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生命至上——生命是什么(2)?

虽然“活”只是生命系统形成的起点,仅有“活”的过程,并不足以标志“生命”的出现,但没有“活”,“生命”无从谈起。

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》。

2021-01-08 / 阅读时长 8 分钟
专栏 原创 首发

上一篇从我的个人经历、大家可以查到的字典释义、以及我们日常经验层面上,讨论了“回答‘什么是活’”不是一件容易的事情。在这一篇,我将简单回顾生命科学领域专家们的主流看法,然后阐述一下我对这个问题的回答。

很多自然科学的研究者:不能以实验加以检验的问题,一般都并不认为是真正意义上的科学问题。

就我所知,生命科学领域里一般没有什么人去问“什么叫‘活’”。但几乎所有学过生物学的人,大概都知道有一位得过诺贝尔奖的物理学家叫薛定谔,他在1943年做过一个名为“什么叫生命(What is Life,一般翻译为‘生命是什么’)?”的演讲。由于各种“机缘巧合”,薛定谔的这个演讲题目成为生命科学领域万众瞩目的“未解之谜”。可是有趣的是,以生物学研究为职业的人却基本上没有什么人直接去研究“生命是什么”这类问题。

对上述现象我的解释是,因为生物的构成太复杂了。研究者通常只能以“具体的生物体的具体组分的具体过程/现象”为实验研究的对象。不能以实验加以检验的问题,一般都并不认为是真正意义上的科学问题。可是,能够用实验加以检验的问题,基本上都是生物体的只鳞片爪的问题。以实验研究为职业的人中,没有什么人会基于他们具象的实验研究结果,来声称他们在回答“生命是什么”这样的大问题。

尽管如此,还是有一些人试图通过对大量实验研究结果的梳理归纳,来试图寻找薛定谔问题的答案。如果在亚马逊网站上用书名进行检索,除了根据薛定谔演讲出版的《生命是什么》一书之外,另外还有5本同名的书。仅从对这些书以及其他相关书籍和文献的阅读中,人们可以发现,有关“生命是什么”的答案至少有二三十种。

对这些表述加以分析之后,我发现目前有关“生命”的定义一般包含三个要素:第一,生命是一种特殊的物质,比如作为基因载体的核酸;第二,生命是一种特殊的过程,比如代谢或者非线性动力学过程;第三,生命是一种特殊的信息,比如由DNA上碱基排列方式而编码所包含的信息。美国加州索尔克研究所生物学家杰拉尔德·乔伊斯(Gerald Joyce)在1994年提出过一个表述,后来被美国宇航局作为他们对“生命”的官方定义:Life is a self-sustained chemical system capable of undergoing Darwinian evolution(生命是可以进行达尔文式演化的自我维持的化学系统)。

美国加州索尔克研究所生物学家杰拉尔德·乔伊斯在1994年提出过一个表述,后来被美国宇航局作为对“生命”的官方定义:生命是可以进行达尔文式演化的自我维持的化学系统。

可是,如果一定要较真的话,我们可以去追问,究竟是只要满足上述三个要素之一就可以被称之为“生命”?还是必需同时满足上述三个要素才可以被称之为“生命”?或者这三个要素都不能反映“生命”的本质?在我的知识范围内,好像没有人对这样的问题给出过明确的回答——当然不排除我的这种归纳和问题本身就不成立。但回到上一篇所提出的“生”或“活”与“死”的问题,我们可以问一个虽然可能很幼稚,但比较不容易出错的问题,那就是“生命”等于“活”吗?或者换一个说法,“生命是什么”的问题是不是等同于“‘活’是什么”?

我对这个问题的思考其实与上一篇中对“植物生活周期的起点和终点”这一问题的追问有关。在意识到植物生活周期是一个从合子到配子(精、卵细胞)的过程之后,下一个问题就是这个过程为什么是从合子到配子,而不是反过来——从配子到合子?

根据热力学第二定律,大爆炸宇宙中的自发过程都沿着熵增加,或者自由能下降的方向进行。植物生活周期如果是一个自发过程的话,那么从合子到配子的过程也会是一个熵增加或者自由能下降的过程吗?显然,由于合子和配子都是细胞。细胞这样的结构太复杂了。这样的问题是不可能有答案的。那么简化到一个细胞内的生物化学反应,它们的出现是自发的吗?再简化到细胞出现之前,那些将来会成为细胞内“生命活动”一部分的化学反应,或者说分子间的相互作用,哪些可能会是自发产生的呢?

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生命活动中最有特点的功能——都离不开分子间力的相互作用。

曾经因研究工作的需要,我请求过我的同事、从事蛋白结构研究的苏晓东教授的帮助。在过去十多年的时间中,我有幸参加过他实验室的研究生考核和毕业答辩。在与他的合作中,我得以了解更多有关蛋白质结构的知识。这些知识让我得出一个简单的结论,即生命活动中最有特点的功能,比如作为蛋白质的酶的催化功能、作为DNA序列的复制和转录中的碱基配对、作为细胞所不可或缺的膜的结构,都离不开分子间力的相互作用。

所谓分子间力,指的是通过氢键等相对而言比较弱的分子间相互作用。这种相互作用由于能量比较低,因此相互作用比较容易因周边环境因子的改变而被打破。比如,四五十度的高温就可以让蛋白变性(煮熟了),五六十度的温度(根据核酸的组成而有所不同)就可以让DNA的双链解体。但构成蛋白质或者核酸大分子长链的共价键并不会因此而改变。因此,对于变性的DNA,如果逐步降低温度,基于碱基配对的双链结构还可以自发恢复(当然,变性蛋白的结构恢复就要复杂一些)。

如果生命大分子最有特点的功能都依赖于分子间力,那么碱基配对、氨基酸互作等基于分子间力的相互作用,其实都是复杂生命大分子比如蛋白质或者核酸构成单元之间的互作。如果把这些复杂的生命大分子之间的互作,简化为它们的构成单元之间的互作,那么是不是最初的具有“生命活性”特点的过程,就是以碳骨架分子[1]之间以分子间力而互作的过程呢?如果这个推理是成立的,那么最初的、以碳骨架分子以分子间力互作的过程会不会自发形成呢?这个过程可能会具有什么特点呢?

“结构换能量循环”

我在前面提到,按照热力学第二定律,大爆炸宇宙中的自发过程都是按照自由能下降的方向进行的。如果我们假设每一个碳骨架分子单独存在时都有一定的能态,同时,某些碳骨架分子以分子间力互作而形成复合体时,复合体的能态比两个组分单独存在时的能态低,那么只要有足够的碳骨架分子数量,总有可能自发地出现以分子间力互作而形成的复合体。

由于此时的复合体是基于分子间力互作而形成的,那么如果在复合体形成之后遇到比如温度升高之类的扰动,分子间力被破坏,复合体解体,构成复合体的碳骨架分子又回到单独存在的状态,在扰动消失之后,它们又可以因组分单独存在时与形成复合体时的能态差,重新自发形成复合体。这岂不是出现了一个碳骨架组分在“单独存在”与“以复合体形式存在”两种存在形式之间自发形成和扰动解体的循环(图1)?

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图1

用一个相对“学术”一点的表述就是,在一定条件下,碳骨架分子可以自发形成以分子间力为纽带的复合体,并以此为节点偶联两种不同属性的自发过程——复合体自发形成与扰动解体——从而形成一个以结构(即复合体)换能量(能态差、分子间力、打破分子间力的扰动都属于能量范围)的非可逆循环,简称“结构换能量循环”。

这个“结构换能量循环”虽然简单,但反映了生命系统中代谢过程,即大分子或者更复杂结构的合成/形成与降解/解体过程所具有的基本特点。因此,可以将其定义为最初的“活”。这就是我对“什么叫‘活’”这个问题的回答。这种对“活”的定义是一种对特定物质存在方式的描述。但这种存在方式与我们感官经验中的“生物”概念又相距甚远,因此跳出了传统上的“活”与“死”的循环定义困境(详见《白话》专栏《生命至上——生命是什么(1)?》一文)。

他渊博的学识让我见识了不同学科的专家探讨“生命本质”及其规律的各种方式。

“结构换能量”这个想法可以追溯到2007年。经过好几年的自我质疑与思考,到2014年在北京大学北京国际数学研究中心葛颢教授的帮助下,为这个“结构换能量”的过程提出了一个数学描述。在2015年之后的三年期间,美国西雅图华盛顿大学钱纮教授也参与到这个概念的讨论中。他渊博的学识让我见识了对不同学科的专家探讨生命本质及其规律的各种方式。在他的帮助下,我们最终把“从结构换能量循环的角度定义‘活’”的想法整理成一篇学术论文,发表在《中国科学》(英文版)上[2]

大家从图1可以看到,我们所假设的“结构换能量循环”虽然从理论上是可以存在的,在实验上也值得去检验;但这个过程只是一个碳骨架分子从单独存在状态到复合体存在状态之间的简单循环,本质上只是一种物理化学过程。这也是很多我的同事并不认同我们将“结构换能量循环”定义为“活”的原因。

可是,如果大家认同“生命”是自发形成的,而不是某种超自然力量的创造产物,认同生命系统是由碳骨架分子构成的特殊的物质存在方式,那么就不可避免地存在一个从“非生命”的物理化学过程向“生命系统”的转折点。这个转折点为什么不能是我们这里所描述的“结构换能量循环”呢?

当然,尽管我们将“结构换能量循环”定义为“活”,也需要明确地指出,“活”只是生命系统形成的起点,仅有“活”的过程,并不足以标志“生命”的出现。换句话说,即“活”并不等同于“生命”。如同在一个笛卡尔坐标系中必须要有一个“原点”,但只有原点还不足以构成一个坐标系,原点不等于坐标系一样。生命系统如何以“活”的“结构换能量循环”为起点而形成。下一期再继续讨论。


[1] 构成蛋白质大分子的氨基酸、核酸大分子的核苷酸都属于碳骨架分子。但氨基酸与核苷酸已经很复杂了,还有更简单的碳骨架分子,比如甲烷。具体所谓的“简单”和“复杂”在结构上的含义,大家可以从网络上检索。

[2] Bai S, Ge H, Qian H (2018) Structure for Energy Cycle: A unique status of Second Law of Thermodynamics for living systems. Sci. China Life Sci. doi: 10.1007/s11427-018-9362-y.

* 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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