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在玩乐高积木时,我们玩的是什么?

在这里,我用乐高积木做比喻来解释我对生命系统本质的解读与之前的生命观的不同。把对生命的本质及其基本规律的解读,以及对“人类生存的行为规范的是非标准的终极依据”的讨论,建立在客观合理性的基础之上。

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》。

2021-02-05 / 阅读时长 6 分钟
专栏 原创 首发

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在上一篇中,我对“生命是什么”这个问题给出了一个答案,即“生命=活+演化(达尔文迭代)”。其中,“活”是“特殊组分(即碳骨架分子)”在“特殊环境因子”参与下的“(以分子间力为纽带的)特殊相互作用”,即“结构换能量循环”。而“演化”是上述“三个特殊”相关要素的复杂性自发增加的过程。

这种对“生命”本质的解释与目前主流的生命观相比,有一个基本的不同:即我们强调“生命系统”的本质是一种特殊的物质存在方式,而不是一种特殊的物质。这个判断对“白话”专栏的主题具有非常关键的作用。如果将“生命”看成一种特殊的物质,那么追踪最初的“生命物质”将不可避免。于是,“硅基生命”的猜测、“基因中心论”的思想、生命起源的RNA世界的假说等应运而生。

可是,如果将“生命”或者“生命系统”看作一种特殊的物质存在方式,即“特殊组分”(碳骨架分子)之间在“特殊环境因子”参与下的“特殊”相互作用,我们的视角就会有很大的不同。我曾经努力为这一新的生命观,寻找一个便于理解的比喻。后来找到了乐高积木。

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过去20年在中国大中城市长大的孩子们可能都玩过乐高积木或者其仿制品。

我自己小时候玩过的积木很简单,就是用一些几何形状的木块,拼搭出一些种类有限的建筑模型。在儿子小时候,我给他买的乐高就不一样了:可以用不同形状的零配件拼搭出各种稳定的模型。零配件是买玩具时被配置好的。可是搭成什么样的模型,可以根据玩者的想像而定(图1)。显然,玩乐高积木时,人们关注的是用现有的零配件能拼搭出什么样的模型,而不是零配件从哪里来的,或者是怎么生产出来的。

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乐高积木的比喻,是否能有助于本专栏对生命的本质及其基本规律的解读,从而更好地理解了解生命本质与“人类生存的行为规范的是非标准的终极依据”之间的关系呢?

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乐高积木的玩法与对“生命”本质的解读之间有什么关系呢?

简单地来说,大概有两点可以参照的地方:第一,我们所关注的“生命”的本质,是指向“零配件”还是指向由零配件拼出来的“模型”?没有零配件显然是无法拼搭出任何模型的,但是只有零配件是不是就完成了用乐高玩具的游戏了呢?从乐高玩具本身设计的角度来看,显然不是。

相应地回到对生命系统的研究上,在过去几百年人们一直试图理解生物体究竟是怎么构成的。从最初对生物体外形的描述,到后来的解剖,再到后来的细胞学说的提出,再到最后发现细胞是由一些大大小小的分子按照特殊的相互作用方式而组装,然后又发现生命大分子中蛋白质的序列是由基因序列决定的。人们开始认为,只要解析了编码在DNA序列上的遗传信息,我们就可以读懂“生命”这部天书了。

可是如果对比乐高积木的玩法,我们可以发现,蛋白质不过相对于乐高积木中的零配件。破解DNA上的遗传信息,证明中心法则的普适性,不过相当于让我们知道零配件是怎么生产出来的。可是零配件是怎么拼搭的?DNA上的遗传信息和中心法则本身并没有给我们答案。这不是说通过基因测序的方式破解各类生物(包括人类自身)的遗传密码、发现中心法则等这些科学进展不重要——没有这些进展,我们根本不可能在这里讨论乐高积木与解读生命的关系这样的话题;只是知道了乐高积木的零配件是如何生产出来的,并不等于知道了这些零配件能搭些什么、怎么搭、搭出来的东西哪些能更好地存留下来。

第二,乐高积木的消费者购买玩具时所面对的是一堆零配件、一张装配图和几样简单的工具,而不是被拼搭好的模型。可是,人们所面对的、试图了解的生命系统首先是10的9次方年的时间尺度中演化出来的各种不同的“成品”,相当于乐高积木中那些被拼搭好的模型。在“游戏”开始时,我们并不知道这些“成品”是由什么“零配件”、按照什么规则被拼搭起来的。

了解这些“成品”形成方式的唯一办法,就是把它们拆开。如果能把拆开的部分给装回去,大概说明我们对这些“成品”的构成方式的了解是对的。可是,当我们把这些“成品”拆到一定程度,发现不同“成品”的零配件都是差不多的时候,乐高积木游戏中一个最有挑战性的问题出现了:为什么差不多的零配件却可以拼搭出完全不同的模型呢?这个问题就不是通过拆解“成品”所能回答的了。那怎么才能回答呢?

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前面的文章为有关“三个特殊”的“活”、以及基于作为“结构换能量循环”节点的复合体的自催化/异催化所自发形成共价键为起点的“迭代”,给出了一个新的思路,即“自发形成、扰动解体、适度者生存”。意思是“结构换能量循环”,包括其相关组分的迭代,都是自发形成的。由于它们之间的互作基于分子间力,可以在环境因子的扰动下解体。但作为这个动态过程节点的复合体可以具有一定的存在概率。不同的组分之间的互作可以形成存在概率不同的复合体。最后,存在概率高(适度)的互作形式可以作为进一步迭代的基础,从而成为生命系统演化中的环节。

在过去一两百年对生物体进行越来越细致的拆解之后,现在大概是时候从“拼装”或者“整合”的角度来看待生命系统的形成过程了。这就是前面文章中对于什么是“活”、什么是“生命”的回答所蕴涵的与之前生命观稍有不同的思路。

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在这里用乐高积木做比喻,来解释我对生命系统本质的解读与之前的生命观的不同看似新鲜,其实,该观念从历史的角度并没有特别的新颖。

古希腊的赫拉克里特就认为世间万物都是不断变化和相互依存的。因“耗散结构”理论而获得诺贝尔化学奖的普利高津,在他与希腊学者的对话[1]中提出,世界的变化源于相互作用之中。在基因表达调控机制研究中提出“操纵子”模型而获得诺贝尔奖的弗朗索瓦·雅各布,在他出版于1970年的遗传学史著作Logic of Life(《生命的逻辑》)中,甚至还创造了一个词,来表达生命系统中不同组分之间的相互作用:Integron(图2)。这个词并不流行,因此一般的英文词典并没有收录。但在翻译网站上有,它被翻译为“整合子”。

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只不过,雅各布提出的这个词的含义与上世纪90年代,有人把一个基因表达调控序列称为“整合子”的含义是不同的。在他的著作中,雅各布用Integron一词所要表达的意思是,从微观到宏观的生命系统中的各种现象,都可以从不同组分的相互作用中找到解释。

作为生命系统形成的起点(类似笛卡尔坐标系的原点),如果用一个简单的词来表述“结构换能量循环”,其实就是一个最简单的“整合子”。以共价键自发形成为起点而衍生的“三个特殊”相关要素的复杂化,其实就是“整合子”的迭代。因此,生命系统可以看作是由复杂程度不同的可迭代整合子关联而成、且到了一定复杂程度之后,不同层级的子网络可以独立运行的一个巨大的网络。(有关生命系统子网络的层级性,我以后还会再讨论)

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为北京大学学生们开设“生命的逻辑”课程所讲授的内容,我还给了一个副标题——“整合子生命观”概论。与前人论述的不同之处,是我对生命系统中互作组分给出了一个具体的限定,即碳骨架分子。在我看来,强调生命系统的本质是以碳骨架分子为“特殊组分”、以分子间力为互作纽带的“结构换能量循环”这一点非常重要。这限定了当我们讨论“生命”这个概念时,我们所讨论的是一种特殊的物质存在方式,而不是一种抽象的观念,当我们讨论生命系统中的“相互作用”时,我们所讨论的首先是不同实体分子间的相互作用,而不是抽象概念之间的关系。

只有这样,我们才能把对生命系统的本质及其基本规律的解读建立在客观合理性的基础之上。同时,我们才能把对“人类生存的行为规范的是非标准的终极依据”的讨论建立在客观合理性的基础之上。


[1] Ilya Prigogine, Is Future Given. 2003, WSPC, Athens

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