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生命该如何定义(科学知识-摘自网络)  

2017-02-13 11:57:35|  分类: 科学教育 |  标签: |举报 |字号 订阅

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什么是生命,什么不是?我们大多数人可能觉得这个问题并不需要很复杂的思考,很简单啊,人是生命而石头不是。

但科学家和哲学家们对此并没有一个非常明晰的概念。为了思考究竟是什么让生物为“生”物,他们足足花了几千年。从亚里士多德到卡尔·萨根,无数的伟人提出了一个个伟大的理论去定义生命,但是到目前为止没有一个理论可以说服所有人。或者说,我们并没有找到生命的“意义”。

而在过去的一百年间,定义生命甚至变得更加困难了。一直到19世纪,主流说法都认为,生命区别于非生命的因素,就在于无形的“灵魂”或是“精神”而不同。但目前科学界已经抛弃了这一理论,因为有更为科学的观点取代了它。例如,美国航空航天局(NASA)就把生命定义为一种“符合达尔文进化理论并且可以自我维持的化学体系”。

但是,NASA的定义只是希望用简洁的描述去定义生命的众多尝试之一。事实上,如今的科学界提出了超过100种的生命定义,这些定义大多关注生命的一小部分关键属性,比如繁殖和代谢。然而,对与什么才是定义“活着”的最重要的因素,不同科学家持有不同的意见。化学家认为生命应该被归结为几个特定的分子,然而物理学家则更偏向讨论热力学问题。

为了更好地理解为什么定义生命如此之难,让我们了解一下几个工作在区分生命与非生命前沿的领域——

病毒学家:探索生命边缘的灰色地带

有些英文教材会用“MRS GREN”作为便于记忆的口诀,帮助孩子记住定义生命的7个元素:运动(movement)、呼吸(respiration)、感知(sensitivity)、生长(growth)、繁殖(reproduction)、排泄(excretion)和营养(nutrition)。但是这仅仅是定义生命的开始,绝不是终点。有很多用传统的定义难以划归到生命的类别都拥有这7种特征,比如一些晶体,以及具有传染性的蛋白质——朊病毒;甚至一些计算机程序按照MRS GREN的归类方法都可以被称为生命。

经典的“临界”个例就是病毒。“他们没有细胞结构,不进行代谢,在没有入侵细胞的情况下呈现惰性,所以有很多人(包括很多科学家)断定病毒不是生命。”法国巴斯德研究院的微生物学家Patrick Forterre说。但Forterre认为病毒是活着的,虽然他承认这个看法的确依赖于你如何确定分界点。

病毒几乎缺乏所有我们认为是生命的条件,除了它们能通过编码DNA或RNA来传递遗传信息。DNA或RNA是生命构造的蓝图,被这个星球上所有的生命所共用,这便意味着病毒可以演化与复制,即便它们只能通过“劫持”其他活着的细胞来完成这些活动。

同我们知道的所有生命一样,病毒携带了DNA或RNA,因此一些人认为病毒应当归属于生命,还有些人甚至声称病毒带有让我们了解生命起源的线索。如果是这样的话,生命似乎便不再是非黑即白的实体,而更像一群物体模糊的集合,没有明确的“活着”或“死亡”的边界。

一些科学家赞同这种观点,他们认为病毒“存在于化学与生物的边界”。而这一观点也催生了一个有趣的问题:什么时候化学分子不再仅仅是各个部分的单纯组合,而产生了生命的活力?

化学家:探索生命的“配料”

“如我们所知,生命建立在碳基聚合物的基础之上。”斯克里普斯海洋研究所的Jeffrey Bada说。这些聚合物就是核酸(DNA的组分)、蛋白质和多糖,构成了现在丰富的生命。

Bada是Stanley Miller的学生,他参与了著名的Miller-Urey实验。这个实验在20世纪50年代进行,是最早探究生命如何从无生命的化学物质起源的实验之一。他再次进行了这一著名的实验,证明了在放电的条件下,原始地球上存在的化学物质可以产生更大范围的生物相关分子。但是这些化学物质是没有生命的。只有它们开始进行一些特别的活动,例如排泄,或者自相残杀时,我们才会认为它们是生命。那这些化学物质需要什么条件才能一跃成为生命呢?Bada的答案出人意料。

“信息分子的错误复制可能是生命发生和演化的起源,这也因此造成了非生物化学向生物化学的转变,”Bada说。复制,特别是错误复制导致了具有不同能力的“后代”的产生,这些分子后代开始为了生存而互相竞争。“本质上来说,这就是分子层面的达尔文进化论。” Bada说。对于很多化学家而言,复制(病毒进行这一过程必须借助生物细胞的力量)对于定义生命非常重要。这一事实也说明,可以进行复制的信息分子例如DNA和RNA,对于生物的未来也是必需的。但是,从更广的尺度上看,用某几种特定的化学物质来定义生命似乎不妥。我们目前所知道的生命可能都需要DNA或是RNA,但是谁说得准在地球之外会不会有某些生命是不基于DNA或RNA的呢?

天体生物学家:找寻奇怪的外星生物

预测外星生命也是一个棘手的任务。大多数的研究者,包括爱丁堡大学的英国天体生物学中心的Charles Cockell和他的同事们,都在通过地球上可在极端环境下生存的微生物来研究外星生命。他们认为,外星生命生活的环境可能会与我们迥然不同,但它们仍然很可能与地球上的生命共同拥有着生命的某种关键特征。

“为了寻找可能超出我们目前定义的东西,我们需要保持开放的心态。”Cockell说。

如果直接把我们所了解的关于地球生物的知识套用到寻找外星生命的过程中,可能会产生令人疑惑的结果。例如NASA——他们原本认为自己对生命的定义已经相当不错了,但1976年他们就被打脸过:当年,NASA发射的“海盗一号”成功着陆火星,并进行了三项用于测试生命的三个实验。其中一个实验似乎证明了火星上有生命——他们观测到火星土壤的二氧化碳浓度较高,因此认为这说明有微生物在这颗红色星球上生活和呼吸。事实上,现在普遍认为,观察者当时发现的二氧化碳释放只是非生物的化学氧化反应,并不是当初激动人心的“似乎发现生命活动”的现象。天体生物学家学习了之前的经验,提高了用于寻找外星生命的标准。但是到目前为止还是一无所获。

也许提高标准也会带来坏处。萨根认为,目前对生命的搜寻仍然局限于地球上的碳基生命,以碳为中心,这种狭隘的观念或许限制了对外星生命的寻找。“也有人认为外星生命可能以硅为基础,或者依赖不同于水的某种溶剂,”Cockell说,“甚至红巨星,星际尘埃,气体云中都很有可能存在智慧生命。”

2010年,科学家发现,有一些微生物DNA中的磷可被砷取代(DNA为脱氧核糖核苷酸链,其中核苷酸中含有磷元素,其中磷氧键参与核苷酸连接成长链核酸),这一发现令天体生物学家非常激动。这些发现虽然后来受到了质疑,但无疑激励了很多尝试寻找不符合传统规则的生命的科学家,很多人还是会继续抱有希望。

技术专家:建立人工生命

曾经人工生命只存在于科幻小说中,但是现在却已经成为一个成熟的科学分支。在某种程度上,人工生命包括生物学家在实验室中将两种及以上的已存在的生命形态组合在一起形成的新有机体,但是它也可以更抽象。

20世纪90年代,Thomas Ray就开始开发一套名为Tierra的计算机软件,它演示了数字“生命形式”的合成与演化。如今,研究者还试图开发计算机程序来真正地模拟生命,甚至有许多团队开始开发带有类生命特质的机器人。 “我们首先要明白什么才是所有生命系统(而非仅仅我们地球的生命系统)都必须具备的特性,”美国里德学院的人工生命专家Mark Bedau说,“这就意味着,我们要尝试给‘生命’一个更广泛定义的尝试,而生物学只关注于我们比较熟悉的生命形式。”

即便如此,很多人工生命研究者依然在利用我们所知的关于地球上生命的知识来进行他们的研究。Bedau说,这些研究者所用的叫做“PMC模式”——其中P指程序(program,如DNA),M指代谢(metabolism),C指容器(例如细胞壁)。“值得注意的是,这不是通常意义上的生命的定义,只是一个最小化学生命的定义。”他解释道。这些研究非化学生命形式的人工生命研究者,他们的工作就是开发PMC模式的软件或硬件。

“我认为,‘生命’从根本上就不会有一个精准的定义,但是我们依然有一些可以瞄准的目标。”在南丹麦大学研究人工生命的Steen Rasmussen说。来自世界各地的团队都在研究PMC模型中的各个单独组分,并把它们放入系统以研究其性质。但是目前为止,没人可以将这些组分装配起来,成为一个有综合功能的生命形式。“这是一个自下而上的过程,需要一部分一部分地建立。”他解释道。

人工生命的研究可能最终会应用到更广泛的范围,甚至制造出与我们的期望大相径庭的生命。这类研究可能会帮助我们重新认识生命的定义。但是目前的研究者还没有走到这个阶段,Bedau说:“如何定义所有的生命形式暂时还不是让研究者操心的课题。他们可能会在喝啤酒的时候聊聊这个问题,但并不会把探究这个问题当作他们的工作。”

哲学家:试图解决生命的谜题

既然寻找和制造新的生命并不需要一个通用的定义,那这是不是意味着科学家可以停止思考生命的定义了?科罗拉多大学的哲学家Carol Cleland认为答案是肯定的,至少暂时是这样的。“如果你试图用斑马来概括哺乳动物的特征,你会选择哪种特征?”她问道。“你可能不会选乳腺,因为一半的个体都没有乳腺——只有雌性斑马有。条纹可能是一个显而易见的选择,所有斑马都有条纹,但是这仅仅是个巧合,有条纹这个特点并不是让斑马成为哺乳动物的理由。” 说到生命,也是一个道理。也许我们认为生命所必需的特质,实际上只是地球上生命所独有的特质,毕竟从细菌到狮子都是从同一个祖先进化而来,这意味着在宇宙生命的图表里我们只有一个数据点。

正如萨根所说:“人们总是倾向于用自己熟知的事物来定义,但最根本的事实也许是超出我们意识范围的。” 如果不找到其他的生命形式,我们就无法确定我们现在所认为的生命必需条件是否通用。制造人工生命或许可以提供一个新的方式去探索新的生命形态,但是至少在短期来看,任何在电脑中被凭空捏造出的生命都可能会受到我们现有的对于生命系统的偏见影响。

为了恰当地定义生命,或许我们还是需要寻找外星生命。但是讽刺的是,缺乏对于生命的明确定义,反过来又使发现外星生命变得更加困难。想象一下,如果在21世纪20年代,新的火星探测器登上了火星,却从一个火星人身边直直地开走了,只是因为我们无法辨认出它是有生命的。“生命的定义也可能阻碍我们寻找新生命,”Cleland说,“我们需要摆脱现有的概念,这样才能有一个开放的态度去寻找我们不了解的生命。”

 
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