜，摄影师

    28

    后，压根儿就不知道怎么去检测外星文明的信息，更不知道怎么发射信

    还没有足够的时间等到来自外星文明的信息；可能是因为人类太过落

    在，反而可能说明地球人太愚蠢了。可能是由于短短几万年的地球文明

    云散。也有从反面进行解读的，认为费米悖论并不能说明外星人不存

    这样的智慧水平，要么某些生命虽然曾经辉煌过但是早已在历史中烟消

    中要么压根儿就不存在其他生命，要么其他生命还没有演化到地球人类

    的，认为费米悖论确实证明了地球人类是宇宙中独一无二的存在：宇宙

    费米悖论陆续衍生出了许多有趣的科学和哲学思考。有从正面进行解读

    并不存在，地球人实实在在就是浩瀚宇宙里的生命奇迹呢？

    的来访，那么是不是能够反推出其实外星生命(或者至少是智慧生命)

    当然，费米的提问也可以反过来理解：既然我们不能每天都看到 E.T.

    啊!

    航天器往来穿梭，有数不清的外星使者前来表达善意或是宣布战争才对

    用了区区五六万年)。因此，我们地球人类应该每天都看得到外星人的

    (毕竟地球人类从走出非洲故乡，到制造出能飞出太阳系的飞行器，只

    老，足以允许生命演化出智慧，并驾驶着他们各自的交通工具往来穿梭 量，存在生命的星球应该数量极其庞大；其次，宇宙的年龄又是如此古

    想是很深刻的。首先，考虑到宇宙的空间尺度和天文数字般的行星数

    外星人的话)他们在哪儿？(Where are they?)”这个简单提问背后的思

    Fermi)在一次闲聊中，提出了一个直白简单的问题：“(如果确实存在

    1950 年，著名的物理学家、原子反应堆之父恩利克 ? 费米(Enrico 但是如此想来，我们马上会碰到一个逻辑上的难题——他们在哪儿？

    亿万分之一，生命之花也应该早已盛开在天涯海角了。

    (一种估计是 1022 到 1024 颗恒星)的宇宙，生命产生的概率哪怕只有

    灭数不清的生命奇迹。在这样一个年龄超过百亿年、恒星如恒河沙数

    年，无比辉煌的恐龙时代也不过一两亿年，宇宙的寿命里足够兴起又湮

    经走过了 138 亿年的漫长岁月。地球人类从诞生至今不过区区二三十万

    中，同样显得平淡无奇。从时间上说，我们身处的宇宙从大爆炸至今已

    千个银河系的室女座超星系团，放在半径 460 亿光年的整个可观测宇宙

    围绕它们做椭圆运动的行星更是难以计数。而银河系及其所在的拥有上

    一个黯淡的小小恒星系。在银河系里，类似太阳的恒星就有上千亿颗，间上说，地球人类所处的太阳系，不过是直径 10 万光年的银河系边缘

    主义”情怀，才会不惮于认定地球人类是宇宙中唯一的智慧生物。从空

    事实上，考虑到整个宇宙的时空尺度，我们可能需要极强的人类“沙文息；也可能是因为其他高级文明很巧妙地隐藏甚至孤立了自己；等等。

    这个开放性的问题后来成了许多科幻作品的背景，包括读者熟悉的刘慈

    欣的《三体》。在《三体》中，大刘对费米悖论的解释是，大量的外星

    智慧生命确实存在，但是由于文明间的生存竞争和交流障碍，所有高级

    文明都很好地隐藏着自己。

    费米悖论的一个著名衍生品就是美国康奈尔大学的天文学家弗兰克 ? 德

    雷克(Frank Drake)于 1961 年提出的德雷克公式：

    银河系中可能和我们建立交流的外星文明的数量(当然，我们

    现在对它究竟是几一无所知)；

    银河系内部的恒星生成速率；

    银河系内部的恒星当中，有行星系或者可能形成行星系的比

    例；

    对于每个有行星的恒星，其拥有宜居环境的(类地)行星的平

    均数量；

    上述行星中，确实有生命存在的行星的比例；

    上述行星中，出现智能和文明的行星的比例；

    上述行星中，拥有运用科技手段向外太空进行广播的比例；

    上述行星中，向外太空进行传播的时间总量。

    29

    “红岸基地”应该是在向它致敬。

    公式，是不是很熟悉？我们有足够理由相信，大刘《三体》中的

    到数百万个。顺便八卦一下，德雷克公式又叫绿岸(Green Bank)

    计，得到的最终计算值 N 的预测范围极广，从仅有万亿分之一个

    交流。许多人(包括德雷克本人在内)都对公式的各个参数做过估

    数量，而在于从逻辑上探讨什么东西影响了我们和外星智慧生命的

    说，德雷克公式的目的倒不在于真正计算外星智慧生命的可能性和

    恒星数量、恒星是否有行星、生命出现的可能性，等等。严格来

    这个概念性的公式总结了影响智慧生命之间交流的各种因素，例如费米的提问实际上也催生了许多搜索外星智慧生命甚至试图与之交流的

    努力。1960 年，弗兰克 ? 德雷克将射电天文望远镜对准了两颗看起来类

    似太阳的恒星——天苑四和天仓五，并在 21 厘米波长频段上记录了数

    百个小时的电磁波信号。这项探索性研究被命名为奥兹玛计划(Project

    Ozma)，令人毫不意外地一无所获，但它孕育了此后延续数十年、至

    今有成千上万名全球科学家参与的搜寻地外文明计划(search for

    extraterrestrial intelligence，SETI)。随着技术的发展，在可预见的未

    来，地球人类将会有能力同时持续监听千万颗量级的恒星信号，极大地

    提高发现外星智慧生命的能力。

    当然，整个 SETI 计划都基于一个简单但并不显然的假设：那些外星智

    慧生命(如果真的存在的话)必须积极地、持续地用大功率向全宇宙发

    射一些容易被破译的无线电信号。从上面的讨论就能看到，这个假设是

    很有问题的：如果那些文明还没有能力发射高功率的无线电信号呢？如

    果他们的信号我们无法理解呢？如果他们故意隐藏自己不发射信号呢？

    因此，把找寻地外智慧生命的希望完全寄托在 SETI 或者类似的项目上

    是不明智的。

    因此，2009 年升空、围绕太阳运行的开普勒空间望远镜(见图 2)用的

    就是完全不同的思路。该任务专注于寻找太阳系之外类似于地球的所

    谓“宜居”行星。它的逻辑是，我们先不谈外星人是不是会发来信息，看

    看是不是真能找到适合人类居住(因此也有可能适合类似地球生命的外

    星生命出现)的行星再说。等找到了这样的行星，我们再去有针对性地

    探测外星智慧生命。开普勒任务硕果累累，在几年时间内就发现了上千

    颗新行星；而主持开普勒任务的美国国家航空航天局(NASA)在过去

    几年里一次又一次地玩着发现了各种“另一个地球”的标题党游戏。当

    然，这些发现与其说解决了或者要解决费米悖论，不如说强化了费米悖

    论：一次任务就发现如此多的行星和类地行星，不就更能说明地球和地

    球人类在宇宙中其实并不特别，也并不孤单吗？

    30

    31

    我们定位那些遥远的高度文明的外星生命。

    得多的红外辐射。因此在戴森看来，利用这一点寻找戴森球，可以帮助

    造物体由于温度会大大低于恒星，因此在吸收恒星能量后会产生波长长

    构，可能会密集到足以像行星那样遮挡恒星的光线；与此同时，这些人

    以像一个“球”一样包裹住整个恒星(见图 3)。这样的所谓戴森球结

    种“人”造物体将会以极高的密度存在于恒星周围，在极端情况下甚至可

    么，当外星文明发达和扩张到一定程度，吸收和利用恒星能源的各

    球和太阳轨道运行的各种人造航天器都或多或少地需要利用太阳能。那

    必然地会试图利用整个恒星产生的能量。实际上人类已经在做了：在地

    生命演化到一定程度，行星本身的能量很可能已经不够用了，因此近乎

    (Freeman Dyson)在一篇学术论文中提出了一个想法：如果外星智慧

    ——“戴森球”(Dyson sphere)。1960 年，美国物理学家弗里曼 ? 戴森 如果把开普勒任务的逻辑推演到极致，就不得不引出另一个概念

    Kepler-452B

    热炒的所谓“第二个地球”，就是开普勒空间望远镜发现的新类地行星

    也可以帮助我们推断该行星的元素构成。2015 年 7 月，各大媒体都在

    温度较低的行星在吸收恒星的光后会发射频率较低的信号，这个信息

    频率和强弱可以推断出行星的公转周期、质量和半径等信息。同时，因此从地球上看，恒星的光信号就会出现周期性的波动，根据波动的

    转，恰好处于地球和该恒星之间时，就会部分地遮挡恒星的光信号。

    图 2 开普勒空间望远镜的艺术想象。简单来说，当行星围绕恒星公

    32

    能更好地理解这个反常的天文现象)。不过，目前并没有发现什么可疑

    在持续追踪着这个奇怪的天体(当然，即便不是戴森球，科学家也希望

    无线电监听。就在你读到这本书的时候，全世界还有许多大型的望远镜

    下，SETI 利用阿伦射电望远镜阵列对 KIC 8462852 进行了 180 小时的

    球？如此震撼的发现当然需要更多更细致的研究，在这一发现的启发

    星、巨大的彗星、星际尘埃等)所解释。难道这是一个并未完工的戴森

    体环绕和遮挡着，这一现象看起来无法用任何已知的天文现象(例如行

    恒星，似乎总是被形状不规则、轨道高低不同、周期也不固定的许多物

    个可能的戴森球!这颗被命名为 KIC 8462852、距离我们 1480 光年的

    的天文爱好者的帮助下，真的从浩如烟海的开普勒数据中找到了这么一

    和寻找可能存在的戴森球了。实际上，在 2015 年，科学家在世界各地

    找和分析行星的。那么自然就会有科学家利用开普勒发回的数据来分析

    这听起来特别科幻，但是开普勒空间望远镜其实就是依靠这个指标来寻

    都会采集太阳能并产生微弱的红外辐射

    初级阶段，我们所制造的上千颗人造地球卫星和太阳系内的飞行器，检测到的光谱变化。从某种意义上说，人类已经处于建设戴森球的最

    集恒星能量的“人”造物体包围在恒星周围，产生了可以在万里之外被

    环、戴森网、戴森云，等等。它们的基本逻辑是类似的：大量用于采

    图 3 一种幻想中的戴森球。戴森球还有不少有趣的变种，比如戴森信号，但是发现 KIC 8462852 的故事至少说明寻找戴森球已经不完全是

    个科幻概念，人类已经实实在在地具备了这个能力。在这个思路的指引

    下，我们寻找外星智慧生命的视野将会极大地拓宽，因为我们可以抛开

    解码无线电信号，或是寻找类地行星的局限，直接通过观测恒星光谱就

    可以尝试寻找一个高度先进的外星文明了。

    在被动的寻找之外，人类更激进的尝试是干脆直接向太空广播，让“别

    人”听到或看到我们的存在。当然，这样我们需要解决的问题比被动地

    等待要多得多，地球人类目前的技术水平没办法对着全宇宙广播，因此

    需要挑选出极少一部分星体有针对性地发送信息。问题之一是我们怎么

    知道应该冲着哪些星星打招呼呢？而下一个问题就更麻烦了：我们怎么

    知道和“他们”说什么？要知道，即便是在同一个地球上生活、彼此分开

    不过短短几万年的人类，都已经发展出成百上千的语言类别，那么彼此

    远隔千万光年、所处环境截然不同的文明之间肯定有着巨大的交流障

    碍。

    所以从某种意义上说，主动广播有点像行为艺术，与其说是要严肃地和

    外星智慧生命建立联系，倒不如说是在热热闹闹的现代生活里，给地球

    人类一个总结和反省的机会。

    上点年纪的读者可能都记得著名的旅行者金唱片(见图 4)。1977 年，美国发射的两艘旅行者探测器(旅行者 1 号和旅行者 2 号)分别携带了

    一张镀金的唱片，里面记录了来自地球的声音和图像，有 55 种人类语

    言录制的问候语(包括了我们的普通话、粤语、闽南语和吴语)，还有

    当时的美国总统和联合国秘书长的问候。难道我们还期待外星人能够理

    解巴赫的音乐有多美、什么是联合国、秘书长是干嘛的吗？

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    1974 年，位于加勒比海波多黎各的阿雷西博射电望远镜(见图 5)向两

    足道了。

    前后几十年的光阴、直径一万多千米的地球，在大宇宙里实在是太微不

    人的生命历程里，我们可能难以得到任何一点点有意义的线索。毕竟，命是否存在，更不要说外星智慧生命了。据悲观的估计，在我们这几代

    各种主动广播，都还没有提供任何线索，能够哪怕稍微提示一下外星生

    其实，不管是思辨式的费米悖论和德雷克公式，还是实践中的 SETI 和

    暖，并更加团结

    中还有这么一颗人类文明的小小种子，全人类都应该感到骄傲和温

    管电池失效的它再也不会向地球发回任何信号，但是想到在茫茫宇宙

    足过的恒星际空间，带着全人类的光荣和梦想向银河系深处挺进。尽

    1 号历经 36 年 187 亿千米的远行，终于离开太阳系，进入人类从未涉

    的位置(左下)和氢原子的能级转换时间(右下)。2013 年，旅行者

    从而读出图片、音乐等信息)。下半部分的信息是太阳系在银河系中

    等；右上部分介绍的是如何将唱片里的模拟信号转换为二进制信号，信息的方法(例如左上部分就是介绍如何置放唱片针、转速多快，等

    图 4 旅行者金唱片的封面。图案上半部分提供了简单的解读唱片内万五千光年以外的 M13 星系团发射了著名的“阿雷西博信息”，这条长

    约 210 比特、功率 1000 千瓦的信息描述了十进制、DNA 的化学构成、人类的外貌、太阳系的结构以及阿雷西博望远镜的样貌——这些信息浓

    缩了当时人类文明的最高成就。然而，即便微弱的信号真的能跨越两万

    五千光年的距离，即便 M13 星系团上真的有智慧生命解读了这条信

    息，即便他们当真充满善意地回复了地球人的呼叫，地球人类也还需要

    等待往复五万年才能听到他们的答复!要知道在五万年前，人类的祖先

    还在源源不断地走出非洲，现代中国人的祖先还在漫漫迁徙路上。那个

    时候，祖先无时无刻不面临着猛兽、疾病和自然灾害的威胁，应该还没

    有什么闲情逸致仰望星空或者钻研数字。又有谁能够估计，五万年后的

    人类相比今天的我们会有怎样的变化，当他们(万一)接收到了来自

    M13 星系团的回答，会是怎样的心情？我们需要担心吗？我们应该感到

    高兴吗？我们真的可以找到同类，真的可以被其他文明所理解吗？

    35

    多时候我们只能被动等待外星生命的出现，那么我们倒不如反求诸己，年生命中，估计很难得到任何确定性的“有”或者“没有”的答案。既然很

    不管地球人类寻找同类的愿望有多么热切，在我们这一代人的短短几十

    (FAST)超越

    望远镜，但是如今已经被中国正在建设的 500 米口径球面射电望远镜 图 5 阿雷西博射电望远镜，直径 350 米，曾经是全世界最大的射电先追问一下地球上的智慧生命——我们自身——到底是怎么来的，又是

    如何演变成今天这个样子的。这样的追问也许可以帮助我们更好地理解

    外星生命是否存在，如果真的存在，大致会是什么样子的。

    带着这个目的，我们来讲讲人类的生命到底是什么以及人类智慧背后的

    生物学故事。

    在 46 亿年前，炽热的原始地球在宇宙尘埃的余烬中逐渐成形，并慢慢

    冷却形成坚硬的外壳。外壳不断地被撕裂又闭合，岩浆从地底深处带来

    的浓烟笼罩大地，而彗星这样的宇宙流浪者为地球带来了最早的水。在

    这个表面被沸腾的海洋覆盖、终日雷鸣电闪、饱受火山喷发和陨石雨摧

    残的地球上，生命开始了漫长的旅程。今天人们找到的化石证据证明，最晚在 35 亿年前地球上已经出现了细菌，而间接的证据(例如碳同位

    素检测技术)提示我们，哪怕是在更早的 40 多亿年前，在那个我们今

    天的人类难以想象的人间炼狱中，已经有了生命的最初痕迹。

    斗转星移，沧海桑田，40 多亿年过去，我们这种在分类学上被归入脊

    索动物门、脊椎动物亚门、哺乳纲、真兽亚纲、灵长目、类人猿亚目、人科、人属、智人种(Homo sapiens)的生物，作为我们星球上唯一一

    种智慧生命“君临天下”。40 多亿年太久太久，我们也许永远都不可能真

    正地为我们的生命和智慧寻根溯源，但是这段壮丽历史中的许多重要事

    件，却早已成为了我们的一部分。因此，如果能对这些构成“我们”的要

    素做一点回顾，也许能让我们更好地理解生命和智慧生命，更好地帮助

    我们猜测在茫茫宇宙中到底有没有我们的同类。

    让我们开始吧!

    36

    37

    而上学的神秘特性——我们姑且叫它“生命特殊论”好了。

    切都提示着，生命现象看起来必然具备一种超越了具体物质组成的、形

    以一去不复返——煮熟的鸭子不会飞，逝去的亲人从此阴阳两隔。这一

    小孩子会逐渐长大成人，青草也可以岁岁枯荣周而复始；生命居然还可

    子，一堆腐烂的野草里会爬出萤火虫；生命看起来居然会持续变化——

    思议。生命看起来居然能够自然发生——一潭污秽的死水里会飞出蚊

    这一点倒也不难理解。在我们的前辈看来，生命现象实在是奇妙得不可

    但是在很长一段时间里，人们普遍相信生命具备一种神秘难解的特性。

    怕今天我们还不知道这种物质基础和科学解释是什么。

    复杂精巧，也必定是有物质基础的，也必定是存在一个科学解释的。哪

    经科学教育，自然而然地会用唯物主义的眼光来看待生命：生命现象再

    最后这个问题看起来似乎不言而喻。读者想必都受过相当一段时间的正

    三种灵魂

    最终理解的吗？

    得不面对的问题则是，这些构成生命现象的要素，真的是人类智慧可以

    是如何产生的？是哪些要素构造和推动了生命现象呢？而最终我们将不

    但是这些“不一样”背后的本质差别是什么呢？我们看到的这些“变化”又

    那里、看起来没有丝毫变化的瓦砾石头很不一样。

    睡，还能用语言交流，能理解抽象的概念。这一切都和那一堆静静待在

    噜睡觉，我们也看得到小猫的变化。至于我们人类自己，除了吃喝拉撒

    枝，春华秋实，我们看得到树木的变化；一会儿上蹿下跳，一会儿呼噜

    砾，对比一棵树，一只猫，一个人，区别似乎是显而易见的。杨柳新

    基于日常经验和直觉，我们很容易回答这个问题。路边的一堆石头瓦

    们地球人类看作生命？

    生命是什么？或者说，一个东西到底需要具有什么样的特征，才会被我

    物理学

    第 1 章 生命是什么：从灵魂论到古希腊的亚里士多德是古代世界许多哲学和科学思想的集大成者，他把

    这种神秘特性称为“灵魂”。在他看来，这种叫灵魂的东西看不见摸不

    着，却能够赋予生命体各种各样的神奇属性。

    亚里士多德认为植物有一种灵魂，催使它们不断地生长繁殖；动物则多

    了一种灵魂，负责感知和运动；而我们人类有三种灵魂，除了动物的两

    种灵魂外，还有一种负责理性思考的灵魂(见图 1-1)。

    38

    三种灵魂才有了生命力，和说水能流动是因为“水性”、火车跑得快是因

    显然，亚里士多德的灵魂理论并没有真的解决任何问题。说物质因为这

    因此需要理性灵魂的驱动。

    魂。至于我们人类自己，作为万物之灵，我们还会思考，会做数学题，繁殖之外，还会吃，会叫，会运动，所以还需要指导感知和运动的灵

    有个东西来驱动，所以植物必须有负责生长繁殖的灵魂。动物除了生长

    的词重新说了一遍而已。植物能长高长大，还能开花结果，这一切必须

    刻薄一点说，这套理论不过就是把人人都能看到的东西，换了几个抽象

    图 1-1 亚里士多德提出的三种灵魂为“移动性”一样，属于循环论证式的自说自话。至于这三种灵魂到底是

    什么东西，我们除了命名它们之外还能对它们做些什么样的研究，亚里

    士多德和他所处的时代显然还没有能力回答。

    除此之外，亚里士多德的灵魂理论有一个非常令人不安的特点。他说的

    这种叫灵魂的东西，并不是一种具体的、看得见摸得着、可以对此开展

    观察和研究的实在物质，而是生命的一种“表现形式”。

    换句话说，按照亚里士多德的理论，灵魂这种东西只有活着的生物才

    有，而且并不和任何具体物质绑定。就算有人把一棵树或者一只猫层层

    剖开，用最先进的仪器一点点分析它们的物质构成，也是绝对不可能把

    灵魂这种东西找出来的。这就从逻辑上阻止了人类对生命本质进行任何

    实际的探究。因此，如果生命的本质真的如亚里士多德所言，那么人类

    只能千秋万代地在“灵魂”这个不可触碰、难以挑战的概念面前顶礼膜

    拜。

    这种听天由命的不可知论态度遭到了许多人的猛烈批判，特别是当欧洲

    文明走出中世纪的阴霾，重新捡拾起理性和创造力之后。

    在 17 世纪的法国哲学家勒内 ? 笛卡儿(Rene Descartes)看来，哪里有

    什么虚无缥缈的灵魂，生命现象完全可以用冷冰冰的科学定律来解释，甚至只需要用人类已知的简单机械原理就足够了。

    笛卡儿的这种思想被他的忠实追随者、法国发明家雅克 ? 德 ? 沃康松

    (Jacques de Vaucanson)用一种戏剧化的方法呈现了出来。沃康松制作

    了一只机械鸭子(见图 1-2)。在发条的驱动下，这只鸭子能扇翅膀，能吃东西，甚至还能消化食物和排泄。

    39

    40

    了。

    那个时代，相比起生命现象的复杂程度，人类的知识储备实在是太薄弱

    但是很遗憾，这种早期的乐观主义情绪却没能持续多久。回头来看，在

    释生命呢？

    被我们人类所理解的吧？我们又何苦需要一个高高在上的灵魂概念来解

    么不可思议，应该也是某些简单的机械原理驱动的吧？它应该也是可以

    演得更远一步，我们是不是也能说，生命现象不管看起来多么复杂，多

    能工巧匠真的能仿制出生物体的某些机能，也不是不可想象的吧？再推

    以假乱真地模拟出运动乃至食物消化吸收的功能，那假以时日，人类的

    却实实在在地引领了机械论生命哲学的风潮。既然简单的几根发条就能

    的排泄物从屁股那里“排”出来而已。但是这只火遍了全欧洲的机械鸭子

    张开“嘴巴”，把“吃”下去的食物存在肚子里；随后又把肚子里预先存好

    当然了，沃康松的鸭子并不是真的能消化食物。它仅仅是依靠发条驱动

    图 1-2 沃康松的机械鸭子再举一个我们耳熟能详的例子：动物从受精卵到成熟个体的发育过程。

    在上百年的时间里，人们一直没有找到办法能把机械理论和胚胎发育的

    过程自洽地融合在一起。一枚小小的受精卵能够从小变大，最终变成一

    个和父母相似的生物，这件事怎么看也不像是杠杆滑轮一类的机械系统

    能够解释的。就算假设受精卵里存着一幅生物体的设计蓝图，那总得有

    建筑师按照这张蓝图施工吧？这个建筑师又藏在哪里呢？

    在 19 世纪末，德国科学家汉斯 ? 杜里舒(Hans Driesch)更是发现了一

    个耸人听闻的现象。他收集了处于四细胞期(即受精卵经过了两次细胞

    分裂)的海胆胚胎，然后把四个细胞分裂开来单独培养。按照机械论哲

    学的预测，这四个细胞应该会分别变成海胆的一部分，拼起来才是一个

    完整的海胆。但是实验结果却是，四个细胞分别长成了体形较小，但是

    形态仍旧正常的海胆(见图 1-3)!这种奇怪的现象，如果不动用某种

    类似于“灵魂”的概念，来说明生命现象有某种凌驾于物质之上的、系统

    性的甚至精神性的规律，好像还真的不好理解。毕竟对于任何一种人类

    机械，如果大卸四块，估计都将立刻停止工作，怎么可能会变成四个个

    头较小的机械？

    41图 1-3 海胆胚胎四个细胞分离开，各自都可以长成完整的海胆

    因此说来也很无奈，在亚里士多德逝世两千年后的 19 世纪，他大多数

    具体的科学论点，比如五种元素构成世界、物体运动是因为推动力的存

    在，都已经被后辈科学家无情地抛弃或是修正了。然而他关于生命源

    自“灵魂”驱动的理论却近乎完整地保留了下来，并且以所谓“活力论”的

    形式重新成为科学主流。甚至连铁杆的机械论者笛卡儿，在谈及人类心

    智的时候还是举起了所谓“二元论”的大旗。尽管他宣称动物和人类的身

    体可以还原到基本的物理化学定律，但是在他看来，人类心智还是太过

    复杂奥妙，是无法用机械论解释的。

    当然，毕竟两千年过去了，人类的科学知识储备和亚里士多德时代相比

    不可同日而语。因此，相比自说自话的“灵魂”论，生逢其时的“活力”学

    说有了更清晰的科学基础。

    活力论的兴衰

    18 世纪，现代化学诞生了，许多原本复杂难解的自然现象得到了解

    释。法国科学家安托万 - 洛朗 ? 德 ? 拉瓦锡(Antoine-Laurent de

    Lavoisier)利用燃烧实验推翻了燃素学说。从此人们才开始明白，跳动

    的火苗、五颜六色的烟火，这些让人目眩神迷的现象，实质上只是不同

    物质和氧气的化学反应。为了解释常见化学物质的构成，拉瓦锡还从古

    希腊人那里借用了“元素”的概念，认为世间万物都是由不同元素(即不

    可再分的化学物质)组合而成的(拉瓦锡制作的第一份元素列表见图 1-

    4)。

    42

    43

    要的是，只有活酵母才能驱动发酵和变酸的反应，如果把葡萄预先高温

    的变质过程，都需要一种微小的单细胞生物——酵母——的参与。更重

    变质本质上是一回事。无论是糖到酒精的正常发酵过程，还是糖到乳酸

    的问题，因此他仔细研究了啤酒的正常发酵过程。很快他发现，发酵和

    巴斯德(Louis Pasteur，见图 1-5)受酒商的委托解决啤酒和葡萄酒变质

    稍晚些时候，生物学领域也收获了重要的突破。法国生物学家路易斯 ?

    也就是从这里开始，人们重新开始试图用还原论的思想理解生命现象。

    质就是某种特殊的化学物质，或者是某种特殊的化学反应？

    量的新元素和新化合物。因此人们自然而然地想到，也许生命现象的本

    子论的光芒照耀下，整个 19 世纪，在来自世界各地的矿藏中发现了大

    学反应的本质其实就是这些原子颗粒的重新排列组合。在元素学说和原

    子论，认为化学物质无非是不同化学元素的原子微粒组合而成的，而化

    更进一步地，英国科学家约翰 ? 道尔顿(John Dalton)天才地提出了原

    (Light)和热质(Caloric)列为元素

    要元素(例如氢、氧、硫等)。值得注意的是，拉瓦锡仍然把光

    图 1-4 拉瓦锡制作的第一份元素列表，表中列出了当时已知的许多重处理，杀死酵母，那么葡萄汁放得再久也不会发生变化。

    44

    过程，那么反过来，发酵就是只有生命才具备的化学反应。也就是说，现向前(错误地)推演了一步。他认为，既然只有活酵母才能催化发酵

    不过，对于我们的故事而言，可能更重要的是巴斯德戏剧性地把他的发

    种各样的疫苗。

    是因为有了巴斯德的伟大发现，今天的我们才有了灭菌术、抗生素和各

    人类从此开始正视这个看不见摸不着但同样生机勃勃的生物世界。也正

    病)可能都是由微生物引起的。他的这些研究标志着微生物学的诞生，从这个简单的观察出发，巴斯德推测，许多生命现象(包括许多人类疾

    个狂犬病疫苗

    了沿用至今的巴氏消毒法杀灭食物中的微生物，还制作了世界上第一

    物驱动的，而且进一步提出人类疾病也可能是微生物导致的。他发明

    图 1-5 巴斯德，微生物学之父。巴斯德不仅证明了发酵过程是由微生

    45

    1824 年，德国化学家弗里德李希 ? 维勒(Friedrich Wohler)在实验室开

    的也许恰是科学探索的百折千回和柳暗花明。

    一声丧钟的也是化学家——居然是贝采利乌斯的学生。这种巧合所反映

    而历史的巧合是，建立活力论的是化学家贝采利乌斯，给活力论敲响第

    入探索却从未停步。

    据面前曾经倒下过数不清的科学假说和思想，但是对客观世界规律的深

    和开放性。在科学的语言里，没有“自古以来”，没有“理当如此”。在证

    书。科学之所以从诞生之日起不断推陈出新，恰恰是因为它的这种勇气

    因此，和灵魂论不同，活力论简直是人类智慧对生命现象下的一道挑战

    的解释。

    西，那至少可以说活力论是一种错误的假设，我们还得继续去探寻生命

    来，如果我们“上穷碧落下黄泉”之后也没发现生物体内有任何特殊的东

    环境中出现，那我们就能够骄傲地宣称我们理解了生命的本质；反过

    特殊的化学物质或者化学反应，而这种物质或反应绝对不可能在非生物

    根据贝采利乌斯的理论，如果人类科学家确实在生命体内部找到了某种

    贝采利乌斯的活力论却是可以接受科学实验检验的。

    了人类理解生命现象的可能性，臣服于复杂难解的生命现象之下，但是

    全不同的。就像我们刚刚说到的，亚里士多德的灵魂论等于是彻底放弃

    但是，活力论虽然看起来是改头换面的灵魂论，但是两者的出发点是完

    承的生命特殊论哲学，人类对生命现象的理解居然是如此步履蹒跚。

    拿跨越两千年的灵魂论和活力论比较一下，你会发现背后有一种一脉相

    现。这些特殊的活力物质和活力反应，正是生命现象的物质基础。

    和化学反应。它们只存在于活着的生物体内部，绝不会在自然界自然出

    为“活力”的性质。贝采利乌斯认为，所谓活力就是某些特殊的化学物质

    和亚里士多德一样，贝采利乌斯同样认为生命有着独特的、被他称

    论的大旗，为这种哲学理论赋予了全新的科学内涵——活力论。

    斯(J?ns Jakob Berzelius)从亚里士多德和笛卡儿那里接过了生命特殊

    在这些学科大发展的背景之下，瑞典化学大师永斯 ? 雅各布 ? 贝采利乌

    才能进行的化学过程。

    生命和非生命的界限可能就在于许许多多类似发酵的、只有在生命体内始了一项新研究，他试图合成一种名为氰酸铵的化学物质。为此，他将

    氰酸和氨水——两种天然存在的物质——混合在一起加热蒸馏，然后分

    析烧瓶里是否出现了他希望得到的新物质。但他发现，反应结束后留在

    烧瓶底部的白色晶体并不是氰酸铵。

    到了 1828 年，他终于肯定了这种白色晶体的成分其实是尿素：

    这个结果让他困惑不已 。实际上，在此前的几年里，维勒与其说是在

    慢慢揭示这种白色晶体的成分，倒不如说他是在反复确认尿素这个发现

    的正确性。

    直到今天，我们仍然不十分清楚为何氰酸铵会自发重排成为尿素。

    据说，当确认了实验的产物明白无疑就是尿素之后，维勒兴奋地给他的老师、活力论的集大

    成者贝采利乌斯写信说：“我必须要告诉您，我能够完全不依靠动物的肾脏制造出尿素来!”而

    老师的反应是：“你干脆说你能在实验室制造出一个孩子来算了!”

    维勒如此小心谨慎不是没有原因的。因为尿素——顾名思义，是一种从

    动物尿液中纯化出的物质——是一种不折不扣的仅有生物体才能合成

    的“活力”物质!换句话说，维勒的意外发现证明，所谓的活力物质——

    或者至少某些活力物质——没有什么神秘的，完全可以直接利用天然存

    在的物质简单方便地制造出来。

    当然，和所有违反常理的发现一样，维勒的实验结果遭遇了全方位的质

    疑和挑战。其中最有趣的一种是怀疑维勒在做试验过程中不小心接触到

    了烧瓶里的反应物质，从而把自身的“活力”传了过去(我们可以想象，这确实是一种逻辑上自圆其说、无法证伪的解释)。不过在维勒之后，越来越多的“活力”物质被化学家合成了出来。1844 年，受到维勒实验鼓

    舞的德国化学家赫曼 ? 科尔伯(Hermann Kolbe)合成了第二种“活力”物

    质——醋酸。之后越来越多的化学家在实验室的瓶瓶罐罐里制造出了花

    样繁多的“活力”物质，活力论的阵脚开始松动了。

    其实如果从逻辑上说，维勒的尿素合成和科尔伯的醋酸合成本身并不能

    说明生物体内就不存在活力物质和活力反应。反对者完全可以修改对活

    1

    2

    1

    2

    46

    47

    地球大气。米勒还在烧瓶里不断点燃电火花，模拟远古地球大气的闪

    拟沸腾的海洋。他还在装置里通进氢气、甲烷和氨气，模拟上古时代的

    置(见图 1-6)。他在一个大烧瓶里装上水，点上酒精灯不断加热，模

    根据当时人们对原始地球环境的猜测，米勒搭了一个略显简陋的实验装

    远古地球环境中，各种“活力”物质能否自发地出现。

    比单纯在实验室里合成某种“活力”物质要激进得多。他的希望是检验在

    里，构成生命的物质能否从无到有地自然产生。可以看出，米勒的目标

    米勒的野心是在小小的实验室里模拟原始地球的环境，看看在那种环境

    来也有点科幻色彩的实验。

    化学奖获得者哈罗德 ? 尤里(Harold Urey)，设计了一个即便在今天看

    地球生命的起源问题产生了浓厚的兴趣。他说服了自己的导师、诺贝尔

    1952 年，美国芝加哥大学的博士新生斯坦利 ? 米勒(Stanley Miller)对

    的，是大名鼎鼎的米勒 - 尤里实验。

    真正为灵魂论和活力论钉死棺材板，在物质层面彻底葬送生命特殊论

    烧瓶里的原始地球

    理和化学规律去解释整个生命现象呢？

    物理化学现象并没有什么明确的界限？或者，为什么不干脆用已知的物

    既然如此，那为什么不干脆一些，假设生命现象本质上和自然界发生的

    和醋酸的过程就不再需要这种假设了。

    于生物体内部的东西才能解释生命的某些活动了——至少生物制造尿素

    可能在实验室重建出来。这样的话，我们就不一定需要借助某种仅存在

    量制造，那么生产这些“活力”物质的化学反应过程应该也不神秘，完全

    道理是显然的，既然尿素和醋酸这样的“活力”物质在实验室里也可以批

    口。

    但是站在历史的进程中看，人类又一次走到了解释生命现象的十字路

    生命体内独有的化学反应。

    山真面目。这正是为什么在此之后巴斯德仍然会(错误地)认为发酵是

    质，真正的活力物质仍然隐藏在生命体复杂的活动之后，不轻易露出庐

    力物质的定义，认定能被轻易合成的尿素和醋酸根本就不是什么活力物电。实验的真实情景可以想象：在酒精灯的炙烤下，“海水”不断蒸腾，浓密的水蒸气升入“大气”，形成厚厚的云层。浓云中雷鸣电闪，暴雨倾

    盆，又在不断搅动沸腾的“海洋”。这套简单的装置，可以说是米勒对原

    始地球环境一种非常简单、非常粗糙的还原。

    48

    说氨基酸分子是构成地球生命的基石，一点也不为过。

    结构、传递细胞信号、复制和翻译遗传信息、产生和消耗能量，等等。

    过 10 亿个蛋白质分子驱动着几乎全部生命所需的化学反应：支撑细胞

    重的 20%，仅仅少于水分所占的比例。在人体的每一个细胞里，都有超

    什么？蛋白质是组成地球生命的重要物质，人体内蛋白质分子占到了体

    的蛋白质分子，都是由 20 种氨基酸分子排列组合而成的。而蛋白质是

    众所周知，氨基酸是构成蛋白质分子的基本单位。地球上所有生命体中

    全新的化学物质，甚至包括五种氨基酸分子!

    水”进行分析的时候，结果还是大大出乎他的意料。海水中出现了许多

    心理准备，当一周之后米勒停止加热，关掉电源，从烧瓶里取出“海

    是变成了淡淡的粉红色，一定有某些全新的物质生成了。即便有这样的

    短短一天之后，某些奇怪的事情就发生了——烧瓶里的水不再澄清，而

    复，从而模拟了原始地球海水沸腾、电闪雷鸣、暴雨倾盆的情景

    水在通电的气体烧瓶(左上)和加热的液体烧瓶(右下)之间循环往

    图 1-6 著名的米勒 - 尤里实验(Miller-Urey experiment)。米 勒让

    49

    也正因为这一点，许多生物学家干脆倾向于避免给生命下一个边界明确

    越难以确定生命的定义。

    物质，接着是化学反应，随后可能是法则和定理——我们好像反而越来

    理。然而随着越来越多的生命现象能够被人工重现或模拟——一开始是

    是某几条仅有生命中才存在、超脱于基本物理和化学规律之上的法则定

    生产的化学物质，或者是某些只有生物体才能驱动的化学反应，又或者

    机和活力的“灵魂”。后来我们认为，生命的本质是某些仅有生命体才能

    本来我们以为，生命的本质是某种看不见摸不着、但能够赋予生物体生

    学定律，生命和非生命之间的界限在不断模糊。

    抛弃生命特殊论，一步步将神秘莫测的生命现象还原到基本的物理和化

    从灵魂论到活力论，从尿素合成到米勒 - 尤里实验，随着我们一点点地

    生命是什么

    成为许多孩子认识生命现象的第一课。

    过成千上万次。烧瓶里沸腾翻滚的液体，不时击穿浓浓烟雾的电火花，作为经典的自然课演示实验，米勒 - 尤里实验在全世界的课堂上被重复

    这样的条件下，只需要加一些限定，仍然可以很快地制造出氨基酸。

    是错误的。当然，后来的科学家(包括米勒的学生)也证明了即便是在

    硫、硫化氢、二氧化碳和氮气更多。因此米勒 - 尤里实验的基本假设就

    于认为早期地球大气根本没有多少氨气、甲烷和氢气，反而是二氧化

    生命的物质并非一件很困难的事情。但是另一方面，今天的研究者倾向

    ——甚至可能多至三四十种。这一发现更强有力地说明了制造构成地球

    留下的烧瓶样本，证明其中含有的氨基酸种类要远多于最初发现的五种

    问题的。在 2007 年米勒去世后，他的学生仔细分析了 20 世纪 50 年代

    当然，用今天的眼光看，米勒 - 尤里实验的设计和解读是有不少缺憾和

    也好，瞬间变成了多余的假说。

    上，包括人类在内的地球生命，并没有什么特殊之处。灵魂也好，活力

    象了？既然如此，我们哪里还需要生命特殊论？至少在物质构成的角度

    命所需的所有物质，乃至创造出生命本身，是不是也就不是那么难以想

    间尺度里，从无到有地构造出生命现象蕴含的全部化学反应，制造出生

    酸，那么在几十亿年前的浩瀚原始海洋里，在数千万年甚至上亿年的时

    米勒只需要短短一周，就在一个容量不过几升的瓶子里制造出了氨基

    50

    锐地提出，生物体需要不停地从环境中攫取“负熵”，才能避免死亡和衰

    种“非周期性晶体”，而遗传变异则可能是“基因分子的量子跃迁”。他敏

    提到生命活动需要“精确的物理学定律”，他设想生命的遗传物质是一

    定律，但是这些新定律绝不会违背物理学规律。遵循这个观念，薛定谔

    薛定谔雄辩地指出，尽管在高度复杂的生命体中很可能会涌现出全新的

    版了著名的《生命是什么》一书(见图 1-7)。在这本“跨界”作品里，基人之一、波动方程的创造者埃尔文 ? 薛定谔(Erwin Schr?dinger)出

    这其中的道理被一位物理学家总结得透彻无比。1944 年，量子力学奠

    我们自己的所学还远不足以理解这些原理。

    备，明白人类的科学进步足以支撑这些复杂装置背后的运行原理，哪怕

    我们比百年前的祖先更聪明睿智，而是因为我们拥有了一定的科学储

    化学定律，并不需要什么神秘的“灵魂”和“活力”。这并不是因为今天的

    船，我们也可以自信地判断，它们的运行一定遵循着这个世界的物理和

    哪怕是面对世界上最复杂的人造物体——波音飞机、核电站或是神舟飞

    人的魂魄，乃是洋鬼子造来害中国人的神兵利器，等等。但是在今天，机时的惊慌失措，也记录了许多流传于市井的谣言。例如这东西能吸取

    一件非常危险的事情。历史文献里记载了许多当年的达官贵人在面对相

    例如，在清朝末年的时候，想要给中国人解释照相机的工作原理可能是

    现象完全可以被我们所能理解的科学所解释。

    解生命还有很遥远的距离，但是我们的科学知识储备让我们相信，生命

    神秘存在——不管是灵魂还是活力——的帮助了。尽管我们距离真正理

    我们在面对仍旧复杂难解的生命现象时，不需要再不由自主地祈求某种

    还差得远呢。不过我们还是得说，科学的进步给了我们足够的自信，让

    象的解构仅仅到了物质层面，距离真正理解生命现象背后的运行原理，必须承认，在我们的故事里，讲到米勒 - 尤里实验为止，我们对生命现

    辆的摄像头又算什么？

    办？如果说生命的本质是对环境做出反应，那自动抓拍超速和闯红灯车

    命的本质是自我复制，万一我们造出一套能打印自己的 3D 打印机怎么

    续的能量和物质交换，那一台呜呜作响的蒸汽机是不是生命？如果说生

    证明是错误的活力论。如果说生命的本质是新陈代谢，是与环境之间持

    这样一个定义，反倒会让科学研究束手束脚——最好的例子就是已经被

    是“活的”，也自然会把树和猫作为生物学的研究对象。相反，非要给出

    象。毕竟，不需要什么严谨的科学定义，我们也都知道一棵树或一只猫

    的科学定义。在他们看来，有没有这个定义根本不影响我们研究生命现退。而此后半个多世纪的生物学突破(在随后的章节里我们将一一道

    来)一直在印证薛定谔的自信预言。

    51

    的是，从灵魂论到活力论，从尿素合成到米勒 - 尤里实验，从薛定谔的

    力的神秘物质和规律。这听起来似乎有点危险，不过能让我们稍稍放心

    须首先假定生命是可以被我们理解的，生命现象里没有超越我们认知能

    我们希望最终理解生命，理解我们自己。而为了实现这个愿望，我们必

    这种自信，可能也是到此为止我们的故事里最大的收获。

    革命

    本书也吸引了大量物理学家进入生物学领域，间接催生了分子生物学

    物，例如德尔布鲁克和克里克，都承认受到了这本书的巨大影响。这

    书深刻影响了此后数十年的生物学研究。分子生物学的许多先驱人

    图 1-7 1948 年版的《生命是什么》。作为外行的薛定谔，凭借这本预言到今天，这个假定还看不到有被挑战和推翻的迹象。只有当人类最

    终完全理解生命现象之后，我们才可以回头骄傲地宣称，生命现象已经

    被人类智慧所征服，我们终于不再需要这个假定了!

    这一天仍旧遥远，但是我相信它终将到来。

    52

    53

    以看作一维线性的：四种核苷酸分子的排列顺序形成了某种“密码”，记

    成单元只有区区四种核苷酸分子。而且和蛋白质不同，DNA 的结构可

    信息的载体，DNA 分子的化学性质其实比蛋白质分子更简单。它的组

    似，DNA 也是由许多个单体分子首尾相连形成的链条。但是作为遗传

    着来自祖先的遗传印记，也决定了它自己的独特性状。和蛋白质分子类

    心翼翼地珍藏了一组 DNA 分子。对于每一个细胞而言，DNA 分子代表

    几微米的细菌，还是人体内上百万亿个细胞，在这些细胞的深处，都小

    ——地球上绝大多数生命体用来存储遗传信息的物质。不管是直径只有

    另一个很好的例子则是 DNA(deoxyribonucleic acid，脱氧核糖核酸)

    细菌或者其他微生物来帮助我们批量生产想要的蛋白质分子。

    制，这条链还不能太长)。与此同时，我们也可以用更巧妙的方法，让

    分子。如今已经有商业化的机器可以完成这项任务(当然，受到技术限

    子。牛胰岛素是一个由 51 个氨基酸、两条氨基酸链组合而成的蛋白质

    我们耳熟能详的中国科学家人工合成牛胰岛素的工作就是一个很好的例

    基酸单体为原料，组装出这样的精密分子机器。

    而在今天的实验室里，我们已经可以利用化学合成的方法，以 20 种氨

    一丁点三维结构的变形，都可能彻底毁掉这台分子机器。

    别的三维结构。在一个蛋白质分子中，哪怕有一个氨基酸装配的错误、蛋白质分子就像精密设计的微型分子机器，它们的功能往往依赖这种特

    酸长链在细胞内折叠扭曲，像绕线团一样，形成复杂的三维立体结构。

    几十个多则几千个氨基酸分子按照特定的顺序首尾相连而成。这条氨基

    最重要的驱动力，是绝大多数生物化学反应的指挥官。它们一般由少则

    一个例子是蛋白质分子的制造。我们已经讲过，蛋白质分子是生命现象

    里，我们更是可以轻而易举地制造出地球生命体内最复杂的物质。

    成地球生命大厦的砖头瓦块，应该都不是什么难事。在今天的实验室

    看起来不管是在实验室的烧瓶里，还是在远古地球的环境中，制造出组

    从维勒的尿素到米勒的烧瓶，建造生命的原材料问题得到了部分解决。

    从砖头瓦块到生命大厦

    第 2 章 能量：生命大厦建筑师载着决定生物体性状的信息——从豌豆种子的颜色，到人类的相貌、身

    高和智力。我们在接下来的故事里会讲到，DNA 密码的书写规则其实

    很简单，三个相邻的核苷酸形成一个密码子，决定了蛋白质分子中一个

    氨基酸的身份。

    我们现在已经可以用化学合成的方法组装出一段 DNA 分子，或者动用

    天然存在的 DNA 复制机器——DNA 聚合酶——组装 DNA 分子。在美

    国科学家克雷格 ? 文特尔(Craig Venter)的实验室里，人们甚至已经可

    以合成一种微生物(丝状支原体)的整套 DNA(见图 2-1)，并用这段

    长达 107 万个核苷酸分子的环形 DNA 彻底替代了丝状支原体原本的遗

    传物质。这项成就被称为“合成生命”的起点。而如果仅仅考虑合成

    DNA 的长度，人类还可以走得更远。例如，2017 年初，美国哥伦比亚

    大学的科学家人工合成了总长度达到 1440 万个核苷酸分子的 DNA 链，并且利用 DNA 编码规则，在里面存储了一整套计算机操作系统和一部

    法国电影!

    54

    杂生命物质的能力得到了飞速提升，但这些进展并没有真正帮助我们理

    尽管从尿素合成、米勒 - 尤里实验到人造蛋白质和 DNA，人类制造复

    吗？并没有。

    能在实验室创造如此复杂的生命物质，那生命的本质就此得到解释了

    细胞内原本的 DNA。在此 DNA 的指导下，全新的合成生命诞生了

    状支原体的整套 DNA 分子，在精简至 473 个基因后，用它彻底替换了

    图 2-1 合成生命 3.0(Syn 3.0)。文特尔和合作者人工合成了这种丝

    55

    了。换句话说，如果你手里有一堆氨基酸和核苷酸单体分子，每次抓一

    的，这样组装出来的蛋白质和 DNA 在绝大多数时候什么事情都干不

    的顺序的。把一堆氨基酸或者核苷酸分子随意地拼接在一起是没有意义

    其次是从信息角度。无论是蛋白质还是 DNA，它们的组装是有着严格

    的能量储备都用来支持蛋白质组装了!

    空间，让机械手装配下一个氨基酸。粗略估计一下，一个细胞中 95%

    的旁边，最后组装好的半成品蛋白质再沿着流水线向下移动一格，腾出

    每个氨基酸单体首先要被机械手抓取，然后准确地安放在上一个氨基酸

    白质是按照氨基酸顺序进行装配的，场面有点类似组装汽车的流水线。

    生命的体内，把单个氨基酸串在一起形成蛋白质需要消耗很多能量。蛋

    我们可以从几个不同的角度理解这种困难。首先是从能量角度。在地球

    是一件非常困难的事情。

    不是。让氨基酸和核苷酸单体分子组织在一起变成蛋白质和 DNA 链，是件容易的事情？

    题是：在远古地球的环境里，氨基酸和核苷酸分子自发连成长串，是不

    分子才能形成长链，存储复杂的遗传信息。因此我们可能更需要问的问

    叠成三维的分子机器，推动生物化学反应的进行；也只有这样，DNA

    DNA 分子才能发挥真正的生物学功能。只有这样，蛋白质分子才能折

    物体中，大量的氨基酸和核苷酸要按照某种特定顺序组装成蛋白质和

    酸这样的有机小分子应该并不是特别困难。但是根据上面的描述，在生

    尤里实验我们知道，在远古地球的环境中，自发出现诸如氨基酸和核苷

    为了说明这个问题，我们不妨先考虑一个相对简单的情形。通过米勒 - 这条界限在哪里呢？

    限。

    物质和生命现象之间一定存在着一条虽然不为人知、却难以逾越的界

    保留下来了，但是生命现象却仍然不可逆转地消失了。换句话说，生命

    不行。反过来，当生物死亡的时候，组成它的生命物质可能原封不动地

    成生命。一瓶蛋白粉不会自己变成花花草草——即便混了 DNA 进去也

    因为常识告诉我们，一大堆生命物质简单地混在一起，并不会自然地变

    解生命是什么以及生命从何而来的问题。把丢进魔法师的礼帽里让他们随机拼接，可能试到地球消失的那一天也

    拼不出生物学上有意义的蛋白质和 DNA 来，其难度大概和猴子随机敲

    键盘打出莎士比亚的《哈姆雷特》差不多。

    其实说到这里，有些敏锐的读者可能会意识到，能量和信息说的其实是

    同一件事。按照我们这个世界运行的基本原理，从混乱(单个氨基酸和

    核苷酸的混合物)中产生秩序(氨基酸和核苷酸按照特定顺序组装起

    来)，本身就是极其困难的事情。

    依据热力学第二定律(见图 2-2)，任何一个孤立系统的混乱程度——

    物理学家更喜欢用“熵”这个物理量来表述——总是在增大的。通俗的解

    释就是，如果无人照管，高楼大厦会被风雨侵蚀慢慢破败，乃至倾颓成

    砖头瓦砾；一个崭新的玻璃杯在使用过程中会慢慢磨损划伤，最终在一

    次意外中碎成玻璃碴。当然了，在混乱度持续增大的历史潮流中也可以

    有浪花和逆流：猴子如果敲击键盘足够多次，也能凑巧一次拼出莎士比

    亚的剧本；给足时间和空间，物质颗粒在亿万次的随机碰撞中也完全可

    能偶然拼凑出生命现象来。但是这样随机诞生的生命一定是昙花一现

    的。在热力学第二定律的指挥下，这座随机诞生的生命大厦，也会像一

    座无人维护的高楼一样，逐渐陈旧下去，直到墙皮剥落，窗棂朽坏，梁

    柱倾颓。

    56

    57

    内各种各样的现象究竟是怎么被驱动的。

    20 世纪初，一群生物学家开始关注这个问题。他们关心的正是生物体

    所驱动，利用环境里现成的砖头瓦块，建造生命大厦的呢？

    果真的存在生命大厦建筑师的话，它们是怎样被这些环境中存在的能量

    但是这些环境中的能量究竟是如何被生命现象所利用的呢？或者说，如

    等。这些物质与周遭的海水迅速反应，也释放出了大量的能量。

    热量，也带来了来自地底的化学物质：氢气、硫化氢、甲烷、氨气，等

    一。在大洋底部，从岩石裂缝中喷涌而出的热泉不光带来了地球深处的

    所能利用的太阳能加在一起，也仅是抵达地球的太阳能总量的千分之

    外远道而来的太阳光是取之不尽的能量来源。直到今天，全部地球生命

    当然了，在这个宇宙里、这颗星球上并不缺乏能量。从一亿五千万千米

    呢？

    工作，装配出复杂的蛋白质和 DNA 分子，从无到有地修筑起生命大厦

    名言“有机体以负熵为生”。那么，是什么能量驱动了这台建筑师机器人

    而不违反热力学第二定律。这也正是薛定谔在《生命是什么》一书中的

    子。如果存在外界能量的注入，一个局部系统的混乱度确实也可以下降

    没错。热力学第二定律确实给生命现象的稳定存在开了一个小小的口

    擒来的事情吗？

    意了。有了这样一台机器人，不管是建新楼还是维护老楼，还不是手到

    器臂，其实就已经在为我们这样制造汽车、电冰箱等各种各样的复杂玩

    这种机器人，但是理论上是非常可行的啊!今天很多工厂生产线上的机

    块，搅拌水泥，上梁装瓦，不就能盖楼了吗？虽然我们现在还造不出来

    台“建筑师”机器人，能够按照预先存入的建筑蓝图，有条不紊地搬运砖

    也许你会说：砖头变成大厦有啥不可能的？我们完全可以想象有那么一

    以负熵为生

    多数情况下，它们会横七竖八地乱堆一地

    扔砖块，这些砖块凑巧变成一堵整整齐齐的墙的概率是极低的，在大

    均匀，最终达到最大的混乱度。下面是另外一个比喻：一个人随手乱

    不乱，但是随着时间推移，小球不断地随机运动，会逐渐趋向于混合

    是不断增大的，就像图里两种颜色的球，即便在一开始泾渭分明一丝

    图 2-2 热力学第二定律的形象表达。一个封闭系统的混乱度(熵)总他们首先关注的对象是动物肌肉的运动。这是一个非常自然的选择，毕

    竟，没有什么比肌肉强有力的伸缩更能直观反映生命现象所需的能量来

    源了。

    人们很快确认，肌肉收缩应该是某种化学反应驱动的。德国科学家奥托

    迈尔霍夫(Otto Meyerhof)和阿奇博尔德 ? 希尔(Archibald Hill)利

    用精密的化学测量方法证明，培养皿里的青蛙肌肉纤维仍然可以利用葡

    萄糖作为能量进行持续收缩。在此过程中，葡萄糖分子被转化成一种叫

    作乳酸的物质，就是那种能让人在剧烈运动之后感觉肌肉酸痛的物质。

    看起来，葡萄糖转化为乳酸的化学反应过程似乎能够释放出生物体可以

    利用的能量来驱动肌肉收缩。更美妙的是，作为能量源头的葡萄糖本身

    并不难得，动物完全可以从食物中获取。要知道，在面包、米饭、玉

    米、土豆里，最不缺的就是由葡萄糖分子聚合而成的淀粉。

    因此接下来的问题就清楚了：在葡萄糖转化成乳酸的化学反应中，能量

    是怎样释放出来的，以什么形式存在，最终又是怎样被转移到各种生物

    过程(例如肌肉收缩)中去的呢？

    到 20 世纪 40 年代，随着人们开始了解各种各样完全不同的生物过程

    ——从青蛙肌肉的收缩到乳酸菌的呼吸作用——人们开始意识到，对于

    地球现存的所有生物来说，不管长相有多么不同，不管是长在高山还是

    深海，不管是肉眼看不见的细菌还是体形巨大的动物植物，对能量的使

    用方法其实都是完全一样的。

    在生物体内，化学反应释放的能量首先被用来合成一种叫作三磷酸腺苷

    (adenosine triphosphate，ATP，见图 2-3)的分子。之后这种蕴含能量

    的分子再去驱动各式各样的生物化学反应。通俗地说，ATP 就是地球生

    命通用的能量“货币”。

    58

    59

    有了货币，我们就不需要总是拿山羊兑换斧头，用谷物兑换兽皮了。我

    而我们当然也能立刻想到，货币的出现是人类经济发展的重要里程碑。

    很像我们日常生活中使用的货币？

    也可以重新带上一个磷酸基团，变回能量满满的 ATP。这个属性是不是

    内部的化学能就会被释放出来。而反过来，当能量富余的时候，ADP

    成二磷酸腺苷(adenosine diphosphate，ADP，见图 2-3)，蕴含在分子

    生产的循环。当生命需要能量的时候，ATP 可以脱去一个磷酸基团，变

    能量。实际上在人体中，每一个 ATP 分子每天都要经过两三千次消费 - 在“高能量”和“低能量”两种状态里无休止地循环往复，为生命现象提供

    间无穷无尽地交流。和货币一样，ATP 分子也不会被消耗，它只会

    取货币。在此过程里，货币本身不会被消耗，只是在生产者和消费者之

    候，我们用货币交换商品；需要货币的时候，我们再用劳动或者资产换

    环的属性。我们知道，货币的价值是在流通中体现的：需要买东西的时

    之所以叫它“货币”，是因为这种物质和货币一样，有一种奇妙的自我循

    图 2-3 ATP 的化学结构。它可以分解为 ADP 并释放出能量们可以把所有富余的货物兑换成货币存储起来，然后在需要的时候购买

    急需的货物。

    类似地，“能量货币”的出现也是生命演化历史上的一次飞跃。有了通用

    的能量货币 ATP，地球生命就可以将环境中的各种能量——从太阳能、化学能，到来自食物的能量——兑换成 ATP 储存起来，然后供给生命

    活动的各个环节了(见图 2-4)。换句话说，ATP 大概就是生命大厦建

    筑师所需的柴油和电力。只要再进一步，解释一下地球生命到底是如何

    生产能量货币 ATP 的，生命大厦建筑师的真相就清楚地揭示在我们眼

    前了。

    60

    到，这个过程其实和巴斯德研究过的啤酒变酸的过程是一回事：一个葡

    在肌肉收缩的过程中，葡萄糖可以变成乳酸并释放能量。后来人们意识

    初看起来，情形确实是值得乐观的。早在 20 世纪初，人们就已经知道

    约 40 亿年前最初在地球上出现的时候，到底是什么模样的!

    到底是怎么被生物体生产出来的，也许就能够猜测出，我们的祖先在大

    ATP 为自己提供能量的。既然如此，如果我们真的能够解释清楚 ATP

    币，那么一个顺理成章的推测就是，地球生命的共同远祖也一定是用

    更让所有人兴奋的是，既然 ATP 是地球现今所有生命的通用能量货

    去了

    了货币，我们就不需要在缺粮食的时候心急火燎地牵一头羊到市场上

    ATP，生命的能量来源和能量去向就可以在时空上分离开来。就像有

    ATP 的形式暂时存储起来，然后再用于各种生命必需的活动。有了

    外界的能量(太阳能、化学能、来自食物中营养物质的能量等)以

    中的能量转移摆脱了“以物易物”的状态，能够以 ATP 为媒介，将来自

    图 2-4 所有现存地球生命的通用能量货币 ATP。ATP 的出现让细胞萄糖分子转变成两个乳酸分子，同时产生了两个 ATP。也就是说，高等

    动物的肌肉细胞和会让啤酒变质的微生物(后来知道是乳酸菌)居然共

    用了同一套 ATP 产生机制，而且这个机制是一个纯粹的化学反应过程

    (见图 2-5)。

    61

    ATP 再去为各种各样的生物化学反应提供能量的过程嘛。

    硫化氢这样的无机物——通过化学反应释放能量，合成 ATP，然后

    情了。无非是某些营养物质——可以是葡萄糖这样的有机物，也可以是

    因此这样看来，为生命大厦的建筑师找到能量来源似乎是水到渠成的事

    无机物(例如硫化氢和铁离子)来生产 ATP。

    的过程。自然界还有很多奇奇怪怪的微生物，甚至还能够利用环境中的

    分子转化为两个酒精加两个二氧化碳，同时伴随产生了两个 ATP 分子

    德研究过的啤酒酿造，其实就是某些微生物(酿酒酵母)将一个葡萄糖

    之后，人们又陆续发现了更多产生 ATP 的化学反应过程。比如，巴斯

    此，这里面的每一步都很精确也很“化学”

    定地释放出一些能量，这些能量又随即用于能量货币 ATP 的生产，因

    分子，并产生两个 ATP。在这个过程中，由于化学键的拆解组装会固

    图 2-5 肌肉细胞中的乳酸发酵过程。一个葡萄糖分子转变为两个乳酸

    62

    产出的 ATP 数量难道不该是一个恒定的整数吗？

    可以精确测量的。那么按理说，在同样的实验条件下，一个葡萄糖能生

    化学反应中，每一个化学键的拆开和组合所能释放或者消耗的能量也是

    这就太不可思议了。制造每一个 ATP 所需要的能量是清清楚楚的，在

    萄糖分子分解释放能量的效率还可能不一样!

    是整数，而是有整有零的!也就是说，在同样一个反应体系里，每个葡

    家试图精确测量 ATP 的产出效率的时候，还经常发现这个数字居然不

    左右的 ATP 就算是幸运的了，低到 28 个也不稀奇。更要命的是，当大

    币，恰好等于理论估计的最大值。但是发挥不好的时候，能制造 30 个

    滴水不漏，每个葡萄糖分子都被彻底分解，可以制造出 38 个 ATP 货

    子产生的 ATP 分子数量居然不是恒定的。发挥好的时候，能量传递得

    这个游戏最让人迷惑的地方在于，随着实验条件的变化，每个葡萄糖分

    活到 20 世纪 60 年代，竟然还是无从着手。

    结果这个看起来简单的数字游戏，让生物学家从 20 世纪 40 年代一直忙

    化学渗透：生命的微型水电站

    出的 ATP 分子数加起来等于 38 就可以了。

    子。那么最终无非就是一个简单的数学问题而已：只要每一步反应制造

    在每一步反应中，化学键的拆装释放出的能量可以制造若干个 ATP 分

    葡萄糖→乳酸→ X + Y → Z + W →…→水 + 二氧化碳

    已。我们完全可以设想这样的化学反应过程：

    续分解成水和二氧化碳，在此过程中释放能量制造剩下的 36 个 ATP 而

    葡萄糖分解为乳酸或酒精能够制造两个 ATP，那么无非是乳酸或酒精继

    但是看起来无论如何，最终答案的揭晓似乎仅仅是个时间问题了。一个

    变出来的，才算是完全揭示了生命现象的能量来源问题。

    生物学家还需要解释这多出来的 36 个 ATP 分子究竟是怎么从葡萄糖里

    的变化，释放出的能量理论上能生产多达 38 个 ATP 分子。也就是说，糖分子能被彻底分解为二氧化碳和水。如果核算一下在此过程中化学键

    潜力绝不仅仅是区区两个 ATP 货币。在氧气充足的条件下，一份葡萄

    当然，实际情况要比这个解释“稍微”复杂一点。就拿葡萄糖为例，它的生物学家当然不甘心在如此接近生命秘密的地方停下脚步。在那 20 年

    里，他们尝试了不计其数的解决方案，测量了无数次葡萄糖分解的化学

    反应常数。在解释生命活动能量来源的“最后一公里”征程上，不知道留

    下了多少前仆后继的生物学家的悲伤和无奈。

    到最后，这个问题在 20 世纪 60 年代被一位天才科学家用一种匪夷所思

    的方式圆满解决了。天才的名字叫彼得 ? 米切尔(Peter Mitchell，见图

    2-6)，而他提出的解决方案叫作化学渗透(chemiosmosis)。简单来

    说，米切尔的宣言是，生物体制造 ATP 的过程根本就不是个化学问

    题!你们在化学键的拆装里寻找答案，压根儿就是误入歧途。

    63

    透理论来解读社会现象。1978 年，他的理论帮助他加冕诺贝尔化

    求证明。在科学研究之外，米切尔还经常饶有兴致地用他的化学渗

    所(Glynn Research Laboratories)——继续为他的化学渗透理论寻

    在自己的乡间别墅成立了一家彻底的民间科学机构——格莱恩研究

    修他的乡间别墅上。而在 1965 年，不甘就此沉沦的他自掏腰包，不半被迫地在 1963 年辞去了教职，回到乡下，把精力主要花在整

    了惊世骇俗的化学渗透理论，从此不见容于主流学术界，甚至不得

    教，这一段人生旅途一帆风顺。但是 1961 年他在 41 岁的时候发表

    了良好的精英教育。31 岁获得博士学位，35 岁到爱丁堡大学任

    彼得 ? 米切尔的一生就是一部传奇。1920 年出生，家境优渥，受到

    图 2-6 彼得 ? 米切尔

    64

    待不下去，只好辞职回家侍弄花草，还顺手整修了家乡的一座乡间别

    你给我展示一下看看!被群起而攻之的米切尔甚至一度被逼得在学术界

    什么？你说的发电机又长啥样？你不是还说水坝？有水坝就有水位差，物学家的反应可想而知——水电站？蓄能发电？请问你，你说的水泵是

    他的整篇文章除了猜测和推断之外，没有给出任何实验数据的支持。生

    1961 年，米切尔在著名的《自然》杂志发表了这个奇特的理论。可是

    ATP。

    度的氢离子通过细胞膜上的蛋白质机器反方向流出，驱动其转动产生

    来，逐渐积累起电化学势能。之后，在生命活动需要能量的时候，高浓

    糖)的分解产生能量，能量驱动带正电荷的氢离子穿过细胞膜蓄积起

    这个过程可以简单地描述为：首先，生命体利用营养物质(特别是葡萄

    动产生 ATP 的蛋白质机器罢了。

    装的水力发电机不是傻大黑粗的钢铁怪物，而是一个能够让带电离子流

    离子)；筑起大坝的不是钢筋混凝土而是薄薄的一层细胞膜；水坝上安

    是 ATP；往复流动产生能量的不是水而是某些带电荷的离子(特别是氢

    电。而在生命体内也是一样分成两步，只不过能量的存储形式不是电而

    发电可以分成两步，首先是晚间用电抽水蓄能，然后是白天开闸放水发

    了方向!制造 ATP 的过程和电站蓄能发电的原理是一样的。电站蓄能

    在米切尔看来，辛辛苦苦地去寻找什么未知的化学反应，压根儿就走错

    的水抽回坝内，将电能重新转化成重力势能，供白天发电使用。

    上，水电站就利用比较便宜的电价反其道而行之：开动水泵，把低水位

    飞流直下，带动水力发电机涡轮旋转，重力势能转化为电能。而到了晚

    能发电赚取差价：白天的时候，水电站开闸放水，水库中高水位的蓄水

    价，晚间用电总是要便宜不少。因此有些水电站就利用这个时间差来蓄

    了，广播停了，大部分工厂也都下班了。因为供过于求，相比白天的电

    我们知道，一般来说，夜间的用电量总是要比白天小得多。毕竟灯关

    用水力发电的过程类似。

    看来，生物利用营养物质兑换能量货币 ATP 的过程，其实就和人们利

    其实很像中学物理课本里讨论过的一个场景——水力发电站。在米切尔

    这是一个远在传统生物学家想象力之外的全新世界。米切尔提供的解释

    对手，而是因为它的对手最终都死了。我想他说错了。”

    普朗克说过，一个新的科学想法最终胜利，不是因为它说服了它的

    学奖，在演讲中，他说了这么一句意味深长的话：“伟大的马克斯 ?墅。

    但是和古往今来那些命运悲惨的政治异类、宗教异类、文艺异类不一

    样，科学探索有一个亘古不变的原则保护了米切尔这个科学异类。这个

    原则就是，再大牌的权威、再传统的主张、再符合直觉的世界观，都必

    须符合实验观测的结果，否则没有力量救得了它。

    很快，大家开始意识到米切尔这个离经叛道的假说的价值了。

    就像米切尔的微型水电站模型所预测的那样，人们发现，在动物细胞的

    能量工厂——一种叫作线粒体的微型细胞机器中，确实存在极高的氢离

    子浓度差。跨越线粒体内层膜，仅仅几纳米的距离跨度就有上百毫伏的

    氢离子浓度差，这个差别堪比雷雨云和地面之间的电荷差别。这个发现

    开始动摇部分反对者的信心：因为除了米切尔理论中的假想水坝，实在

    难以想象细胞为什么需要小心翼翼地维持如此危险的高电压。

    与此同时，在米切尔的模型里，葡萄糖飘忽不定的 ATP 生产效率压根

    儿就不再是个问题了。要知道，抽水蓄能和开闸发电，本质上是完全独

    立的两件事。抽水蓄能之后，到底开不开闸、开多久、放多少水、发多

    少电，那都是水电站可以自由决定的事情了。如果当天需求大，电价

    高，就多放一点水来发电；否则就少放一点，等过几天再说。细胞内的

    微型水电站也可以根据细胞内的能量需求来决定生产 ATP 的效率。

    28~38，这组让生物化学家无比抓狂的数字，就这么轻松地得到了解

    释!

    而最具决定性的证据也许是米切尔推测的那台水力发电机——这个一开

    始被错误地命名为“ATP 酶”，后来一般被称作“ATP 合成酶”的蛋白质

    ——在 1994 年终于露出了庐山真面目。这一年，米切尔的英国同行约

    翰 ? 沃克(John Walker)利用 X 射线衍射技术看清了 ATP 酶的真实结

    构(见图 2-7)，它甚至比人们最激进最科幻的想象还要美!这个微型

    蛋白机器的功能和外表都酷似一台真正的水力发电机。它的核心部分是

    由三个叶片均匀张开构成的“齿轮”，这个齿轮和一个细管相连。当高浓

    度的氢离子汹涌通过细管时，就会带动叶片以每秒钟上百次的速度高速

    旋转，从而生产出一个个 ATP 分子来。

    65

    66

    不是说建造生命大厦需要能量吗？不是说砖块已经齐备，就差动员建筑

    至此，生命大厦的能量来源问题得到了圆满的解决。

    生命来自热泉口

    计!

    慧，在原始地球的某个角落，居然诞生了让人叹为观止的伟大“工业”设

    这当然也可以看作对生命奇迹的礼赞：不需要设计蓝图，不需要人类智

    亿年的鬼斧神工不谋而合。

    力学和电磁学知识，人类设计出了水力发电机，而它居然和大自然几十

    这可能是对人类智慧毫无保留的奖掖：看吧，根据几百年间积累的经典

    得了 1997 年的诺贝尔化学奖

    币。这个模型来源于 ATP 合成酶的三维结构。因为这个结构，沃克获

    齿轮的三片“叶片”依次变形，每一次变形都可以生产出一个 ATP 货

    图 2-7 ATP 合成酶的工作原理示意图。氢离子穿过孔道流动，推动师来建造大厦了吗？化学渗透理论指出，这一切其实没那么复杂。只要

    给我一座水坝和一套发电机就可以了。这座水坝可以非常粗糙简易，只

    需要能够部分地隔绝物质流动，从而像水坝蓄水那样保持住某种物质的

    浓度差就行。有了稳定的浓度差，就能够稳定地蓄积电化学势能；而电

    化学势能就可以驱动发电机，为生命大厦的建筑师供应能量。

    除了为生命大厦提供能量，化学渗透理论其实还有着更深远的意义。

    我们不妨先暂时停下来问自己一个问题：地球生命为什么要用化学渗透

    这种方法来制造能量货币？

    我们知道化学反应是可以产生 ATP 的，而且葡萄糖分解为乳酸、产生

    ATP 的化学反应普遍存在于各种生物体内。那么地球生命为什么不遵循

    这种更稳妥、更精确的思路，在葡萄糖一步步分解的化学反应中获取能

    量，制造 ATP ？或者我们也可以反过来问这个问题。既然已经有了利

    用化学反应制造 ATP 分子的方法，今天的地球生命为什么仍然不约而

    同地继续选择借助氢离子浓度差生产 ATP ？

    这个问题目前还没有一锤定音的答案。但是近来的一些研究提供了一些

    很有说服力的视角。

    比如存在这样一个可能性：首先积累氢离子浓度，然后再利用氢离子的

    流动冲击 ATP 合成酶，这种看起来异常精巧的策略，可能反而是地球

    生命最早最原始的能量来源。2016 年，德国杜塞尔多夫大学的科学家

    威廉 ? 马丁(William Martin)分析了现存地球生物 600 多万个基因的

    DNA 序列，从中确认有 355 个基因广泛存在于全部主要的生物门类

    中。根据这项研究，马丁推测，这 355 个基因应该同样存在于现在地球

    生物的最后共同祖先(last universal common ancestor，LUCA，见图 2-

    8)体内，并且因为它们有着极端重要的生物学功能，从而得以跨越接

    近 40 亿年的光阴一直保存至今。在这 355 个基因里，赫然便有 ATP 合

    成酶基因的身影。与之相反，在现存地球生物体内负责驱动其他 ATP

    合成途径的酶，例如催化葡萄糖分解为乳酸或酒精从而制造 ATP 的那

    些蛋白质，却不见踪影。

    67

    68

    密集的热泉喷口(见图 2-9)。这片被命名为“失落之城”(Lost City)

    2000 年末，科学家在研究大西洋中部的海底山脉时，偶然发现了一片

    答案也许来自深海。

    那么在远古地球环境里，怎么可能存在现成的氢离子浓度差呢？

    在一杯水中滴入红蓝墨水，过不了多久水的颜色就会变成均匀的紫色。

    子浓度差的。其实在这样的环境里，任何物质都会逐渐混合均匀，就像

    我们可以想到的是，在一个稳定的环境中是不可能存在什么稳定的氢离

    成的氢离子浓度差。

    子从低水位泵向高水位的酶。也就是说，祖先只能被动地利用环境中现

    造氢离子浓度的能力，因为在这 355 个基因里，并没有找到能够将氢离

    氢离子浓度差制造 ATP 的能力。但是需要注意，祖先似乎没有掌握制

    这就很有意思了，根据这个推论，地球生命的最初祖先已经掌握了利用

    大致生活在距今 38 亿年至 35 亿年前，嗜热厌氧

    寻。但是根据现存物种的基因组信息比较结果，人们可以推测 LUCA

    来说，LUCA 是一种生物学家假想出的生物，在今天的地球上无迹可

    所有生物(动物、植物、细菌、古细菌等)都是它的子孙后代。严格

    图 2-8 LUCA。它并不一定是地球上最早出现的生物，但是现今地球的热泉与已知的所有海底火山不同，它喷射出的不是高温岩浆，而是

    40~90 摄氏度的、富含甲烷和氢气的碱性液体。而碱性热泉能够提供几

    乎永不衰竭的氢离子浓度差!远古海洋的海水中溶解了大量的二氧化

    碳，应该是强酸性的。因此当碱性热泉涌出“烟囱”口，和酸性海洋相遇

    的时候，在两者接触的界面上，就会存在悬殊的酸碱性差异。而酸碱性

    差异，其实就是氢离子浓度差异。

    69

    也许在远古地球上，正是在碱性热泉口的岩石孔洞中，氢离子穿过原始

    居然有可能是紧密联系在一起的!

    差。这样一来，化学渗透和生命起源两件看起来风马牛不相及的事情，为，这些像海绵一样的岩石，其实可以作为原始水坝，维持氢离子浓度

    学学院的尼克 ? 连恩(Nick Lane)提出过一个很有意思的假说。他们认

    满了直径仅有几微米的微型空洞。因此在 2012 年，马丁和英国伦敦大

    更奇妙的是，人们还发现，热泉烟囱口的岩石就像一大块海绵，其中布

    近往往有活跃的生物群体出现

    些高温高压的地带被视作生命禁区，然而人们后来发现，海底热泉附

    了海底的热泉。这些热泉携带着光和热，以及大量的矿物质。曾经这

    带，海水渗入地下，被地球深处的热量加热后重新喷薄而出，就形成

    图 2-9 深海“白烟囱”。在海底深处地壳构造薄弱而火山活动多发的地水坝的流淌，为生命的出现提供了最早的生物能源。我们的祖先正是利

    用这样的能源组装蛋白质和 DNA 分子，建造了更坚固的水坝蓄积氢离

    子，繁衍生息，最终在这颗星球的每个角落开枝散叶。换句话说，其实

    不是今天的地球生命不约而同地选择了化学渗透，反而是化学渗透催生

    了地球生命的出现。

    而当我们的祖先掌握了利用化学渗透制造能量的技能之后，他们也就同

    时掌握了远离热泉口这块温暖襁褓的能力——因为祖先已经不再需要现

    成的氢离子浓度差和天然的岩石水坝来制造能量了。此时的他们拥有了

    能够运输氢离子的水泵，能够稳定储存氢离子的水坝，能够制造 ATP

    的水力发电机，甚至还能将能量储存在诸如葡萄糖这样的营养物质中长

    期备用。

    三四十亿年弹指一挥间，当今天的地球人类在饱餐一顿之后出门上班、穿上跑鞋开始运动、坐上飞船飞向茫茫太空的时候，在幕后默默支持我

    们的，仍旧是氢离子永不停歇的流淌和化学渗透闪烁的永恒光辉。

    70第 3 章 自我复制：基业长青的秘

    密

    71

    果吸入的氧气浓度过大，人体就会出现所谓的“氧中毒”现象，神经系

    氧气浓度下降到 10% 多一点，人体就会出现缺氧的症状。反过来，如

    体对氧气浓度的适应区间是非常狭窄的。在海拔四五千米的青藏高原，歇的生命活动——从心脏跳动、游泳跑步，到思维和语言。实际上，人

    达 28~38 个 ATP 分子。因此，如果没有氧气，人体将无法进行永不停

    的能量，通过驱动细胞内的微型水电站——ATP 合成酶，可以制造出多

    帮助下，葡萄糖分子可以彻底分解为二氧化碳和水。这个过程中所释放

    糖分子分解成两个乳酸分子，仅仅能产生两个 ATP 分子。而在氧气的

    已经讨论过，在氧气缺乏的环境下(例如肌肉持续收缩时)，一个葡萄

    因为在人体中，能量货币 ATP 的生产过程严重依赖氧气。这一点我们

    举一个我们可能会熟视无睹的例子吧：氧气。人类生存需要氧气，这是

    字所能概括。

    几十亿年，我们就会发现，地球环境的变化剧烈得远非“沧海桑田”几个

    性的后果。但是如果把时间尺度放大到生命演化的尺度——几千万年到

    复一年的春夏秋冬。当然，这一切还得期待全球气候变化不会带来灾难

    个人几十年的生命中，我们也许可以安心期待日复一日的日升日落、年

    更要命的原因还不在这里，而在于地球环境不是永恒不变的!在我们每

    没有缘分看到这样的生命了。

    恐怕也早在漫长的时光里毁于意外事故了，那么今天的地球人类估计就

    仅仅由能量驱动建立起来的生命大厦，即便真的在远古地球上出现过，外，放在几十亿年的时间尺度中，都会变得实实在在起来。也就是说，蚁松动，或者一场台风卷走了大厦的顶层呢？要知道，概率再小的意

    万一一场地震或者火灾毁掉了唯一的大厦怎么办？万一大厦的基础被蝼

    原因很容易理解：这座大厦太脆弱了。

    在地球上生存和繁盛的生命来说，仅仅有这些还远远不够。

    起辉煌壮丽的生命大厦，但是对于任何一种能够抗拒亿万年风霜摧折、砖头瓦块已经齐备，建筑师也已经充满能量，随时准备不辞辛苦地修建

    72

    主干结构都焕然一新。但是无论如何，在自我复制过程中产生的变化，堂的灯饰。但有些时候也可以惊天动地，整座大厦的楼高、外饰面乃至

    变化大多数时候难以察觉，比如生命大厦悄悄更换了天井的绿植或是大

    而更重要的是，(不够精确的)自我复制为生命现象引入了变化。这种

    地震还是蝼蚁——死去，还有足够的个体能存活下来延续香火。

    后代越来越多，就保证了即便其中一些因为意外事故——不管是台风、和自己相似但又不完全一样的子孙后代。

    自我复制是地球生命基业长青的基础——以自身为样本，不停地制造出

    答案其实很简单：自我复制。

    故和难以抗拒的沧桑巨变，绵延不绝一直到今天的？

    量这个天才建筑师建立的生命大厦——是如何逃开了无可避免的意外事

    一个显而易见的悖论出现了。诞生于远古地球的始祖生命——那些由能

    青。

    受猛兽冲撞，时而遭受流星雨和地震的摧折，它绝不可能永远基业长

    儿淹没在倾盆大雨中，一会儿又要被坚冰覆盖，时而被蝼蚁侵蚀，时而

    瓦，在建成时是多么辉煌壮丽，考虑到它一会儿会在阳光下暴晒，一会

    如果生命真的是一座大厦，那么不管修建的时候用了多么坚固耐用的砖

    逢源。

    ——在翻脸无情的地球母亲的怀抱里，没有哪个生命可以做到永远左右

    学成分、食物和天敌等复杂的环境因素，就会得到一个不言而喻的结论

    个地球生命史，再考虑到太阳光强度、昼夜长短、大气组成、土壤的化

    并且只考虑了氧气浓度和气温两个环境指标。如果把时间尺度扩大到整

    气温大约是 15 摄氏度)。请注意，这里我们仅仅考虑了过去六亿年，动，平均气温的变化范围是 10~40 摄氏度(作为参照，如今地球的平均

    过去六亿年的时间里，大气氧含量可能在 5% 到 35% 之间反复剧烈波

    演化历史上，能够满足人体生存环境要求的时间段实在是太狭窄了!在

    特别是，如果考虑更长的时间尺度的话，我们会发现，在亿万年的生物

    水里只能活个把小时。

    中，很容易引起中暑死亡；处于低温环境下也不行，人在 5 摄氏度的海

    境温度在 25 摄氏度上下浮动。如果人体长期处于 40 摄氏度以上的环境

    统、肺和眼球都会受到严重损伤。同样的例子还有温度。人体适宜的环

    73

    从最简单的情形开始，我们思想实验中的生命——就叫它生命 1.0 吧

    自我复制的原理。

    我们不妨先做一个思想实验，构造一个极端简化的生命，探讨一下生命

    思想实验中的生命演化史

    那么，自我复制又是怎么发生的呢？

    复制过程中出现的错误，则帮助生命适应了地球环境的变化。

    续。对自身的不断复制保证了生命不会因一场意外而彻底毁灭，而自我

    因此，自我复制的两个看起来似乎自相矛盾的特点保证了地球生命的永

    后者存活罢了。

    生活的生命，并无高下之别，仅仅是由于地球环境的变化让前者死去、鱼和人类。那些能够在无氧大气里生息繁盛的生命和那些在氧气中自在

    为生、更复杂多样的生命开启了繁盛的大门，受益者包括海藻、树木、有的生物!但是与此同时，灾难性的“大氧化”事件却为未来那些以氧气

    副产品。更可怕的是，这种全新的化学物质还毒死了当时地球上几乎所

    对于今天的地球生命无比重要的氧气，其实在当时只是某些生命活动的

    分解大气中的二氧化碳，并以其中的碳原子为食，这才制造出了氧气。

    前，第一批能够利用阳光的细菌出现在原始海洋中，利用太阳光的能量

    要成分是二氧化碳、氮气、二氧化硫和硫化氢。直到差不多 25 亿年

    地球上从来就有的大气成分。在 46 亿年前地球形成的时候，大气的主

    波动。但是如果时间尺度放得更宽，我们会发现氧气甚至压根儿就不是

    比如，我们刚才说到从六亿年前到今天，大气中氧气的含量始终在上下

    的胜利者，也因此最终塑造了生物演化的路径。

    一轮自我复制，谁就是胜利者。是地球环境的缓慢变迁决定了不同时刻

    了大量在地球环境中“试错”的生物样品。谁能活下来，谁能继续完成新

    什么对错，也没有什么方向性可言。不够精确的自我复制，其实是提供

    当然，在自我复制中出现的这些不怎么引人瞩目的细微变化本身谈不上

    生命现象本身却顽强地走过了 40 亿年的风霜雨雪。

    可能已经有超过 50 亿个物种诞生、繁盛，然后静悄悄地死去——但是

    生命来了又走，样貌也千变万化——科学家的估计是，在这颗星球上，总是快过地球环境动辄以千万年计数的变化。也正因为这样，地球上的

    74

    实记录任何蛋白质分子的氨基酸构成——当然也包括生命 1.0 中的 ATP

    DNA 长链按照三个核苷酸的排列顺序决定一个氨基酸的原则，能够忠

    核苷酸分子的排列组合顺序中(见图 3-1)。在今天的地球生命体内，的核苷酸分子环环相扣串起来的一条长长的链条。它的秘密隐藏在四种

    子实现的。DNA 分子的化学构成其实非常简单，就是由四种长相平凡

    在今天的绝大多数地球生命中，三维到一维的信息简化是通过 DNA 分

    简成了一维，只是一组顺序排列的氨基酸分子而已。

    以自己完成在三维空间的折叠扭曲。这样一来，三维空间的信息就被精

    然后依样画葫芦地依照这个顺序去组装 ATP 合成酶分子就行了，它可

    那么可想而知，只要我们能记录下这五千多个氨基酸分子的先后顺序，氨基酸彼此吸引、排斥、碰撞、结合，形成了复杂、动态的三维结构。

    子按照某种特定顺序串起来形成的蛋白质大分子。在三维空间中，这些

    于是，生命 2.0 应运而生。人体中的 ATP 合成酶是由五千多个氨基酸分

    结构的每一点空间信息。这样太烦琐，也太容易出错了。

    确地记录和复制自身，不要让我们瞪大眼睛去记录和复制一个复杂三维

    为了解决自我复制的技术困难，生命体显然需要一种方法，能更简单精

    生命 1.0 注定要孤独一生——而且它的一生一定非常短暂。

    命 1.0 的远古地球上，又去哪里找这样的复杂机器呢？难以自我复制的

    1.0 体形更庞大、更加复杂和精密的机器才做得到。可是在刚刚出现生

    我们大概可以说，要想一丝不苟地复制生命 1.0，可能需要一架比生命

    畴。

    射仪和电子显微镜，而想要复制出这样一个结构，还是科幻想象的范

    下，要看清楚 ATP 合成酶的每一个原子，需要动用最强大的 X 射线衍

    非常困难，即便是想要看得清楚一点都不容易。在今天人类的技术水平

    度达到零点几纳米的水平。且不说想要分毫不差地复制一个这样的结构

    酶有一个极端精巧和复杂的三维立体结构，每个维度上原子排列的精确

    但是生命 1.0 是难以实现自我复制的。从前一章中我们知道，ATP 合成

    各种生命活动了。

    产 ATP。有了它，生命 1.0 就可以制造 ATP 分子，然后用 ATP 来驱动

    复杂的、带有三个叶片和一个管道的三维结构，通过飞速旋转不停地生

    个古老的蛋白质分子尺寸很小，仅有个纳米那么大，却蜷曲折叠成一个

    资格入选的蛋白质大概就是为生命制造能量货币的 ATP 合成酶了。这

    ——只有一个蛋白质分子。从前面的故事里大家可以很容易想象，最有合成酶。

    图 3-1 三个碱基密码子对应一个氨基酸。在今天绝大多数的地球生命

    中，DNA 链上的核苷酸分子会按照三三一组形成“密码子”，每组密码

    子对应一种氨基酸

    这样一来，生命 2.0 在自我复制的时候，就不需要担心复杂的 ATP 合成

    酶蛋白无法精细描摹和复制了。它只需要依样画葫芦地复制一条 DNA

    长链就行了，因为 DNA 长链本身的组合顺序就已经忠实记录了 ATP 合

    成酶的全部信息(见图 3-2)。而与此同时，我们可以想象，复制一条

    可以看成是一维的 DNA 长链，要比直接复制 ATP 合成酶的精细三维结

    构省心省力得多。

    75

    76

    方分之一。这就从原理上保证了它可以作为生命遗传信息的可靠载体。

    制过程异常精确，在人体细胞中，DNA 复制出错的概率仅有 10 的 9 次

    就变成了完全一样的两个 DNA 双螺旋。特别值得指出的是，DNA 的复

    AATG 对应 CATT，而 CATT 则装配了 AATG，由此一个 DNA 双螺旋

    先分离开来，两条单链再根据配对原则安装上全新的核苷酸分子，例如

    适合 DNA 密码的自我复制：AATG 和 CATT 两条缠绕在一起的链条首

    CATT 的 DNA 首尾相对地配对组合缠绕在一起。这样的配对方法特别

    T，G 和 C。因此可以想象，一条顺序为 AATG 的 DNA 可以和一条

    特别重要的是，ATGC 四种分子能够两两配对形成紧密的连接：A 和

    四个字母指代)。每条 DNA 链条都是由这四种砖块首尾相连组成的。

    有它独有的砖块：四种不同的核苷酸分子(可以简单地用 A、T、G、C

    复制”的机制。就像蛋白质是由 20 种氨基酸砖块组合而成的，DNA 也

    DNA 是如何进行自我复制的。简单来说，DNA 复制遵循的是“半保留

    X 射线衍射图谱，建立了 DNA 的双螺旋模型，并且几乎立刻猜测到了

    克(Francis Crick)利用罗莎琳 ? 富兰克林(Rosalind Franklin)获得的

    在 20 世纪 50 年代，詹姆斯 ? 沃森(James Watson)和弗朗西斯 ? 克里

    两条新 DNA 双螺旋

    后，两条 DNA 单链分别作为模板，与新加入的碱基分子配对，形成

    图 3-2 DNA 的复制模型。首先，一条 DNA 双螺旋链一分为二；随那么，简单而强大的生命 2.0 能否稳定地生存和繁衍呢？

    很遗憾，还是不行。事实上它根本就不可能存在。DNA 是一种化学上

    非常稳定的分子——这并不奇怪，能被选中作为信息密码本的化学分子

    当然必须稳定和可靠，甚至是懒惰。也正因此，一根光秃秃的 DNA 长

    链根本就什么都不会干，它既不可能自我复制，也不可能制造出什么

    ATP 合成酶来。就像一本写满了字母的密码本，要是没有人抄写，没有

    人解读，它自己什么也做不了。

    好吧，不气馁的我们继续升级出了生命 3.0。这次，我们需要的东西就

    多了许多。除了负责制造能量货币的 ATP 合成酶之外，生命 3.0 还需要

    一大堆各种各样的蛋白质分子，来实现 DNA 分子的自我复制，利用

    DNA 分子携带的信息制造各种新的蛋白质。

    单单说 DNA 复制就已经非常复杂了。生命 3.0 需要蛋白质分子帮忙把

    高度折叠的 DNA 展开变成长链(就拿人的 DNA 来说，完全伸展开来

    长达数米，所以必须经过几轮折叠包装，才能塞进直径仅有几微米的细

    胞里，仅仅在使用时才部分展开)，需要蛋白质分子在 DNA 长链上精

    确定位到底从哪里开始复制，需要蛋白质分子运送 DNA 复制所需的原

    材料(比如四种核苷酸分子)，需要蛋白质分子填补复制当中的缺口，修正复制过程中出现的错误，还需要蛋白质分子将复制好的 DNA 长链

    重新折叠回去。

    同时，生命 3.0 还需要一大堆蛋白质分子(见图 3-3)，根据 DNA 密码

    本的信息制造 ATP 合成酶——有的负责读取 DNA 密码本的信息，有的

    负责搬运蛋白质的原料氨基酸，有的负责氨基酸的装配顺序，等等。当

    然了，再多的蛋白质分子也难不倒我们，我们可以利用在生命 2.0 中就

    确定的规则，把它们的信息也写入 DNA 长链中去，这样仍然是复制一

    条 DNA 长链，生命 3.0 就可以把所有蛋白质分子的信息都忠实地复制

    和传递下去了。

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    目前，生命 4.0 已经有点极简版地球生命的样子了。我们权且相信它能

    这次，就叫它生命 4.0 吧。

    绝大多数生命都是由一个或者多个细胞组成的。

    然环境隔绝开来。在今天的地球生命里，除了少数例外(比如病毒)，紧紧地包裹住了蛋白质和 DNA，形成了一个细胞，把它们和危险的自

    作细胞膜，是一层仅有几纳米厚度、由脂肪分子构成的薄膜。这层薄膜

    DNA 都给包裹起来就行了。在今天的地球生命中也有这张网，名字叫

    解决方案倒也不难想，用一张致密的网把所有这些林林总总的蛋白质和

    踪，谁也找不到谁。

    保护起来。否则，蛋白质和 DNA 都很容易在自然环境中扩散得无影无

    得足够近才行。我们必须想出一个办法，把这些东西统统聚拢到一起，保存的信息，而后者也依赖前者完成自我复制，因此空间上它们必须离

    命的生存和复制来说，是相辅相成缺一不可的。前者的制造依赖于后者

    根据前面的描述，大家就能猜想到，蛋白质分子和 DNA 长链，对于生

    我们已经很接近成功了，但是还差重要的一点点。

    生命 3.0 的命运如何？

    的短片段还要在连接酶的帮助下连成长片段

    随后，不同的 DNA 聚合酶分别负责两个方向的 DNA 复制，复制完成

    过程。DNA 双链首先会在拓扑异构酶和解旋酶的帮助下分解成单链。

    我们已经可以看到，DNA 复制是一个需要大量蛋白质帮手参与的精细

    图 3-3 DNA 复制所需的蛋白质。图中仅仅呈现了极小的一部分，但

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    让我们再回顾一下生命 4.0 的基本设计原则吧。DNA 负责记录蛋白质分

    不是鸡不是蛋，既是鸡又是蛋

    还没有踪影呢。

    蛋，也不是先有鸡。事实上，很可能在生命刚刚出现的时候，鸡和蛋都

    那怎么办？地球生命对这个问题的回答是非常耐人寻味的：既不是先有

    有 DNA“鸡”帮它保留和传递信息，“蛋”必然也会快速走向衰退和死亡。

    海底的热泉口奇迹现身，甚至还能工作一下或生存一会儿，但是因为没

    碎，因为它自己什么也做不了。而反过来，要是那个蛋白质“蛋”率先在

    注定属于它的蛋白质“蛋”，那么这只 DNA“鸡”只能沉默着走向分解破

    雷鸣中，一只 DNA“鸡”被创造了出来，但是它附近却没有那只冥冥中

    时出现，距离无比接近，才有可能配合起来造就生命。要是在一阵电闪

    同时造就信息互相匹配的“鸡”和“蛋”。而且，“鸡”和“蛋”还必须几乎同

    换句话说，我们设计的生命 4.0 想要自发出现，我们得不断祈求大自然

    继续生“蛋”!

    造出新的蛋白质。如果没有提前准备好蛋白质“蛋”，DNA“鸡”根本没法

    蛋白质分子的帮忙，才能实现自我复制，需要依赖蛋白质的帮忙才能制

    但是，一条孤零零的 DNA 长链是没有办法干任何事情的，它需要各种

    蛋白质是它下的“蛋”。

    制造出各种各样的蛋白质分子。因此，让我们权且假定 DNA 是“鸡”，储在 DNA 密码本中，依靠 DNA 密码本中忠实记录的信息，我们能够

    其中的麻烦有点像“鸡生蛋还是蛋生鸡”的问题。蛋白质的全部信息都存

    很遗憾，答案是不可能。或者，至少看起来非常不可能。

    在逻辑，但它真的有可能模拟了地球生命的最初起源吗？

    前魔法般地出现在地球上吗？换句话说，生命 4.0 的构想固然有它的内

    但是新的问题来了：这个看起来靠谱的生命 4.0，真的有可能在 40 亿年

    实相差无几。

    管比我们思想实验中的生命 4.0 要复杂得多，但是从基本原理上看，确

    动，也能不停地自我复制对抗衰退和死亡。实际上，今天的地球生命尽

    够在地球上生存下来，因为它能够不断地从环境中攫取能量供给生命活子的氨基酸排列信息，以 DNA 序列为模板可以制造出各式各样的蛋白

    质分子。而反过来，蛋白质分子除了制造能量，还可以帮助 DNA 实现

    自我复制。这好像是个挺简单的二元系统，是不是？

    在自然界，简单往往意味着高效、节约和更容易自发出现。但是很让人

    意外的是，地球生命不约而同地选择了一种更复杂、相对也更容易出错

    和更浪费的办法：在 DNA 和蛋白质的二元化结构之间，平白无故地多

    了第三者：RNA(ribonucleic acid，核糖核酸)。

    RNA 是一种长相酷似 DNA 的化学物质，两者的唯一区别就是化学骨架

    上的一个氧原子。对于我们的生命 4.0 系统来说，RNA 像二郎神的第三

    只眼睛一样，显得非常怪异和多余。当生命开始活动的时候，DNA 密

    码本的信息首先被忠实地誊抄到 RNA 分子上，然后 RNA 分子再去指

    导蛋白质的装配。放眼望去，加上 RNA 的生命——就叫它生命 5.0 好

    了——实在是看不出有什么优势来。打个比方，原本在车间里，一个经

    理直接指导工人干活就挺好的，命令传达简单快捷还不容易出错。现在

    非要给经理配一个主管，每一道命令都必须由经理告诉主管，主管再告

    诉工人。直觉告诉我们，这样的系统一定存在命令走样变形、人际关系

    复杂多变等问题，更不要说还得多付这个主管的工资了!

    然而，这套叠床架屋的所谓“中心法则”(见图 3-4)几乎成了所有地球

    生命运转的核心，既保证了遗传信息的世代流传，也保证了每一代生命

    体实现自身的生命机能。这种巨大的反差驱使人们从反方向思考，也许

    DNA → RNA →蛋白质的系统有极其深远但仍不为人所知的意义，以至

    于这个看起来如此多余、低效和浪费的系统能够挺过严酷多变的地球环

    境和物种竞争，保留在绝大多数地球生命的身体里。

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    自然界或者实验室里验证它。

    这样的想法可以引发很多哲学上有趣的思考，但是很少有人期待真的在

    命，重要的 DNA“鸡”和蛋白质“蛋”反而仅仅是 RNA 的后代和附属品。

    的。”但是猜想毕竟只是猜想，看似无用的 RNA 反而可能是最早的生

    也不是不能想象，原始生命根本没有蛋白质，而是完全由 RNA 组成

    猜测，也许看起来多余的 RNA 才是最早的生命形态。他甚至说：“我们

    例如 1968 年，DNA 双螺旋的发现者之一克里克就在一篇文章中大胆地

    递的所谓“中心法则”刚刚被提出的时候，就已经有人问这样的问题了。

    事实上，早在 20 世纪中叶，当 DNA → RNA →蛋白质这套遗传信息传

    这样做的意义是什么呢？

    变成双螺旋

    是和图中不同，它们仅有一条单链 DNA，只在启动自我复制的时候才

    白质合成(例如流感和丙肝病毒)。也有一些病毒虽然使用 DNA，但

    某些病毒并没有 DNA，而是直接利用 RNA 来存储遗传信息并指导蛋

    造。值得指出的是，地球生命中也有不少中心法则之外的生命。比如

    方面忠实抄写了 DNA 的密码信息，另一方面直接指导了蛋白质的制

    了生命活动的形态。RNA 的产生则是其中的一个中间步骤，RNA 一

    遗传信息的传递和生命的生生不息，DNA 也通过指导蛋白质合成决定

    图 3-4 生命的“中心法则”。依据中心法则，DNA 的自我复制保证了直到 1978 年，30 岁的生物化学家汤姆 ? 切赫(Tom Cech)来到美丽的

    山城——美国科罗拉多州的邦德建立了自己的实验室。

    他的研究兴趣和我们讲过的中心法则有密切的关系。我们知道，在遗传

    信息的流动中，RNA 是承接在 DNA 和蛋白质之间的分子。它誊抄了

    DNA 密码本的信息，然后再以自身为蓝图，指导蛋白质的装配。不过

    早在 20 世纪 60 年代，人们就已经发现，RNA 密码本其实并不是一字

    不差地誊抄了 DNA 密码本的信息，例如 DNA 密码本中往往会写着大

    段大段看起来没有什么特别用处的“废物”字母(它们的学名叫作“内含

    子”)。在抄写 RNA 密码本的时候，生物会首先老老实实地誊抄这些废

    物字母，之后再将它们整页撕去，整理出更精简更经济的一本密码本。

    切赫当时的兴趣就是研究这种被叫作“RNA 剪接”——也就是如何撕去

    密码本中间多余的纸张——的现象。他使用的研究对象是嗜热四膜虫

    (tetrahymena thermophila)，这是一种分布广泛的淡水单细胞生物，很容易大量培养，并且个头很大(直径有 30~50 微米)，很方便进行各

    种显微操作。而研究 RNA 剪接也是分子生物学黄金年代里热门的话题

    之一，毕竟它关系到遗传信息如何最终决定了生物体五花八门的生物活

    动和性状。

    嗜热四膜虫这种看起来不起眼的单细胞生物孕育了 20 世纪的许多伟大发现。除了下文会讲到

    的核酶和 RNA 世界，还有对于衰老异常重要的端粒和端粒酶(2009 年诺贝尔生理学或医学

    奖)，以及蛋白质的翻译后修饰等。

    一开始，切赫的目标是很明确的。他已经知道，在四膜虫体内的 RNA

    分子中段，有一截序列是没有什么用的。这段被称为“中间序列”的无用

    信息，在 RNA 刚刚制造出来之后很快就会被从中间剪切掉。而这个过

    程是怎么发生的呢？切赫希望利用四膜虫这个非常简单的系统来好好研

    究研究。他的猜测也很自然：肯定有那么一种未知的蛋白质，能够准确

    地识别这段 RNA 中间序列的两端，然后“咔嚓”一刀切断 RNA 长链，再

    把两头缝合起来，RNA 剪接就完成了。

    为了找出这个未知的蛋白，切赫的实验室使用了最经典的化学提纯方

    法。他们先准备了一批尚未切割的完整 RNA 分子，再加入从四膜虫细

    胞中提取出来的蛋白质混合物“汤”。那么显然，RNA 分子应该会被切

    断和缝合，从而完成密码本的精简步骤。他们的计划是，把蛋白

    质“汤”一步一步地分离、提纯，排除掉那些对 RNA 剪接没有影响的蛋

    白质，那么最终留下的应该就是他们要找的那个负责剪接 RNA 的蛋白

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    大发现。

    界也闪电般地以 ......