生命

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  生命汉语拼音:Shengming;英语:Life),生物物质的特殊运动形式。一般人不难区分什么东西是有生命的,什么东西是没有生命的。但给生命下一个完整的定义却又是千百年来的困难问题。这个问题直接关系着对人类自身的理解。

  生命泛指一类具有稳定的物质和能量代谢现象(能够稳定地从外界获取物质能量并将体内产生的废物和多余的热量排放到外界)、能回应刺激、能进行自我复制(繁殖)的半开放物质系统。生命个体通常都要经历出生、成长和死亡。生命种群则在一代代个体的更替中经过自然选择发生进化以适应环境。具有以上特征的个体均被视为生物,不过并非所有对生命的定义都以上述条件为标准。例如新陈代谢和自我复制的能力有时被视判断生命的根本条件,我们称之为生命现象。病毒在有寄主可寄生的时候,会表现出生命现象;但在没有寄主可寄生的时候,不会表现生命现象,所以病毒是介于生命与无生命之间的一种奇妙的生物。

问题的复杂性

  生命是生物体所显现的种种现象的总的抽象概念。从古至今随着人们对这些现象的逐步理解,生命的概念也在不断地改变。现代常用的定义即生命是生物体所表现的自身繁殖、生长发育、新陈代谢(与环境进行物质和能量交换)、遗传变异以及对刺激的反应等的复合现象。但这些复合现象中任一单一现象都不是生物所特有的。从“物质和能量交换”来说,非生命的火焰不断把燃料变成其他物质,进行着剧烈的物质和能量交换,在有足够燃料供应的情况下,它也会“繁殖”,但人们并不认为它有生命。相反在适当条件下保存着的种子(如古莲子)在一个长时间内可以没有物质和能量交换,但仍然具有生命,因为环境适宜它就会萌发。“生长”也是一样,无机的晶体在形成的时候(如水结冰),就有一个生长的过程;相反,有些生命体并不总在生长,有的一旦形成,大小就不变了。“繁殖”也不是生命体独具的特征,凡是有自催化过程的反应系统都有繁殖现象,如一些核反应;而有些生命体由于生殖系统的先天缺陷也不能繁殖(如骡子)。至于说到外界刺激会引起反应这一点,自从有了机器,特别如计算机以后,那也就不能认为是生命所特有的性质。

古代思想家对生命的看法

  古希腊的哲学家倾向于把一切尚不了解的产生运动的原因称之为“力”。以后的学者们就借用了这个“力”的概念,研究了各种运动,如物理学中的“引力”、“电磁力”,化学中的“亲和力”等。他们的研究取得了很多成果,但是至今还没有弄清楚古希腊哲学家很早就提出的所谓“活力”或“生命力”是什么。中国古代的哲学家倾向于把尚不了解的产生运动的原因归之为“气”。生命被看作是“气”的活动。如“人之生也,气之聚也,聚则为生,散则为死……故曰通天下一气耳”。“气”也是不明确的概念,不同的学者有很不同的解释。其中与现代科学比较接近、有唯物主义倾向的解释如:“人之生,其犹冰也,水凝而为冰,气积而为人。”这里把生命的形成比作水结冰的过程,这种观点与现代科学近似之处在于它强调了生命的有序性。也有把生命比作火的,如:“人含气而生,精尽而死,死犹澌,灭也。譬如光焉,薪尽而火灭,则无光矣。故灭火之余,无遗炎矣;人死之后,无遗魂矣。”这种观点则强调生命是一个物质代谢过程。正因为如此,所以中国古代哲学家把生命看作一个物质运动过程,常把生与死联系起来讨论,这也是中国哲学思想的特点。例如,“有血脉之类,无有不生,无生不死,以其生,故知其死也”,把生命看作是与死亡对立的。

生命起源

  在物质科学与无生源论中,生命起源的研究对象主要是关于地球上的生命,如何经历约39到41亿年的演变,从无生物(或死物)成为生物。

演化论的解释

最早生命形式诞生

  地球诞生时的面貌和现在不同,包围在地球外表的水汽虽已凝结成液态性的水-海洋,但温度还是很高,那时具有活动力的火山遍布地表,不时喷出火山灰和岩浆 ,大气很稀薄,氢、一氧化碳等,各种气体于空中形成一朵朵的卷云,氧气很少,因无充足的大气层掩蔽,整个地球曝露在强烈的紫外线之下。此时云端的电离子不断引起风暴,而交加的雷电不时侵袭陆地。

遗传物质出现

  几百年过去,这些物质越聚越多分子间互相影响,而形成更复杂的混合物,在这其间来自外太空的陨石也可能带来一些元素参与变化,RNA在生命最初的进化中扮演了一个重要角色。RNA比DNA的结构更加简单,而且是一种更加有效的化学催化剂。因此这就意味着RNA构成的生命比DNA生命更容易出现。 DNA有两项特质:第一,它能通过转录产生mRNA,而mRNA则能够翻译出蛋白质,第二,它能自行复制,DNA这两项特质也是细菌类的有机生物的基本特质,而细菌是生命界最简单的生命体,也是目前我们可以找到最古老的化石。

  DNA的复制本领来自其特殊的构造,DNA为双股螺旋,细胞的遗传讯息都在上面,然而DNA在复制过程中也会出错,或是分子群的一小部分出错,如此复制工作就不尽完美,制造出来的蛋白质也可能完全不同,也就是如此演化便开始产生,一旦生命有了不同的型态,自然才能实施淘汰和选择的法则,生物才能一步步的演化下去,我们从化石中得知三十亿年前那些类似细菌的有机物之间,已有显著的不同。

时间比喻

  若把地球诞生至今的这段日子当成一年,十一月的第三个星期鱼类才出现,而蜥蜴在十二月中旬出现;人类要到十二月三十一日的晚上21:00才出现。

主要争议

概率问题

  地球生物组织中的蛋白质具有高度的选择性,只使用了已发现氨基酸的不到五分之一,而这些氨基酸种类又是经过严格筛选出来的。按照随机产生的概率计算,即使生成一个很简单的具有生物活性的蛋白质,也许要远远大于可能性的次数才能随机产生,其自然概率也是小到几乎不可能出现。然而自然选择不是一个随机的过程,否则就不称其为选择了,因此这类质疑现在已经不成为主要争议。

原始大气成分

  上述描述论及原始大气时,提到是一个缺氧的环境。这样地球就没有臭氧层的保护。在强烈的紫外线照射下,DNA,RNA及蛋白质难以存在。假如有氧气存在,其强烈的氧化能力也会破坏蛋白质等有机分子。

蛋白质和遗传物质的矛盾关系

  上述解释在产生DNA/RNA遗传物质的时候只是一笔带过。然而在分子生物学研究发现,蛋白质和遗传物质存在严重的依赖关系。没有蛋白质的参与无法完成DNA/RNA的复制和组合,没有DNA/RNA携带的信息,蛋白质也就无从产生。 《新不列颠百科全书》[2]说:“惟独这两种分子共同发挥作用,生物才可能在地上生存。”可是这套百科全书指出,这两种分子怎么会彼此紧密合作,“在生命起源方面”仍然“是个关键性的哑谜”。而目前解释此一矛盾的理论,较为人所知的是“RNA世界学说”。

现代的生命观

  从以下几方面定义。

根据生命形态的表面特征所归纳的生命定义

  现代科学出现后,人们就对自然现象分门别类地研究,各门学科从不同的角度来研究生命,因此看法也不尽相同。20世纪50年代以前,人们从所有生命形态的共同表面特征归纳出一个“生命”的定义,认为:生命是一个具有与环境进行物质和能量交换(即新陈代谢)、生长繁殖、遗传变异和对刺激作出反应的特性的物质系统。这种类型的定义,描述了生命活动的一般特征,具有一定的认识价值。但是随着科学的发展,愈来愈觉得这种定义有很大的局限性。因为所有这些特征都可以有一些例外。

从生命物质微观构成的共性来概括生命定义

  根据分子生物学的研究,人们对构成生命活动的基本物质有了比较详细的了解。生命体的形状、大小和结构可以千差万别,但它们都是由脱氧核糖核酸(DNA)、核糖核酸(RNA)和蛋白质等大分子为骨架构成的。

  DNA是由4种不同的称作脱氧核苷酸的小分子(单体),按一定的排列次序组成的一条非常长的分子链。例如,大肠杆菌的DNA就是由约2,000万个脱氧核糖核苷酸分子组成的长链。在各种不同形式的生命体中,DNA相当于同样字母写出的长短不同、排列次序不同,因而意义也不同的书。RNA也是由4种不同的称作核糖核苷酸的单体连接而成的分子链。其情况与DNA相似,但链较短。各种不同形式的生命体中有着各式各样长短不一的RNA。蛋白质是由20种不同的氨基酸单体按照一定次序连接起来的长链分子。各种不同形式的生命体中具有各式各样的单体排列次序的长短不同的蛋白质链,链的折叠、卷曲形状也各不相同。总之各种生物的DNA、RNA和蛋白质都分别由4种脱氧核苷酸、4种核糖核苷酸和20种氨基酸单体组成,也就是说它们都是由通用的“元件”组成的。这些核酸、蛋白质在各种生物的基本生命活动中发挥着关键作用。

  由于DNA可以自身复制,因而使生命物质具有繁殖和遗传的能力;由于DNA能通过转录和翻译决定RNA及蛋白质的结构,从而控制了生物的形态结构和生理功能;而复制、转录及翻译这些过程又都需有蛋白质酶及RNA参与。这样,就有了一个分子生物学的生命定义:生命是由核酸和蛋白质特别是酶的相互作用产生的、可以不断繁殖的物质反馈循环系统。这种说法是对生命物质的微观结构及其运动过程的描述。它概括了分子生物学的一些重要的理论突破,但仍然有一些界限不清楚的地方。自然界有一类东西称为病毒,病毒是由核酸链和蛋白质外壳构成的,单独存在时,好像是一种纯粹的化学物质,并可结晶;但一旦进入了活的特定的宿主细胞中,就可利用宿主细胞内的单体和能量的供应,以及复制、转录和翻译的“机器”自我繁殖。后来又发现一些被称为质粒的物质。它更为简单,只是一些裸露的环状核酸,但可进出于活细胞之间,利用活细胞内的复制“机器”自我繁殖。此外,类病毒也有类似的情况。这些物质是否具有生命,仍有争论。有人认为,只要能够控制自身繁殖和遗传变异并对进化力量独立作出反应的都应称之为生命。如果这样讲,那么病毒、噬菌体、质粒和类病毒之类的东西就都可划为生命物质。也有人认为,生命体必须能够独立自主地复制、转录、翻译和提供单体及所需的能源,而病毒、类病毒和质粒之类的东西是一种不完整的生命形态,它们都是寄生的,不能独立存在。但后一种观点也不能成为明确的生命定义的划分界限。因为生命体从来就不是一个孤立的存在物,它与周围环境以及与其他生命都有着不可分割的联系。这就使得什么是独立生活、什么是寄生生活失去了明确的意义。因此还需要从宏观的角度,也就是从生态学去研究生命观。

生态学的生命观

  就已知的事实看,在太阳系内,生命活动只见于地球的生物圈——由高约离地表20千米的大气层(当然不包括航天器中的生命),直至离地表十几千米的深处,这一相对说来不厚的空间构成。在生物圈内有的生命体具有叶绿素,可进行光合作用,称为自养生物,大部分植物、蓝藻和部分细菌属于这类生命体。还有一些生物没有叶绿素、不进行光合作用,必须依靠摄取自养生物或其他生物为食而生存,称为异养生物。真菌、动物(包括人在内),以及大部分细菌属于这类生命体。生物圈中的无机物质,通过了自养生物的光合作用,进入了生物体,以后部分通过自养生物自身的代谢活动而回到无机世界;部分为异养生物所摄取,通过代谢活动(包括呼吸、排泄等)又回到无机世界。而大部分植物秸秆和动物尸体最后都经腐生生物(异养生物)的降解作用而返回无机世界。这样就形成了生物圈内的物质运动循环。这种循环运动都是单方向进行,不可逆转。在这个循环运动中少了哪一环或哪一环不通畅,都会影响到整个生物界。没有自养生物或自养生物不足,异养生物当然难以生存;但只有自养生物,没有异养生物,大量有机物质积累后不能降解,也会阻塞自养生物继续生存的道路。

  从物质的简单形式来看,例如在大气中的以二氧化碳形式存在的碳元素,经过自养生物的光合作用,与水化合成糖类进入生命体内,部分经过自养生物自身的呼吸作用,重新成为二氧化碳回到大气中。其他部分又被各种异养生物所利用,通过它们的呼吸作用,回到无机世界。这样就形成了一个碳元素的循环。这个碳元素循环在生命体中还必须与其他很多元素(如氢、氧、氮、磷、硫等)的循环通过化学反应耦合起来,同时也推动了这些元素在空间进行循环运动。在生物圈内元素的循环运动网络中,有很多交点,这些交点所代表的生物个体的总和就是生物量。这种周而复始的循环运动,不仅在宏观的生物圈中存在,同时在生物体的微观运动中也是存在的。生态学把生命看作是上述生物圈中种种不可逆物质循环过程的中心环节。但它仅描述了生命的外部条件及其所处的地位,却未指明生命本身的质的特点。

生物物理学的生命观

  着重从物质运动的一般规律上指明生命特征。

有序和熵

  物质和能量是守恒的,地球与外界没有物质交换,只有从太阳辐射得到能量,而又反射和辐射到太空之中。太阳辐射到地球上的能量与地球反射和辐射到太空中的能量相等。尽管地球的物质和能量都没有显著变化,但地球上各种元素由于与太阳辐射发生不同反应就可产生不同程度和不同方式的运动,即产生了上述的各种循环运动。这些运动导致了地球上物质的不均匀分布。因太阳辐射所造成的能量流动对地球的影响在一个长时期内是稳定的、有节奏的和有规律的。所以,地球上物质分布的不均匀性也是有节奏的和有规律的。这就产生了地球上物质分布和运动的有序状态。热力学第二定律用一个称作“熵”的函数来衡量一个系统的均匀程度。一个孤立系统,即与外界没有物质和能量交换的系统,运动总使熵增加。当熵达到极大值时,宏观的物质运动就会停止,称为热力学平衡。此时系统处于均匀的、无序状态。地球不是一个孤立系统,而是一个闭系,即与外界只有能量交换而无物质交换的系统。它接受太阳辐射的能量,同时它又向太空反射和辐射能量。太阳辐射出来的能量使太阳表面呈高温状态(约5,800℃)。根据熵的定义,它处于相对的低熵形式。而地球向太空辐射的能量,由于地球表面温度远低于太阳,故处于相对的高熵形式,因此有这样的一个公式:式中S代表熵,dS/dt代表熵随时间的变化率。Q代表热能量,dQ/dt是热能随时间的变化率。T太阳和T地球代表太阳表面和地球表面的温度。这个公式小于零表示在能量转化过程中,地球的熵在下降。地球上的物质和能量由此趋于不均匀和有序的状态。

活的生命体是个开放系统

  它与外界不仅有能量变换,而且有物质交换。生命体实际上是从环境中取得以食物形式存在的低熵状态的物质和能量,把它们转化为高熵状态并把废物排出体外,从而保持自身的熵处于比环境更低的水平,也就是维持着自身的有序状态。生命体的有序性从分子水平看就很明显。它们的大分子如核酸、蛋白质在各种细胞中都有一定的排列顺序,以至一个生态系统都有一定的空间结构。有序性不但表现在空间的分布上,也表现在生命体活动的规律上。它们都有一定的特性:生长、发育、生殖、衰老、死亡以及对外界刺激作出有规律的反应等。从热力学的观点看来,这些现象都出自太阳辐射的推动,但是太阳辐射仅仅是生命现象出现的外部条件。因为太阳系还有其他行星,它们都具备这个条件,但只有地球上有生命活动。生命的出现必然还有它自身的因素。

机械论与生机论

  对生命的起源与自主性问题即生命的本质问题,长期以来存在着争论。机械论有时也被称为还原论,认为生命现象可以用物理科学的规律加以阐明,高级复杂的规律可以还原为比较简单、更为基本的规律。机械论把生命看作是一种机器,并且在不同时期采取不同的表达形式。十六七世纪钟表机械很时髦,有人就认为生物无非是像钟表那样的机器;19世纪发明了蒸汽机,又有人认为生物不过是个热机。后来则有很多人认为生物是个分子机器。生机论在生物学思想发展的各个历史时期也有不同的表达方式,但从本质上讲,都是以反对机械论的形式出现的。生机论总是在两个困难问题上责难机械论:(a)如果生命是个机器,那么这个机器是怎样设计和产生出来的,谁是生命的设计者和制造者,如果没有设计者,生命体是否会自发地形成。(b)如果生命是个机器,那么谁是司机,因为现在所有的机器,包括那些高度自动化的机械如机器人之类,归根结底都是受人类的指挥和控制的。如果没有司机,这架机器是不会启动并进行有目的的运转的。这两个问题的实质就是生命的起源与自主性的问题。

  20世纪40年代,奥地利物理学家E.薛定谔,在《什么是生命》一书中提出了“负熵”的概念。他认为生命的特征就在于生命体可以不断地从周围环境中取得“负熵”以对抗生命活动中不可避免的熵的增长。有些物理学家认为他的看法可能是解决“生命之谜”的线索;但另外一些物理学家则认为生命现象与已知的物理学规律是不相容的,至少以下两个方面就很难用已知的物理学规律阐明:(a)生命体从受精卵发育为成熟的个体,它的结构和活动规律由简单变为复杂;从进化的角度看,生物体也经历了从低级形态变为高级形态的漫长过程。这两种过程都与热力学第二定律相违背。“负熵”的概念很难理解,对开放系统来说,在不可逆过程的热力学讨论中,可以有这样的公式:dS=diS+deS式中dS表示系统的熵变化,diS为系统内部的熵变化,deS为系统与外界的熵交流。根据热力学第二定律,dS总是大于零的。而与外界交流这一项则可大于零亦可小于零。但是如果用一个更大的体系把这个系统及其外部都包括进去,那就会有:dS=dsiS+doiS+dexS≥0式中dS是总的熵变化,它总是大于零的。dsiS是系统内部的不可逆过程引起的熵变化;doiS是系统外部环境中不可逆过程引起的熵变化;dexS是系统与环境进行物质与能量交换所引起的熵变化,这部分也是不可逆过程,因而也大于零。所有这几项都分别大于零,那么负熵又在何处呢?除非在交换那一项中有不对等的交换发生,产生了局部的负熵。但这种情况在什么条件下才能出现?(b)生命活动总表现出目的性,即在将来实现的事件对现在的运动有约束性。如鸟现在筑巢,是为了几星期之后产卵的需要;一条虫爬上树,是为了去吃树叶;某些噬菌体长出几条尾丝,是为了把自己的DNA注射到宿主体内去等。人类的活动更是充满了复杂的目的性。这种现象从表面上看来,是与已知的物理学规律完全相反的。物理学的规律服从因果律,即事物的运动是由初始条件决定的,现在的条件决定着将来运动的情况,而不是倒转过来。从这一点来看,已知的物理学规律似乎不能用来阐明生命现象。上述两点,正好与生物学中生机论用来责难机械论的两个论点相对应。只不过用了物理学的语言来表达罢了。

非线性动力学的生命观

  根据近几十年来物理学、数学以及其他领域的研究进展,发现过去由牛顿力学为哲学背景建立起来的自然科学的思想基础(包括量子力学在内)都有一定局限性,是以线性叠加原理成立为前提的。但是自然界的各种现象中很多都是非线性的。在过去不论从数学上或物理学中都认为这类非线性问题很困难而是无法解决的难题。由于计算技术的发展和数学物理中的突破,出现了一大类的研究非线性问题的理论和方法,如突变论、耗散结构、协同学、分岔理论以及混沌现象等。这些理论虽然问题提法、解决方法都不相同,但它们都是由于动力系统的非线性而产生的,可以统称为非线性问题。简单地讲就是一个系统的性质不同于它的组成部分性质的叠加就是一个非线性系统。生物学中长期的争论如还原论和整体论、机械论与生机论,可从这个领域的发展中找到解决的方案。

  当一个系统的变化是非线性时,它的控制参数超越了某个临界值,就会出现对称性自发破缺。一个均匀的、对称的系统就变为不均匀的和不对称的系统,物质在空间中出现了不均匀的分布也就意味着出现了结构。这种结构的形成和维持是由于系统中各个组分以及与外界相互作用的非线性的性质才能实现。一旦各组分以及与外界的相互作用发生变化,它们就可能解体、消失。所以有人称它为“耗散结构”。因为它们的相互作用不断地耗散能量和物质。生命现象是一个典型的非线性动力系统,因此这方面的研究对生命的理解将有重要的贡献。

  生命现象是一个不断地对称性自发破缺的过程。从分子水平上看所有的核苷酸、绝大部分的氨基酸以及很多脂肪酸和其他分子都是“光学活性”分子,即只有手性分子的镜像的一面,它的镜像异构分子在生物体中却不存在。这个特性从一百多年前L.巴斯德发现以来直到现在是唯一的有无生命活动的经验判据。这也可能是宇宙不守恒的对称性破缺的结果。这些分子的相互作用构成了一系列的对称性破缺,从而生成了有复制能力的对称性自发破缺的反应系统,导致生命现象的出现。