生命——宇宙的必然

生命实质上是一种信息处理系统，它的出现是宇宙的必然。

我们在宇宙中是孤独的吗?20世纪60年代，法国生物学家孟努德在其《不可知的无限宇宙》一书中说：“我们生于宇宙纯属偶然，所以孤独。”这一看法也获得了很多科学家的响应。

许多年过去了，事情出现了明显的转变。例如，诺贝尔奖得主达夫在其《生命之尘》中叙述，生命是一种“宇宙的必然”，只要条件许可，它就出现。他的观点也为美国航空航天局的许多专家所认同，他们的太空生物学计划就是为了寻找外星的生命形式。

但最主要的问题是，宇宙中是否广泛地散布着生命?一种生物决定论的思想认为，若存在类地条件，那么生命的出现是不可避免的。但这一理论很难取得已知物理学和生物化学(定律)的支持。若我们仅靠这些定律去寻找生命的来源，那就将跟孟努德一样，得出一个“生命仅靠好运道而出现”的结论。这样，生命极不可能在别的地方找到。但是，期望碰上外星生命的人不必失望，一个令人兴奋的新的研究领域将证明生物决定论是对的，这就增大了我们寻找邻居的信心。

1953年，生物决定论受到一个小小的推动。当年美国的尤里和米勒，企图在试管内再现地球的初始条件。当静电放电通过甲烷、氨、水蒸气和氢的混合气体时，他们发现，此时形成的化学“淤泥”中有氨基酸的成分。他们的实验被誉为走向“实验室内创造生命”的第一步。

但米勒等人的想法经不起细细的推敲。制造出生命的砖块比较容易，已在陨石、外太空找到了它们的痕迹，但砖块无法堆成房屋。在生命出现之前，要形成蛋白质，必须有许多的氨基酸以正确的序列，接成长链。从能量的观点来看，这是一个“上山”(即十分耗能)的过程。

也许耗能过程本身，还不算是一个难题，因为在地球早期富有能源。问题在于简单地把能量掷在氨基酸上，怎能创造出具有高度特殊序列的微妙的分子链，也就是说，任意地把砖块堆积起来，怎能变成房屋呢?搞不清楚能量怎么会以一种设计的特殊状态，输入到这一系统(氨基酸)?在活体组织中，这一步是由细胞的分子机构控制下实现的。但在混乱的前一生物化学浓汤中，氨基酸只能一般地(即偶然地)相互接触，它极不可能排列成生命分子那种既长又有特殊顺序的排列。

现在我们知道，生命的奥秘并不隐藏在它的化学组成上，而是藏在其分子的有序排列和逻辑结构中。其DNA是一个遗传数据库，基因则是定做蛋白质的一个指令组；生命像是一台超级电脑，是一种信息处理系统，它代表着一种特殊的复杂性；活细胞的信息内容(即其软件)才是生命的真正核心。

没有比遗传密码更能说明生命的计算威力，所有的(地球)生命都是建立在核酸和蛋白质的基础上的。从化学观点看，这两类分子的组合是很稀有的，可是正是它们的合作，完成了生命的奇迹。DNA是一个双螺形结构，类似于一架具有四种不同梯阶的梯子，信息就是藏在这些梯阶的序列之中，恰如一本手册，其信息写在字母的排列(即文字)之中。

DNA(最基本的遗传物质)皆使用一套四个字母(即四种不同分子)的密码系统。若生命的出现是必然的，现在要问，其精巧的密码系统如何形成的?呆笨的原子，怎能写出它们自身的软件?最初的活细胞所需的特殊信息形成从何而来?

对于这个问题，科学家传统上分为两派。一派认为，这都出于偶然，生命是一种化学巧合。孟努德的看法就是如此：在化学混合物中，各种分子无数次随机碰撞，碰巧恰当的分子排成了生命所需的精巧排列。若果真如此，那么我们将肯定是宇宙的独生子。而另一派(生物决定论)则说，机会是次要的，恰当的分子结合是大自然的规律所使然。例如，生源说的先驱福克斯称，化学作用更乐于把核酸精确地排列成具有生命机能的长链。依他所说，那么大自然中，好像有一种制造生命的趋势。这可信吗?在物理(或化学)定律中难道本身就具有生命的蓝图?那么生命所具有的关键信息是如何编码于这些定律之上?

既然生命信息代表着一种复杂性，我们就不妨了解一下复杂性的意义。一种称之为“算法信息”的理论，对信息的复杂性做了定量分析。试看二进制序列01010101，此数列具有一个可重复的模式(01)，这反映出它所含的信息量很少(即都是重复的东西)；而一个任意的数列：110100101001010111，它不可能压缩成某个模式的重复，故它含有较大的信息内容。由此可知，模式代表了信息的冗余度。而生物的基因组序列，很像是一个由四个字母构成的混乱的排列，即设有模式可重复，这也说明了DNA能有效地存储信息。

再回过来看一下物理定律，它只能描述有序结构，如晶体结构。它的有序排列(原子或分子)，皆可由定律中固有的数学对称性来解释，而蛋白质中的核酸(共有20种)的随遇性序列，跟物理定律无关。化学定律亦然，它跟核酸的排列攀不上边。这些，正如说明书上的字母排列(文字)，也同样地独立于纸和墨水的化学性质。

故生物决定论要想站得住脚，它就要到信息理论或复杂性理论中去找答案。现在要问，生命所包含的信息内容来自何处?我们知道，生命信息并不隐含于物理(化学)定律之中，并且信息也不会自发地产生，故生命信息的内容只可能来源于它所处的环境。可能会有某种原理，解释信息如何从环境中被收集并积累于大分子中。

达尔文的进化论可能使我们找对了路子。地球上的生命始于具有简短分子链的基因组，它拥有较少的信息量。此后，更复杂的有机物含有更多信息量的基因组。这些添加的信息来自环境，通过自然选择的途径进入基因组。不管何时基因组做出选择(即对它自身生存适合)，外部信息也即获得。故达尔文主义能解释有机物如何取得信息。但达尔文的进化论是在生命已存在的条件下介入的，那么我们怎样使“自然选择”在前一生物时期发挥作用呢?有一种所谓“分子达尔文主义”的说法，它认为可以从该理论中找到答案，其理由是一些研究者在化学物中复制出分子。他们说，一些具有复制能力的分子，复制出像自己一样的分子(严格说来，这还不能算是生命物质)。而这些具有复制能力的分子，是十分简单的，且是碰巧形成的。这样说来，他们岂不又回到“生命是宇宙的偶然”这个命题上去了?

我们是否承认生命是化学的偶发事件，一种整个宇宙中独一无二的事件?不，即使生命并不出于物理、化学、进化论的一般定律，这些定律只能解释生命的硬件，但是关键的软件(生命的信息部分)却来自信息理论的定律。

说实在的，科学界对信息理论的研究时间并不长，迄今“信息”这个概念还相当模糊。就如“能量”这个概念，两百年前它也很模糊，科学家把能量视为物理学过程中的重要部分，却没有严格的数学表述，而今人们已把它当做一个真实和基本的物理量，被人们充分了解。信息这个概念，现在还缺乏严格的一般叙述，它在不同的领域以不同的外貌出现。例如在相对论中，光速是极限速度，这就是信息；在量子论中，粒子系统的态由其最大信息量所描述；在热动力学中，信息随着熵的增加而减少；在生物学中，基因是一个包含着所需信息的指令组。对信息理论研究的一个重要标志，是关于通讯中对无线电通道中的噪音之分析。那是二战期间，美国电气工程师山侬所创导，但迄今还没有人能写出信息动力学自己的“牛顿定律”。在物理学界，甚至对物理过程中信息是否守恒这样的重要问题，还不能取得一致。著名物理学家霍金，提出黑洞不黑的理论，按此一说，黑洞不仅“蒸发粒子，也将蒸发信息，那么信息是否就此永远消失了?抑或它再会回来?霍金说它将会消失，而别的一些科学家却说“不”。

似乎峰回路转，一个新的研究领域里出现了新的线索。事实上，组成DNA的化学结构还受制于量子力学。现在，物理学家把信息这一概念扩展到量子王国，并有了惊人的发现。人们看到，量子系统处理信息的能力，远远高于今日的电脑系统，不是高几倍，而是成指数级地提高。这一性质暗藏在量子计算机(目前还处在婴儿期)之中。

生物遗传之谜，实质上是一个计算问题。人们发现，在巨大的化学分叉树上，最后生长出“生命”这个分枝，它不是偶然出现的，更可能是大自然精于计算的结果。这或许是生命反映了物质最根本(量子)的特征，这一研究成就，可能是科学家对“信息”概念研究上的关键性一步，因为把它跟物质(能量)最基本的(量子)领域挂上了钩，从而正确地走向生命的真谛。若果真如此，那么生物决定论就有了可信的新的理论基础，并进而可说明，我们居住在一个新生物的宇宙之中，我们并不孤独!

顾国建　图

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