前言

已经有很多书探讨过生命能做什么了，但本书想要探讨生命是什么。是什么创造了生物？是什么使得生物能够做出如此令人惊讶的事情，而这些事情是非生物做不了的？生物与非生物的区别来自哪里？哪怕一个低级的细菌也能完成如此美妙、如此神奇的事情，却没有任何一位工程师能够制造出与生物相媲美的东西。这些问题让我十分着迷。生命看上去就像一种魔法，它的秘密隐藏在令人费解的复杂性之中。过去几十年来，生物学取得的巨大进展只不过强化了这种神秘感。是什么让生物产生了神秘的魅力，既非凡又独特，完全不同于其他物理系统？所有这些独特性最早来自哪里？

我们可以提出很多类似的问题，它们也是非常重要的问题。在我的职业生涯中，我常常痴迷于这些问题。我不是生物学家，而是一名物理学家和宇宙学家，所以，处理这些重要问题时我将避开大多数技术细节，主要关注基本原理。这就是我将在本书中做的事情。我会专注于真正重要的难题和概念，以试图回答那个非常重要的问题：生命是什么？我绝不是第一个提出这一问题的物理学家。距离伟大的量子物理学家埃尔温·薛定谔发表著名的系列演讲《生命是什么？》已经过去了三代人的时间，我将以此作为出发点。在这些演讲中，薛定谔提出了一个达尔文回避的问题。然而，我认为我们现在正处于回答这个问题的临界点上，相关的答案将会引领一个全新的科学时代。

如果不引入全新的基本概念，物理学与生物学之间的巨大鸿沟——原子和分子领域与生物体领域之间的鸿沟——就将无法弥合。生物体有其目标和使命，这是几十亿年来演化的产物，而原子和分子只盲目遵从物理规律。但是，生物体必定是以某种方式从原子和分子中产生的。尽管科学界已经广泛接受“我们需要将生命重构为一种物理现象”这一观点，但事实证明，科学家还是常常低估了全面理解生命起源和生命本质的难度。

试图寻找非生命与生命之间存在的“缺失的连接”，并在单一理论框架下将两者连接起来的研究，已经产生了一个全新的交叉科学领域，它融合了生物学、物理学、计算机科学和数学。该领域不仅旨在对生命做出终极解释，还希望开启新的应用场景，为纳米技术带来变革，并引导医学研究取得巨大进步。这一变革背后的统一概念就是信息。它不是指日常意义上的信息，而是一种类似于能量的抽象概念，能让物质形成生命。从字面上理解，信息流模式可以表现出它们自己的生命特征，比如，在细胞间穿梭翻涌，在大脑中飞旋，在生态系统和社会中交互并呈现出它们自己的系统动力学机制。正是在这种丰富又复杂的信息流动过程中，行为主体的概念产生了，这一概念与意识、自由意志和其他令人困惑的难题有关。生物系统正是通过将信息整合成有序模式的方式，在分子领域的混沌中形成了生命的独特秩序。

科学家才刚开始将信息的力量理解为一种“因”，它能真正让世界变得不同。最近，结合了信息、能量、热和功的自然规律已经被应用于生物体，从DNA（脱氧核糖核酸）层面到分子机制，再到神经科学和社会组织，甚至延伸到行星尺度。从信息理论的视角看，生命产生的画面非常不同于传统的生物学解释，后者着重强调了解剖学和生理学方面的变化。

很多人帮助我整合了本书的内容。我在书中提出的很多观点都源自我的同事、美国亚利桑那州立大学科学基本概念超越中心副主任萨拉·沃克（Sara Walker）。在过去5年多的时间里，她对我的思想产生了巨大影响。萨拉与我一样，对围绕信息概念构建物理学和生物学的大统一理论抱有极大热忱。“生命是物理学的下一个重大前沿领域！”她宣称。我也与我们研究团队中的亚利桑那州立大学学生和博士后进行了讨论，并受益良多。此外，我还要特别感谢阿莉莎·亚当斯（Alyssa Adams）、金贤珠（Hyunju Kim）和科尔·马蒂斯（Cole Matthis）。在我那些杰出的亚利桑那州立大学的同事中，雅典娜·阿克提皮斯（Athena Aktipis）、阿里尔·安巴尔（Ariel Anbar）、曼弗雷德·劳比奇勒（Manfred Laubichler）、斯图尔特·林赛（Stuart Lindsay）、迈克尔·林奇（Michael Lynch）、卡洛·梅利（Carlo Maley）、蒂莫西·纽曼（Timothea Newman，现就职于英国邓迪大学）和特德·帕夫利克（Ted Pavlic）为我提供了特别有用的帮助。此外，我十分感谢这些年来与我交流过的如下学者：美国密歇根州立大学的克里斯托夫·阿达米（Christoph Adami）、巴西里约热内卢联邦大学的格雷戈里·蔡廷（Gregory Chaitin）、美国加利福尼亚大学戴维斯分校的詹姆斯·克拉奇菲尔德（James Crutchfield）、英国牛津大学的安德鲁·布里格斯（Andrew Briggs）、美国纽约大学的戴维·查尔默斯（David Chalmers）、英国格拉斯哥大学的李·克罗宁（Lee Cronin）、美国麻省理工学院的马克斯·泰格马克（Max Tegmark）、美国应用分子演化基金会的史蒂文·本纳（Steven Benner）、英国布里斯托大学的迈克尔·贝里（Michael Berry）、南非开普敦大学的乔治·埃利斯（George Ellis）、日本东京地球生命科学研究所和美国普林斯顿高等研究院的皮特·胡特（Piet Hut）、美国系统生物学研究所的斯图尔特·考夫曼（Stuart Kaufman）、澳大利亚国立大学的查尔斯·莱恩威弗（Charles Lineweaver，他开玩笑说不同意我说的和我写的几乎所有东西），还有美国国家航空航天局（NASA）埃姆斯研究中心的克里斯托弗·麦凯（Christopher McKay）。

在澳大利亚，阿德莱德大学的德里克·阿博特（Derek Abbott）为我阐明了生物物理学的几个方面；悉尼加文医学研究所主任、富有远见的约翰·马蒂克（John Mattick）告诉我，遗传学和微生物学领域的很多问题都还没有定论。悉尼大学的保罗·格里菲思（Paul Grifiths）为我提供了关于演化和表观遗传学的本质的深刻洞见，同时悉尼大学的米哈伊尔·普罗科片科（Mikhail Prokopenko）和约瑟夫·利齐耶（Joseph Lizier）帮我形成了对网络理论的思考，并提供了一些批判性反馈。英国萨里大学的约翰乔伊·麦克法登（Johnjoe McFadden）和吉姆·艾尔–哈利利（Jim Al-Khalili）、美国加利福尼亚大学伯克利分校的比吉塔·惠利（Birgitta Whaley）和科普作家菲利普·鲍尔（Philip Ball）为本书第5章提供了有价值的建议。美国韦恩州立大学的彼得·霍夫曼（Peter Hofmann）善意地澄清了关于棘轮的某些细节问题。美国威斯康星大学麦迪逊分校的朱利奥·托诺尼（Giulio Tononi）及其同事拉丽莎·阿尔巴塔基斯（Larissa Albantakis）和埃里克·赫尔（Erik Hoel，现在哥伦比亚大学工作），耐心地帮我梳理了我对集成信息理论的混乱想法。美国圣菲研究所也为我提供了启发，戴维·克拉考尔（David Krakauer）和戴维·沃尔珀特（David Wolpert）的博学令我钦佩。美国塔夫茨大学的迈克尔·莱文（Michael Levin）是一位非常棒的合作伙伴，也是我认识的最具开拓精神的生物学家之一。我还与计算机工程师、商业咨询师佩里·马歇尔（Perry Marshall）进行了热烈讨论，受益匪浅。

我对癌症研究的初步涉猎让我接触到一大批优秀又聪明的专家，他们帮助我理解了癌症和一般意义上的生命是怎么回事。在亚利桑那州立大学，我与金伯莉·伯西（Kimberly Bussey）和路易斯·西斯内罗斯（Luis Cisneros）就癌症相关项目展开紧密合作，并得到了加拿大西安大略大学的马克·文森特（Mark Vincent）和美国普林斯顿大学的罗伯特·奥斯汀（Robert Austin）的重要帮助。通过与位于墨尔本的彼得·麦卡勒姆癌症中心的戴维·古德（David Goode）和安娜·特里格斯（Anna Trigos）以及芝加哥大学的詹姆斯·夏皮罗（James Shapiro）交流，我对肿瘤遗传学的认知有了极大的进步。我还受到明娜·比斯尔（Mina Bissell）、布伦登·考文垂（Brendon Coventry）和西娅·特尔斯蒂（Thea Tlsty）的著作的影响。当然，其他很多人的著作也影响了我，在此无法一一列举。我还要感谢美国国家癌症研究所慷慨地给予了我为期5年的授权，让我能够获得大量癌症研究报告；感谢NantWorks公司对我研究的持续支持。美国国家癌症研究所前副主任、现在我在亚利桑那州立大学的同事安娜·巴克（Anna Barker）极富远见，是她鼓励我进入癌症研究领域。

我还要感谢企鹅出版集团——我忠实的出版商，尤其要感谢汤姆·佩恩（Tom Penn）、克洛艾·柯伦斯（Chloe Currens）和萨拉·戴（Sarah Day），他们出色地编辑了本书英文版。

最后，我要感谢保利娜·戴维斯（Pauline Davies），她完整、仔细地阅读了本书三个版本的初稿，每次都会做出修改，并附上大量注释。过去一年中，我们每天都会在一起探讨本书的诸多细节。在她的帮助之下，本书内容有了很大的提升。没有她对我的写作计划的持续支持，没有她坚持不懈的“哄骗”，没有她敏锐的智识，本书的写作绝不会圆满完成。

保罗·戴维斯
2017年12月于悉尼和凤凰城