生命到底是什么?不同学科的科学家眼中有不同答案

2017年01月10日 08:41 新浪科技 微博
微博 微信 空间 分享 添加喜爱
示意图:人类疱疹病毒。病毒是生命吗?示意图:人类疱疹病毒。病毒是生命吗?
生命到底该如何定义?朊蛋白是生命吗?生命到底该如何定义?朊蛋白是生命吗?
如果你需要根据一只斑马来概括所有哺乳动物的特征,你会选择从哪里入手?如果你需要根据一只斑马来概括所有哺乳动物的特征,你会选择从哪里入手?

  新浪科技讯 北京时间1月10日消息,我们中的绝大部分人在生活中要想区分什么是“活的”,什么不是“活的”应该不会是一件非常困难的事情,你看:一个人是活的,但是一块石头则不是活的。太简单了!

  但是在科学家和哲学家们的眼里,这件事却没有那么简单。他们花费数百年的时间来思考:究竟什么让一样东西成为“活的”。人类中的那些最伟大的头脑们:从亚里士多德到卡尔萨根,都曾经在这个问题上做过大量思考,但直到现在却都还没有一个具有共识性的结论。这也就意味着,从文字定义的角度来说,我们迄今仍然还没有一个达成共识的关于生命的定义。

  在过去的100年间,我们对于生命的定义变得更加困难了。一直到19世纪以前,人们一直认为生命是非常特殊的,而之所以如此,是因为我们的身体内隐藏着一种看不到的“灵魂”。但在科学界,这样的说法现在已经逐渐消失了。现在的人们看待这一问题的视角更加科学了。比如说美国宇航局将生命定义为“能够自我维系,且能够进行达尔文进化的化学系统”。

  但美国宇航局也仅仅是许许多多试图将所有生命现象归入一个简单定义中的机构中的一个。事实上,人们已经提出了超过100个有关生命的定义,其中大部分着眼于一些生命所具有的关键特征,比如繁殖以及新陈代谢。

  让事情更加糟糕的是,不同学科的科学家在“究竟什么才能真正被用来定义生命”这一重要问题方面的想法是很不同的。一个化学家倾向于将生命看做大量分子的结合,而物理学家则更多会从热力学角度去进行讨论。

  为了对“什么是生命”这一问题有一个更好的理解角度,让我们先来听听那些在这一领域前沿工作的一些科学家们的看法吧。

  病毒学家的观点:

  病毒学家正是这样一群人。他们的工作正是探寻处在我们所知的生命范畴边缘的那些灰色地带。

  在西方的小学里,孩子们会学习到一个说法,叫做“格雷女士”(MRS GREN)。这其实是一个记忆口诀,老师希望借此帮助孩子们记住定义生命的7个关键特征:运动(Movement)、呼吸(Respiration)、感受性(Sensitivity)、生长(Growth)、繁殖(Reproduction)、排泄(Excretion) 以及营养(Nutrition)。

  这当然是不错的认识开端,但却谈不上严谨。有很多我们不会将其视作生命的东西却可以满足这些定义条件。比如有些叫做“阮病毒蛋白”的感染性蛋白颗粒,甚至是某些计算机程序,如果按照MRS GREN定义方法,那就都成为生命了。

  经典的分界线还是在病毒这里。法国巴黎巴斯德研究所的微生物学家帕特里克·伏特里埃(Patrick Forterre)表示:“它们不是细胞,它们没有新陈代谢,并且除非它们遇到合适的细胞,否则它们将一直都是休眠的。因此很多人,包括很多科学家都认为病毒并不是生命。”

  但在伏特里埃看来,病毒的的确确就是生命。不过他也承认,病毒是否能够被归入生命范畴,很大程度上要取决于你将生命定义的边界放置在何处。

  尽管病毒看上去几乎缺乏一切在我们看来属于加入“生命俱乐部”所必须的条件,但它们的确拥有遗传物质DNA或者RNA。这是生命的蓝图,整个星球上所有生命之间都是相通的。这就意味着病毒可以进化和复制——尽管它们必须借助其他细胞才能完成这一过程。

  病毒携带有DNA或RNA的事实让很多人认为病毒应该能够被归入生命进化树中去。甚至有科学家认为病毒可能隐藏着地球上生命最初诞生的奥秘。如果情况的确如此,那么生命在其最初的阶段就完全不是非黑即白的状态,而是某种不甚清晰的,介于生命与非生命之间的模糊边界。

  一些科学家已经接纳了这一观点。他们将病毒视作是“介于化学体和生命体之间的边界上”。而这就引出了一个十分有趣的问题:究竟从何处开始,所有化学成分的总和开始超越化学本身而进入生命的范畴了呢?

  化学家的观点:

  化学家们的工作是探索构建生命的“菜单”。

  美国斯克里普斯海洋学研究所的杰弗里·巴达(Jeffrey Bada)表示:“我们所知的生命是基于碳元素的大分子聚合物。”正是基于这些聚合物——它们被叫做氨基酸(构建DNA的基本构建),进一步出现了蛋白质和多糖,随后整个丰富多彩的生命世界出现了。

哈罗德·尤里正在实验室里检查设备。1950年代,尤里和斯坦利·米勒共同设计并实施了著名的“尤里-米勒实验”  哈罗德·尤里正在实验室里检查设备。1950年代,尤里和斯坦利·米勒共同设计并实施了著名的“尤里-米勒实验”

  巴达是美国著名化学家斯坦利·米勒(Stanley Miller)的学生——对,就是那个在上世纪1950年代构建名垂青史的“尤里-米勒实验”的那个米勒。该实验是人类首次尝试证明生命物质可以从非生命的化学物质中诞生。巴达在他老师的工作基础上更进一步,证明了在按照设想中早期地球大气成分配置的混合气体中放电,可以产生丰富得多的与生命有关的各类复杂分子。

  但这些化学分子仍然是没有生命的。只有当这些化学分子开始具备了排泄功能,或者开始互相厮杀,这时候我们才会给予它们“生命”的荣誉称号。那么这个关键的开关究竟在何处?究竟如何才能让这些化学物质一跃而成为生命?巴达对此给出的答案令人惊讶。

  他说:“遗传信息分子的不完美复制可能标志着生命和进化本身的起源,因而也是非生命的化学过程向生命演化的关健过渡。”化学复制的开端,尤其是非完美的,有差错的复制将产生完美程度,或者说“能力”不同的“后代”。这些分子“后代”将会相互竞争,争夺生存的机会。

  巴达说:“这基本上就是分子层面上的达尔文进化。”

  但在很多化学家看来,只有复制——也就是病毒必须要借助感染细胞才能完成的过程,才能真正定义生命。一个事实是,携带遗传信息的分子 :DNA和RNA分子让这种复制成为了可能,因此它们也应该被认为是构成生命的关键要件。

  但如果我们将视野放的更加宽广,那么这种将特定化学分子视作生命标志的做法很有可能就会失效。想想看,地球上的生命或许都有DNA或者RNA作为遗传物质,但是有没有我们目前还不了解的生命形式,它们是否也就一定是这样的呢?

  天体生物学家的观点:

  天体生物学家的工作是搜寻外星生命。

  要想预言那些我们从未了解的地外生命是非常困难的。很多研究人员,包括英国爱丁堡大学天体生物学中心的查尔斯·考克尔(Charles Cockell)和同事们,都尝试利用地球上生活在极端环境下的微生物作为可能地外生命形式的参考原型。他们推测认为,生活在地外世界的生命,其生存环境或许会和地球环境很不相同,但可能仍然会保留有一些与地球上的生命所共同的特征,因此我们是可以识别出来的。

如果火星上有生命,我们能够找到它们吗?如果火星上有生命,我们能够找到它们吗?

  但考克尔也表示:“我们必须保持开放的头脑,以便应对任何可能出现的,完全不符合以上定义范畴的生命形。”

  甚至在尝试将我们现有的关于地球生命的知识推广至地球之外的生命时,我们也常常会遭遇令人困惑的结局。比如美国宇航局在1976年将海盗-1号飞船降落到火星地表时,他们当时认为他们自己对于什么是生命是相当清楚的。这台着陆器携带了三种测试火星地表有无生命现象的测试仪器。一种测试的结果显示火星上似乎存在生命:火星土壤中的二氧化碳水平很高,这说明在火星近地表的土壤中有微生物在呼吸——这是我们在地球上得到的研究经验。

  事实上,现在我们已经十分清楚,产生这一结果的原因与生命现象毫无关系,而只是非常一般的氧化化学反应结果。

宇宙中有无可能存在着硅基生命?宇宙中有无可能存在着硅基生命?

  正是在这样的一次次尝试中,天体生物学家们不断利用这些经验,使我们搜寻生命所使用的生命定义更加精准化,但直到目前为止,我们仍然没有发现任何地外生命的迹象。

  或许天体生物学家们也并不应该将生命的定义给的太过精准。卡尔·萨根曾经将我们默认生命就应该是基于碳元素的观点称作是“碳沙文主义”,并认为这样的做法是作茧自缚,只会限制我们搜寻外星生命时的视野。

  考克尔表示:“已经有科学家指出,外星生命也有可能是硅基生命,或者也并不需要依赖水的存在,而是某种其他的溶剂。已经有很多关于某种地外的云雾状智慧生命形式设想的讨论。”

  在2010年,有一条新闻说科学家们发现了一种细菌,其DNA内含有砷的成分,而通常这种结构是由磷构建的。这一消息让很多研究天体生物学的科学家们感到兴奋不已。尽管这一发现后来受到了质疑,但很多科学家仍然对于发现不同于传统规则的新形式生命抱有希望。与此同时,一些科学家则开始考虑那些根本不基于化学的生命形式的可能性。

  技术专家的观点:

  技术专家们想要制造出人工智能生命。

  人工智能一直以来都是科幻电影和小说中的宠儿,但现在,关于制造人工智能生命的话题已经成为一门严肃的科学。

  从一个层面上说,人造生命可以是生物学家们在实验室里将现存多种生物的组织器官部件结合起来,并重新组装的工作。但这一名词也可以更加抽象一些。

人造生命体有很大可能与“正常”的生命之间存在着很大不同人造生命体有很大可能与“正常”的生命之间存在着很大不同

  从上世纪1990年代开始,托马斯·雷(Thomas Ray)编写了著名的程序“Tierra”。这款软件生成的程序能够互相竞争,争夺CPU时间和访问主内存,也可以自我复制且有一定几率在复制过程中发生变异,并有一个杀手程序负责淘汰那些失败的变异。在这种情况下,这款软件生成的程序被认为是可进化的。这是某种形式的“电子生命”吗?在那之后,科学家们一直在改进程序,希望有朝一日能够创造出真正模拟生命的软件来。另外,世界上也有多个团队正致力于研发具有某些生命特征的机器人产品。

  美国俄勒冈州波特兰里德学院的人造生命专家马克·贝都(Mark Bedau)指出:“首要的想法是想要理解适用于所有生命的基本特性,而并非仅仅是地球上的生命形式。这就需要对于什么是生命这一问题采取一种非常宽广的视野,而生物学往往只着眼于那些我们早已熟悉的生命形式。”

  的确,我们绝大部分研究人工生命的科学家,他们脑海中的原型都是生活在地球上的生命形式。这也是他们经验的基础。贝都将这种做法总结为“PMC模型”——P是程序(program),比如说DNA,M是新陈代谢(metabolism),而C则是容器(container),比如说细胞壁。他说:“必须指出,这并非生命的普遍定义,而只是最小的生命化学定义。”

  而对于那些致力于非化学体系人工生命研究者们,他们的任务则是创造软件或硬件版本的这种PMC模型组件。南丹麦大学的斯迪恩·拉斯穆森(Steen Rasmussen)表示:“从根本上来说,我不认为生命存在某种截然的定义,但我们仍然要尽量达成这一点。”来自全世界各地的科学家们正致力于发展PMC对应的各个组件,创建能够展示一个或多个此类性质的系统。然而到目前为止还没有人能够将所有这一切组合到一起,并形成某种具备完备功能的组合生命体。

  拉斯穆森表示:“这是一种从底层开始向上组装的过程,一件一件组建起来。”

合成生物学家们正在从零件开始,逐渐尝试拼装合成完整的生命体。他们会成功吗?合成生物学家们正在从零件开始,逐渐尝试拼装合成完整的生命体。他们会成功吗?

  人工生命研究或许最终将会在一个更加宏观的尺度上获得成功,从而创建出某种完全不同于任何地球上现存生命形式的新型生命体。这样的研究将重新确认我们对于生命的定义。但到目前为止科学家们还尚未抵达这一步。贝都表示:“他们目前还不必担心该如何去定义所有生命,或许他们会在喝啤酒的时候就这个话题聊上几句,但他们并不需要在工作中论述这个问题。”

  哲学家的观点:

  哲学家们一直以来都想解开生命之谜。

  那么,即便是那些致力于搜寻,乃至制造新型生命的研究人员们都还没有着手去思考生命的普适性定义,科学家们是否应该继续尝试朝着这样一个目标努力呢?美国科罗拉多大学波尔多分校的哲学家卡罗尔·克莱兰德(Carol Cleland)认为答案的肯定的——至少暂时是这样。

  她问道:“如果你需要根据一只斑马来概括所有哺乳动物的特征,你会选择从哪里入手?”她说:“答案当然不会是它们的乳腺,因为只有一半的斑马才有。看起来它们身上的斑纹是一个不错的选择,但这些斑纹没有代表性,斑马并非是因为有了斑纹才被归入哺乳动物的。”

  在尝试给出生命普适性定义的问题上也是一样。或许我们认为非常必要的条件可能只不过是地球生命所特有的特征。毕竟,从细菌到狮子,所有生命都具有一个共同的祖先,这一点就意味着我们对于宇宙中生命的描绘其实说到底只有一个样本。

  用卡尔·萨根的话来说:“人们倾向于用自己所熟悉的方式来解释。但真正的真相或许是我们所不熟悉的。”

  在我们真正发现并对不同于我们的新的生命形式开展研究之前,我们无法确知我们认为是生命要件的那些特征是否的确是宇宙普适性的。创造人造生命或许为我们提供了一种探寻新的生命形式的途径,但至少的比较近的一段时期内,我们很容易想象,那些在计算机里被构思出来的虚拟生命体,必定多多少少会受到创造它们的人,也就是我们人类,对于世界上所熟悉的那个生命系统认知的影响。

  因此,如果想要真正定义生命,我们或许需要在找到外星生命之后才有可能。

  但是具有讽刺意味的是,在发现外星生命之前,我们努力尝试找到生命的确切定义,但这样的努力本身却可能最终妨碍我们最终找到外星生命。如果2020年代的新一代火星车在火星表面直接碾过一个火星人而没有任何反应,原因仅仅是因为我们没有办法识别这是一个生命,那将是何等的悲剧啊!

  克莱兰德说:“我们给出的定义实际上会阻碍对新生命的搜寻。我们需要跳出现有的概念,这样才能打开新生命发现的大门。”(晨风)

推荐阅读
聚焦
关闭评论