来源:《生命之树》(2011)

生命至上——生命是什么(3)?

夫风生于地,起于青蘋之末。

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》。

2021-01-20 / 阅读时长 7 分钟
专栏 原创 首发

在《生命至上——生命是什么?》的前两个篇章,我尝试回答了“什么叫‘活’”的问题,并提出“活”不等同于“生命”。那么“生命”是什么?我的看法是,“生命是什么”这个问题之所以难以回答,一个很重要的原因是,“生命”这个概念所包含的内容太复杂

这无异于把拆解为一地的波音747飞机零配件,靠一阵风吹成一架飞机。

在和朋友们讨论这个问题时,有人明确表示,细胞是生命的基本单位,比细胞更简单的结构、系统或者过程,都不能被视为“生命”。这种看法会引出至少两个逻辑困境:第一,人类目前已知的细胞都是包含有很多不同类型分子的复杂结构。如果把细胞看作是“生命”和“非生命”的边界的话,那么要将那么多不同类型的分子通过一步变化形成复杂结构,无异于把拆解为一地的波音747飞机零配件靠一阵风吹成一架飞机[1]。其概率之小是目前人类对物质世界的认知所无法解释的。

第二,目前很多“生命科学”研究都是以特定的细胞组分或者特定的大分子结构为对象。所谓的细胞生命活动大部分都是作为细胞构成要素的生命大分子的形成、解体和相互作用。如果把“生命”限定于细胞以上的层面,那么对细胞组分的研究就都被排除在“生命科学”研究的范畴之外了。在上一篇文章中我们提到,目前学界对“生命”的定义莫衷一是。这说明,在回答“生命是什么”这个问题之前,搞清楚“生命”这个概念的涵义是无法回避的一个挑战。

那么基因最初又是从哪里来的呢?这是目前生命科学界一个众说纷纭的问题。

在上一篇文章中,我们论证了什么叫“活”。即根据构成生命活动最重要两个特点,酶催化的分子机制——不同氨基酸在分子间力作用下形成特定的空间结构,和遗传信息传递与表达的分子机制——不同核酸(DNA或者RNA)分子之间基于氢键的碱基配对,把这些大分子之间的以分子间力的相互作用,拆解成作为其构成单元甚至更小的碳骨架分子为单位的相互作用,把“活”定义为碳骨架分子在独立存在和自发形成的复合体这两种状态之间的非可逆的“结构换能量循环”(详见上一篇“白话”的图示以及所附参考文献)。

我们还可以把“结构换能量循环”表述为:“特殊组分”在“特殊环境因子”下的“特殊相互作用”[2],简称“三个特殊”。需要强调的是,此时的“三个特殊”过程只是一种物理化学过程。我们可以将其看作是生命系统的起点,一个从非生命的物理化学过程向“生命系统”形成的转折点。但是,仅有“三个特殊”的出现还不足以说明“生命”出现,为什么?

道理其实很简单,即“三个特殊”过程只是简单的碳骨架分子在其单独存在和复合体存在这两种状态之间的转换。而目前所知的生命系统中,主要构成要素都是复杂的生命大分子,即蛋白质(多肽)、核酸、多糖和脂肪酸(图1)。这些生命大分子都是由某一类构成单元,如多肽中的氨基酸、核酸中的核苷酸、多糖中的单糖、脂肪酸中的碳,由共价键关联在一起的链式分子。

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这些生命大分子都是怎么形成的呢?现代的生物学教科书告诉我们,多糖和脂肪酸是酶(一类有催化功能的蛋白质)催化形成的,酶和其他蛋白质是由一些特殊的酶,根据核酸所携带的遗传信息合成的,而遗传信息的传递又依赖于酶。那么这些生命大分子最初是如何形成那么复杂的关系呢?很多人将其归因于基因。那么基因(其实就是一段DNA序列)最初又是从哪里来的呢?这个问题是目前生命科学界一个众说纷纭的问题。显然,要说清楚“生命”是什么,不得不为生命大分子的最初形成给出一个合理的解释。而考虑到生命大分子多是链式分子的特点,问题又可以被进一步简化为:这些链式分子的不同构成单元之间最初是如何因共价键而被串联在一起的,简而言之,共价键是如何自发形成的?

那些备受推崇学者给出的解释,也许并没有比我的公式更具有说服力。这个公式起码可以忝列各种解释之中,供大家比较和选择。

有关这个问题,我们基于“结构换能量循环”提出了一个新的可能性:在碳骨架分子形成复合体之后,复合体所形成的特殊表面,可能影响作为复合体组分的碳骨架分子外围电子分布,降低了共价键形成所需要跨越的势垒,使得其四个电子中的一个与周边其他碳原子形成共价键(自催化),从而将两个碳骨架分子串联起来。如果此时复合体周边存在其他具有催化功能的组分(比如FeS2),或许更有利于这个过程的发生(异催化)。有趣的是,如果出现共价键自发形成将两个甚至更多碳骨架分子串联的情况,则可能会因为碳骨架分子数量的增加而强化原本“结构换能量循环”过程中以分子间力互作所形成复合体的进一步形成,从而产生一种有利于链式大分子形成的“正反馈”过程(图2)。图2中假设的过程一方面解释了共价键的自发形成,另一方面也解释了为什么现存生命系统中的生命大分子都是链式的。

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如果图2所显示的过程的确可以发生(这和“结构换能量循环”一样需要实验的检验),那么我们可以看到,在作为“结构换能量循环”节点的复合体的基础上,“结构换能量循环”的“三个特殊”中的“特殊组分”及其“特殊相互作用”会因为共价键的自发形成而出现改变。如果将这种改变称为“迭代”,我们可以发现,由于具有这种“迭代”事件使得“结构换能量循环”衍生出正反馈属性,构成“结构换能量循环”的“三个特殊”——特殊组分、特殊环境因子、特殊相互作用——都会变得越来越复杂。虽然,这种可迭代的“三个特殊”还只涉及生命大分子的最初形成,与细胞形成还相距甚远,但已经具有了复杂性自发增加的特点——这种以分子间力为纽带的复合体的从简单到复杂的自发过程,本质上不正是达尔文在他的《物种起源》以“生命之树”来描述的现存地球生物圈中各种复杂的生物类型起源与“演化(evolution)”的过程吗?两者不过是复杂程度不同而已。因此,我们把基于复合体的自催化或者异催化的“三个特殊”相关要素的复杂性增加过程称为“达尔文迭代”。

基于上面的分析我们可以看到,在一定的条件下,在“结构换能量循环”的基础上,生命大分子所必需的共价键可以自发形成(当然现存生命系统中的生命大分子形成有更高效的形式)。这使得碳骨架分子在“结构换能量循环”这个“活”的过程的基础上,自发迭代出各种越来越复杂的组分与相互作用。辅之以不同的特殊变化,可迭代的“结构换能量循环”可以从简单的碳骨架分子迭代出链式生命大分子、生命大分子之间互作的双组分系统、“中心法则”所描述的“特殊组分”生产流水线、生命大分子网络,以及由生命大分子网络中的组分(即质膜,磷脂双分子膜)将网络包被起来而形成细胞、真核细胞(如酵母)、多细胞真核生物(包括我们人类自身),再到整个地球生物圈[3]。这是一个跨越10的9次方年的宏大历史过程。

能不能从这个宏大的历史进程中找出生命的本质及其基本规律?这当然不是一件容易的事情。但随着对生命现象的理解和对社会问题的思考的深入,我越来越相信,如果不从生命的角度来看待人类行为,我们将无法有效地理解与应对当下社会的各种矛盾与冲突。而要从生命的角度来解释人类行为,我们就不得不对“生命”是什么给出一个具有客观合理性的解释。结合本系列文章的上一篇,可以用下列的简单公式来给出我对“生命是什么”这一问题的回答:

生命=“活”+“演化(达尔文迭代)”

我想,就我所掌握的信息要为如此宏大的命题给出解释难免出错。但考虑到那些备受推崇的学者给出的解释,也许并没有比上述公式更具有说服力,上述公式起码可以忝列各种解释之中供大家比较和选择。


[1]这个比喻源自迈克尔·贝希所著的反达尔文演化论的书《达尔文的黑匣子》。

[2]特殊组分,碳骨架分子为主;特殊环境因子,打破复合体形成所需分子间力的外来能量扰动;特殊相互作用,碳骨架分子基于自由能差而自发形成以分子间力相连接的复合体。

[3]有关这个问题的论证过程相对而言比较复杂,远远超出了本专栏讨论的范围。从2016年开始,我在北京大学的暑假学期开设了一门面对全校各专业本科生的课程《生命的逻辑》。这门课程有32学时。希望近期能将讲义整理出版,让更多的人有机会了解与评判我们的观点。

*本文GIF图片由北京大学生命科学学院实验技术中心杜明帮助完成,特此致谢。

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