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随着生命的不断发展

作者:admin浏览次数:发布时间:2018-10-29 13:40
【内容提要】某一天,我们来到一所生物学实验室,在显微镜跟前,一不小心我们变成了童话故事中的小人,掉进了样品台的草履虫培养皿中。我们将惊奇地发现,这原始而简单的单细胞生物,却是如此的复杂,精巧!它能够呼吸、取食、消化、排泄、繁殖,能够接近或逃避某些外部

  

  某一天,我们来到一所生物学实验室,在显微镜跟前,一不小心我们变成了童话故事中的小人,掉进了样品台的草履虫培养皿中。我们将惊奇地发现,这原始而简单的单细胞生物,却是如此的复杂,精巧!它能够呼吸、取食、消化、排泄、繁殖,能够接近或逃避某些外部刺激。如果我们“不走运”,它就会把我们当成食物,发动进攻,吞掉我们!当然,这

  不过是它与外界环境间进行物质和能量交换的方式而已,不必大惊小怪,我们正可以利用这个“难得”的机会“亲眼”看看它的身体构造。在它的身体内,我们将发现一个井井有条的大城市。市中心的大楼是细胞核,其中有一个“双螺旋”形状的控制中心,它就是大名鼎鼎的DNA分子,上面写着“遗传密码”,就是使这位草履虫先生得以进行繁殖的全套化学指令。我们还能看到各种大楼,它们是各种细胞器,我们现在正在一个食物泡中,不远处是几个小的细胞核和伸缩泡。我们还会看到各种汽车、火车、飞机和轮船,交通拥挤,络绎不绝,它们是由多达上百万个原子组成的大分子,各有其生物化学功能,而要清楚详细地了解这些功能,我们需要一位热情而渊博的分子生物学家或生物化学家。

  草履虫是较为常见的一种原生动物,它们的整个身体仅仅由一个细胞所组成,通常需要在显微镜下才能被人们看清楚。它们生活在淡水中,一般的池沼、小河沟中都可以采集到。

  草履虫的身体呈圆筒形,前端较圆,中后部较宽,后端较尖,外形很像一只倒放着的草鞋,所以被叫做草履虫。草履虫身体内充满了细胞质,在水中前进时,它不停地摄取水里的细菌或其它有机物,食物残渣由身体后侧的胞肛排出体外。草履虫通过表膜进行呼吸,吸收水里溶解的氧气,分解有机物后释放出能量,从而产生二氧化碳和一些含氮废物,这些废物通过表膜排出体外。

  草履虫的细胞质里有细胞核,是它生命的中枢,通常为一个大核,一个小核,也有两个或多个小核的。

  让我们暂时把兴奋的眼睛从那本神秘的大书和奇形怪状的大楼移开,来思考一个问题。这些组成分子的草履虫先生身体之内的原子(C,O,H,N,P,S等)和它身体之外的原子有区别吗?比如说C原子,它和一块黑黑的石墨或者一块璀璨的钻石中的C原子有区别吗?又如N原子和O原子,它们和空气中氮气的N原子和氧气的O原子有区别吗?H原子和自来水中的H原子有区别吗?草履虫先生从外界环境中获得了这一切原子,而后又在排泄时把它们送到身体之外,这些原子不停地进进出出,因此在草履虫先生身体之内的C原子、O原子、H原子、N原子等等,与在它身体之外的原子没什么两样。知道这一点非常重要!因为如此,生命现象就不能说成是这些原子的特性。虽然我们找不到什么特殊的“狗原子”,但我们不能否认一只活蹦乱跳的小狗是有生命的,同样的道理,我们也不能找到什么特殊的“爱因斯坦原子”,但是当100年前爱因斯坦先生坐在桌子前冥想他的“相对论”时,他当然也有生命!

  那么,这些没有任何生命迹象的原子凑到一起怎么就显示出生命现象了呢?难道我们需要一种神秘的“生命力”,加进这座由“原子砖头”建成的城市中,让草履虫先生获得生命吗?古老的“活力论”学说曾认为,生物体拥有某种神秘的“生命力”,因此才与一切非生物体如此不同。但这种神秘的“生命力”从何而来呢?没有人知道答案。

  我们看到了草履虫先生身体之内的各种原子,这些原子和它身体之外的原子并没有什么不同,因此我们可能会急着下这样的结论:这位骇人的草履虫先生,“不过是”一堆原子而已。但问题出现了!当我们说“一堆原子”的时候,这“一堆原子”所表现出来的性质已经不仅仅是原子本身的性质了。

  若说草履虫先生“不过是”一堆细胞而已,而这些细胞“不过是”一堆分子而已,而这些分子“不过是”一堆原子而已,我们就大错特错了。因为生命现象是一个“整体现象”,其奥秘并不在于组成DNA的原子有什么特异之处,而在于原子的组合方式能够产生新的信息,使物质本身产生新的变化。比如“遗传密码”,它所包含的复杂信息是原子本身所没有的。

  作为“整体现象”的生命,其各种组成成分并不是简单地堆积起来的,而是彼此间有着广泛的相互联系和相互作用。2002年5月,德国一个研究小组在英国《自然》周刊上宣布,他们在冰岛北部海下120米深处发现了一种迄今所知最小的生命。这种微生物属于古细菌的一种,呈球形,直径只有400纳米。其DNA里仅含有50万个左右的碱基,假设一个基因的平均长度为1000个碱基,那么这个细菌所拥有的基因大约是500个;如果每个基因编码一种蛋白质,那么这个细菌最多可以拥有500种蛋白质。但就这么少的基因和蛋白质,却能构成复杂精巧的网络,产生一连串复杂的反应,进而成为生命。这就告诉我们,哪怕是最小、最简单的生物体,也得具备极其复杂的相互作用才可能幸存。

  随着对各种物种的基因组序列分析的深入,基因之间的广泛作用越来越为我们所熟知,我们发现,生命的复杂程度并不与基因数目成正比。比如,水稻的基因数量大约是4.6万到5.5万,而人的基因数目则低于4万,但人的却比水稻却不知复杂多少倍!显然,在生命从低级到高级的进化过程中,有可能是基因和蛋白质之间的相互作用在起主导作用,越是高级的生命,其相互作用越广泛。

  其实,这样的“整体现象”不只见于生命现象中,在其他事物中也随处可见。比如说,电视机的说明书里写道,电视画面是射线打在屏幕上面形成的,每束射线打出一个小点,各个小点颜色不同,这就是电视机的工作机理。可是当我们看电视的时候,看到的却是五彩斑斓的画面。请注意,这些五彩斑斓的画面,正是由这些五颜六色的小点组成的!但我们可以说这些美丽的画面“不过是”一堆五颜六色的小点吗?不能,因为这些画面不是众多小点本身的一种性质,而是小点集体的性质。这些画面是一个“整体现象”!

  我们还可以举出更多的例子,比如,一个由闪烁的霓虹灯组成的广告招牌,我们不能把它说成“不过是”一串霓虹灯而已,一幅由一点点的色斑构成的油画,我们不能把它说成“不过是”一点点的色斑而已。一个霓虹灯广告招牌所展现的内容,一幅油画所表达的意境,只有在整体的结构层面上才能显现出来,而在部分层面上则是无意义的。

  “整体论”无疑加深了我们对于生命现象的认识。将原子以合适的复杂方式排列,它们就会产生相互作用,从而具有单个原子所没有的性质,然后出现生命。那种古老“活力论”学说所认为的神秘“生命力”并不是生命现象必需的。

  可是我们还有一个问题,草履虫先生为什么要吃掉我们呢?而我们却从来都不必担心会被同样具有“整体现象”的电视机或是书本这种非生物体吃掉。

  大家可能已经迫不及待地给出了自己的答案:“因为草履虫先生需要能量,而电视机或是书本不需要!”这是大家对于“吃饭”问题的传统“科学看法”:我们吃饭,因为我们需要能量。有了能量,生命体和非生命体就不同了。

  生物体的“新陈代谢”现象,表明了在生物体中存在着“能量流”。食物中的化学能提供了生物体每天需要的能量,草履虫先生每天呼吸、取食、消化、排泄,“生儿育女”,都需要能量。可电视机也需要电能才会出现画面呀,这电视机的能量与身体之内的能量有什么区别吗?其实,纯粹的“能量流”并不能自发地产生生命,比如一根电线中也有“能量流”,却没有任何迹象表明那是生命现象。这说明,虽然生命必须要有“能量流”来维持,但“能量流”不是就一定能产生生命,因此“能量流”不是生命的“本质现象”。

  生命的本质究竟是什么?要回答这个问题,我们必须提到一本著名的科普作品——《生命是什么》,它的作者是伟大的量子物理学家埃尔温·薛定谔。在书中他这样写道:“生物体具有惊人的本领,能把‘有序之流’集中到自己身上,能从合适的环境中‘汲取有序’从而使自己免于衰变为混沌的原子。”(对于草履虫先生,它“汲取有序”的方式就是吃掉我们。)薛定谔告诉我们,在生物“新陈代谢”的过程中,不仅有“能量流”,还有“有序流”。生命现象中处处表现出惊人的复杂性和组织性,在物理学家眼中,正是这惊人的“有序性”,成为生命现象最与众不同的特征。

  生命组成成分的相互作用很早就被人们所认识,但是最初人们仅把这些相互作用看成一些简单的线性的联系,也就是说,甲作用于乙,乙再作用于丙,依次递推。但近年来,科学家已承认,生命内的这些相互作用不可能被划成直线式的,它们是交错编织而形成的复杂网络。正是这些广泛存在的相互作用网络引出了生命复杂性的重要特征:秩序和层次。

  我们必须承认,对生物界这一复杂的系统而言,秩序充斥其中。如果没有秩序,很难想象生物界会乱成什么样。小到DNA,大到生态系统,都遵循着各自的规律。由于生命中各组成成分有着稳定的相互作用,从而自发形成宏观有序的现象。

  有序的结构形成以后,随着生命的不断发展,它们展现出了一层比一层高的层次:比如千百万个蛋白、脂肪和细胞核酸相互发生化学作用,从而组成了高一个层次的各种生物大分子,生物大分子相互作用又形成了不同的更高层次细胞;各种执行不同功能的细胞又汇聚成组织,组织与组织的结合又产生器官,最终形成了多细胞的生物体。

  根据热力学第二定律的原理,对于一个处于稳定平衡状态的孤立系统来说,一旦平衡状态被打破,这个系统就会趋向更大的混乱。例如,一座建筑物如果不去修葺它,时间长了,它就会逐渐破败,直到最后倒塌毁灭,成为一堆瓦砾;一个房间要是长时间不收拾,也会越来越乱的。

  按此推理,生命里的分子在不断运动,因此生命的无序性应该越来越大,直到最后自行解体才对呀,但为何实际上是反而有着惊人的秩序,能不断自我完善呢?这实在是个令人费解的问题。

  实际上,生物的有序性与热力学第二定律之间并没有矛盾。在热力学中,系统分为三类:孤立系统、封闭系统和开放系统。孤立系统与外界环境之间没有任何的物质或者能量交换;封闭系统与外界环境之间虽然没有物质交换,却可以有能量交换;而开放系统与外界环境之间既可以有物质交换也可以有能量交换。对于一个孤立系统,铁一般倔强的热力学第二定律强硬地规定了无序性的增加,例如,把人封闭起来,不吃不喝,这个人很快就死了,然后就腐烂了,变成无序的热平衡状态。但是对于非孤立的系统,有序性却可以提高,但条件是,外界环境要付出更大的代价!在日常生活中,我们稍加注意就会发现,我们吃的越多,产生的垃圾也就越多!

  显而易见,每个生物体都是开放系统。当“物质大卡车”驶过一个生物体时,一定要把自己的一部分“有序性”转移给生物体。生物体吃的食物是非常有序的,经过消化后食物的有序性降低,而生物体则维持了自己的有序性,没有成为“一堆混沌的原子”。

  这种只要汲取外界能量就能自动形成的有序结构,就是人们常提到的“自组织”。之所以叫它自组织,是因为这种秩序主要是由于系统自身复杂的相互作用导致的,有人称它是“免费的秩序”,因为它不需要你去操心。

  总而言之,如果把一个生物体封闭起来,不与外界交换能量,生物体的无序性就会不断地增加,最终导致死亡。要摆脱死亡,就是说要活着,唯一的办法就是从环境里不断地汲取使其有序的东西。新陈代谢的本质含义就是,使生物体成功地消除了其自身的无序。一旦新陈代谢停止了、封闭了,不去交换物质能量和信息,生命活动就结束了。

  一个开放的系统,不断和外边交换物质、能量和信息,像食物、知识等等,就会显得生机勃勃。我们真的应该满怀感激,我们的细胞不处于封闭的平衡状态,我们吃喝、排泄,这样,能量和物质“流”过我们,建造起一些复杂的分子和伟大的秩序。

  那么,这种“自发产生并维持有序性”的能力是生命系统所特有的吗?非生命系统就不能自发产生并维持有序性吗?如果这个问题的答案是“的确如此”,那么我们就可以骄傲地宣称我们发现了生命现象的本质:“生命‘不过是’自发产生并维持有序性而已。”但“自然官”这一次驳回了我们的陈词:“证据不足!非生命系统当然也可以自发产生并维持有序性。”看来,伟大的薛定谔也还没找到生命之所以成为生命的根本特征。

  首先我们要对“有序”作一下分类。自然界中有两类有序结构:一类是晶体中出现的那种有序,其中的分子一个一个的严格按次序排列,并且可以在孤立的环境中和在平衡的条件下维持,不需要和外部环境进行任何物质和能量的交换,这种有序结构称作“平衡结构”;另一类是一个开放系统通过与外部环境的物质和能量的交换而出现的有序,这就是“耗散结构”。耗散结构与平衡结构的本质区别在于:平衡结构是一种“死”的有序结构,它的存在和维持不依赖于外界;而耗散结构是个“活”的有序结构,它只有依赖于外界的能量输入才能形成和维持。

  “耗散结构”理论最早是由比利时化学家伊利亚·普里高津于1967年提出来的。按照这个理论,一个远离平衡的开放系统,如果不断地与外界交换物质和能量,在系统内部的变化过渡到一个临界值时,该系统可能发生突变,由原来的混乱无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。

  所有的生命系统都是耗散结构,但非生命系统也能产生耗散结构,现在让我们来看几个非生命系统的耗散结构的例子。

  天空中的云彩通常是不规则分布的,但有时候会形成整齐的鱼鳞状排列,这就是所谓的“细胞云”;有时又会形成规则的带状间隔排列,这是所谓的“云街”;松花蛋蛋白中有非常漂亮的松花;有些花岗岩中会出现非常有规则的环状结构。这些都是我们日常生活中经常能看到的非生命系统的空间有序现象,都可以称作“耗散结构”。

  首先,产生耗散结构的系统都包含有大量各不相同的成分,并且各成分之间还通常存在着错综复杂的相互作用,这是“有序”产生的重要因素。例如天空中的云包含有由水分子组成的水蒸气、液滴、水晶和空气,它们之间的相互作用非常频繁。

  第二,产生耗散结构的系统必须是开放系统,必定同外界进行着物质与能量的交换。例如天街中的云一定会和周围的大气和云进行物质交并以及能量交换。

  第三,产生耗散结构的系统一开始必须是不平衡的,它的结构很混乱。像天空中的云,它的分布是散乱无序的,整个云彩系统的物理性质处于很不均匀的状态,只有在这种情况下,通过外界的物质流和能量流的驱动,云彩系统才有可能变成“细胞云”或“云街”等崭新的有序结构。

  第四,一个无序的系统转换成一个有序的系统存在一个临界状态。临界状态就是指一个事物系统从一种状态转变到另一种状态时的临界线,例如,你可以把稻草不断地堆在骆驼背上,什么事也不会发生,直到你把一根跨过临界质量的稻草丢上去,这个小改变就会产生一个极大的后果。在这个临界点之前,即使有相当大的改变,也只能产生很小的效应,而到了临界点之后,一个很小的改变却导致了巨大的效应。临界状态的例子在我们日常生活中经常可以见到,比如水在零摄氏度结冰,由液体变成固体,零摄氏度的时候就是临界状态;水在100摄氏度时变成了气,100摄氏度的时候也是临界状态。我们看看雪花的例子,它是在刚好零度附近产生的,只要到了那个温度,就会突然自动形成,而且呈现出来漂亮结构,有序的状态。

  现在,我们了解了“自发产生并维持有序性”并不是生命系统所特有的现象,非生命系统中也有类似的现象,它们都有一个共同的名字——“耗散结构”。这似乎显示生命现象和非生命现象并无本质的区别,有人甚至因此认为,所有的“耗散结构”都是生命现象,只不过那些排列整齐的云彩是比较“低级”的生命现象,而我们一般所理解的生命是比较“高级”的生命现象。

  区别肯定是有的,而且还特别巨大,那就是,生命的分子反应要比云彩的分子反应更为复杂、更为浩繁。相比复杂的生命系统来说,云彩实在是一个太简单的系统。

  在生命发展过程的种种反应当中,可以预见,一个由几种反应物组成的简单系统只不过是一组死气沉沉的分子,在这盘死气沉沉的分子汤里面将不会发生任何事件,只有一些非常缓慢的自发的化学反应,这样的反应云彩里也会存在,并不稀奇。因此,云彩最多只能发展出最简单的耗散结构——即“云街”这样的规则排列,如此而已。

  然而,如果不断增加分子的种类,从而增加其复杂性,它们之间就会有越来越多的反应受到系统内化学成员的激发。当分子多样性超过某一临界值时,一个由无数反应组成的“巨无霸网络”就要成形。然后,在这样庞杂的网络里,一个不同于任何其他系统的生命自我催化的系统突然涌现出来——复杂的生命出现了。

  生命的复杂系统怎样来维持自己状态呢?研究发现,这些复杂的、具有自组织性的系统是可以自我调整的。有很多复杂系统,在形成有序状态以后,能够在环境的影响下自学习、自适应,不断演化形态而生存、繁衍和发展,如果适应能力赶不上环境的变化,就会衰亡下去。生命毫无疑义具有这种自我学习和自我适应的能力。

  在这种过程当中,生命并不像地震中的岩石那样仅仅只是被动地对所发生的事件做出反应,而是通过改变自身以适应变化着的外部环境,它们积极试图将所发生的一切都转化为对自己有利。正是这种自我调整的特性使得地球上形成如此繁多的生物物种,使得人类这样高级的生命形态能够从原始的细菌进化而成。正如美国科学家霍兰所说,“适应性造就复杂性”。

  科学家曾经认为,有了基因组序列就可以“计算”生命现象。现在我们知道了,即使我们有了一个生物体的完整的DNA序列和无限的计算能力,我们也不能计算这个生物体,因为生物体并不从它的基因中计算自己。生命不在任何单个分子的性质之中,而是在相互作用的各种各样分子组成的系统的集体性质之中。那个集体系统是活的。

  在结束我们这次探索旅程的时候,尽管我们对生命已经有所了解,但我们还是应该像苏格拉底一样,谦虚而诚实地回答:“不知道。”

  《科学世界》:青藏铁路攻克三大世界性难题(2005/11/02 15:06)




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