生命系统、台风、居维叶的旋涡

2020-2021年博古睿学者,北京大学生命科学学院教授。他是北京大学博古睿研究中心“博古睿讲座系列”的首讲嘉宾,也是在线平台“睿的n次方”的首位专栏作者,并给专栏起名《白话》。

2021-04-13 / 阅读时长 6 分钟
专栏 原创 首发

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在前面的系列文章中,我们讨论了什么是“活”,什么是“生命”。

生命系统既不是一种特定的物质分子,更不是一种抽象的观念,而是一种特殊的物质存在方式。这种特殊的物质存在方式依赖于分子间力的相互作用,是在不断分分合合的动态过程中的一种可被人类辨识的、相对稳定的中间状态。

对于学习过生物学的人来说,生命系统是一种动态分分合合过程中的一个相对稳定的中间状态的说法是不难接受的。但对于大众来说,虽然大家不得不面对人的生老病死,每个人在这个世界上总还有10的一次方年,也就是从10年到99年的寿命,这是一段很长的时间。而且自我意识的存在使我们总希望自己包括自己喜欢的人能长命百岁,并因此而害怕变化,乃至拒绝认同生命系统分分合合的动态过程,即所有的生物体包括自身总有消亡的一天。

从历史上看,人类的观念系统,很大程度上是建立在对死亡的恐惧和对永生的追求的前提之上。面对这种现实,要找到一个能反映其作为一种动态的物质存在方式的本质,同时又能为大众所熟悉、理解的有关生命系统的简单比喻,对我而言成为了一个不大不小的挑战。

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因为新冠疫情的爆发,大家都不得不开始居家办公。于是我借机把从2016年开始在暑假学期开设的《生命的逻辑》课程内容写出来。在写到一个自组织系统究竟有没有边界、或者一个自组织系统该怎么被辨识的时候,我着实为难了一阵。

在本专栏的前期文章中,在讨论什么是“活”的时候,我们提出了“结构换能量循环”这种自组织状态。可是这种状态的边界在哪里?在讨论共价键自发形成的时候,我们提出基于复合体的自催化。可是这种自催化过程还是发生在各种组分存在的一种状态中。该怎么区分发生自催化的“可迭代整合子”和周围其他组分的边界呢?找不到边界的话,怎么确认一个自组织系统的存在呢?

在这个问题的困扰下,我想到在1970年代人们讨论复杂系统自组织时,旋涡和台风常常被作为讨论的对象。虽然同为复杂系统,大家一般不会把台风归入生命系统的一种形式来加以讨论。从本专栏之前文章所介绍的观点来看,台风之所以不应该被作为生命系统的一种形式,主要原因是它并不具备碳骨架组分和以分子间力为纽带形成复合体这些特点。

但有两点使台风似乎又具有生命系统类似的特点:第一,台风是一个动态的过程。作为热带气旋,在特定的条件下,它在热带海洋生成。在伴随地球自转而移动的过程中,不断把周围的水汽整合到自己的系统中,最终形成摧枯拉朽之势。可是一旦登陆,由于缺乏水汽供应和温度条件,台风就会化解为无形。第二,台风与周围大气之间并没有一个物理边界!虽然在现代的卫星云图上可以根据气体的密度看到台风的存在,但人们却无法在台风和周围大气之间划出一道准确的边界(见下图)。

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台风的例子让我意识到,自然界中“实体”或者一种物质的存在方式的存在,未必需要一个确定的物理边界。尽管在人类经验中,我们对周边实体存在的辨识最初都依赖于可被感官分辨的边界,但的确也有一些实体存在,尤其是动态的实体存在,如台风,并不需要可被感官分辨的物理边界——毕竟相比于台风的尺度,人类感官所能辨识的范围是在是微不足道。从这个意义上,要维持自身作为一种可迭代整合子的存在,生命系统和周边独立存在的相关组分之间,如CO2、水、各种离子,其实也没有或者不需要有明确的边界。

这种说法看似和我们感官经验中的所有的生物,大到鲸鱼,小到细菌,都有特定物理边界的印象不符,但如果考虑到前面提到的人体细胞的动态更替和细菌中各种生命大分子不断的合成和降解,所有生物体的边界(无论是皮肤还是细胞膜)都是生命大分子按照特殊方式聚合的产物,生命系统作为一个动态的主体或者物质的特殊存在方式,其存在应该不是依赖于其物理边界,而是其自身基于“结构换能量”原理的整合子属性。

从这个意义上,台风虽然不可以被看作是一种生命系统,但生命系统可以用台风做比喻来帮助大家理解其动态的属性。

如果大家以台风为参照来看待生命系统,大概可以更容易理解,对永生的追求应是类似于希望台风永不停息甚至静止不动那样,是一种一厢情愿的幻想。当然,对死亡的恐惧是另外一回事。它本质上不是一种意愿,而是以意愿形式表现出来的多细胞真核生物这种可迭代整合子的存在机制。对此,我们以后有机会再专门讨论。

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找到台风作为比喻,来帮助大家理解一种处于分分合合的动态过程中的物质存在形式,可以不依赖于物理边界而存在——让我很有一点小小的成就感。

毕竟,这个比喻在满足台风和生命系统同属于“复杂系统”这个共性的前提下,打破了生命系统必需有物理边界这个传统观念,为前细胞生命系统的存在提供了符合物理化学规律的合理空间,也为理解前面文章(指《“分”还是“合”?》)提到的人体细胞处于动态替换中的“忒修斯之船”的困境,提供了大众经验范围之内可以理解的案例。

可是,这种成就感没有维持多久。前一段时间,博古睿研究院的一个朋友推荐了一篇介绍专门研究复杂系统的美国圣塔菲研究所(SFI)研究人员有关如何界定生物个体的文章。从生物学专业的角度来看,这篇文章所讨论的问题,1990年代我在美国做博士后时,就因为研究植物生活周期起点和终点问题而思考过。但文章中提到的一个信息让我眼前一亮:

居维叶曾经提到生命是一个旋涡(vortex)!

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在我做学生的时代,法国生物学家居维叶(George Cuvier,1769-1832)一直是被作为提出灾变论、反对达尔文演化论的代表而被批判的。在之后的学习过程中,因为自己的工作并不涉及演化论和灾变论的争论,因此也就没有关注过居维叶其人其事。但在读到这篇文章中对居维叶观点的介绍之后,我大吃一惊:我琢磨了那么久才悟出来的比喻,居然有人在两百多年前就已经说到了?!

我非常希望能找到文中所引居维叶说法的出处。以张之沧教授著《居维叶及灾变论》一书中的参考文献为线索,在中科院南京古生物所王鑫教授帮助下,我从他所在研究所的图书馆得到了可能是全国唯一一份馆藏(北大图书馆和国家图书馆都没有)——居维叶著Animal Kingdom第一卷英译本的电子版。在该书的引言(Introduction)部分有这么一段话:Life then is a vortex, more or less rapid, more or less complicated, the direction of which is invariable, and which always carries along molecules of similar kinds, but into which individual molecules are continually entering, and from which they are continually departing; so that the form of a living body is more essential to it than its matter[1]

这段话翻译为中文是:于是,生命是一个旋涡,或快或慢、或复杂或简单,但各种独立的分子不断被整合进去,又不断被解离出来。从这个意义上,生物体的存在形式比其构成组分更加重要

居维叶的这本书法文版出版于1817年,基于该书第四版翻译的英文版出版于他去世之后的1834年。我们现在知道,台风不过是一个大号的旋涡。换言之,把生命系统比作台风/旋涡的发明权应该是属于两百多年前的居维叶。我在这里不过是因为无知而重新发明了一次轮子。

当然,我相信居维叶当年应该不知道蛋白质、DNA和分子间力。那个时代的人们还不知道细胞的存在,更不会提出“结构换能量循环”。但从我的理解看,他对生命系统是一个动态过程的判断显然揭示了生命系统的本质,超越了他所生活的时代。当然,作为动物解剖学家和古生物学创始人,居维叶怎么把所研究的不连续分布的各种实体生物和连续分布的“旋涡”关联起来,我们现在已无从得知。而且,他把生命系统比作旋涡的说法也并不能证明我用台风来作为生命系统比喻的正确性。但试图从对具象而有限的研究对象中发现生命系统的本质,总是一些研究者的追求。

孙艺萌 | 编


[1]Baron Cuvier。The Animal Kingdom Vol I. Translated by G. Henderson. 1834, London

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