序

我整個下午都在津津有味地思考生命。如果你仔細想一想，就會發覺，生命是多么奇妙的事物！你知道嗎，它和世間其他事物是如此不同，希望你明白我為什么這么說。

——佩勒姆·格倫維爾·沃德豪斯
（P. G. Wodehouse）

這本書主要關注的是一些基本問題，數千年來，它們一直困擾并折磨著人類。對這些問題的思考可以追溯到人類對自己在宇宙中位置的探索，即對生命體與無生命物體之間關系的追問。無論我們怎么強調確切回答這些問題的重要性，都不會言過其實，這些問題的答案不僅將揭示我們是誰、我們是什么，而且將影響我們對整個宇宙的理解。宇宙是不是像人擇原理（anthropic principle）的支持者所指出的那樣，通過精密的調控支持著生命體的運作呢？又或者，人類在宇宙中的位置是不是更接近哥白尼的（Copernican）看法呢？用知名物理學家斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）的話來說，“人類不過是生活在一顆中等大小行星上的化學廢料”。我們恐怕再也找不到比這兩種觀點差別更大的看法了。

20世紀40年代，另一位著名的物理學家埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr?dinger）撰寫了一本標題引人注目的書——《生命是什么》（What is Life？）。該書在一開頭便談到了這個問題，薛定諤寫道：

在一個有機體的空間范圍內，發生在時間和空間中的事件該如何用物理和化學來描述？初步的答案……可以概括如下：當今的物理和化學雖然在描述這些事件上無能為力，但并不代表這樣的事件不能被這些科學所描述。

幾十年過去了，雖然這些年來伴隨著諾貝爾獎獲獎名單不斷加長，人類在分子生物學領域獲得了巨大的進步，但是我們仍然困擾于薛定諤那簡單而直接的問題，它的確讓人感到困惑。20世紀頂尖的生物學家卡爾·烏斯（Carl Woese）甚至聲稱，當前生物學所處的狀態正類似于20世紀初期的物理學。在20世紀初，阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）、尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）、埃爾溫·薛定諤和其他偉大的物理學家還沒有完成對物理學的變革，而現在，生物學的變革也還沒有完全實現。這確實是一個頗為激進的看法！不過令人失望的是，現代生物學仿佛心滿意足地漫步于當前機械式的研究道路上，大多數從業人員對于要求重新審視學科的尖銳呼聲，不是無知無覺就是漠不關心。

沒錯，身處于現代的我們明確地知道生命沖力（élan vital）是不存在的。生命體和非生命體一樣，都由沒有生物活性的“死”分子構成，但是這些分子在一曲完整的“生命大合奏”中相互作用的獨特方式，形成了十分獨特的結果——包括我們在內的所有生命體的誕生。盡管半個世紀以來分子生物學取得了巨大進步，但是我們依然不知道生命是什么，它與沒有生命的世界有何關聯，又是如何出現的。誠然，半個世紀以來為了解決這些基本問題，人們投入了相當大的努力，但是那通往“應許之地”的大門卻仿佛依然遙不可及。就像沙漠中的海市蜃樓一樣，地平線處那象征著綠洲的棕櫚樹在閃爍著微光，當這一切仿佛觸手可及的時候，這景象又消失了，徒留我們去體會對未知世界難耐的饑渴和無法滿足的沖動。

所以，到底是什么造成了這持久且令人不安的困境？為了簡單地闡明問題所在，請思考下面這個虛構的場景：你行走在一片原野上，這時你忽然看到了一臺冰箱。這臺冰箱功能完好，里面還放著幾瓶冰鎮啤酒。不過，一臺位于原野中央且沒有與任何外界能量源相連接的冰箱是如何運作的，它又如何維持內部的低溫呢？它為什么會在那里，又是怎么到那里去的？你更仔細地去觀察，終于發現冰箱頂部有一塊與電池相連的太陽能板，太陽能板給維持冰箱正常運作的壓縮機提供所需的能量。于是冰箱運作的謎題解開了。冰箱通過光伏板獲取太陽能，因此太陽就是使冰箱運作的能量源。這能量使得壓縮機能夠將制冷劑泵為吸收了冰箱內熱量的高溫蒸汽，這由冷到熱的過程與自然狀態下的熱量流動過程恰好相反。所以，盡管自然的規律是讓冰柜內外的溫度趨于平衡，但這個我們稱作“冰箱”的物體通過一個功能性的設計，讓我們能將飲食儲藏在宜人的低溫環境下。

但我們還沒有弄清楚為什么冰箱會出現在那里。是誰把它放在那兒的？他又為什么要這樣做呢？現在如果我告訴你沒有人把冰箱放在那里，這冰箱是通過自然的力量自發產生的，你或許會露出難以置信的表情。多么荒謬！這不可能！自然不是這么運作的！大自然不會自發地生成高度組織化、遠離平衡態且具有目的性的實體，比如冰箱、汽車、電腦等。這些物體都是人類設計的產品，它們刻意且具有目的性。大自然如果真的具有某種傾向的話，則傾向于將系統推向平衡態，推向無序和混亂而不是秩序和功用——果真如此嗎？

簡單的事實就是，哪怕是像細菌細胞一樣最基本的生命系統，都是一個高度組織化、遠離平衡態的功能性系統，這系統從熱力學的角度來說和一個冰箱的運作方式類似，但是其復雜性卻高了好幾個數量級。冰箱充其量不過涉及數十個元件之間的互動與合作，而在一個細菌細胞中則存在成千上萬個不同分子和分子聚合物之間的互動，有的分子本身就具有驚人的復雜性。這一切都發生在數千個同步進行的化學反應網絡內。在冰箱的例子中，冰箱的功能顯而易見是通過將熱量從低溫的內部泵到高溫的外部，從而保證冰箱中的啤酒和其他東西處于低溫的狀態。但具有有序復雜性的細菌細胞又有什么功能呢？簡單來說，我們可以通過觀察它的行為來判斷它的功用，就像我們通過觀察冰箱的運作從而發現其用處一樣，通過研究細胞的行為，我們可以發現它的功能或者說目的。那么通過研究，我們發現了什么結果呢？每一個活細胞都是一個高度組織化的工廠，正如任何一個人造的工廠一樣，它需要與能量源和能源產生器相連接來保證其運行。一旦能量源被切斷，工廠將立刻停止運行。這個迷你工廠通過利用能源產生器產生的能量，將原材料轉化為許多功能性元件，這些元件將被組裝起來，用于生產工廠的產品。這個高度組織化的納米級別細胞工廠都生產些什么呢？更多的細胞！每個細胞到頭來都是一個為了生產更多細胞的高度組織化的工廠！諾貝爾獎得主、著名生物學家弗朗索瓦·雅各布（Fran?ois Jacob）就曾富有詩意地描述過這個事實：“每個細胞的夢想都是變成兩個細胞。”

關于生命的主要問題就在于此，正如我們會覺得冷藏室、集能設備、電池、壓縮機和制冷劑等部件能自發地組裝成一臺功能正常的電冰箱是一件難以置信的事情，即使所有的部件都已經齊備，一個自發形成的高度組織化、遠離平衡態的微型化學工廠同樣令人難以置信。不僅基本常識告訴我們一個高度組織化的個體不會自發形成，一些基本的物理學法則也反復說明著同樣的道理。系統傾向于朝著混亂和無序的狀態發展，而不是秩序和功用。也難怪20世紀最偉大的物理學家們如尤金·維格納（Eugene Wigner）、玻爾、薛定諤等都覺得這個問題十分令人困惑。生物學和物理學在這個問題上似乎互相矛盾，難怪智能設計論（Intelligent Design）的鼓吹者們能到處兜售他們的觀點。

活細胞的存在本身所包含的悖論就具有重大的意義。這意味著研究生命的出現這一問題并不像追溯某個家族的源流那樣，它不是個人在歷史興趣下展開的隱秘活動。只有解釋了生命的產生背后存在的悖論，我們才能理解生命是什么。也只有在理解的基礎上，我們才能為這被稱作“生命”的化學系統的產生提出一個合理的解釋。

這本書的目的是重新審視這個引人入勝的話題，并證明我們能夠勾勒出那控制著所有生命的出現、存在和本質的基本法則。有賴于當前化學界新領域的出現，即君特·馮·凱德羅夫斯基（Günter von Kiedrowski）提出的“系統化學”（Systems Chemistry），本書將描述我們如何連接起生物與化學之間的斷層，而作為生物學基本范式的達爾文主義，不過是自然力量的廣泛物理化學特征在生物學上的體現。我試圖融合生物學與化學的野心主要基于一個看法：我認為自然中存在一種被長期忽略的穩定性，我將這種穩定性稱為動態動力學穩定性（dynamic kinetic stability，DKS）。如果將這種形式的穩定性糅合到達爾文主義的進化觀中，可以產生一個囊括了生物和前生物系統的廣義進化論（general theory of evolution)。有趣的是，查爾斯·達爾文（Charles Darwin）自己早已意識到可能存在這樣一種具有普適性的生命法則。他在一封給喬治·沃利克（George Wallich）的信中寫道：

我相信我曾經說過（但我找不到原文），根據連續性原理，在未來，生命的法則可能會被證明是某種普適規律的結果或者一部分。

這本書試圖說明，查爾斯·達爾文的遠見卓識是正確的，并且這種理論現在已經開始成形。我將論證，在物理與生物之間起到橋梁作用的科學——化學——能夠回答這些有趣的問題，即便這答案還不夠完備。對生命是什么的深刻理解，除了能回答我們是誰、是什么的問題之外，更將給我們帶來對宇宙本質及其基本法則的洞見。

在撰寫這本書的過程中，我曾從許多人的反饋和交流中獲益。我特別希望感謝讓·昂格貝爾（Jan Engberts）、喬爾·哈普（Joel Harp）、斯伯倫·奧托（Sijbren Otto）和里奧·拉多姆（Leo Radom）為這本書的初稿提出的詳細建議和批評。我還要感謝米切爾·格斯（Mitchell Guss）、杰拉爾德·喬伊斯（Gerald Joyce）、埃利奧·馬蒂亞（Elio Mattia）、埃莉諾·奧尼爾（Elinor O’Neill）、戴維·奧尼爾（David O’Neill）和彼得·斯特拉熱夫斯基（Peter Strazewski）為本書做出的總體評價，還有戈嫩·阿什克納西（Gonen Ashkenasy）、斯圖爾特·考夫曼（Stuart Kauffman）、君特·馮·凱德羅夫斯基、肯·克拉亞夫德（Ken Kraaijeveld）、普里·洛佩斯—加西亞（Puri Lopez-Garcia）、梅厄·拉艾（Meir Lahav）、米凱爾·邁勒（Michael Meijler）、凱帕·魯伊斯—米拉索（Kepa Ruiz-Mirazo）、羅伯特·帕斯卡爾（Robert Pascal）、厄爾什·紹特馬里（E?rs Szathmáry）、伊曼紐爾·坦嫩鮑姆（Emmanuel Tannenbaum）和納撒尼爾·瓦格納（Nathaniel Wagner）所貢獻的珍貴討論，這些討論結果對我的理解有很大的幫助，還有我的妻子奈拉（Nella），我們之間的討論、她敏銳的眼光和觀點都極大地影響了這本書。最后，我特別希望感謝牛津大學出版社的編輯拉塔·梅農（Latha Menon），她對科學深刻的理解和出色的編輯能力，保證了這本書不會被不必要的生物學術語所淹沒，她為這本書的最終成型做出了重要的貢獻。當然，書中所有的訛誤完全由我自己負責。