病毒是特殊生命吗：生命本质

生命是什么？这个问题简单又复杂。每个人似乎都能自然而然地辨别何为生命何为非生命。但是当去总结到底何为生命时，人们又很难达成共识，不仅每个人都有差异化的认识，就连学术界也未有定论，多种生命的定义并存于世。

最初，唯物主义（materialism）支持者认为生命是物质的集合，生命就是一台超级复杂的物质机器。后续的学者采用了亚里士多德的形式质料说（hylomorphism）来解释生命，承认了物质基础的重要性，但是展现这些物质是如何组织在一起的“形式”才是生命的本质。支持生机说（vitalism）的科学家则进一步将生命的物质基础和生命力（或精神）划分开来，认为将生命力赋予物质上就可以形成生命（见图2-1）。这不就是弗兰肯斯坦设计的怪物的来源吗？将尸体拼接用于构建物质基础，然后给尸体通电赋予其生命力。这一概念显然在宗教领域得到了最广泛的认可，“灵魂”“附体”“转世”这些描述都是源于身体是载具，精神是乘客的设定。

● 生命的判定

判断什么是生命看似很简单，因为作为生活常识，小朋友都不会答错，他们会准确地罗列出一大串猫猫狗狗、花花草草的名字，甚至还能蹦出几个大肠杆菌、乳酸菌等微生物的名字。但要准确定义生命却真的很难，因为自然界像个极品“杠精”，总能找出特例让你无言以对。

因此，我们需要在讨论前先做好生命的定义。至少在本章中，我们以此来判断。 生命：具有能量代谢功能，能回应刺激及进行繁殖的开放性系统。 具体而言，有机体满足保持体内平衡、进行新陈代谢、能够生长、适应环境、响应刺激、可以繁殖这些特征才可称为生命。据此定义，人工智能没有有机体，人机杂合无法繁殖，病毒不存在生长……（见图2-2）当然，生命的话题没有定论，按照不同的理解会有不同的答案，如有些环境科学家将地球整体看作一种生命，有些科幻电影承认没有实体的数字生命形式，有些生物学家也会折中地称呼病毒为类生命有机物等。因此我们应在此话题上保持开放的态度。

● 生命的成分

生命的物质基础是特殊的吗？其实并无新意！生命的元素都来自自然界，因此所有生命元素理论上都会在生命体内发现。有些是生命的甘泉，如我们熟知的碳、氢、氧、氮、磷、硫；有些则是生命的毒药，如铅、汞、砷、镉、铊。对生命体有益的元素也是生命使用最多的元素，它们并不罕有，相反在宇宙的含量大多位于前10位（见图2-3）。那么为什么生命是碳基的，而非与碳同族的硅基生命？其实简单明了的理由就是自然界中碳的丰度要远远高于硅，含量多、分布广泛的元素去构建生命，更符合概率和逻辑。那么有没有独特元素会赋予生命特殊的能力，就像科幻电影《超人》中与超人有关的元素“氪”？这些只是过去奇幻作品中的情节，现在就连科幻作品也抛弃了所谓“生命专有元素”的剧情。

● 生命的结构

同样的乐高积木块，有些人拼出了上海的东方明珠，有些人拼出了纽约的自由女神。构成生命的常见元素难有太大的变化，但元素的排列组合则决定了生命有无限创意。生命大分子的功能会受到结构的影响。以蛋白质为例，其一级结构是氨基酸序列；二级结构是氨基酸长链（也称为肽链）的结构，包括α螺旋、β折叠、β转角、Ω环和无规卷曲；三级结构则是在二级结构基础上进一步折叠形成的空间结构；四级结构为多个具有三级结构的多肽链（亚基）拼装出的执行完整功能的蛋白质。

空间结构对蛋白质的功能至关重要。关键结构改变会导致蛋白质失去功能，甚至带来致命结果。朊病毒（prion）是最典型的结构错误导致疾病的例子。 朊病毒是一类能侵染动物并在宿主细胞内无免疫性的疏水蛋白质。 朊病毒的前体蛋白质最初为生命体正常生产的蛋白质，仅存在α螺旋。由于结构改变出现了β折叠，导致蛋白质的溶解度低，对蛋白酶表现抗性，成了朊病毒。之所以用“病毒”命名这种纯蛋白质，是因为结构变化后的朊病毒与前体正常蛋白质接触时，会引发后者的错误折叠而变成新的朊病毒，犹如病毒复制般让朊病毒数量增多并扩散开来。功能丧失的朊病毒蛋白鸠占鹊巢，影响了细胞执行功能，进而使神经系统失效。除了羊瘙痒病和牛海绵状脑病（又称疯牛病）是由朊病毒引起的，朊病毒还广泛地出现在各种神经退行性疾病当中，如大家熟知的阿尔茨海默病、帕金森病和亨廷顿舞蹈症等。由于朊病毒的发病机制与其他致病微生物完全不同，因此对其治疗方面仍未有有效的方案。2019年，中国科学家发布了治疗阿尔兹海默病的新药，通过甘露聚糖调节肠道菌群从而减缓阿尔兹海默病的病程进展 ^[2] 。此举当时引发了业内对肠道菌群治疗大脑疾病有效性的大争论。道理越辩越明，有创新、有质疑，这才是健康的科研生态圈。

朊病毒研究依然是科研的前沿战场。2017年《科学》报道了在细菌中发现了朊病毒蛋白 ^[3] ，这着实让人不安。避免摄食生牛肉能有效防止感染疯牛病，但人们无法完全避免接触微生物。微生物中的朊病毒蛋白进入人体似乎更加容易。在2019年，科学家在导致牙周炎的细菌中发现了朊病毒，并坐实了牙周炎细菌可能导致阿尔兹海默病的事实 ^[4] 。如果不好好刷牙，不仅仅影响美观，更可能会带来致命的神经退行性疾病。这真是现实版的“病从口入”呀。

● 生命的更新

生命活动的重要特征就是 新陈代谢，是指生物体与外界环境之间的物质和能量交换，以及生物体内物质和能量的转变过程 。生命体通过同化作用的合成代谢将外界物质转化为自身物质并存储能量，通过异化作用的分解代谢将自身物质转化为外界物质并释放能量（见图2-4）。这对反向过程在生命中持续发生，维持生命的更新。对于多细胞的高等生物，其分化形成的不同组织、器官的更新速度是不同的。你知道人体组织中更新速度最快和最慢的是什么吗？

人体细胞中更新最快的是肠道上皮细胞。肠道是生命分解外来物质的加工厂，为了解决消化液分解自身细胞的问题，每个肠道上皮细胞的表面均有小而多的微绒毛，它们特殊的组织结构与蛋白质结构相当于一层保护膜，有效隔离了消化液。但尽管如此，肠道上皮细胞的工作环境依然艰苦，细胞受损后需要快速补充新生力量，使肠道能够持续稳定地工作。这使得肠道上皮细胞成为更新最快的细胞。人体细胞中更新最慢的是神经元。虽然直观认为硬邦邦的骨骼更新速度慢，但大脑形成之后会终身工作，无法更新。其功能一旦丧失后无法恢复，这就是神经退行性疾病只能减缓而不能逆转的原因，这也是阿尔兹海默病等疾病的令人绝望之处。

讨论到“更新”会涉及一个很有趣的哲学问题——忒修斯之船。公元1世纪，希腊哲学家普鲁塔克（Plutarchus，约公元46—120年）提出一个问题：如果忒修斯（传说中的雅典国王）船上的木头因远航损坏而被逐渐替换，直到所有旧木头都被新木头替代，那这艘船还是原来的那艘船吗？如果不是，那么当哪一块木板被替换的时候这艘船变得不是的呢？这是一种有关身份更替的悖论。假定某物体的构成要素被置换后，它依旧是原来的物体吗？这相应地也涉及了伦理问题，根据当今的技术水平，移植心、肝、肾、肺等已经非常普遍，大家不会纠结于拥有他人器官的人是不是原来的那个人。但这个默认的标准到底是什么呢？是根据移植器官的量，还是移植器官的重要性？有一个未来很快遇到的问题——如果你移植了别人的大脑，那你还是你吗？2017年，世界上第一例人类头部移植手术成功地在中国实施。不过该头部移植手术并不是在活体上进行的，而是在尸体上尝试的，医师们把复杂的头部血管和神经组织与其他身体器官连接起来。头部移植的活体实验至今仍未见报道。但时不时有志愿者公开声明愿意进行这样的尝试。

虽然大脑移植更难以想象，但众多的科幻作品已经展现过技术实现的场景。2019年上映的《阿丽塔：战斗天使》中，主人公阿丽塔拥有人类的意识和纯机械的身体。如果认为只要大脑是自己的，身体怎么换都可以，这其实默认了“身体是灵魂的容器”这一设定。但这又带来了新的问题：“灵魂是什么呢？”另一部科幻经典作品《攻壳机动队》描述了主人公的意识在不同的身体中执行任务的故事，但是很不幸的是，在一次任务中，她的意识与反派的意识融合，变成了新的灵魂。在这部作品中，意识就像一段程序，它可以复制、保存、传输，甚至人为修改。甚至在2021年的科幻影片《失控玩家》中，主角居然是电脑程序非玩家控制角色（non player character，NPC），完全不存在身体。对他们而言，是否存在所谓的意识？2023年的中国科幻里程碑巨作《流浪地球2》中，则通过数字生命体的概念，将人类的意识数据化，人类可以摆脱碳基身体的束缚，活在硅基芯片上。2024年有人甚至采用人工智能（AI）技术“复活”了自己的女儿，给妻子唱了生日歌。随着人工智能技术的飞速发展，为了纪念失去亲人的数字复活将越来越常见。

对意识的研究，我们依然在门外徘徊。意识到底是什么，它的物质基础是什么，我们都没搞清楚。假如有人能把你的意识移入新身体内，你能确定你会拥有自己100%的意识吗？意识会不会在上传下载过程中发生变化，丢失内容或内容混乱，甚至被别有用心的人篡改？刘慈欣在《三体》中认为，意识的物质基础可能建立在量子层面。对！就是近年来的网络流行语“遇事不决，量子力学”中的“量子力学”，2022年的诺贝尔物理学奖颁发给了量子力学的研究者们。而量子力学对大多数人而言意味着神秘。因此，关于意识的讨论，有可能涉及终极哲学问题。我们点到为止。

● 生命的调控

物竞天择，生命会积极应对外界环境变化而调整自身。对于多细胞生物，神经系统的调控高效且迅速。当手指触摸到火焰，身体甚至不需要大脑的指令直接就会抽手避开。但是对于单细胞的微生物，所有“家当”就是细胞质内和细胞膜外的物质，它们自我调控的策略则更让人称奇。例如微生物会利用多种糖，但是为了节约资源，不能把所有利用糖的蛋白质都合成出来。最好的策略就是“见了兔子再撒鹰”。以乳糖利用为例，微生物胞内乳糖利用的代谢通路受到一个阻遏蛋白质“开关”的控制，当没有乳糖的时候，该开关就关闭了乳糖利用蛋白质的合成，当存在乳糖时，乳糖会与该开关结合，打开乳糖利用蛋白质的合成。当环境中乳糖都耗尽后，开关再次关闭（见图2-5）。

人类利用这个负反馈系统，通过添加乳糖的方式控制基因的表达。但是乳糖总会被表达出来的蛋白质分解利用掉，导致控制无法持久。为了让诱导物不被降解，科学家发明了结构与乳糖接近的化合物异丙基—β—D—硫代半乳糖苷（IPTG），该物质能够结合开关，但又不会被降解掉，成功地“欺骗”了微生物，维持乳糖蛋白的持久表达。如果将乳糖降解基因换成其他感兴趣的基因，这个诱导表达工具就变得更加广谱了。这些内容可以详见基因工程的相关图书。人们利用生命的调节功能，已经开发出系统性的基因工具。相关研究成了“合成生物学”的重要内容。

● 生命的复制

复制和变异也是生命的特征。复制保证继承，变异促进发展。自然界中不乏非生命复制的例子，如化学结晶，相似的结构重复出现。因此复制只是生命的必要条件而非充分条件。“龙生九子各不相同”就是一种变异的说法，操之过急的变异往往会揠苗助长，导致发生变异的个体死亡。是否存在没有变异只有复制的生命呢，理论和实际上都有的。无性繁殖往往能较好地保持亲本的特征，可以进行无性繁殖的除了微生物、植物，甚至还有动物。感兴趣的读者可以阅读第7章。

● 生命的特例

病毒是不是生命往往会引起激烈的讨论。为了避免读者纠结于这个问题，请参考本书中给出的生命的定义，下面将在这个范畴下进行讨论。 病毒是由核酸分子（DNA或RNA）与蛋白质构成的非细胞形态，靠寄生生活的有机物种。 你认识如图2-6所示的病毒吗？

2020年以来，新冠病毒给人类社会带来了深刻的影响。历史上还有众多知名的病毒给人类带来了无尽的烦恼。但如果有人说病毒是无毒的，你会不会感觉困惑呢？实际上，病毒有害，但却无毒。病毒并不会分泌如细菌外毒素一样的有毒物质，它只关心自己的复制。作为寄生虫一般的病毒，杀死宿主显然是双输的局面。病毒只是在① 复制太快撑破细胞，② 被免疫系统发现引发强烈的免疫风暴，或者③ 重塑宿主DNA导致肿瘤时才会给宿主带来伤害。很多病毒的基因片段不动声色地藏在宿主染色体中，相安无事地与宿主同生共死。病毒是不是生命还有争议，那杀死病毒的说法也明显不合适，因为你无法杀死一个不活的东西。所有的抗病毒药物的作用机制是防止病毒快速增殖，如干扰病毒接近细胞、进入细胞、复制自身等。

“天生我材必有用”，病毒也可能是这么“想”的。病毒存在的合理性在哪？这是个可肆意畅想的话题。我们知道病毒可以携带基因片段，并且会将此片段插入宿主的基因组上。这种方式促进了基因的变异，加速新物种的出现。此外，有些病毒可以在不同宿主间感染，如SARS病毒可在人类、蝙蝠和果子狸间传递，禽流感病毒可在鸟类和哺乳类之间传递。病毒有可能作为自然界中基因转移的工具，促进种间的基因交流。畅想回到生命产生之初，多样的病毒像不像基因乐高积木，促进了丰富多彩的物种形成呢？

● 生命的畅想

如果脱离本书给出的生命定义，生命的形式会更加丰富多彩。例如，我们可以畅想“外星生命”的形式。狭义来看就是基于我们所理解的地球“碳基生命”，意味着其可能由碳、氢、氧、氮等基本元素构成，具备新陈代谢，信息交流等生物特征。如果“生命”不是按照人类的想法去定义，那么宇宙中的生命可能多到无法想象。

电磁力是4种基本力之一，也是所有地球生命的基础。其余3种力分别是将原子核各部分结合在一起的核力（也称“强”力）、与放射性衰变有关的“弱”力，以及4种力中最弱的引力。宇宙中除了由电磁力主导的地球生命以外，是否真的存在核力生物、弱力生物以及引力生物呢？如果有，它们又会以何种形式存在呢？

在某些特定的天体环境中，有可能出现核力占主导地位的世界——尤其是在中子星这样异常致密的天体上，可能会产生某种足以孕育生命的“原始汤”。如果弱力生物能够影响衰变，或者对衰变过程施加作用并通过由此产生的能量不平衡汲取能量，那这种生命形式就有可能通过改造环境存活下来。小型引力生物可能会通过转换风、瀑布、水流的引力能来获取能量；大型引力生物（很大很大）则可能利用黑洞或星际碰撞产生的巨大引力能来维持生命。甚至，现在科学家仍不了解的暗能量和暗物质，是否也可以成为孕育生命的产房呢？说不定有朝一日我们的可见物质世界需要与暗物质世界展开宇宙级规模的大战。

回到地球上，科技的发展将会为我们带来无限的惊喜。随着人工智能和人造器官的发展和应用，或许在不远的将来，我们就会成为自己星球上的“外星人”，超然一切生命之外。所以，相信未来，热爱生命！ Oh7byLzKo8SVmsMiXwKGBEjOQyUh3uB0AIEfiCRgvFcCBVVjv7tTneDRIW1KqZbL