生命最初是如何開始的？

 

鳳凰科技訊 北京時間1月15日消息，國外媒體報道，生命的起源一直是著名的科學神秘之謎之一。非生命的分子混合物是如何變成活的有機物？其中究竟有什麼機制起着重要作用？大約1個半世紀以前，查爾斯·達爾文（Charles Darwin）提出了一種有關地球上的生命是如何從簡單的微生物進化到現在複雜的生物圈的令人信服的理論，但有關生命最初是如何開始的，他卻沒有做出相應的解釋。“人類可能也需要思考一下物質的起源。”他嘲諷的說。然而這並沒有阻止好幾代科學家試圖解開這個謎團。

關鍵的問題在於，無論幾十億年前發生了什麼，所有的證據早就已經消失一去不復返了——我們可能永遠也無法獲得有關該過程詳盡的記載。即便如此，我們仍舊可以回答一個更為簡單的問題，那便是生命的起源究竟是曾經發生過的某件事導致的一系列後果，還是內在的生命支持定律所導致的幾乎不可避免的結果。這個問題的答案又聯繫到另一個問題，我們是否是宇宙中唯一的生命形式，或者其它星系和銀河系一樣孕育着生命。

很多化學家已經對生命起源問題進行了大量研究。他們嘗試了大量的方式試圖再造生命形成的第一步，然而直到現在仍然沒有太多突破性進展。考慮到生命異常的複雜性，這其實也不足為奇。即使是最簡單的細菌也比任何研究過的化學製品複雜的多。

在化學實驗室條件下研究生命起源還面臨一個更加基本的障礙——化學語言和生物學語言並不一致。化學是有關物質和它們是如何相互起反應的，而生物更傾向於有關信息和組織的概念，信息性敘述滲透入生物學裡，DNA 被描述為基因的“數據庫”，它包含如何建造有機體的“指令”。而基因“密碼”則被“轉錄”和“翻譯”，等等。如果我們將生命起源問題放到計算機術語裡，通過化學合成的方法將關注於硬件方面——生命的化學基質——但是卻忽略了軟件方面，也即信息方面。為了解釋生命是如何開始的，我們必須了解這種獨特的信息管理過程是如何形成的。

20世紀40年代，數學家約翰·馮·諾伊曼(John von Neumann)將生命比喻為機械構造，並陳述了自我繁殖的自助機器為了複製硬件和軟件所需要的邏輯結構。但是馮·諾伊曼的分析仍然停留在理論階段。最近出現了一種新的觀點，它主要是建立在工程師、數學家和電腦科學家的工作上。他們研究信息流在複雜系統，諸如帶有反饋迴路、邏輯模塊和控制過程的交流網絡中的傳輸方式。顯而易見，信息流的動態性顯示了基因特徵是獨立於支持信息的特殊硬件。

信息論還被廣泛的應用於不同層次的生物系統，包括從基因組到生態系統。但是卻很少應用於有關生命是如何開始的問題。將該理論應用於生命起源將展示一種完全新的視野。生命起源的答案並沒有埋葬在某些令人困惑的化學變化中，相反，這個問題的關鍵存在於信息流組織的變形中。

美國宇航局天體生物學家美國亞利桑那州立大學的薩拉·沃克（Sara Walker）認為生物學信息的最重要特徵並不是它的複雜性，而是它分層級性的組織方式。在所有的物理系統中信息都是從底部向上流動，從某種意義上說，系統的部件決定了整個系統的特性。因此，如果一名氣象學家想要預測天氣，他可能從當地信息開始着手，例如各個地區的溫度和氣壓，然後計算出天氣系統作為一個整體的移動方向和變化趨勢。在有機體內，底部朝上的信息流和頂部朝下的信息留傳遞方式可能相互混合，因此地方層面發生的一切取決於全球環境，反之亦然。

舉一個簡單的例子，一個細胞是否反映了一個基因特性取決於環境對整個細胞造成的機械壓力或者電場。因此，宏觀層面上全球信息（力量的模式）的改變會導致微觀層面上（基因的接入）當地信息的運動。普遍來說，從環境接收到的各種信號能幫助描述一個細胞的DNA是如何分布和轉錄的。沃克提出生命起源道路上最關鍵的轉變發生在頂部向下的信息流首次占支配地位的時期。基於簡單的數學模型，沃克認為它可能發生的非常突然，類似於加熱的氣體忽然燃燒那一瞬間。

生命是如何處理信息的方式還有另外一個特點。基因的語言是數字性的，它包含離散的二進制數字，以四位字母的語言形式呈現。相反，化學過程是連續的，連續的變量也能處理信息——所謂的模擬計算機就是按這種方式運行的——但很少依賴於數字。無論化學過程是如何引發生命的出現，它必須存在一個從模擬變為數字的轉變過程。

生命處理信息的方式還涉及一個邏輯結構，它從根本上與複雜的化學有所不同。因此化學是無法單獨解釋生命的起源，對硅、銅和塑料的研究只能解釋一台電腦是如何執行程序的。科學家的研究表明，對生命起源的探索將開始於這樣的過程，也即將信息作為物理中介，後者有着自身動態性和存在與周圍物質隨意的關係。通過將生物學的語言和概念導入物理學和化學，才能最終解釋生命起源。（編譯/嚴炎劉星）