关于程序员:生命是什么

生物即化学

序言：金句

1. 史蒂文·温伯格：解释的箭头始终朝下。即更高复杂性层级的景象通常能够用较低层级的法则来解释，因而咱们通常用化学法则来解释生物景象，用物理法则来解释化学景象，而不是反过来操作。
2. 20 世纪顶尖的分子生物学家卡尔·乌斯：有机体是汹涌的洪流中一种坚韧的模式——这是存在于能量流中的模式。
3. 爱因斯坦：不是所有算数的货色都能被数清，也不是所有能被数清的货色都算数。
4. 零碎偏向于朝着凌乱和无序的状态倒退，而不是秩序和功能。

高级：生命特质

如果咱们想了解生命是什么，咱们最好以思考生命体和非生命体的区别为终点开始咱们摸索的旅程。最终要了解生命，咱们必须要了解它们所具备的非凡性质，包含这些性质自身以及它们造成的历程。

一、多样性

了解生命多样性的关键在于两个化学世界的拓扑构造——“惯例”的世界和复制世界以及这两个世界之间的差别。

“惯例”化学空间聚合特质和复制因子空间发散特质内的分支示意图

“惯例”的化学零碎通常被认为是关闭的，而复制零碎则随时都要放弃着凋谢的状态。凋谢的状态意味着，在复制反馈过程中，该零碎须要外界源源不断地供应反馈所需的物质和能量。这种差别导致加强动静动力学稳定性的门路是发散型而非聚合型。

二、纯手性

生命零碎中的许多分子都是手性分子，而生命纯手性的特色是生命的不稳定性和远离平衡态特质的体现。

复制是自催化的，因此一个具备自催化反应特点的零碎能力诱发纯手性的造成。仅具备一种手性构型的零碎不如异手性零碎稳固，但此论断只在热力学角度成立。而在复制零碎中真正起作用的是动静动力学稳定性，此状况下纯手性比异手性零碎更加稳固。纯手性零碎的复制效率要高于异手性零碎，造成的后果就是纯手性零碎展示了显著的动静动力学稳定性。

三、目的性

所有生物都有某种“目标”，生物的行为都为其本身服务。从某种基本意义上，咱们如同同时生存在两个被各自的规定所管制的世界里。非生物的世界由物理和化学定律管制，而生物世界则依照目的性的规定来运行，但管制非生物世界的物理化学准则仍然实用。即在生物世界中，目的性才应该是咱们做出预测和判断的根据。

在迷信反动产生之前人类的宇宙观具备某种统一性——目的论将生物和非生物的世界都囊括其中，但迷信反动间接使得咱们必须解答这两个世界为什么存在，以及这两个世界之间存在什么关系的问题。迷信反动非但没有满足人类摸索本身在宇宙中地位的激动，反而如同还妨碍了人们对物质世界，其中包含了生物和非生物的世界进一步的了解。

对于生命何以呈现的外围问题——生命的设计、性能和目标是如何产生并交融到非生命物质中去的——至今没有被解决，它仍然是令自然科学界懊恼的难题。咱们答复生命是什么之前就试图去定义生命，这是轻重倒置的做法。

在迷信的世界里咱们采取迷信的办法来意识四周的世界。迷信办法的外围是归纳法，其论证办法可追溯到古希腊的哲学思想。归纳推理的办法——发现法则、总结详情——是所有迷信了解的外围。

无论咱们将其称作“原理”“定律”“模型”“假说”（这些词之间的差别仅在于它们的适用范围而已），还是称其为“法则”，咱们所有试图发现宇宙规定的致力，其实都无奈齐全把握天然的假相。咱们发现的法则不过是天然假相的投影，只不过有的更精确，有的偏差较大而已。归纳推理中一种叫作还原论的非凡办法具备特地的价值。整体论是与还原论绝对的观点。整体的意义要大于局部的总和，这是对还原论的反驳。但其实整体论的外围是还原论的思维。

1. 整体论剖析生物零碎复杂性的办法，不过是将简单的零碎宰割为更简略的元素，但强调这些元素在简单零碎中的相互作用。即，整体论所提倡的不过是一种修改模式的还原论办法，这种办法认为一个零碎中的因果关系比自下而上的线性因果关系更加简单。
2. 迷信上传统的还原论办法能够被视为一种通过部分的性质来了解整体的办法，但当初咱们要学会通过整体来了解部分。生命体和非生命体之间的差别必须被还原为生物和非生物两个世界中物质实质的差别，尤其是这些物质之间相互影响和反馈的形式。

四、动静稳定性

1. 动态性

   动态性是生命的显著特色——永恒的生命并不存在，因为短暂和动态性就是生命的根底。

   活细胞是高度组织化的个体，它们的组织性体现于，其中所有的零部件都为整体的运行服务。而钟表是一个动态的零碎，其零部件是长久不变的，但每一个生命零碎都是动静的，其各个局部都一直被更新。蛋白质是生命的原型分子，细胞内的蛋白质被一直地更新，即细胞中的蛋白质在一个严格调控的过程中一直地被降解，并从新合成。

2. 稳定性与不稳定性

   如果一个生命零碎要成为胜利的复制因子，那么该零碎必然在动静动力学上是稳固的，而在热力学上是不稳固的。世界上充斥了动静动力学稳固，但热力学不稳固的复制零碎。这两种可能会互相对抗的稳定性，在能量收集机制的帮忙下得以谐和共存。

   ①化学反应只能沿着零碎能量降落的方向进行，不稳固的反应物将转化为更稳固的产物。

   物质世界中的稳定性可被分为动态稳定性和动静稳定性：一个“惯例的”化学世界中，零碎的稳固状态指的是其外部不会产生反馈，其本质是不足反馈。但在一个复制零碎中，该零碎的稳定性，“稳固”指的是维持现状并且放弃前后一致，只有在其中产生反馈、一直进行自我复制的根底上能力实现。

   ②依据热力学法则，能够产生的反馈并不一定会产生，即使产生也有可能因为能源起因使得反馈速率非常迟缓。反馈零碎须要克服能垒能力让反馈产生。

   如果想要了解复制世界中产生的反馈，咱们要先思考管制那个世界的法令，而不是管制所有物质零碎的宏观的热力学定律。狭义而言，分子复制和生物进化的反馈都遵循热力学第二定律的说法是正确的，但这就像用热力学定律来解释汽车损坏的起因一样，虽正确但没有什么实际意义（纯理论无实际）。

   ③模板分子的自我复制是化学反应，这类反馈具备独特的动力学特质。自我复制作为一个自催化反应，可使模板分子指数级地减少，直到将声援该分子的根本组成单位用尽为止。

   事实上，咱们齐全能够说任何化学反应都能够用适合的物质来催化。生命的实质就在于催化反应和自催化反应之间的微小差异。

   五、有序复杂性

   无生命世界的复杂性起源是“随便”的，而生命体世界的复杂性没有这么随便，反而十分确定。在生命有序的复杂性中，哪怕做出最渺小的扭转，都可能带来无奈意料的结果。活细胞通过一直利用能量来维持其构造的组织和完整性，即细胞的运作模式。达尔文的进化论次要解决的是生物零碎的问题，但生命的起源是一个化学问题，只有通过化学或物理实践能力找到最佳的解决形式。

   只有了解了动静动力学稳定性的实质，就可能解释这不凡的复杂性。“复杂化”是复制世界中所特有的过程，而不是在“惯例”的化学世界中能够常常见到的聚合景象。动静动力学稳定性才是实用于复制世界的稳定性，其中物质聚合所遵循的法则将加强动静动力学稳定性，而不是热力学稳定性。怎么都行要从化学和生物上了解进化过程所遵循的法则，只须要牢记一点——动静动力学稳定性最大化。

   斯图尔特·考夫曼在其发人深省的著述《迷信新畛域的摸索》Investigation 中简洁地总结道：在过来的 30 年里，分子生物学只管获得了杰出的成绩，然而生命自身的外围问题仍然暗藏在咱们的视线之外。咱们晓得大量的分子机制、代谢门路、膜的生物合成办法，咱们理解了许多过程和部件。但咱们仍然不分明是什么给予了细胞生命，问题的外围仍然是一个谜。

   到底问题何在？答案一言以蔽之，“复杂性”——生命的有序复杂性。

   非生命体转化为生命体的两个阶段：化学的和生物的

中级：生命历程

生物学的身份危机：全面了解生物学所须要解决的三个关键问题

事实上从进化的时间跨度上来看，这就是一个残缺的复杂化过程。两个阶段的次要区别在于，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，这两个阶段都产生在复制个体之内。事实上，如果咱们抵赖复杂化是一个要害的进化过程，那么咱们能够失去一个惊人的论断，那就是以往公认的进化因果程序须要从新修改。

咱们的指标是在一个学科的视线下从新对图进行解读，因此咱们应该抉择的学科是层级较低的化学，而不是层级较高的生物。生物是化学的一个分支——复制化学，生物学中的还原论剖析可解决生命的组织问题。

一、信息 = 准确催化

信息概念是咱们了解分子生物学要害过程的外围，如 DNA 分子的核苷酸序列中蕴含着重要的遗传信息。“信息”和热力学第二定律之间的分割：发明信息当然这所有的前提是耗费必要的能量。这就是生命推陈出新过程产生的起因——为了给生命的机械运行提供必要的能量，并且维持生命远离平衡态的状态。

二、自然选择 = 动力学抉择

生物学中的“自然选择”不过是对化学中“动力学抉择”的模拟：“自然选择”是生物学术语，而“动力学抉择”是化学术语。但化学所提供的解释更加基本，且论及了抉择过程中更深层次的问题（化学零碎从实质上来说更加简略，因此化学问题比生物问题更容易量化；生物零碎的复杂性要高出许多个量级，因此咱们也更难对它们进行具体的化学分析）。

三、适应性 = 动静动力学稳定性

将“适应性”和“动静动力学稳定性”分割起来的间接后果就是，“适应性”最好被视为一个群体而非个体特色。生命是一个进化景象，而进化是群体而非个体所要经验的过程。个体所做的不过是出世而后死亡。如果只关注个体，咱们将会错过生命的许多外延。到底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咱们所想的更加简单。

适应性即生存和滋生的能力，而进化过程的终极目标是将这种能力最大化。达尔文提出的这一概念齐全是定性的形容，但也无奈量化，因其难度太大（并不是所有波及量的事件都能够被量化）。无论如何，意识到“适应性”不过是对一种非凡稳定性的生物表白，可能帮忙咱们将生物置于物理的语境之下，同时也能帮忙咱们实现将物理与生物学交融起来的指标。

四、适应性最大化 = 动静动力学稳定性最大化

不应该将非生命物质转化为简略生命的过程视为随机的化学事件，而应该将其视为一个由已知驱动力推动的残缺过程。进化背地的驱动力并不是人们始终认为的“自然选择”——“自然选择”只是实现进化的伎俩，而不是其能源。所有的化学反应背地的驱动力是热力学第二定律。所有复制零碎都显著偏向于朝着更高效的方向转变，该转变的驱动力能够被视为一种加强动静动力学稳定性的激动。

高级：何为生命

一、外星生命

将生命零碎转化为非生命零碎是那么轻而易举，而咱们都分明地晓得这个过程是不可逆的——生命很容易被捣毁，但从化学的角度而言难以合成。合成生命零碎的难题不在于物质，而在于组织形式。即使具备所有活细胞的组成成分，而将这些物质组合起来，从而造成一个有生命的个体仍然十分艰难。问题的关键在于，生命是物质的动静状态，这意味着组成活细胞的生物分子处于一直变动中。

二、合成生命

将生命零碎转化为非生命零碎是那么轻而易举，而咱们都分明地晓得这个过程是不可逆的——生命很容易被捣毁，但从化学的角度而言难以合成。合成生命零碎的难题不在于物质，而在于组织形式。即使具备所有活细胞的组成成分，而将这些物质组合起来，从而造成一个有生命的个体仍然十分艰难。问题的关键在于，生命是物质的动静状态，这意味着组成活细胞的生物分子处于一直变动中。

三、生命是如何呈现的

生命起源问题的关键在于咱们当初仍然没有合成生命确切的“配方”：从历史的层面而言，需解决一个“如何”的问题，即生命是如何产生的，而从非历史的层面而言，要关注“为什么”的问题，即为什么非生命的物质会不遵循其本身的构造法则，而是朝着更加简单的生物方向转变，并最终造成简略的生命模式。探寻前生命状态下生命起源的历史条件，对于解决生命起源的问题并没有很大的奉献。揭示生命起源的非历史法则才是真正的挑战。

因为所有生命零碎都具备推陈出新和自我复制的能力，那到底哪种能力更早呈现？这两种能力的性质决定了它们呈现的程序可能取决于化学法则。“代谢优先”和“复制优先”的争执，实际上可表述为是残缺的自催化化学循环，先自发产生还是分子复制因子的模板先呈现。代谢优先 / 复制优先二分法，间接影响三个问题——“生命是什么”、“生命是如何产生的”、“咱们该如何了解生命的产生”——的答案。通过将化学阶段和生物进化阶段合并为一个过程，咱们很有可能解决这一论战（代谢优先 vs 复制优先）实质上的不确定性，即与其将二者视为互相抵触的过程，不如用一个将复制和代谢分割起来的观点取而代之。这种所罗门王式的解决办法指出了复制和原始代谢过程的呈现可能都是生命呈现晚期阶段的重要因素。只有将这二者联合起来生命能力从简略的非生命源头中诞生。

复杂化过程之所以会产生，是为了晋升零碎的稳定性——不是热力学稳定性，而是动静动力学稳定性。这个解释从非历史角度解决了生命起源的问题，且与查尔斯·达尔文重要的生物进化思维无缝连接。通过将进化的外围生物概念从新解读，并“翻译”为相应的化学概念，咱们能够明确地发现天然产生阶段和生物进化的确是同一个化学过程。

复杂化过程的真正实质是网络的造成，复杂化和网络的造成实际上是一回事。网络是在水这一介质中建设起来的——水是宇宙的汁液，它独特的性质对于建设起生命的反馈网络具备重要的意义。个体性是生命的策略，而不是生命的特色。所谓的“个体性”，只是进化，为了加强零碎的复制能力和抵抗力所采纳的一种伎俩。网络的视角可能扭转咱们思考生命的形式，并且再度证实生命现象应该被了解为一个过程而非一种模式，模式只是对过程的偶尔出现。实际上，至多从人类的角度而言，关注生命的网络特质而非个体特质，能够帮忙咱们从全新的角度来了解疾病和防治疾病。

总结：关键字

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