前言

和現在很多年輕人以為是天經地義的規劃人生的經歷不同，我的職業生涯一直是“被選擇”的。作為“文化大革命”之后1977年首次高考的參與者，我沒有被自己報考的理工科學校錄取(說法之一是因為“政審”)，卻被當時安徽農學院的一位招生老師因好奇檔案袋上我的名字而選中。當我得知自己被農學院錄取時，特別失望——因為在高中階段，我很受老師們的賞識，文科、理科的老師都說我可以去選擇他們認為的好專業，我也認為我可以根據國家需要而選擇任何專業，可是從來沒有想過這些“專業”中應該還包括我名字中的“農”。其實，不只是沒有考慮到學農，我連生物和有機化學都沒有考慮過。原因很簡單： 在一次有機化學課上，老師說淀粉是一種分子。我問老師，淀粉分子的分子量是多大。老師說，大分子的分子量是不確定的。我當時在心里非常鄙夷地嘀咕，連分子量都搞不清楚，怎么配叫“分子”？研究這種“分子”的學科怎么配叫“科學”? ——當時“科學”在我的心目中都是精確的、可用數學公式描述的、可以預測結果的。可是40多年后回顧自己的生活經歷，我由衷地感謝當時那位招生老師。如果不是他的選擇，我恐怕此生將與生物學研究的經歷失之交臂。如果是那樣的話，我恐怕將永遠沒有機會真正地理解自身、理解自己所生活的這個世界——因為說到底，人是生物！

在我的職業生涯中，身邊的絕大多數同事對待他們的工作都是非常職業化的。雖然他們以各種不同的生物或者生命分子為研究對象，但是極少有人有興趣討論“生命是什么”這樣抽象的問題。大家都很忙。忙著寫項目申請，指導學生實驗，寫論文發表，參加各種會議以讓別人了解自己的工作，參加各種聚會尋求獲得資助的機會以便有更多的經費做更大的實驗、發高影響因子的論文……很多人在他們不同的職業發展階段，以能發多少文章、獲得多少經費、能否按部就班地戴上各種“帽子”、獲得什么獎項來評估自己事業的成敗。討論“生命是什么”這類問題對大多數同事而言，都是閑人聊的閑話。大家沒有時間浪費在這樣沒有用的閑事上。這種氛圍下，對于學生而言，生命科學專業是一個介乎文科和理科之間的專業——要動手做實驗，這像理科(高考也歸理科)；可是沒有如同物理那樣嚴格的推理系統，所有的知識都要靠背——本科生的學習大部分也的確可以靠考試前的刷夜背書來得到好的GPA(績點)，這被大家認為是文科的秘訣(文科生其實并不認同這種標簽) 。

在我個人成長過程中，或許是因為家庭和時代的原因，上大學時，常常會問老師“為什么”。對那些說不出“為什么”的課程，如栽培育種課，老師就是告訴大家怎么做；一問為什么，就說是“生物學本性”，可是什么是“生物學本性”呢？老師答不上來，我也就對這樣的課沒有興趣。最后，只有一門由焦德茂老師主講的“植物生理學”課程讓我感到是講道理的課。我對這門課的喜歡，讓我在本科學習期間讀了當時能買到的各種新引進的國外植物生理學教材，畢業后，又選擇植物生理方向去讀了研究生，最后走上了植物研究的職業道路。大概是因為這樣的個性，當我看到我的同事們專注于項目申請、實驗和論文；學生們背誦各種概念和反應、在實驗臺前忙忙碌碌地做實驗時，我總想，難道生物學就該是這樣一個“雞零狗碎”的大拼盤，甚至如很多人常常以過來人身份掛在嘴上的“生物學規律永遠有例外”？如果生物學沒有規律，為什么有那么多內在的聯系？如果生物學沒有規律，我們這些人都在研究什么？如果生物學沒有規律，她配被視為一門“科學”嗎？我這種做了一輩子植物生物學研究的人還配自己小時候崇敬的“科學家”這樣一個稱號嗎？

有人會說，現代生物學的邏輯體系不是很清楚嗎？達爾文的演化理論和基于DNA雙螺旋的中心法則，不是得到了汗牛充棟的證據支持，并因此在描述地球生物圈中生命之樹及其由來方面形成了標準答案嗎？從遙感衛星到原子力顯微鏡，從基因測序、蛋白質結構解析到各種大數據分析，生命科學不是成了21世紀匯聚數理化各個學科精英的前沿科學，要取代物理科學在20世紀之前在科學領域中的地位了嗎？為什么還要對生物學有沒有內在規律提出疑問呢？

我的同行朋友們有時在聊天中會自我調侃，說現在的教授是“有知識沒文化”。這里的“沒文化”主要是說無暇去了解詩詞歌賦、琴棋書畫這些傳統社會文人雅士掛在嘴邊的東西。但“知識”呢？其實大家絕大部分的時間是在讀雜志上發表的最新文獻。很多教授除了在做學生時浮光掠影地讀過一些歷史上具有重要影響力的學者的著作之外，很少會重讀一些令當今生物學概念框架得以構建的經典著作，更不要說對其中的論述進行反思了。我其實也是讀書很少的人。之前做研究生時讀過一些，1994年回國主持實驗室之后就很少讀了。直到2006年結識芝加哥大學龍漫遠教授和2008年結識我們學院的陶樂天教授之后，才在這兩位學識淵博的學者的影響下，開始重拾學生時代每天抽十幾二十分鐘時間讀書的習慣(讀研究生時是在晚上睡覺前，現在是早晨起床后)。

在我思考性別問題時，漫遠送我一本他曾經讀過的Ronald Fisher的代表性著作The Ge-netic Theorem of Nature Selection。我認真地讀了該書的一部分。我注意到，Fisher在書中仔細分析了達爾文理論中“演化”和“自然選擇”兩個概念的關系。我們學生物的人從讀書時開始，就耳濡目染地以為“演化”就是“自然選擇”的過程。可是，作為在達爾文兒子直接幫助下成長起來的Fisher，在他著作的開篇就評價說，“自然選擇”不是演化( Natural selection is not e-volution) 。他認為，在孟德爾發現遺傳因子分布的統計規律之后，達爾文提出的融合遺傳理論就不再成立。而建立在融合遺傳理論基礎上的有關性狀變化的生理機制、突變的控制機制、影響演化方向力量的邏輯前提也就不復存在。在達爾文的演化理論中，只有“自然選擇”仍然具有生命力。可是，他發現，在過去的演化研究中，只是將“自然選擇”作為抽象的演化動力來討論，而幾乎從未將“自然選擇”作為一個具體的科學問題來研究。他因此在孟德爾發現遺傳因子的前提下，把遺傳因子作為“自然選擇”中被選擇的演化要素(evolutionary agency)來進行系統的研究。對前輩的尊敬并不等同于盲從。他對“自然選擇”和“演化”這兩個概念之間關系的質疑，以及對遺傳變異在代際及居群中的分布方式的分析，讓他成為拯救達爾文演化理論的“現代綜合演化論( modern synthesis) ”的奠基者之一。而“現代綜合演化論”為把達爾文的演化思想和源于孟德爾的遺傳因子、盛于摩爾根的染色體、成于沃森與克里克的DNA雙螺旋模型的基因理論進行整合提供了可能性。這使得現代演化論的研究對象，從達爾文時代的個體性狀，轉而成為基因的變異、創新與分布。可是基因就代表了“生命”嗎？可以說“生命是基因”、基因的規律就是生命的規律嗎？

2019年夏天，我讀了一本由John Brockman編輯、出版于2016年的名為Life: The Lead-ing Edge of Evolutionary Biology, Genetics, Anthropology, and Environmental Science的書。該書是一本訪談集。訪談對象是當今最著名的生物學家。我讀此書是希望了解在這些權威的眼中，“生命”是什么。給我留下非常深刻的印象是，雖然有人，如Robert Shapiro，提出一些不同的看法，但整本書反映出來的大家對生命的解讀，都是以“基因”為中心的。 《自私的基因》作者Richard Dawkins更是直言不諱地主張基因中心論。可是問題在于，基因是從哪里來的呢？一瓶DNA擺在那里，能被看作是“生命”嗎？Craig Venter說，他把一個細菌的DNA放到另外一個細菌中，那個DNA受體細菌就具備了供體細菌的特征而不再具備本來的特征。他把這個結果作為支持基因中心論的證據。按照中心法則，的確是DNA在指導蛋白質的合成，可是DNA自身的合成又非蛋白質不可。那么DNA和蛋白質之間的關系最初是怎么構建起來的呢？最初讓DNA指導蛋白質合成的環境是什么？到哪里能找到類似Venter的受體細菌那樣的解讀DNA信息“工場”呢？如果沒有這個在基因中心論的表述中語焉不詳可實際上是不可或缺的“工場”，那瓶DNA可以被看作是“活”的嗎？可以與“生命”畫等號嗎？通讀此書，沒有找到我希望的答案。但我感覺到在很多人宣揚地球生命來自外太空的觀點的背后可能有一個說不出口的動機，即為自己無法解釋地球上DNA的來源找臺階下，把這個難題推給誰也說不清楚的外太空。這么多頂級的生物學家在“生命是什么”這個問題上都沒有給出有說服力的回答，連對象都還沒有清楚的定義，還說什么規律？

Edge是一個網站。 John Brockman是一名編輯。有人可能會認為他編輯的小冊子雖然訪談對象都是著名專家，但算不上“學術”著作，不足為憑。可是我的另外一些經歷，卻讓我覺得，Life一書中的主流觀點所引發的問題和質疑，可能并不是憑空臆想。

在這些經歷中，首先要提到的，是我1998年入職北京大學(以下簡稱“北大” )兩年后，應剛回國不久的樊啟昶教授的邀請，參加他開設的“發育生物學”課程。傳統的發育生物學基本上只講動物發育。但樊老師認為，發育作為多細胞生物的一種生命現象，不僅在動物上出現，在植物上也出現。兩類多細胞生物的形態建成策略如此不同，其中有哪些相似的、哪些不同的特點，為什么，都是值得探索的。把植物發育和動物發育放在一起教給學生，應該可以幫助他們拓寬視野，激發探索的熱情。和樊老師一起上課，不知道學生從中學到多少，我的探索激情真是被他給激發了。樊老師對生命現象有他獨特的思考。我在參加他《發育生物學原理》一書的編著時，和他有很多討論。其中給我印象最深的，是一次他提到，動植物形態建成策略的區別，在于它們營養方式的不同，動物是異養而植物是自養。我的專業學習過程中涉及的都是生理過程、基因表達等等，第一次聽到對動植物形態建成策略差別那么復雜的問題，居然可以這么“簡單粗暴”地解釋，當時的感覺是震撼的。但是反過來想，可不就是這樣嗎？在他的影響下，進一步了解了動物發育的特點之后，又加上2005年受中國科學院植物研究所孔宏智研究員邀請參加了一個植物演化的研討會，我開始思考一些過去從來沒有想過的問題： 為什么多細胞生物的發育都是單向的？生命的演化是一個自發過程嗎？如果是自發過程，是不是應該服從熱力學第二定律呢？雖然薛定諤用“負熵”來解釋生命系統的自組織過程看似符合熱力學第二定律，產生負熵的自組織生物結構都能被看作是“活”的嗎？Prigogine曾經認為他所提出的耗散結構理論可以解釋包括生命系統在內的復雜系統的自組織機制，很多人也都認為耗散結構理論解決了生命系統復雜性的問題。可是如果是那樣的話，如同臺風這樣的自組織復雜系統都可以被看作是“活”的生命系統嗎？在負熵和耗散結構的概念框架中，生命系統和非生命系統的邊界在哪里呢？而且在這語境中，基因在什么地方？

北大的好處是綜合性。我當時特別希望能從蛋白質結構上來推進我們實驗室的研究，就向生命學院的同事，做蛋白質結構研究的蘇曉東教授求助。他為了幫助我了解蛋白質結構的研究，請我參加他的學生的答辯。后來，因為一些機緣巧合，我于2003年參加了由當時還在加州大學舊金山分校的湯超、物理學院歐陽頎、化學學院來魯華三位教授組織，包括了基于數理化背景而研究生物問題的多位國內外教授的“理論生物學中心”的活動。湯超講述的他曾經通過蛋白質折疊計算來預測肽段序列可能性的工作，給我留下了非常深刻的印象。這個工作是根據氨基酸的屬性預測哪些氨基酸的排列順序可以形成穩定而可折疊的肽鏈。在他們的計算中，完全無須考慮DNA的存在。換句話說，一段多肽的氨基酸序列是由其能態決定，不依賴于中心法則中所說的作為模板的DNA！更為神奇的是，在他們通過計算預測可以有效折疊而穩定存在的多肽中，除了一條之外，在數據庫中都找得到相應的記錄。于是，他和來魯華教授合作，根據那條沒有在數據庫找到記錄、但預測可以穩定存在的多肽序列進行了合成。結果證明這個預測的多肽果然可以穩定地存在。根據這些“道聽途說”的知識，我形成了一個想法，即如果碳骨架組分所形成的復合體的能態比這些組分單獨存在時低，那么根據熱力學第二定律，組分會沿自由能下降的梯度，自發形成復合體。而如果此時復合體形成是靠分子間力(氫鍵等分子間弱相互作用)，而且如果環境輸入能量的擾動，恰好可以打破分子間力，復合體不就解體成為組分，“合成”和“分解”，即最初的“代謝”，不就自發地形成了嗎？這不就是最初的“活”嗎？考慮到依賴于分子間力所形成的復合體是一種特殊的結構，我把這個過程稱為“結構換能量” 。我猜，“結構換能量”應該是“活”的過程背后的規律。

我能查到的有關這個“結構換能量”想法的最早文字記錄是在2007年。之后雖然我自己覺得很有道理，也會在上課時常常和學生提到這個想法，但一直感到這還不足以作為一種科學假說，還要再看看。于是在之后和不同人的交流中，就特別關注大家的工作對我所說的“結構換能量”有哪些是支持的，哪些是不支持的。其中，在差不多10年時間中參加蘇曉東教授實驗室的博士生答辯，讓我確信，有功能的蛋白結構的形成中，分子間力扮演決定性的作用。在北京大學理論生物學中心(后來改名為定量生物學中心)的學術活動中我發現，物理學家、化學家們所談論的生命現象，也都是各種結構和能量的關系。這也讓我愈發感到我的“結構換能量”的想法不至于是無稽之談。我也曾經和這些朋友們聊過這個想法，可大多數人都不置可否。或許是問題太抽象了？還是自己的“結構換能量”的想法不值一提？

2013年，應漫遠之邀，我去芝加哥做了一個月的訪問。在那段時間，常常和漫遠海闊天空地聊天。他的淵博的學識讓我由衷仰慕，而舉重若輕、幽默風趣的個性又讓我非常喜歡。他從不以自己是新基因的發現者并因此成為該領域的國際引領者自矜，不斷和喜歡探討未知世界的人，包括他的學生平等地交流。在我離開芝加哥時，他送我他喜歡的 Francois Jacob的兩本書，The Logic of Life和The Status Within。 Jacob因提出操縱子模型而成為諾貝爾獎得主我是知道的。但之前，我更多地因“文化大革命”期間的大批判而了解和他一起得諾貝爾獎的Monod和其《偶然性與必然性》一書。對Jacob有興趣最初還是從已故的顧孝誠老師那里。有一次聊天中，她提到，Jacob曾經在Science雜志上發表過一篇文章，說演化是一個類似補鍋匠的修修補補的過程。什么東西順手就用什么。我覺得這是一個非常智慧的想法。拿到漫遠送我的書，回國第一件事就是通讀The Logic of Life。讀完全書，我發現其結語的標題Integron一詞不認識。字典中也查不到。我根據他在結語中所討論的內容和他與他的同事提出“操縱子”——operon——一詞的造字原則，推測這個詞應該是用integrate的前6個字母加“ on”而造出來的。因此可以被翻譯為“整合子”，表示因相互作用而存在的現象。在這個結語中所描述的很多現象，包括它們的形成過程，和我說的“結構換能量”過程有很多相似之處。讀完這本書，我在2014年初產生了一個沖動，即動手嘗試以“結構換能量”為基本原理，重建生命之樹自發形成的演化過程。結果發現，從前細胞到細胞再到人類智能，不同形式的生命系統存在方式與演化創新好像的確可以從“結構換能量”原理出發來給出統一的解釋。

2014年5月，湯超邀請他的中國科學技術大學校友，現在復旦大學的陳平教授到定量中心來講他怎么用復雜系統理論解釋人類社會的經濟現象。陳平在中國科學技術大學本科畢業后，在“文革”期間到基層工作。改革開放后曾參與1978年全國科技大會的組織服務工作，之后去美國。自1981年起，師從當時已經從比利時移民美國的Prigogine從事復雜系統的研究。從讀博士到成為同事，直至2002年，歷時21年。他講的經濟我是聽不懂的。但他師從Prigogine的經歷，讓我感到是不是可以請他聽我講講“結構換能量”，看看他有什么評論和建議。出乎我的預料之外，他對我的想法大加贊賞，鼓勵我一定要把它寫出來發表。我告訴他說，我覺得要把一個想法變成學術性的論文，要么得有實驗證據，要么得有數學表述。“結構換能量”我沒法做實驗，而我的數學很差，也沒有能力去寫一個數學表述。他說，數學很簡單，你可以把你的想法寫給我，我給你試試。雖然他回復旦之后，一直忙于其他事情而沒有幫我寫數學表述，但他的鼓勵卻給了我把這件事情向前推進的動力。

陳平的鼓勵讓我決定找懂生物的數學家，看看能不能得到他們的幫助。又得感謝北大。當時在哈佛大學任教的謝曉亮應北大之邀，在北大組織了一個生物影像中心( BIOPIC)，招募了一批年輕有為的數理化和生物學家，嘗試用新的方法來開展新的生物學研究。蘇曉東教授因為其物理學和生物學的雙重背景而被選做BIOPIC的常務副主任。由于曉東是生科院很少的幾位喜歡和我聊生命起源和生命本質的朋友之一，我就和他談了我的想法。他建議說可以和在BIOPIC兼職的北大國際數學中心的葛顥聊聊。從曉東處我得知，葛顥在北大數學系獲得學士和博士學位后，在美國西雅圖的華盛頓大學錢紘教授那里做博士后，從事物理、化學、生物過程的隨機數學模型的研究。對復雜生物過程的數學描述和解析有很高的造詣。通過他的介紹，我和葛顥聊了“結構換能量”的想法以及希望能把這個想法做一個數學描述的需求。很快，葛顥告訴我，可以做，并且很快給出了幾個數學公式。這實在讓我喜出望外！有了數學描述，“結構換能量”的想法就有了“科學假說”的樣子了。于是，我就和葛顥一起，把我們能夠想到的，寫了一篇論文的初稿。為了核實我們在文章中提到的，在“復合體”基礎上是不是有可能自發形成共價鍵，我還特地請教了當時同在定量生物學中心的化學學院的劉志榮教授。他告訴我很多催化劑的反應機制，就是納米表面降低共價鍵形成所需要克服的勢壘。這給了我很大的信心。到2014年底，初稿寫成了。我也把我們的想法在定量中心的例行午餐會上向大家做了報告。歐陽頎表示，沒想到一個做生物研究的，會提出這么抽象的問題。可是，也有老師提出，“結構換能量”過程在很多化學反應中都可以觀察到，怎么可以說是一個“活”的過程呢？大家的反應，讓我覺得我們的文章要發表，恐怕需要更多的思考。

新的一個機會又來了。 2015年暑假，定量中心邀請葛顥的博士后導師，西雅圖華盛頓大學的錢紘教授來給學生上課。錢紘的經歷非常獨特： 本科是北大的天體物理專業，博士是圣路易斯華盛頓大學的生物化學專業(他的導師Elliot Elson后來成為美國科學院院士) 。之后做了兩輪博士后，一輪在俄勒岡大學跟隨美國最早做蛋白質結構研究的學者之一，美國科學院院士John Schellman做蛋白質折疊的機制研究；另一輪是在加州理工學院跟隨另外一位美國科學院院士John Hopfield做計算生物學。現在是華盛頓大學應用數學系的講座教授，從學歷上橫跨數理化生四大學科。周圍的朋友談起他都表示出一種崇敬之情。我之前聽過一次錢紘的講座，半懂不懂。和葛顥合作之后，對他們的語言有了更多的了解。我想，去聽聽他的課或許能懂得更多一些。一天的課聽下來，感覺他的思路與我和葛顥在寫的文章有很多相似之處。于是約他來我辦公室專門談了一下。他對我和葛顥在寫的文章表示出興趣。于是，又約葛顥來一起討論了一下文章的具體內容。他當時就提出了我們原來沒有注意到的一個特點，即復合體的形成過程和解體過程從能量的形式上是兩個屬性不同的過程，因此，“結構換能量”的過程，本質上是一個不可逆的循環過程。我覺得他提出的觀點非常重要。于是征求他的意見，看他能否加入我們，一起來寫這篇文章。錢紘是一個很嚴謹的人。他當時沒有給我確切的回復，只是答應回去看看我們的稿子。看來這個稿子對他還是有吸引力。他回到美國之后，就在電子郵件中不斷地問我，有沒有讀過這個人的書、那個人的文章。天哪，這些都是我從來沒有接觸和了解過的人和觀點！在之后的一年中，我一直在加班加點地完成錢紘給我布置的“家庭作業”——讀各種不同的文獻。這個過程大大地開拓了我的視野，開始了解那些關心生命本質和生命起源問題的物理學家、化學家們是怎么看待和解釋這些問題的——當然，也領教了錢紘的學識淵博！在錢紘和我就相關文章和書的交流過程中，他在2016年開始正式加入有關“結構換能量”文章的寫作。文章的前言部分的邏輯框架——從物理、化學、實驗生物學等不同方面對生命本質及其起源問題的研究的回顧，包括后面討論中的主要內容，都是按照他的意見來構建的。經過兩年的努力，這篇文章終于以Structure for energy cycle: A unique status of the second law of thermodynamics for living sys-tems為題，發表在《中國科學(英文版) 》 ( Science China Life Science) 。

在合作完成了“結構換能量循環”的論文之外，還有一件事情讓我深得錢紘的教益。2016年我在我的同事與好朋友李沉簡教授(當時任我們學院分管本科教學的副院長)的激將法下，在暑假學期開設了一門另類的生物學通選課——生命的邏輯。課后學生的反響不錯，但要求把學時從24(1. 5學分)增加到32(2學分)。可是如果增加8個學時，我的課件該怎么調整呢？考慮到我從漫遠和錢紘那里得到了那么多教益，我想，何不借此機會，讓同學們也能面對面地感受大師的風采？于是我向沉簡提出申請，請他資助兩位來我的課堂上進行特邀講座。這個申請得到了他的慷慨支持。于是從2017年開始，在這個課上增加了錢紘和龍漫遠的特邀講座。在2017年錢紘來上課的期間，我們聊天時他提出了一個問題： 如果說數學的原點概念是“數”，物理的原點概念是“質點”，化學的原點概念是“分子”，生物學的原點概念是什么？在聽到他的問題之前，我從來沒有想過這個問題，也從來沒有聽到、看到任何其他的人提到類似的問題。我想，恐怕也只有像他這樣學歷橫跨四大學科的“數理化生物學家”有能力和資格來問這樣的問題。他的看法是，能不能用“個體( individual) ” 。可是我覺得這個概念在傳統生物學中的內涵與他想表達的意思差別太大；而且英文中individual的含義是“不可再分的”，這與我們討論的結構換能量循環中作為節點的復合體的自發形成和擾動解體的可分可合的動態特點不匹配。我當時沒有想到更好的詞來表達他所希望提出的生物學原點概念。反復思考(我這個人比較愚鈍)之后，在另外一個時間告訴錢紘，我認為前面提到的Jacob造的詞“整合子”可能是作為生物學原點概念的最佳選擇。根據我們對結構換能量循環的論述，這個循環是“活”與“非活”之間的第一條界線，而這個循環是由異質組分所形成的復合體根據“結構換能量”原理而自發形成/擾動解體的動態循環，非常符合Jacob提出integron一詞所希望表達的含義——盡管他在造這個詞時所用的例子都是更為復雜的生命現象。因此，整合子之于生物學，應該可以相比于數之于數學、質點之于物理、分子之于化學，成為一個原點概念。有關這個問題，我和錢紘仍然在探討的過程中。

我有勇氣在2016年開設“生命的邏輯”的課程，其中還有一個重要的背景，即從龍漫遠那里了解到，他可以用實驗和計算的方法解決一個新基因如何整合到原有的基因網絡中，引起新的功能的發生。而且，他的有關人類新基因的研究，讓我相信人類演化本質上也服從生命系統演化的一般規律。但在第一次上課的過程中，我并沒有涉及基因網絡的內容。因為盡管我在自己實驗室對雄蕊早期發育過程的分子水平描述的研究中，相信，而且后來也的確發現基因表達網絡在發揮重要的作用。可是，基因網絡有哪些特點？人們該怎么去研究它？我其實并不了解。 2016年底，從漫遠的一次來訪，我知道Barabasi的Linked一書對網絡科學有很好的介紹。于是，趕快找來這本書，如獲至寶！終于可以大致搞明白其中的基本脈絡。這對于我梳理生命系統的演化過程有非常重要的幫助。

盡管如此，我對于自己基于“結構換能量”原理而構建的生命系統演化過程中，不可回避的中心法則應該在什么位置上其實并不清楚。又是一個意料之外的機緣，讓我終于解決了這個問題。這還得感謝錢紘與龍漫遠。因為他倆的關系，我認識了敖平。敖平是錢紘的好朋友與合作者。而敖平作為一個轉向以生命系統為研究對象的物理學家，近年對演化感興趣。 2018年3月，漫遠和在丹麥哥本哈根大學的張國捷等人一起在深圳組織了第一屆亞洲演化大會，敖平應邀參會，并在會上做了他的演化動力學的報告。我沒有想到，他作為一個物理學家，還真的深入研究過Ronald Fisher的The Genetic Theorem of Nature Selection。而且他對Fisher非常崇拜！我是因漫遠邀請去講“植物發育單位”的概念框架演化而參會。在會上我和敖平相識并發現有很多共同語言。會后還一直有電子郵件聯系交流彼此對感興趣問題的看法。 2018年底，他發來一個郵件，說他在西雅圖的書店中發現一本新書，是宇宙生物學家寫的有關生物的書，很有趣。這本書的書名是The Equations of Life。恰好我想看看除了我們在結構換能量循環中提到的幾個公式、敖平的演化動力學公式，以及錢紘和他的朋友們的那些對我來說完全是天書的隨機方程之外，還有哪些人對用簡單的數學形式來描述生命過程有獨到之處。于是我趕快讓在英國出差的兒子幫我買回這本書，2019年春節期間就開始看。這的確是一本值得一讀的書(已經被我列在給學生推薦的參考書中)。雖然我沒有從中找到我所希望的公式，但作者作為宇宙生物學家的完全不同的視角，讓我對兩件事茅塞頓開：一是搞清楚了長期困擾我的Barabasi網絡科學中生物網絡“節點”的物理意義，二是終于為中心法則在我所梳理的以整合子為中心的生命系統演化過程中找到了一個合理的位置。

正是因為有了上述的那么多經歷，我才敢在前面提出對基因中心論的質疑。我發現，我們其實可以把現有信息加以梳理和整合，重構出更加合理——即更少循環論證(比如說先有雞還是先有蛋)、更少自相矛盾(比如糾結病毒算不算有生命)、更少主觀推測(比如說生命的宇宙起源)的對于生命本質、起源及其演化歷程的解釋——即我在“生命的邏輯”課程中介紹的“整合子生命觀”。考慮到課程是作為一門通選課，面對各個專業的本科生，雖然講授的內容都是有根有據的，但構建方式卻與主流的生物學教科書相去甚遠。從學生學習方便的角度，我覺得如果有一本比較完整的參考書，應該可以為大家提供有益的幫助。另外，近年在一些不同場合的演講中，我也會介紹我對生命本質的新的理解。為了減少大家誤傳的可能，寫一本書來規范一下自己觀點的表述，也不失為一個減少麻煩的方式。但是，我畢竟目前還有其他日常的研究工作要處理。加上其他一些始料不及的原因，信息收集方面變得耗時費力。綜合考慮，本書將以概論的形式，把重要的節點概念和它們之間的邏輯關系先構建起來。今后如果有機會，再對這個框架加以充實，為大家提供更加方便的閱讀體驗。

除了上面提到的朋友之外，本書能夠進入寫作階段，還要特別感謝過去七年(2016—2022)選修“生命的邏輯”課程的同學們。沒有他們選這門課，我也就無從檢驗我所構建的概念框架有哪些缺陷和不足——沒有檢驗對象也就無所謂改進。同學們對課程的積極反饋，鼓勵我最終決定把講課內容撰寫成書！尤其要感謝2020年選課的同學對本書部分章節所提出的意見和建議¹。另外，我還要感謝生命科學學院的丁明孝老師。他曾經告訴我，說他一直希望開設一門不同于現在流行的普通生物學的通選課。我告訴他我在準備這門課并希望聽聽他的意見和建議之后，他不僅給了我非常大的鼓勵，而且還為我課件的準備提出了非常有價值的建議。此外，他還把這門課的內容推薦給中國科學院遺傳發育所的楊琳博士。從她那里，我得到了大量熱情的反饋。這也給我很大的鼓勵，特別感謝！要感謝生命科學學院的羅靜初老師。在2017年，他從頭到尾旁聽了全部課程，而且還在同學討論環節給了很多有意義的點評。要感謝蘇曉東。在第一次開設“生命的邏輯”課程時，他好幾次抽時間來聽課，并給出很多建議。在書稿的寫作過程中，我在生命科學學院的同事秦詠梅教授對書稿提出了非常重要的修改意見；我在北大實驗室的前成員，現在生命科學學院任職的彭宜本博士、在中國人民大學附中任教的李峰博士都為我的書稿提出過非常有價值的建議；我的大學同學，在安徽省宣城地區農業管理機構工作到退休的王世發也對我的文稿給出了熱情的鼓勵。在此一并表示由衷的感謝。

需要特別說明的是，我對生命的本質、起源與演化的思考雖然不可或缺地得益于上面提到和很多沒有提到的同事和朋友的啟發、激勵、鼓勵和幫助，沒有與他們的交往，我不可能學到那么多東西，思考那么多問題，但是我在“生命的邏輯”課程中所講授的“整合子生命觀”未必都能得到他們的認同與支持。這門課程所介紹的概念框架如果能得到這些朋友的認同，哪怕是其中的一些節點，都是我的無上榮耀。但無論是選課的同學還是本書的讀者，如果對課程或者本書中的內容有任何質疑，或者發現課程或者本書中有任何錯誤，都由我承擔全部的責任。與我在上面提到的這些朋友和同事無關。

“生命的邏輯”課程和本書的基本脈絡是這樣的： 第一章 引言： 理解生命現象的11個時間節點，先簡單地介紹人類是怎么觀察自己所生存其中的自然的。在人類自然觀中有哪些變和不變的要素；所謂的“科學”認知與其他的認知方式有哪些異同；我們在認知過程中如何區分現象、對現象的描述、解釋和基于解釋的演繹。我們所討論的“生命”現象的時空尺度在一個什么范圍之中。第二章 探索的歷程： 人類生命觀是如何構建的？是在生科院2019屆楊舒雅同學的建議下增加的。她在聽課后認為，對于沒有經過系統生命科學教育的人來說，告訴大家目前人類對生命現象所了解的主要內容和觀念體系，能讓大家在了解我在課上所提出的新的邏輯體系時有一個比較與對接。在這一章中，主要是簡單地回顧一下現代生物學的由來與當下的概念框架。希望所有學過中學生物課的人都可以大致了解目前大學生物學都在講點什么。

第三章 什么叫“活”——一個基于既存生命知識的理想實驗： 結構換能量循環，則是從對“什么是生命”這個問題的答案的追尋出發，提出什么是“活”的問題，并引出結構換能量循環這個理想實驗及其數學論證。結構換能量循環是“活”區分于“非活”的第一條邊界，結構換能量循環是最初的、具有吸引子屬性的整合子。雖然“活”即結構換能量循環還不足以被看作是生命系統，但沒有“活”就沒有生命系統的形成。 “活”是整個整合子生命觀的起點。第四章 什么叫“演化”——源自基于IMFBC結構自/異催化的共價鍵自發形成，主要解釋生命大分子為什么都是碳骨架、為什么主要都是鏈式形式、為什么形成生命大分子不可或缺的共價鍵會在結構換能量循環節點的復合體( IMFBC)基礎上自發形成，以及為什么生物離不開水。在這里，演化一詞的內涵不同于傳統生物學中大家所熟悉的從個體到細胞到基因頻率的變化，而是指基于IMFBC的自/異催化形成共價鍵之后，所衍生出新的整合子的組分及其相互作用，包括整合子之間關聯的復雜性的增加。由此引出生命系統的第一種基本屬性——正反饋自組織。并由此提出生命=“活”+“演化”(達爾文迭代)的公式。第五章什么叫“環境”——環境因子是“活”的結構換能量循環不可或缺的構成要素，主要提出了一個不同于目前生物學主流的觀點，即環境因子是生命系統的構成要素。傳統的“生物—環境”二元化的觀念，是亞里士多德時代基于感官認知解釋生命現象時遺留下來的誤讀。

第六章 前細胞生命系統Ⅰ：以酶為節點的生命大分子互作的雙組分系統，主要提出了一個從生命大分子相互作用²的雙組分系統的角度看酶反應的視角。通過這種視角轉換，一方面可以很好地解釋酶促反應的基本特點，另一方面也揭示了之前提到的共價鍵自發形成機制與酶促反應之間遵循的共同原理。由此引出生命系統的第二種基本屬性——先協同后分工。第七章 前細胞生命系統Ⅱ：從隨機發生到模板拷貝——多肽序列如何被記錄到核酸序列中？在介紹中心法則來龍去脈的同時，從整合子屬性的角度，對中心法則以及基因的起源及其功能提出了與眾不同的解釋。論證了基因中心論存在的邏輯缺陷。第八章 前細胞生命系統Ⅲ：生命大分子網絡的形成與演化，從非酶生命大分子功能的由來開始，通過介紹Barabasi的網絡理論中最基本的概念及其內在邏輯，推理出生命大分子網絡的兩種存在形式，并引出生命系統的第三種基本屬性——復雜換穩健。

第九章 細胞化生命系統Ⅰ：世界上第一個細胞的形成與可迭代整合子的全新形式，主要介紹了細胞的概念，以及整合子生命觀對細胞起源及其本質的解釋，提出了細胞是一個被網絡組分包被的生命大分子動態網絡單元的觀點。同時，引出了生命系統進入細胞化階段之后出現的新的屬性——動態網絡單元化。第十章 細胞化生命系統Ⅱ：整合子視角下的細胞行為，主要介紹了細胞生長、分裂、分化、死亡等基本細胞行為，并為這些行為提供了整合子生命觀的解釋。第十一章 細胞化生命系統Ⅲ： 真核細胞與有性生殖周期( SRC)，除了大致介紹真核生物的基本特點之外，主要探討了真核細胞起源的可能機制。在這里提出，與原核細胞的生存主體是單個細胞不同，真核細胞的生存主體是細胞集合。在作為生命大分子網絡動態單元的單個細胞與作為生存主體的細胞集合之間，由有性生殖周期作為紐帶而彼此關聯。“兩個主體與一個紐帶”是真核細胞區別于原核細胞的特殊屬性。只有從這個角度，才能有效地澄清在主流生物學觀念體系中的很多模棱兩可甚至彼此矛盾的說辭。在這里，提出了生命系統進入真核細胞階段之后出現的、之前形式所沒有的全新屬性——自變應變。

第十二章 超細胞生命系統Ⅰ： 越界的整合，先是回顧了之前章節中涉及的整合子的一些基本特征，然后介紹了多細胞生物自發形成的可能機制。把多細胞真核生物的形成看作是整合子應對相關要素變化的結果，不僅可以理解多細胞真核生物各種特點的起因，也可以在復雜多樣的多細胞真核生物特點的背后，發現生命系統一以貫之的共同規律。第十三章超細胞生命系統Ⅱ： 多細胞結構的實體構建——同樣的對象、不同的解讀，采用了一種不同于傳統生物學教科書的模式，沒有對紛繁復雜的多細胞真核生物的特點進行具體的描述——因為這樣的教科書隨處可見，而是從“整合子”運行的核心過程出發，對多細胞真核生物的形態結構及其“功能”的發生做出概括性的梳理。同時，還把不同的生物類群放到整個地球生物圈的食物網絡體系中作為一個整體進行考察。第十四章 超細胞生命系統Ⅲ： 形態建成中策略的多樣性與原理的同一性，對多細胞真核生物的共有屬性進行進一步的歸納和分析。主要包括多細胞結構的程序性構建、多細胞結構形成之后穩健性維持、多細胞結構之間的互作等。

第十五章 整合子生命觀： 生命系統是一個不同層級整合子迭代而成的倒圓錐狀網絡，是在前面介紹的知識和分析基礎上，對整合子生命觀要點的概述。之后的第十六章 結語：生命的邏輯——尋找第三極的漫漫修遠之路前的曙光？提出什么叫“第三極”、為什么說是曙光？相信讀完整本書之后，每個人都會有自己的思考。書末，與大家現在讀到的超乎尋常的長篇前言相對，有一個簡短的后記。

鑒于這些年我自己的讀書經驗，在有關參考文獻的處理上，我選擇了給出一些引發新思考的文獻，而不是對書中涉及的知識點給出面面俱到的文獻——畢竟，本書所涉及的絕大部分具體的生物學知識，都是在主流生物學教材中可以找到的。本書與主流教材之間的區別，主要在于對這些知識點本身內涵，以及不同知識點之間的關聯方式的解釋不同。著名的英國植物學家F.O.Bower在他以個人經歷為基礎撰寫的關于英國1875—1935年間植物科學發展史的著作中曾經提到，科學進步并沒有一成不變的定式。有時，新發現會帶來進步；有時，對已知現象的重新整合也能帶來進步。本書更多的是對已知現象的重新整合。希望大家在閱讀時不會因為參考文獻的不足而出現理解的困難。

最后，還要感謝北京大學出版社的鄭月娥編輯以及王斯宇編輯。我和鄭老師的聯系緣于我2003年在北大出版社出版的《植物發育生物學》 。有朋友問還能不能買到這本書，我就和出版社聯系。鄭老師告訴我說這本書第二次印刷后早就售罄了。我在和她介紹了我為這本書的第二版做的長時間準備之后，和她提到《生命的邏輯》這本書的寫作。她表示很有興趣，希望能看看已經完成的書稿。在我將書稿發給她之后，她非常熱情地希望我能將此書放到北大出版社出版。從我個人傾向而言，我覺得自己在北大工作二十多年受益無窮，好像找不出有什么可以為北大增光添彩的事情。或許把自己在北大工作的心得放到北大出版社出版，可以聊補我對北大增光添彩不足的遺憾吧。

1 2020年本書大部分章節寫成初稿。我將初稿發給2020級選課同學，請他們提出修改意見。這些同學是(按姓名的漢語拼音字母順序排列)： 柴笑寒、陳樂寧、陳一丹、陳奕亮、付銳、胡一飛、黃旭安、吉祥瑞、晉宗毓、李蔚霆、李卓然、欒奕男、馬康淇、錢柏言、沈可、田鷺、溫一搏、楊成昊、楊烯、禹凱耀、張競成、張天逸、張蔚、張雨桐、朱晗宇。在此一并感謝！還要感謝生命科學學院2021級本科生陳琦子同學。她不僅在整理同學反饋意見上提供了非常大的幫助，而且對課程內容提出了非常積極和建設性的反饋。

2 在本書中，為方便起見，部分生命大分子間的相互作用將簡寫為“互作”。