生命是什么 9.1分
读书笔记 摘录
夕颜

## 章节:序

> 人类不过是生活在一颗中等大小行星上的化学废料

> 生命体和非生命体一样,都由没有生物活性的“死”分子构成,但是这些分子在一曲完整的“生命大合奏”中相互作用的独特方式,形成了十分独特的结果——包括我们在内的所有生命体的诞生。

> 大自然不会自发地生成高度组织化、远离平衡态且具有目的性的实体,比如冰箱、汽车、电脑等。

> 哪怕是像细菌细胞一样最基本的生命系统,都是一个高度组织化、远离平衡态的功能性系统,

> 通过研究细胞的行为,我们可以发现它的功能或者说目的。

> 每一个活细胞都是一个高度组织化的工厂,正如任何一个人造的工厂一样,它需要与能量源和能源产生器相连接来保证其运行。

> 每个细胞的梦想都是变成两个细胞

> 不仅基本常识告诉我们一个高度组织化的个体不会自发形成,一些基本的物理学法则也反复说明着同样的道理。系统倾向于朝着混乱和无序的状态发展,而不是秩序和功用

> 智能设计论(Intelligent Design)

> 只有解释了生命的产生背后存在的悖论,我们才能理解生命是什么。

> 我认为自然中存在一种被长期忽略的稳定性,我将这种稳定性称为动态动力学稳定性(dynamic kinetic stability,DKS)

> 在未来,生命的法则可能会被证明是某种普适规律的结果或者一部分。

## 章节:第1章 生命体是如此奇妙

> 创造力和准确性

> 自然的设计能力远远超出了我们的想象。核糖体

> 多样性

> 独立性和目的性

> 她很快就意识到玩具狗的行为是可以预测的,而真正的狗则拥有自己的意识。

## 章节:生命的有序复杂性

> 我们动物是宇宙中最奇妙的事物。

> 高度有序性

> 稳态(homeostasis)

> 细胞又是如何维持其有序复杂性的呢?至少在热力学第二定律的语境下,这个问题回答起来比较简单:活细胞通过不断利用能量来维持其结构的组织和完整性,我们可以将这称为细胞的运作模式。

## 章节:生命的目的性特征

> 目的性特质

> 依据生命的目的性特征,我们光凭直觉就可以理解生物世界的运作(当然也包括人类活动)。

> 要理解和预测发生在非生物世界里的事件,要依据的法则就颇为不同。非生物的世界里不存在目的性,只有物理和化学定律

> 但目的性的存在,将我们引向了一个非常奇怪,甚至是怪异的现状:从某种根本意义上,我们好像同时生活在两个被各自的规则所控制的世界里。

> 理解这些法则能帮助我们避开麻烦,如果我们善于利用自然的运作模式,我们甚至可以更高效地实现生活中的目标。这实际上就是科技的本质,即创造有益的方式来利用自然法则的系统。

> 所以,地球上生命和非生命两种物质形式遵循不同的规律,并且二者之间不断发生物质交换(非生命物质可以转变为生命物质,反之亦然)的现象需要有一个合理的解释。大自然中这鲜明的二重性是如何共存的?这现象又意味着什么?

> 那些主要由物理和化学所描述的自然法则,对处理目的性世界的问题无能为力,而我们自身也正是这目的性世界的一部分。

> 但是,无论我们有没有意识到目的性的存在,如果我们不遵循其规律行事,那么我们在日常生活中简直寸步难行。毫无疑问,在生物世界中目的性才应该是我们做出预测和判断的依据。

> 细胞那高度复杂的结构就是目的性特征最确切无疑的体现。

> 我们相信物质世界是不存在生命活力(vital force)的,而且生命体都是由无生命的“死”分子组成的,那么这到底是怎么回事呢?

> 说到底,许多生物一生的目标如果不是明确与繁殖相关,也都可以理解成为了实现繁殖而进行的间接行为。

> 一个引力场无法用任何直接的方式来观察,它就像目的性一样,也是一个概念。

> 实际上,引力的概念是可以被量化的,而目的性不可以。在科学界,可量化的概念的确比不可量化的概念更容易被接受。但这并不意味着一个可以被量化的概念比不能被量化的概念更“真实”。

## 章节:生命的手性特征

> 虽然理论上可能出现两种形式的手性分子,但一般来说都只存在其中一种形式,比如生物体内的糖几乎无一例外的都是D—型糖,而生物体中的氨基酸则几乎都是L—型氨基酸。

> 纯手性特征

## 章节:第2章 探寻生命的理论

> 一个产生并维持生命的过程,这一过程暗示了生命的活动是目的导向的。

> 这个如今被称为现代科学革命的时期,在当时剧烈地改变了人类对宇宙及其在宇宙中的位置的认识,这一时期的中心人物包括哥白尼、笛卡儿、伽利略、牛顿和培根。现代科学革命的主要成就是:长期以来宇宙的目的论观念被重新评价,至少在科学领域中,这种观念基本上被抛弃了。科学革命改变了人们2 000年来根深蒂固的观念,并用一个体现了科学革命本质的观念替换了亚里士多德的目的论思想,这一崭新的观念就是:自然是客观的,自然规律背后并不存在某种目的。

> 达尔文通过其了不起的洞见,为具有目的性的生命系统的出现提出了一个简洁的机械原理,那便是自然选择。这一结论扫除了目的论宇宙观的基础,并且击碎了以往的思维范式。达尔文通过自然选择这一原理,拓展并且加强了科学革命,他将科学革命中不容置疑的宇宙客观性前提延伸到一个曾似乎与它无关的领域——生物领域。随着达尔文这一划时代贡献的出现,至少在科学领域,宇宙目的论终于偃旗息鼓了。

> 非生命物质是通过什么方式转变为简单的生命形式的。

> 现在讨论生命的起源无异于痴人说梦,人们还不如去想想物质的起源。

> 为何功能和目的会从这个不存在功能和目的的客观宇宙中产生?

> 如果我们要理解生命,那么我们必须要理解目的性。

> 表达了对玻尔—薛定谔的生命观的支持,他认为生命起源的问题是“一个科学无法跨越的障碍,一个将生物简化为化学和物理所解决不了的残余问题”。

## 章节:定义生命

> 它一般被称为“NASA的生命定义”。其主要内容为:生命是一个能够发生达尔文式进化的自我维持的化学系统。这虽然是一个很有吸引力的定义,但是却存在某些缺陷。

> 但是个体生命无法实现进化,它们只能繁殖然后死亡。只有生命体的种群才能实现达尔文式的进化。

> 在我们回答生命是什么之前就试图去定义生命是本末倒置的做法。

## 章节:第3章 理解何谓“理解”

> 科学方法的核心是归纳法,其论证方法可以追溯到古希腊的哲学思想。

> 通过归纳推理,从实践所得的事实中总结出具有普遍适用性的结论,这一过程我们可以简单地称为“模式识别”(pattern recognition)

> 所有具有认知能力的个体都时常应用归纳推理的方法,无论他们是不是人类,也无论这一行为是有意的还是无意的,因为这个推理过程已经深深地根植在了我们的进化过程中。

> 但是这也意味着世界上并不存在对苹果为什么会坠落这个问题完全而深刻的理解。重力只是用来描述苹果坠落这个事件的普遍规律的一个词语而已。

> 从根本上来说,所有的科学解释都是归纳性的,它们不过是发现了普遍存在的规律,并且将特殊的事件与普遍现象联系了起来。

> 不是所有算数的东西都能被数清,也不是所有能被数清的东西都算数。”(Not everything that counts can be counted, and not everything that can be

> counted, counts.)

> 至于这些“规律”“规则”“定律”“概论”,或无论什么名称,它们为何存在,科学不能也并不假装能够回答这个问题。

> 任何现象都不存在根本的解释,我们最多可以说那规律本身就是解释了。规律就是连接起现实和我们对现实的理解之间的桥梁。这些规律的基础是什么,其背后的自然法则是什么,都是值得我们探索的问题。

> 总的来说,当从一个系统中可以总结出多条规律时,哪条规律更有效取决于实际的应用。

> 我们现在可以来看看如今依然亟待生物学解答的核心问题,即还原论(reduction)和整体论(holism)的问题。

## 章节:还原论还是整体论

> 还原论方法的核心其实非常简单:“一个整体可以被理解为其各个组成部分之间的相互作用。”

> 整体论认为,在复杂系统中呈现出的不可预期的突现(emergent)特性,不能通过观察其各个部分而发现(突现特性指的是系统在复杂和高级层面所呈现出来的性质,这种性质在较低的层面是观察不到的)。

> 以分子为中心的研究范式成功地引领了该学科的发展,但是如今这个研究范式已经无法提供可靠的指引了。

> 逐级还原”(hierarchical reduction)

> 认为还原论不能解释系统整体所具有的突现特性这种经常被提及的观点并不正确,尽管承认这一点并不意味还原论能解释所有的突现特性。

> 整体论观点意识到,除了从低层到高层的“向上的因果关系”之外,还必须考虑从高层到低层的“向下的因果关系”,即高层级的现象对低层级的行为可能产生的影响。

> 整体论虽然有这样一个名称,但是它可以被视为一种修正的还原论。

## 章节:为什么会发生化学反应?

> 在当前的语境下,我们只要说化学反应朝着从不稳定的物质向更稳定的物质转换的方向进行就够了。

> 而催化剂的作用与火花不同,它能够降低能垒的高度

> 只有当产物的自由能低于反应物的自由能时,化学反应才能够发生。这个规律可以称为热力学因素(thermodynamics consideration),它决定了化学反应发生的方向。相应地,热力学第二定律也能预测哪些反应能

> 够发生。一旦反应物达到了该物质组合最低的自由能状态,那么这个系统就已经达到了平衡态,所以便不会再有后续的反应发生。

> 一个符合热力学发生规律的反应,在现实中发生与否,最终由动力学因素(能垒的高度)决定。但是,一个不符合热力学规律的反应,则一定不会发生。

## 章节:熵与热力学第二定律

> 熵是系统稳定性的关键因素,而且我们完全可以通过熵来表达热力学第二定律。

> 熵可以直观地理解为一个系统的混乱程度。

> 系统朝着混乱状态发展的倾向是热力学第二定律的固有性质,任何有序的系统都会朝着混乱的状态发展,并且这一点可以通过数据来解释。

> 一个将两种物质合成为一种物质的化学反应,从熵的角度来说是不利的,因为系统的熵减少,有序性增强;一个将单个物质分解为多个物质的反应是有利的,因为系统的熵增加了,相应地有序性也将减弱。相应地,系统中的自由能也可以使熵值增加。

## 章节:复制与分子复制因子

> 生命的本质就在于催化反应和自催化反应之间的巨大差别

## 章节:化学稳定性的本质

> 在物质世界中,稳定性可以被分为两个不同的种类,即静态稳定性与动态稳定性

> 这也意味着任何一个复制系统(无论是由复制分子、兔子,还是其他可以复制的物质所构成),如果想要保持稳定,那么该系统的生成速率一定要与其分解速率保持平衡。

> 无论是什么机制造成了生命体的死亡(分解),其结果会平衡系统中不断发生的复制,从而维持复制系统的动态稳定性。

> 不过,重点在于如果一个复制系统在一段时间内是稳定的,那么系统中稳定的是复制因子的群体,而不是组成群体的单个复制因子。单个复制因子就像河流或喷泉中的水珠一样,无时无刻不处在更新的状态中。

> 在化学系统的语境中,静态和动态稳定性的含义有很大的差别。在一个“常规的”化学世界中,系统的稳定状态指的是其内部不会发生反应。稳定性的本质就是缺乏反应。但是,在一个复制系统中,该系统的稳定性(“稳定”指的是维持现状并且保持前后一致)只有在其中发生反应、不断进行自我复制的基础上才能实现,并且一个系统中的复制因子的反应性越强,该系

> 统也就越稳定,因为这些复制因子能更高效地自我复制,从而维持系统的一致性。

> 动态动力学稳定性

> 动力

> 较快的复制速率和较慢的分解速率有助于维持系统的高度稳定性,因为这样能够生成大量的复制因子群体。

> 复制系统的低动态动力学稳定性,无论是由缓慢的复制还是快速的分解造成的,都有可能在某个时候导致该系统中的群体走向灭绝。

> 蓝细菌已经存在了数十亿年这一点是毋庸置疑的。这才是真正的稳定!

> 当然,我们在这里所说的蓝细菌是一个动态稳定的系统,如今的蓝细菌当然和数十亿年前的蓝细菌不是同一批。

> 另一种化学则是复制化学,也就是研究复制系统的化学。

## 章节:复制因子的转化规则

> 稳定的个体适于生存。

> 它们会从不够稳定的形式转变为更稳定的形式。事实上,这就是化学动力学和热力学的核心,即依据化学系统向稳定形式转变的倾向来解释或者预测可能发生的反应。

> 当物质发生化学反应时,它会从热力学角度不够稳定的反应物转变为更稳定的产物。

> 我们感兴趣的是将一个复制分子(或一系列分子)转化为其他复制分子(或一系列分子)的反应。

> 适用于复制系统的是动态动力学稳定性,而不是热力学稳定性

> 我们有没有证据证明复制因子的世界确实具有一套不同的选择定则呢?

> 在复制进行了一段时间后,溶液中不但会有原始的RNA链,还会有变异的RNA链。

> 在含有突变RNA链的溶液中,RNA复制的速度比只有原始RNA链时更快。

> RNA短链比RNA长链的复制速度更快

> 进化过程从本质上来说是化学的,而不是生物的。

> 而且事实上,一条复制缓慢的RNA链倾向于朝着复制速度更快的链进化,这背后自有其化学的原因,更准确地说,是有化学动力学的原因。

> 复制速度更快的复制因子的数量将超过复制速度慢的复制因子

> 弄清楚静态稳定性和动态稳定性二者之间的关联。

> 控制着复制系统的规则本身也受到热力学第二定律的约束

> 一切不可逆过程的发展方向都受到热力学第二定律的控制,所以无论让汽车损坏的原因是什么,从根本上来说都可以归结于热力学第二定律。

> 为了修好你的车,你需要了解的是“小套娃”所处的语境,也就是专门针对汽车引擎的规则。

> 复制系统的独特性并不独立于热力学第二定律而存在

> 如果想要理解复制世界中发生的反应,我们要先考虑控制那个世界的法则,而不是控制所有物质系统的宏观的热力学定律。

> 广义而言,分子复制和生物进化的反应都遵循热力学第二定律的说法是正确的,但是这就像用热力学定律来解释汽车损坏的原因一样,虽然正确,但是没有什么实际意义!

> 我们将发现生物词汇“适应性”直接与化学词汇“稳定性”相关联。

## 章节:历史和非历史的方法

> 在我们开始详细探讨生命的起源问题之前,我们需要强调的一点是,这个问题有两个截然不同的层面,一个是历史的层面,另一个是非历史的层面,而只有将这两个层面结合起来看,才能为这个问题找到完整而令人满意的答案

> 从历史的层面而言,我们需要解决的是一个“如何”的问题,即生命是如何产生的。

> 从非历史的层面而言,我们要关注的是“为什么”的问题:为什么非生命的物质会不遵循其自身的结构规律,而朝着更加复杂的生物方向转变,并最终形成简单的生命形式?

> 我们提出的这个问题背后有一个基本的预设,那就是生命的出现不仅仅是一个随机的事件,而是被现存物理化学规律所诱发的。

> 哪一类物质有可能成为生命

> 我们发现这些“为什么”的问题,其答案都受到普适性规律的限制,而不受到石头具体的位置和地形特征等因素的影响。

> 那么了解控制简单分子系统向复杂生命系统转换的规律将帮助我们找到形成生命的起始物质,还有引导这些物质向早期生命形式转化的一系列反应。

## 章节:地球上生命的历史

> 系统发育学分析,或者也可以将其简称为序列分析。

> 核酸和蛋白质

> 古菌界、细菌界和真核生物界

> 造成这个异常现象的主要原因很快就被找到了,那就是水平基因转移(Horizontal Gene Transfer,HGT),它指的是一个有机体将其遗传物质转移到其他非后代的有机体中的过程。

> 我们往进化树的开端追溯得越远,水平基因转移造成的影响好像就越大。

> 这意味我们无法确定那个最后共同祖先的性质,甚至连它存在与否都说不准。

> 分析前生命状态的地球上有可能发生的化学反应

## 章节:前生命化学

> 生命起源到底发生于地球上的哪个地点呢?

> 其一认为生命起源于深海的热泉,而另一个认为生命起源于黏土表面。

> 前生命的大气层到底是由哪些物质组成的?

> 假如我们可以比较准确地认识前生命地球的环境,人们一般认为这些环境信息不但有助于确认什么反应可能发生,还有助于确认什么反应不可能发生。

> 这一观点可以被用来推翻生命起源的一种可能情形,那就是简单细胞生命是从过渡性的RNA世界转变而来的假说。

> 如果在化学家们多年的努力之下,还是无法在模拟前生命地球的环境中合成这些核苷酸,那么我们就可以总结说这些核苷酸不会自发地出现在地球上。

> 因为生命起源的真正问题并不是生命的基本组成单位如何在前生命的地球上出现,真正的问题还在别处。

> 根本问题在于我们现在依然没有合成生命确切的“配方”。

> 我们还不能充分了解生命是什么

> 基于以上的讨论,我认为在充分理解生物复杂性背后的物理化学规律之前就试图寻找生命分子的起源,这种尝试无异于在理解钟表运行的原理之前就想通过弹簧、齿轮、表盘等零件组装起一块表。

> 我不能理解我创造不出来的东西。”我们把这句老生常谈倒过来说可能也是成立的:“我不能创造出我不能理解的东西。”

> 所以,与其猜测前生命的地球上可能发生的事情,还不如好好研究一下现在的地球上正在发生的事情。

> 由于所有生命系统都具有新陈代谢和自我复制的能力,那么这两种能力中到底哪一种更早出现,是自我复制还是新陈代谢?

> “代谢优先/复制优先”的这种二分法具有重要的意义,因为它们直接影响了三个问题——“生命是什么”、“生命是如何产生的”以及“我们该如何理解生命的产生”的答案。

> 从生命起源的角度而言,支持“代谢优先”机制的人认为,简单的自催化化学循环应该比以寡聚体为基础的遗传系统更早出现。这些简单的自催化化学循环可以视为现存生命体中复杂新陈代谢循环的先导。

> 支持“复制优先”的一派同样认为生命的出现源于自催化系统的产生,不过他们认为这样的系统以模板式的寡聚复制因子如RNA(或类似RNA的复制因子)为基础。

> 是完整的自催化化学循环先自发产生,还是分子复制因子的模板先出现。

## 章节:“复制优先”的情况

> 如前所述,生命起源理论中“复制优先”的观点认为,生命的出现与一些寡聚自复制物质的产生有关,并且这些可以复制的物质稍后会发生变异并不断复杂化,直到转化为基本的生命形式。

> “复制优先”的核心观点是,在出现核酸和蛋白质相互依存的世界之前(这二者共同构成了所有现代生命的基础)存在一个RNA世界。

> 但是RNA世界假说的成立与否,主要取决于自我复制的分子能否自发地出现在前生命地球上,而这一观点也一直受到挑战。

> “复制优先”一个更加根本的问题在于它显然不符合热力学第二定律。

> 如果复制分子想要成为简单的生命系统,那么它将不会依照热力学规律产生更稳定的产物,而是会成为高度复杂且不稳定的系统,这无疑不同于正常化学反应发生的方向。从热力学的角度而言,这就像是反应沿着能量的“上坡”方向进行,而不是像一般情况中那样朝着“下坡”前进。

## 章节:“代谢优先”的情况

> 我们需要找到可以合理解释物质复杂化并朝着远离平衡态发展这一过程的机制。只有解决了这个问题,“代谢”和“复制”二者出现的先后顺序才可能为我们打开全新的视野

## 章节:偶然还是必然?

> 生命由非生命物质产生,这个被普遍接受的观点引发了一个困境:地球上生命的产生是必然的还是偶然的?

> 我们首先要注意的一点就是,莫诺和德·迪夫的观点分属于两个极端,在这两个极端之间还有许多种可能性。

## 章节:第6章 生物学的身份危机

> “生命是什么”,“生命是如何产生的”,以及“如何创造生命”这三个核心问题依然没有得到解决。

> 那么究竟问题何在?答案一言以蔽之就是“复杂性”——生命的有序复杂性。

> 以还原论为主要方法论的分子生物学推动了不容忽视的科学进步,却没能带领我们进入应许之地的大门。我们以机械唯物主义的方法来研究生物系统的方法失败了。

> 生命系统所具有的特性并不是主要产生于组成该系统的物质,而是产生于这些物质独特的组织方式。

> 让生命成为一个独特现象的并不是组成它的物质,而是它的组织。

> 一种研究倾向于认为生物学与物理学具有不同的科学原理基础,因此,我们应该相应地对二者区别对待。虽然还原论的方法成功地将物理和化学联系起来,并帮助我们认识了非生命的世界,但不知为何,我们并不能将生物学问题还原为物理学问题。

> 这样的思维方法不但没有取得任何进展,反而促使人们用整体论的方法来研究生物学。

> 每当还原论的方法无法解释系统特性时,系统生物学的研究者们就不得不借助于“突现特性”这一概念。“突现特性”的概念是一把双刃剑。如果将所有解释不了的现象全部泛泛地归结到“复杂性”之下,就会创造出一种答案已经找到了的假象。

> 若非如此,科学界又怎么会对“目的性”这个最重要的突现特性背后的物理化学基础毫无兴趣呢?

> 目的性是“生物学的核心问题”

> 在一个不具有目的性的宇宙中为什么会出现具有目的性的系统呢?

> 解决这个问题能帮助我们将化学(代表客观的物质世界)和生物学(代表目的性的世界)联系起来。

> 让我们简短地回顾一下最近数十年来用于解决复杂性问题的另外两种方法——一种是物理方法,另一种是数学方法。

> 非平衡态热力学(non-equilibrium thermodynamics)

> 一个消耗能量的开放系统可以形成秩序。

> 这个叫“生命”的游戏告诉我们,一个简单的规则也可以导致复杂图案的形成。

> 我们需要做的是解释生命的复杂性和与这复杂性相关的普遍特质。

## 章节:系统化学的解决之道

> 生物就是化学的一个分支——复制化学

> 我们可以将生物学视为研究具有复制和繁衍能力的复杂化学系统的学科,而系统化学所研究的(或者说主要

> 研究的)是具有复制能力的简单化学系统。

> 所以,系统化学的关键挑战就是探明那些规律(假如它们真的存在的话)——那些使简单化学物质发展出高度复杂性(当代生物学的决定性特质)的规律。

> 系统化学的作用也正在于此,它研究的是简单复制系统的原理和这样的系统所形成的网络,这种方法就相当于通过研究莱特兄弟的飞机而不是波音飞机来理解飞行原理。

> 本章希望说明系统化学的研究可以顺畅地将生命系统和非生命系统融合起来,由此为生物与化学提供一个统一的研究框架。这样的统一具有重要的意义,因为它能将生物学置于一个更广阔的化学语境中。

> 如果一个系统可以被称为“简单的生命”,那么就意味着该系统具备生命最重要的性质——靠自身的能力完成复制和进化。

> 传统的看法认为我们面对的是一个由两个阶段组成的过程,其中的第一个阶段富有争议和不确定性,而第二个阶段的基本框架是在科学界不可动摇的达尔文进化理论。

> 首先,这意味着在达尔文的进化理论(一个从形成到应用都在生物学领域内的理论)背后还有一个更基本,也更普遍的规律在运行,这个规律一定也能将前生命的系统

> (从定义上而言属于非生命的物质)包括在内。

> 竞争排斥原理(competitive exclusion principle)是一个关键的生态学法则,它指出:完全的竞争者是不存在的。我们也可以从更加正面的角度来表述:生态分化是生物共存的必要条件。

> 两个占有同一生态位(意味着两个物种竞争一样的资源)而且相互不存在杂交关系的物种不能共存,二者中更能适应这个生态位的物种将把另一个物种推向灭亡。

> 当然,如果两个物种赖以生存的资源不一样,那么它们就有可能共存。

> “达尔文的雀鸟”不过是重复了数十亿年前某种分子的行为而已。

> 我希望说明我们在化学层面上也能发现通常只存在于生物系统中的特殊复杂性。这又能为化学和生物复制过程之间的联系提供新的例证。

> 事实上,在没有任何生物物质的辅助下,让所谓的复制分子开始复制所要面临的重重困难,一直被视为反对生命起源“复制优先”假设的有力证据。

> 在这个双分子RNA系统中,每个分子进行的不是自我复制,而是两个RNA分子相互诱导对方的复制。在化学中,我们把这种现象称为“交叉催化”,每个RNA分子催化另一个RNA分子的形成。

> 系统中的各个组成部分并不是逐个地分别进行复制,而是系统作为一个整体在自我复制。

> 它说明了简单的复制系统只能低效率实现的事情,复杂的系统却能够更有效地完成。

> 合作带来的是双赢的结果。难怪合作关系在生物世界里随处可见,生物学家们也将其称为“共生关系”。

> 分子的复杂化过程可以提高系统的复制能力。

> 两个阶段的主要区别在于第一个化学阶段是低复杂性阶段,而第二个所谓的生物阶段是高复杂性阶段,这两个阶段都发生在复制个体之内。

> 复杂化过程主要通过建立网络而实现,这个复杂化过程就是推动简单化学复制因子转化为更复杂的生物复制因子的机制。

> 现在这个顺序应该变成:复制、变异、复杂化、选择和进化。

> 在某些特例中,进化也

> 会朝着简单化的方向进行。

> 无论在生物还是化学的进化过程中,复杂化都是其背后的趋势。

> 自然发生过程和生物进化过程实际上是由单一机制控制的完整物理化学过程,而不是两个分别遵循不同机制的独立过程

> 包括化学和生物阶段在内的整个过程都应该通过化学的语言来表达。

## 章节:“自然选择”是“动力学选择”

> 化学中有一个专门研究化学反应速率的分支叫作化学动力学。

> 我们通过化学动力学可以很容易地分析两种复制分子针对同样的组成物质互相竞争的情况。化学动力学给出了一个适用于绝大多数情况的预测方法,那就是复制速度更快的分子比速度慢的分子更有优势,并且复制速度慢的分子会逐渐灭亡,我们通过计算二者的相对反应速率就可以做出预测。

> 当两个复制分子为了同一种物质而竞争时,竞争的结果可以通过化学家们称作动力学选择的过程得到解释。

> 自然选择 = 动力学选择

## 章节:“适应性”及其化学根源

> 探究生物学和化学的结合能如何帮助我们理解“适应性”这个复杂问题的某些方面。

> “适应性”只是“动态动力学稳定性”这个更普遍、更基础的化学概念在生物学中的表达。

> 适应性 = 动态动力学稳定性(DKS)

> 当我们将一个生物体归为“适应”的类型,我们真正的意思是:这个生物体是稳定的,这里的“稳定”指的是保持不变。

> “适应性”最好被视为一个群体而非个体特征

> 一个复制系统中的稳定群体之所以“稳定”,是因为其中的个体在源源不断地生成然后再消亡

> 尽管关注个体的研究方法具有很强的吸引力,但是这种方法会让我们错过生命的本质——动态特征

> 为了理解生命的本质,我们应该关注生命的群体特征而非个体特征。生命是一个进化现象,而进化仅作用于群体而不是个体。个体所做的不过是出生然后死亡。

> 究竟什么是独立的生命体?它们真的存在吗?这个问题的答案可能比我们所想的更加复杂。

> 准种理论”(quasispecies theory)

> 适应性全景图

> 通过搜寻适应性全景图中的最高峰而得到的RNA群体并不是由单一序列的RNA分子构成的。该群体中包括许多不同序列的RNA

> 被进化选择的并不是最适应的某个序列,而是最适应的序列群体,即最适应的准种。

> 异质性群体比同质性群体的进化效率更高

> 复制因子世界中稳定性的本质源于群体而不是个体。进化是群体而非个体所要经历的过程。从进化的层面来看,个体不过是一个转瞬即逝的事件,是生命喷泉中的一颗水滴。

> 我们知道动态动力学稳定性具有独特的性质,而且前面也指出了进化朝着动态动力学稳定性增强的方向运行

> RNA群体的动态动力学稳定性受到条件的影响,其稳定程度取决于反应中存在的特定物质。

> 动态动力学稳定性与我们化学中的热力学稳定性颇有不同。

> 动态动力学稳定性则取决于反应的速率,它对反应条件十分敏感,而且只能在不断供给能量和物质的开放系统中测量。

> 某些科学上很有意义的特征从本质上来说难以被量化,或者根本无法被量化。

> 还有两个可以粗略衡量动态动力学稳定性的指标存在。其一是当某个群体处于稳定状态时,构成该群体的复制个体数量的多少;其二是该复制群体能够维持其自身状态的时间长短。

## 章节:“适者生存”及其化学根源

> 整个进化过程——包括从非生命体到生命体出现的阶段和简单生物系统进化为复杂系统的阶段——可能都与一个已知的驱动力有关。

> 在大自然中,许多过程背后都有驱动力的作用。

> “力”这一概念应该从广义的角度来理解。不是只有可见的“力”才能够被发现。

> 所有复制系统都明显倾向于朝着更高效的方向转变,该转变的驱动力可以被视为一种增强动态动力学稳定性的冲动。

> 适应性最大化 = 动态动力学稳定性最大化

> 自然选择”只是实现进化的手段,而不是其动力。

> 我们已经明确了进化的驱动力,而且也找到了改变的基本机制——复杂化。

> 复杂化是复制系统增强其动态动力学稳定性的主要(却不是唯一的)机制。

> 现在我们越来越清楚,生命的开端十分简单(它可能是一个极其不稳定的复制系统,比如一个复制分子或者一个小的复制网络),然后变得很复杂,形成了如大象等多细胞生物的复制因子。

> 从动态动力学稳定性的角度而言,细菌是十分稳定的,其高度稳定性来自长期复杂化的进化过程。

> 不过,杰拉尔德·乔伊斯在实验中发现,双分子RNA系统的复制效率要高过任何单分子RNA,该结果已经清楚地展现出通往复杂生物系统的第一步的本质。

## 章节:信息及其化学根源

> 如果生物不过是一种复杂的化学,而“信息”又处于生物的核心地位,那么“信息”在化学中一定也占据了一席之地。若非如此,生物系统中的信息又从何而来呢?

> DNA不仅仅是一个自催化剂,而且还是高度精确的催化剂。

> 在生物语境中的“信息”一词,如果放到化学的语境中就是“精确催化”。

> “形成信息”这一生物现象,不过就是“形成并优化精确催化的功能”这一化学现象。

> “信息”和热力学第二定律之间的联系

> 从热力学的角度来说,高度有序的DNA分子序列当然是不稳定的。在第二定律的支配下,有序的系统将朝着无序的状态发展,那么造成的结果是信息的解体,而不是信息的生成。

> 进化的过程同样可以创造信息,当然这一切的前提是消耗必要的能量。这就是生命新陈代谢过程产生的原因——为了给生命的机械运转提供必要的能量并且维持生命远离平衡态的状态

> “为何信息会

> 无故产生”这个问题,不过是对薛定谔提出的“为何不稳定且远离平衡态的系统会产生”这个问题的改写而已

## 章节:走向广义进化论

> 复制、变异、复杂化、选择和进化。

> 这个分子都将朝着增强其稳定性的方向发展,因为复制体都具有增强动态动力学稳定性的冲动

> 复杂化阶段也是一个共同进化的过程,因为非复制分子也能参与建立日益复杂的复制网络。只要该系统能保持整体的自催化性,那么这样的过程就将一直持续下去。

> 当然,这个不断“复制”“变异”“复杂化”和“选择”的循环所造成的结果就是进化。

> 正如在“常规”的化学世界中,一切物理和化学系统的动力都是朝着更稳定的状态发展;在复制世界中,系统的动力也是朝着稳定的状态发展,只是适用于复制系统的稳定性是动态动力学稳定性。

> 物质世界可以被划分为两个平行世界,一个是“常规”的化学世界,另一个是复制世界。热力学第二定律控制着“常规”世界的物质转化,而控制着复制世界的则是另一个类似于第二定律的法则。

## 章节:代谢(获取能量)能力是如何出现的?

> 为什么会有两个控制化学转化的不同法则,这难道不是自相矛盾吗?为什么会存在两种稳定性?这两种稳定性出现分歧时会造成什么结果,哪种稳定性会占据优势?

> 占据优势的却是控制着复制世界的法则!

> 远离平衡态的系统是如何自发产生的?

> 但是,如果复制系统得到了一个获取能量的系统,不就可以鱼与熊掌兼得了吗?因为,只有产生了获取能量的系统,复制系统才能在朝着增强动态动力学稳定性方向发展的同时也满足热力学第二定律的严格要求,哪怕这二者的要求常常互相违背。

> 一个不具有代谢功能的复制因子(不能获取能量)很快就会用尽被激活的组成单位,一旦这些物质被用尽,复制的过程就会停止

> 如果复制分子具有代谢功能(能获取能量),那么这些分子在获得了能量后可以将能量转移给附着在其上的组成物质,从而激活这些组成单位。

> 它阐明了一个通过变异而具有了能量获取功能的复制系统,从动态动力学的角度来说变得更加稳定了,因此这样的系统也能在选择

> 的过程中占据优势。

> 事实上,不具有代谢功能(处于能量底端)的复制因子一旦产生了获取能量的能力,那么这一刻就可以被视为生命的开端。

> 随着这个能量获取机制在系统中的整合,动态动力学稳定性和热力学第二定律之间互相冲突的要求同时得到了满足。

> 热力学不稳定但动态动力学稳定的原因

## 章节:“代谢优先”还是“复制优先”?

> 如果不通过复制,复杂化(比如反应循环网络的形成)是不可能实现的;如果没有复杂化,由模板引导的复制过程也将失去继续进行的方向。

> 与其将二者视为相互冲突的过程,我们不如用一个将复制和代谢联系起来的观点取而代之。

## 章节:第8章 生命是什么

> 这个理论应该能够用简单的化学术语来解释为什么生命具有那些特殊的性质,能够阐明生命体从非生命体中诞生这一过程所遵循的规律,并且试着就分子如何合成生命体给出一个笼统的解释。

> 量子理论

> 为了能够触及问题的关键,我们需要先突破“复杂性”的重重阻隔

> 只有逆向探索地球上生命出现的过程,我们才有可能发现“活着”的本质是什么;只有触及了问题关键,我们才有可能开始理解生命为什么出现并清晰地认识生命是什么。

> 系统化学

> 该理论同时适用于生命体和非生命体。我认为这样的整合理论才能构成生命理论的基础

> 生命的出现起始于简单复制系统的产生,这个看似不重要的事件打开了通往一种与众不同的化学——复制化学——的大门。

> 自然中的另一种稳定性——物质的动态动力学稳定性

> 为什么一个简单而原始的复制系统在过了一段时间后会变得愈发复杂,原因就是:为了增强它的动态动力学稳定性。

> 复制反应的独特之处并不在于它的产物是什么,而在于产物有多少。

> 在“常规”的化学中,如果一个物质不发生反应,那么该物质是稳定的。但是在复制系统的世界里,一个物质如果要保持稳定(这里的“稳定”指的是维持性质的一致),那么该物质就必须发生反应,要生成更多的自我备份。从维持一致的角度而言,一个物质越擅长于自我复制,那么该物质也就越稳定。

> “活着”的状态也可以被视为一种新的物质状态——物质的复制状态。

> 生命是通过复制反应得到的一个能够自我保持动力学稳定的动态反应网络。

> “自我保持”意味着该系统必须具有获取能量的能力,这样才能摆脱热力学第二定律的束缚;“动力学稳定”和“动态”两个词描绘的是动态动力学稳定性;还有一些词语可以从字面的意思上来理解,比如“网络”和“复制”。

> 死亡不过是一个系统从动态的复制世界逆向回到热力学世界(“常规”的化学世界)。

> 生命不过是由特殊的链状分子(对地球上的生命而言,该分子就是核酸)持续地复制、变异、复杂化和选择的循环所产生的化学反应网络。

> 复杂性并不是生命现象的原因或是本质,复杂性是生命现象的结果。

> 只有能够对一系列现象做出解释的理论才是真正有效的

> 回顾第1章里讨论过的生命特质,包括生命的复杂性、目的性、动态性、多样性、生命远离平衡态的状态还有它的手性特质。

## 章节:理解生命的特质

> 动态动力学稳定性的本质就能够解释这非凡的复杂性。

> 动态动力学稳定性才是适用于复制世界的稳定性

> 高度复杂性和高度动态动力学稳定性二者携手并进。

> 在进化的过程中,化学和生物层面偶尔也会出现简单化而非复杂化的现象。

> 只要这样做能够增强复制因子的动态动力学稳定性。怎样都行!

> 这些生命体实际上是稳定的,只不过它们依据的是“另一种稳定性”——动态动力学稳定性。

> 动态动力学稳定性依赖于系统的持续反应,这样系统才能自我复制。

> 所以无论被复制的物质是什么,只有复制因子的生成速度和分解速度能够维持基本平衡,复制系统才能保持稳定的状态。

> 这一事实阐明了死亡在整个生命过程中所承担的角色。

> 死亡不仅仅是发生在我们这些生命体上的一件坏事。死亡是生命策略的一部分。想要长生不老吗?这种说法本身就是矛盾的。永恒的生命并不存在,因为短暂和动态性就是生命的基础。

> 理解生命多样性的关键在于两个化学世界的拓扑结构——“常规”的世界和复制世界,以及这两个世界之间的差异。

> 将“常规”化学世界中的物质连接起来的网络是聚合型的

> 所有化学反应都指向所谓的“热力学低谷

> “常规”的化学系统通常被认为是封闭的,而复制系统则随时都要保持着开放的状态,这样才能保证复制反应的顺利进行。开放的状态意味着在复制反应过程中,该系统需要外界源源不断地供给反应所需的物质和能量。

> 一个复制反应必须对其所处的环境保持开放。这种差异导致增强动态动力学稳定性的路径是发散型而非聚合型的

> 增强动态动力学稳定性的路径取决于此时此地可用的资源,而且从理论上来说,任意数量的不同路径只要可以获得(从动态动力学角度而言)更稳定的系统,就都是可行的。

> 这也意味着我们对于进化将把我们带往何处一无所知。

> 首先,生命的纯手性特质是如何从一个本质上是异手性的世界中产生的?

> 一般来说,如果我们通过化学反应将一个非手性物质转化为手性物质,那么最终产物将由等量的左旋和右旋两种构型组成。

> 在某些情况下,我们有可能通过非手性的起始物质得到纯手性的产物。

> 系统的对称性被打破了

> 如果在反应混合物中,刚开始有一种手性产物稍稍过量,那么在自催化反应惊人的放大作用下,这种产物最

> 后的纯度将非常接近百分之百

> 一个具有自催化反应特点的系统才能诱发纯手性的形成。

> 复制反应的动力与生命的出现息息相关,而生命另一个惊人的特点——纯手性特质也很有可能与之相关

> 在复制系统中真正起作用的是动态动力学稳定性。在这一情况下,纯手性比异手性系统更加稳定。生物反应必须具有高度的精确性

> 纯手性系统的复制效率要高于异手性系统,造成的结果就是纯手性系统展现了显著的动态动力学稳定性。

> 该系统的行为仿佛有了目的性,因为它并非只有一条“下坡”的热力学路径(也就是所谓“客观”的行为)。它将走上增强系统动态动力学稳定性的道路,尽管这条路有时需要朝“上坡”的方向运行。

> 在“常规”的化学世界中,热力学起主导作用从而导致了所谓客观的行为。在复制世界中,动力起主导作用,因此物质在其中的行为看似具有了目的性。

> 进化指的是在朝着更高效的复制系统发展的驱动力下,充分利用物质所有性质的过程。

> 如果我们希望理解意识及其基础,那么我们需要研究它的源头——最基本层面的神经活动,然后逐步追踪这个现象发展到高级阶段的过程,直到最后发展到人类的情况。这和我们研究自然发生问题所采取的方法是一样的——从简单的情况开始。

## 章节:外星生命是什么样子?

> 核酸—蛋白

> 能够催化其自身复制的长链状分子是生命的基础,这些分子和其他具有催化功能的链状分子将经历一个复制、变异和复杂化的连续过程。

> 生命的形态特征似乎以生物的生存需求为基础,而并不是受到其背后化学规律的左右。

> 我们提出的生命理论并非基于物质而是基于过程。

## 章节:合成生命

> 如果说本书的生命理论给我们带来了什么启发,那就是合成具有基本生命性质的个体,哪怕是原始细胞,都面临着巨大的困难。

> 生命很容易被摧毁,但是(从化学的角度而言)难以合成。

> 合成具有生命特质(主要是持续自我复制的能力)的简单化学聚合物,目前来说是一个极具野心的目标。

## 章节:生命如何出现?

> 如果想要理解生命是什么,我们就必须理解生命出现的过程。

> 历史层面的问题包括——“何时”、“何地”和“是什么”等问题

> 地球上的生命产生于某个简单复制系统中复制反应带来的巨大动力,这些简单的复制系统由一些简单的链状低聚物所构成(如RNA或类似于RNA的物质),这些物质能够变异和进一步复杂化。复杂化过程之所以会发生,是为了提升系统的稳定性——不是热力学稳定性,而是适用于复制世界的动态动力学稳定性。

> 地球上的生命产生于某个简单复制系统中复制反应带来的巨大动力,这些简单的复制系统由一些简单的链状低聚物所构成(如RNA或类似于RNA的物质),这些物质能够变异和进一步复杂化。复杂化过程之所以会发生,是为了提升系统的稳定性——不是热力学稳定性,而是适用于复制世界的动态动力学稳定性。

生命如何出现

## 章节:作为网络的生命

> 生命体另一个有趣的关键特征——网络特征

> “复杂化”究竟意味着什么?答案就是:网络的形成——从相对简单的反应网络变得更加复杂。

> 生命不过就是具有自催化能力的高度精密的化学反应网络

> 是增强动态动力学稳定性的冲动

> 复杂化过程的真正本质——网络的形成

> 那么网络又是在什么介质中建立起来的呢?介质就是那了不起的溶剂——水。水是宇宙的汁液,它独特的性质对于建立起生命的反应网络具有重要的意义。

> 个

> 体生命形式真的存在吗?

> 细菌的基因决定了它们以群体而非个体的形式存在。与其说细菌是一系列的个体,倒不如说它们构成了一个网络。

> 早期生命就是由简单聚合物紧密连接而成的复制网络

> 这些网络继续进化并复杂化,然后发展为更松散的模块形式。这就是细胞作为独立生物个体的诞生。

> 生物从群体性到个体性不断增强的形态变化过程开启了一系列新的进化可能。这种转变具有明显的优势,一个复制网络中的组成单位如果独立性更强,那么这个网络比起内部相互联系紧密的网络更能抵抗外部的攻击。

> 这意味着个体性是生命的策略,而不是生命的特征。所谓的“个体性”只是进化为了增强系统的复制能力和抵抗力所采用的一种手段。网络的视角能够改变我们思考生命的方式,并且也再度证实生命现象应该被理解为一个过程,而非一种形式(形式只是对过程的偶然呈现)。

> 每个人都是一个超有机体——一个巨大的网络,而不是简单的有机体。

> 关注生命的网络特质而非个体特质可以帮助我们从全新的角度来理解疾病和防治疾病。

> 即便是人类肠道中的细菌也未必是复制链上的最后一环,这些细菌本身可能是其他更简单生命形式(如病毒)的宿主。病毒不具有新陈代谢的能力,它们只能利用宿主细胞的代谢能力进行复制。

> “性”告诉我们,我们作为具有性特征的个体从繁殖的角度而言是不完整的。从生物学的角度出发,我们实际上并没有个体性,个体是没有未来的。

> 正因如此,我们才会强烈而迫切地关注“性”的话题。

> 我们认为自己独一无二,但我们不过是网络中的一环罢了。

> 骡子是复制个体,并非因为它们可以繁殖(它们不可以繁殖),而是因为它们的存在完全有赖于复制过程。

> 对于病毒而言,“活着”更像是一个语言学或是哲学问题,而不是科学问题。

## 章节:化学和生物学的融合

> “生命是什么”,“生命为什么会出现”,以及“人类作为生命之树上一根小小的枝丫,如何与地球上其他生物一起与物质世界和整个宇宙发生关联”。

> 为什么我们还是这样密不可分?为什么从更深刻的角度而言,我们实为一体?生物之间的联系能否成为被斯蒂芬·霍金称为“中等大小星球上的化学废料”的人类未来的希望之光?

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《生命是什么》的全部笔记 3篇
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