怎么会想到问“什么是‘活’”
——背景Ⅱ：有关生命系统的几个基本事实

上面一段回顾了我对生命系统中多细胞生物发育的单向性、演化过程中“选择”的对象是什么以及生命现象最初是不是自发产生这几个问题的关注过程。对于学过生物学的人而言，可能会觉得这三个问题或者是不证自明因此无须赘言，比如第一个发育单向性的问题；或者是无事生非，比如第二个演化过程中选择对象究竟是基因还是与基因相关的结构/功能的问题，大家说演化是“基因变异加环境/自然选择”的产物挺好，为什么还要弄出个“结构/功能”作为选择对象；或者是不切实际，如第三个生命现象是不是自发产生的问题，毕竟当下的主流观念是基因中心论，即对很多人而言，所有的生命现象都是由基因决定的，了解了基因就了解了生命，为什么还要在基因之外去思考生命现象是不是自发产生的问题？而且，欲改变性状当然需要改变基因，而改变基因当然就需要“设计”，不考虑设计原理，人们怎么去操作基因、按照人类的意愿改变性状呢？可是，如果我们把科学作为一种为人类生存相关的实体存在及其相互关系提供具有客观合理性的解释的认知方式，而不只是按照人类意愿改变生物体的性状，其实没有什么问题是不能问的。关键是，在寻求问题答案的过程中能否保持具有客观合理性的逻辑链条的完整性。其中，涉及有关生命现象的思考最重要的一个客观性要素，在我看来，就是不能脱离生命现象的物质性。

什么是生命现象的物质性呢？我认为，首先是作为生命现象基础的生命分子的物质属性；其次是生命分子相互作用的化学属性；最后是影响生命分子相互作用的能量关系。

生命分子的物质属性——碳骨架分子

在讨论生命分子的物质属性之前，先要向大家请教一个问题，谁知道“无机化学（inor-ganic chemistry）”一词是谁在什么时候提出来的？我从未在手边能查到的资料中找到这个问题的答案。但与之相对应的“有机化学（organic chemistry）”一词的创立者和时间却很容易查到——瑞典化学家J. Berzelius，1806年。有机化学的定义很清楚，在《辞海》中的注释是“研究有机化合物的来源、制备、结构、性质、应用及有关理论的一门学科”。其中的“有机化合物”指的是“碳化合物（除无机碳化物外）、碳氢化合物及其衍生物的总称”。在前面提到的网络词典www. dictionary. com中的注释是“the branch of chemistry，originally limited to sub-stances found only in living organisms，dealing with the compounds of carbon”。Wiktionary中的注释是“The chemistry of carbon-containing compounds，especially those that occur naturally in living organisms”。为什么会把碳化合物、碳氢化合物及其衍生物称为有机物呢？F. Jacob在他的The Logic of Life一书的第二章专门讨论过对生物的描述如何从living beings变成organ-isms。其中一个关键的转折点在于大家在对生物的研究中发现，所有研究过的生物都由复杂的结构组成，即“well organized”。Berzelius在系统研究生物体的化学组成时，他注意到，几乎所有生物体的主要化学组成都是碳及碳氢化合物（当然有一些含氮、磷、硫、氧）。同时，他当时认为生物和非生物之间因有没有“活力”而存在根本的区别。这些大概是他创造一个“organic chemistry”来特指分析源自生物构成物质的化学的原因吧。

在1824年到1828年间，德国化学家F. Wohler以氰和氰酸铵这两种公认的无机物分别制备出了草酸和尿素这两种公认的有机物，打破了Berzelius划分的“有机物”和“无机物”之间的人为界线，但Berzelius基于对物质成分分析所提出的生物体的化学组成都是碳及含氮、磷、硫、氧的碳氢化合物的结论并没有被动摇。目前所有的生物学教科书（包括本书第二章所列的）都把这个结论作为讨论生命现象的基本前提。毕竟，目前所知道的地球上生物体的化学组成中的所谓“生命分子”，即蛋白质、核酸、多糖和脂类，其基本结构都是由碳原子经共价键关联起来作为骨架加上各种修饰所形成的链式分子（图3-2）。然而，目前地球上已知的化学元素有118种，为什么生物体的化学组成是碳骨架（carbon-based）？

碳是化学元素周期表中第6号元素（图3-3）。按照目前的化学知识，碳的原子核外有两层电子，外层是4个电子，可以形成4个共价键。这可能是碳成为生物体化学组成骨架的必要条件。

可是，在目前的各种媒体中，不同的人会以不同的理由推崇“硅基生命”的说法。如果大家在百度中输入“硅基生命”检索，可以发现该词条下对这个说法来龙去脉的详细解释。在此就不再赘述。我个人不认同“硅基生命”的说法。但之前也没有直面这个问题，因为我并不掌握有效的证据去反驳这种说法。在2016年第一次开设“生命的逻辑”课程时，我们生命科学学院选修此课的本科生温凯隆同学在他的课程论文中给出了一个为什么生命分子以碳而不是硅作为骨架元素的道理。他基于北京大学出版社出版的、麦松威等编著的《高等无机结构化学》第二版440页所提供的信息写道：“现比较认可的解释如下。硅元素比碳多一个周期，原子半径大，导致Si—Si键长为235 pm，而C—C为154 pm，硅烷中较长的键使得Si的sp ³ 轨道有效的互相重叠减少，键能降低。而C—C键由于较短而较强，利于形成长链。又由于Si—Si键能（226 kJ·mol ^-1 ）比Si—O（452 kJ·mol ^-1 ）小很多，使得硅硅键倾向于形成以更稳定的硅氧键为单位的硅氧化合物，也就是我们常见的玻璃等物质。而C—C键能（356 kJ·mol ^-1 ）大于C—O键能（336 kJ·mol ^-1 ），因而更倾向于形成以碳骨架为单位的有机分子，也就是我们所见的各种生命分子”。我认为他对碳和硅的化学属性的定量分析对我而言是一个非常有说服力的证据，应该可以帮助大家理解（或者解释）为什么地球上生物体的化学组成以碳而不是以硅为骨架。更难能可贵的是，他能从学习时用的教科书中找到论据来支持他的论点。看来，北大的“学霸”之所以成为“学霸”，大概是他们知道怎么“用心”，知道要言之有据，知道去正确的地方找有客观基础的信息作为支持自己论点的证据。

除了从化学层面上把硅基生命的讨论排除在我们对生命的物质性的讨论之外，对碳骨架分子的强调，还希望把以广义硅基生命，即基于硅基芯片的计算机而产生的人工智能也排除在我们对生命物质性的讨论之外。大家在读到后面的章节之后，大概可以理解在这里把对生命物质性的讨论局限在碳骨架分子范围内的意义。

生命分子互作的化学属性——独特的分子间力

虽然在生命科学的实际研究者中极少有人去涉足“硅基生命”的问题，大家都是脚踏实地地以碳骨架分子为自己的研究对象，但在碳骨架分子如何构成生命分子以及生命分子之间如何相互作用的问题上，不同的人还是有不同的关注侧重点。

目前文献中能看到的有关生命起源的研究中，最为人关注的，是作为多肽构成单元的氨基酸如何形成多肽，或者核酸构成单元的核苷酸如何形成核酸。根据现有的生命科学知识，这类问题好像是有现成的标准答案的：中心法则——DNA记录多肽的信息，通过mRNA 这个中间载体，指导核糖体合成多肽。可是再向前追问一步，地球上最初的DNA是哪里来的？最初的核糖体是哪里来的？由于这些生命分子（如DNA）或者生命分子的复合体（如核糖体）都太复杂了，似乎很难想象它们生来如此！尽管有人后来提出了RNA world（RNA世界）的说法来调和多肽合成需要信息载体和催化活性双重同时存在的困境，同时具有信息载体和催化活性双重功能的RNA的最初来源仍然是一个无法回避的问题。

大概由于这个原因，世界上有好几个实验室在认真研究单体的氨基酸或者核苷酸在什么样的地球环境下可以形成多聚物（即肽链或者核酸）。这是有关生命分子相互作用研究中一个非常重要的方面。学过中学化学的读者应该很容易理解，从单体形成多聚物是以单体间的共价键连接为基础的。有关地球环境下多聚物形成的研究，关键在于探索在什么条件下可以具有共价键形成所需要的能量。

可是，在生命分子的互作中，除了共价键之外，还有至少另外两种相互作用：离子键和包括氢键、范德华力的分子间力（inter-molecular-forces，IMF）。在对生命活动的研究中，无论是信号转导还是酶反应机理，离子键和分子间力都受到人们的关注。但是，在目前有关生命分子起源的探讨中，却很少见到人们涉及离子键和分子间力。这个现象让我感到好奇：在生物体中，生命分子互作最重要的究竟应该是共价键，离子键，还是分子间力？

在前面分析“生命是什么”问题时提到，一瓶DNA放在实验台上恐怕将一直就是DNA。现代生物学对化石中古DNA进行的分析可以有效地重现化石所属古生物的遗传信息，可是没有人会认为成为化石的古生物属于活的生物体。在这些古DNA分子中，连接不同核苷酸的共价键与取自活体生物的DNA没有实质性的差别，否则无法用类似的方法去分析其序列。放到更大的尺度上，我们知道作为有机化学研究对象的分子无论大小、形状和来源，都由共价键关联而成。从这个意义上，也说明共价键的有无无法作为判断相关分子是否具有生命活性的指标。

离子键更是一种不仅在有机分子，还在无机分子中普遍存在的分子间相互作用，同样无法作为判断相关分子是否具有生命活性的指标。

那么，分子间力呢？

基于目前人们对生命活动特点的了解，大概有三个现象是非生命世界中所没有的：第一，在常温常压下作为蛋白质中一种的酶所具有的催化活性；第二，DNA作为遗传信息的载体；第三，细胞作为各种生命活动的基本单位。这三种现象的化学基础是什么？从酶催化活性的基础来看，目前已经有很多证据表明，活性中心是酶催化功能的关键。那么，活性中心是怎么构成的呢？特定蛋白结构上特定区间内特定氨基酸之间的分子间力所形成的特定空间。就我的知识范围，没有分子间力，就不可能产生活性中心，也就无法形成酶的催化活性。从DNA作为遗传信息载体的功能来看，这种功能的化学基础，是两条DNA链上的碱基配对。而碱基配对的基础是氢键。换句话说，如果没有分子间力，就不会有DNA作为遗传信息载体的功能。从细胞的构成来看，在细胞构成的各种组分中，最重要的结构是细胞膜。可以说，没有细胞膜就没有细胞。那么，细胞膜是怎么构成的呢？基本结构是磷脂双层膜。磷脂是一种一头亲水、一头疏水的极性/两性（amphiphilic）分子。在水中会因为分子间力与水分子相互作用而自发地形成双层膜。如果我们认同酶的催化活性、DNA作为遗传信息载体和细胞作为生物体的基本结构是生命系统的三个独特属性的话，那么分子间力是这三个属性形成所不可或缺的一种分子间相互作用。从这个意义上，分子间力才是在理解生命系统独特性时最应该予以关注的！

生命分子相互作用的能量关系——热力学第二定律

上一节中提到，如果不接受地球上生命系统的神创论，就不得不在逻辑上接受生命现象具有自发产生的特点。可是在人类现有知识范围内，究竟什么样的过程会具有“自发产生”的特点呢？基于常识，人们知道，水往低处流、热的东西会自然冷却到常温。这些都属于自发过程。在19世纪中期，物理学家提出了一个有关自发过程的普适规律——热力学第二定律。这个定律有不同的表述方式。从最初Carnot非常具象的热机表述，到之后R. Clausius比较抽象的“Entropy（熵）”的表述，再到Planck将熵增现象提升到一种宇宙中普遍存在的现象，这个定律所表示的就是一句话：在封闭系统中，自发过程一定向熵增加的方向进行。到了19世纪70年代，美国学者J. Gibbs提出了自由能（free energy）的概念。根据化学热力学的吉布斯方程，在等温、等压的封闭体系内，不做非体积功的前提下，任何自发反应总是朝着吉布斯自由能（G）减小的方向进行。吉布斯方程为热力学第二定律提供了一个自由能的表述形式。

这下问题来了：如果接受生命现象具有自发产生的特点，而热力学第二定律又指出自发现象的方向一定是熵增，即混乱度增加，也即倾向解体；可是作为生物体基本单位的细胞却是一个高度有组织的存在，对于多细胞生物而言，从一个单细胞的合子变成多细胞的个体，生物体的细胞数量在增加，这些细胞之间也一直按照特定的规则形成高度组织化的结构。生命过程不是一个有组织的过程，或者说是混乱度减少或者“熵减”的过程吗？这不是违背了热力学第二定律所指出的自发过程一定是熵增的过程吗？为解决这个问题，薛定谔提出了负熵的概念。他基于生命系统的维持必须与周围环境进行物质和能量的交换，从而不满足热力学第二定律所规定的自发过程向熵增方向所需要的封闭系统这个前提，提出生物体以消耗环境中的熵来减少自身的熵，从而实现自发的自组织过程。这也是薛定谔有关生命系统从无序到有序的自组织过程由负熵驱动的说法广受欢迎的基本原因。

负熵的说法换成自由能，就变成了生物体从环境摄取能量，通过消耗从环境中获得的能量所形成的化学势差来维持自身化学反应的自发进行。

可是，负熵和获能这种说法虽然从直觉上解决了生命过程中出现的自组织现象和热力学第二定律所规定的封闭系统自发过程指向熵增之间的矛盾，可是仍然有一个问题，即最初的具有自组织特点的生命过程是什么？外来的能量作用于生命分子时，是增加其自组织程度？还是打破自组织，增加混乱度？

还是以前面提到的蛋白质和核酸这两种最具代表性的生命大分子为例。大家可能在中学生物学实验中就了解到，如果给蛋白质加热，即增加能量，维持蛋白质结构的分子间作用力会被打破，蛋白质会变性，即出现结构的紊乱。对于DNA分子而言，如果加热，即增加能量，维持DNA双螺旋的氢键会被打破，出现核酸变性，即双链打开。等到温度降下来，双链又会逐步“复性”，即回复碱基配对的双链状态。这也是外来能量的影响，对这种现象，怎么用上述负熵或者获能的概念来解释呢？

由此看来，虽然从逻辑上不得不接受生命现象具有自发产生的特点，可是要解释生命现象自发产生特点的形成机制，恐怕并不像很多人想的那么简单。 x7KWbFuAKyXLzsfsthP91xeElNDbKZpyWGeI3PtHEVtzyAiHOPSkNCcmAUzWlg1P