生命的有序復(fù)雜性

生命體都是十分復(fù)雜的。實(shí)際上，理查德·道金斯（Richard Dawkins）在《盲眼鐘表匠》 （The Blind Watchmaker）中的第一句話就指出，我們動(dòng)物是宇宙中最奇妙的事物。這句引人注目的開(kāi)場(chǎng)白已經(jīng)足以讓我們意識(shí)到，生命一定有一些極為特別之處。但到底是什么讓我們這些生命體如此特別？或者更準(zhǔn)確地說(shuō)，如此“復(fù)雜”？“復(fù)雜性”又意味著什么？我們可以說(shuō)“復(fù)雜性”這個(gè)詞語(yǔ)本身就很復(fù)雜——這聽(tīng)起來(lái)好像在兜圈子——“復(fù)雜性”這一概念至今既沒(méi)有被準(zhǔn)確定義，也沒(méi)有在生物學(xué)領(lǐng)域被成功量化。那么，我們不妨先關(guān)注生命體的“高度有序性”這一特點(diǎn)——它體現(xiàn)了復(fù)雜性與生物學(xué)密切關(guān)聯(lián)的部分。

在無(wú)生命的世界里，我們可以輕易地找到體現(xiàn)著復(fù)雜性的例子。一顆鵝卵石形態(tài)的復(fù)雜性來(lái)自其不規(guī)則的形狀。如果要精確地描繪它們的形狀，我們需要更多的信息——它們的形狀越是不規(guī)則，我們所需要的信息也就越多。在某些情況下，我們甚至需要知道鵝卵石表面棱角的物理位置。但最重要的一點(diǎn)是，鵝卵石的不規(guī)則性，即它們復(fù)雜性的來(lái)源，是“隨意”的。某一塊鵝卵石可能是不計(jì)其數(shù)、形態(tài)各異的鵝卵石中的一枚，但無(wú)論它形態(tài)如何，都不會(huì)改變它是鵝卵石這一本質(zhì)，也就是說(shuō)，決定鵝卵石之所以為鵝卵石的并不是它不規(guī)則的形態(tài)。與之不同的是，在生命體的世界里，復(fù)雜性沒(méi)有這么隨意，它反而非常確定。在生命有序的復(fù)雜性中哪怕做出最微小的改變，都可能帶來(lái)無(wú)法預(yù)料的后果。比如，在人類的DNA（脫氧核糖核酸）序列中做出一個(gè)微小的改變，哪怕僅僅改變了DNA序列30億個(gè)組成單位中的一個(gè)，都有可能導(dǎo)致成百上千的基因疾病，比如鐮狀紅細(xì)胞貧血癥、囊性纖維化和亨廷頓病（又稱“慢性進(jìn)行性舞蹈病”）。這些在生命體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的細(xì)微改變會(huì)減弱生命體的生存能力，在極端的情況下，甚至?xí)股w死亡。

非同尋常且令人困惑的一點(diǎn)是，這種有序的復(fù)雜性也存在于微小如細(xì)菌細(xì)胞的個(gè)體中，這些細(xì)胞的寬度不過(guò)是1毫米的千分之一。從各方面來(lái)看，細(xì)菌細(xì)胞都仿佛一個(gè)精密的納米級(jí)工廠。“納米級(jí)”指的是這個(gè)工廠里的元件都只有分子的大小，即長(zhǎng)度僅為1毫米的百萬(wàn)分之一。這個(gè)納米級(jí)工廠包括了復(fù)雜但完善的化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。這些化學(xué)反應(yīng)使細(xì)胞能夠從環(huán)境中汲取能量，合成與儲(chǔ)存不同形式的化學(xué)物質(zhì)，并調(diào)控細(xì)胞機(jī)器以保證細(xì)胞的正常運(yùn)作。它的功能我們可以無(wú)窮無(wú)盡地列舉下去。細(xì)菌細(xì)胞不僅僅是了不起的化學(xué)家，更是偉大的物理學(xué)家。這個(gè)微觀的個(gè)體采用了所有現(xiàn)存的機(jī)械手段——泵、轉(zhuǎn)子、發(fā)動(dòng)機(jī)、螺旋槳，甚至是用于裁切的剪刀，而這些結(jié)構(gòu)的大小都是納米級(jí)的。它們保證了細(xì)胞能夠高效地發(fā)揮其功能，這樣才能滿足細(xì)胞的“意志”。

但是生命體無(wú)可爭(zhēng)議的復(fù)雜性與非生命體的復(fù)雜性大相徑庭。這個(gè)現(xiàn)象在讓人們感到困惑的同時(shí)也帶來(lái)了兩個(gè)問(wèn)題。其一，細(xì)胞的有序復(fù)雜性是如何維持的？其二，這種復(fù)雜性是如何產(chǎn)生的？有序復(fù)雜性和熱力學(xué)第二定律這個(gè)宇宙的基本法則從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)互相違背。雖然我們?cè)谶@個(gè)階段還不會(huì)細(xì)談熱力學(xué)第二定律，但是簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，熱力學(xué)第二定律指出有序的系統(tǒng)都將自發(fā)地朝著混亂的狀態(tài)發(fā)展。比起秩序，大自然好像更青睞混亂的狀態(tài)，可以說(shuō)，混亂就是一種自然的“秩序”。打個(gè)比方來(lái)說(shuō)，我們手里有一副按順序排列的撲克牌，它們按牌面由大到小排列，先是兩對(duì)A，然后是兩對(duì)K，兩對(duì)Q，依此類推，排在最后的是兩對(duì)2。我們只要洗牌，這些牌的順序自然就被打亂了。你幾乎可以確定此時(shí)這副牌的順序是隨機(jī)排列的，而形成具有某種規(guī)律序列的可能性非常小。我書(shū)桌的日常狀態(tài)也是一個(gè)很好的例證：無(wú)論我多么頻繁地整理我的書(shū)桌，它總是很快就回到了之前亂七八糟的樣子。然而，在生命體中，高度有序的狀態(tài)對(duì)保證生命功能的正常運(yùn)行而言十分關(guān)鍵，這種有序性的維持也是十分精準(zhǔn)的。有一個(gè)生物學(xué)術(shù)語(yǔ)專門(mén)用來(lái)形容這種有序的狀態(tài)：穩(wěn)態(tài)（homeostasis），該詞源自表示“靜止不動(dòng)”的希臘詞。

那么，在重要的物理和化學(xué)法則不斷削弱這種有序復(fù)雜性的情況下，細(xì)胞又是如何維持其有序復(fù)雜性的呢？至少在熱力學(xué)第二定律的語(yǔ)境下，這個(gè)問(wèn)題回答起來(lái)比較簡(jiǎn)單：活細(xì)胞通過(guò)不斷利用能量來(lái)維持其結(jié)構(gòu)的組織和完整性，我們可以將這稱為細(xì)胞的運(yùn)作模式。這也是我們必須要進(jìn)食才能夠生存的原因——只有這樣身體才能獲得必要的能量，從而確保維持生命穩(wěn)態(tài)的調(diào)控機(jī)制能順利進(jìn)行。這也解釋了為什么我的書(shū)桌會(huì)時(shí)不時(shí)地變得整潔——因?yàn)槊慨?dāng)書(shū)桌亂到影響我正常工作時(shí)，我便會(huì)消耗能量去整理書(shū)桌讓其恢復(fù)秩序井然的狀態(tài)。所以，從熱力學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，生命有序的高能量狀態(tài)不存在任何矛盾之處，就像汽車(chē)能夠抵抗地心引力而向上坡行駛，還有電冰箱能在外部的熱量不斷流向內(nèi)部的情況下維持內(nèi)部的低溫狀態(tài)一樣合情合理。上坡行駛的汽車(chē)和內(nèi)部低溫的冰箱通過(guò)不斷利用能量來(lái)維持它們不穩(wěn)定的能量狀態(tài)。在汽車(chē)的例子中，能量來(lái)源于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒的汽油，而在冰箱的例子中，冰箱壓縮機(jī)運(yùn)作的能量源是電力。從能量的角度進(jìn)行類比，人體通過(guò)利用外界能量源來(lái)維持其高度有序的狀態(tài)，而這個(gè)能量源就是我們從食物中獲得的化學(xué)能，如果我們食用的是植物，那么這能量源就是由葉綠素所捕獲的太陽(yáng)能。總的來(lái)說(shuō)，這一過(guò)程中沒(méi)有太大的問(wèn)題。

不過(guò)，一個(gè)更有難度的問(wèn)題是，最簡(jiǎn)單的生命系統(tǒng)中，最初的組織是如何產(chǎn)生的。雖然人們普遍認(rèn)為達(dá)爾文主義的進(jìn)化論可以解釋生物復(fù)雜性的出現(xiàn)，但事實(shí)卻不然。達(dá)爾文主義的進(jìn)化觀可以寬泛地解釋一個(gè)簡(jiǎn)單的單細(xì)胞有機(jī)體（我們也可以將其稱為微生物“亞當(dāng)”）是如何演變成大象、鯨魚(yú)或人類的。但是，達(dá)爾文的理論并不能解決原始的生命體是如何出現(xiàn)的這個(gè)問(wèn)題。所以，這惱人又亟待解決的問(wèn)題便是：一個(gè)能夠進(jìn)化的系統(tǒng)從一開(kāi)始是如何產(chǎn)生的？達(dá)爾文提出的進(jìn)化論是一個(gè)生物學(xué)理論，他主要處理的是生物系統(tǒng)的問(wèn)題。但生命的起源是一個(gè)化學(xué)問(wèn)題，而化學(xué)問(wèn)題只有通過(guò)化學(xué)（或是物理）理論才能找到最佳的解決方式。至于為何用生物學(xué)的概念來(lái)解釋化學(xué)現(xiàn)象在方法論上存在缺陷，我們會(huì)在下文談到，在某種程度上，這種研究方法是導(dǎo)致生命起源問(wèn)題走入“死胡同”的原因之一。

顯而易見(jiàn)，達(dá)爾文本人明確回避了生物起源這一問(wèn)題。他承認(rèn)在當(dāng)時(shí)的知識(shí)發(fā)展?fàn)顟B(tài)下，提出這個(gè)問(wèn)題的時(shí)機(jī)還不成熟，當(dāng)時(shí)這個(gè)問(wèn)題的解決看上去仿佛遙遙無(wú)期。所以，第一個(gè)微觀的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體是如何產(chǎn)生的？這個(gè)問(wèn)題至今富有爭(zhēng)議且令人困惑。難道那像精密工廠一樣的活細(xì)胞完全是由細(xì)胞前體隨機(jī)組裝而成的嗎？?jī)H僅由那些各式各樣的零部件隨機(jī)組合就能形成恰到好處的結(jié)構(gòu)嗎？這種情況不太現(xiàn)實(shí)。著名宇航員弗雷德·多伊爾（Fred Doyle）曾打過(guò)這樣一個(gè)比方：這種情況發(fā)生的可能性，和一陣狂風(fēng)刮過(guò)垃圾場(chǎng)后自動(dòng)組裝起一架波音747差不多。生命體的有序復(fù)雜性很奇怪，非常奇怪，而它的產(chǎn)生甚至更加奇怪。