《生命是什么》读书笔记

2021年的第44本书。

由于投资的需要，最近开始密集地读一些生物医药方面的书，包括厚厚的两本《生物化学与分子生物学》和《药理学》教材。啃教材之余，也找了一些科普读物来助兴，就包括知乎大V王立铭写的这两本《生命是什么》和《上帝的手术刀》。读完之后还是挺感慨的，生物其实是如此有趣的科学，但中学时被教成了一门无聊透顶的、整天淹没在题海中的学科。

对本书的一些感想，如下：

第一，本书的书名叫做《生命是什么》，这是向薛定谔的同名著作致敬。内容层面上，作者也希望能够重现生命从0到1、然后从1到无穷大的过程。

如果把生命的“1”看做是能自我复制的单细胞生物，那么从0到1的过程其实是物质、能量和信息综合作用的结果，它们分别对应细胞膜、ATP以及遗传物质的形成。按照书中所说，进化的顺序很可能是这样的：

• 物质：原始地球海水沸腾、电闪雷鸣、暴雨倾盆，各种化学反应带来了各种各样的氨基酸分子，为构建蛋白质提供了物质原料（见米勒-尤里实验）；
• 能量：远古地球的海洋里溶解了大量的二氧化碳，是强酸性的。而海底的火山里存在着大量的地热泉，不断喷射出40~90 摄氏度的、富含甲烷和氢气的碱性液体。当碱性热泉涌出“烟囱”口，和酸性海洋相遇的时候，在两者接触的界面上形成悬殊的酸碱性差异，即氢离子的浓度差异。氢离子穿过这些“原始水坝”的流淌，用化学渗透的方法，为生命提供了永不衰竭的最早的生物能量（而当我们的祖先掌握了利用化学渗透制造能量的技能之后，他们也就同时掌握了远离热泉口这块温暖襁褓的能力 - 因为祖先已经不再需要现成的氢离子浓度差和天然的岩石水坝来制造能量了。此时的他们拥有了能够运输氢离子的水泵，能够稳定储存氢离子的水坝，能够制造 ATP 的水力发电机，甚至还能将能量储存在诸如葡萄糖这样的营养物质中长期备用）；
• 信息：在数十亿年前的原始海洋里，不知道是由于高达数百摄氏度的深海水温、刺破长空的闪电，还是海底火山喷发出的高浓度化学物质，游离的核苷酸被随机连接在一起，数不清的 RNA 分子就这样被没有缘由地生产出来（很有趣的是，无论是DNA 和 RNA都不约而同地使用了四种核苷酸结构单元，这是否说明了4进制才是生命的底层编码机制，而不是二进制的阴阳或者三进制的“一生二、二生三、三生万物”），飘散，分解。直到有一天，在这无数的 RNA 分子（也就是无穷无尽的碱基序列组合）中，有这样一种组合，恰好产生了自我复制的催化能力。于是它苏醒了，活动了，无数的“后代”被制造出来了。这种自我复制的化学反应所产生的大概还不能被叫作生命，因为它仍然需要外来的能量来源，它还没有“以负熵为生”的高超本领；
• 细胞膜：如果没有一层物理屏障的话，能量分子和遗传物质哪怕能够偶然出现，也会像在原始海洋里滴一滴墨汁一样，迅速稀释得无踪无迹。从 46 亿年前地球形成开始，能量分子和遗传物质可能自发出现过千千万万次。但是必须再耐心等待 10 亿年，直到在原始海洋里的某个地方，不管是终日喷涌的海底火山，还是狂风暴雨的海洋表面，某个化学反应能够批量制造出脂类分子，最早的细胞结构自发形成了，为能量分子和遗传物质构造起“分离之墙”，并且从那一刻开始，始终包裹在每一个细胞和它们的后代周围。地球生命真正告别了昙花一现的化学反应现象，稳定地存活下来，利用能量驱动生命活动，利用自我复制适应地球环境，开枝散叶一直到今天。

物质、能量、自我复制，这三个要素共同构成了地球生命的基石。如果把今天的地球生命比作辉煌的大厦，那DNA、RNA、蛋白质等物质就是这座大厦的钢梁和砖瓦。来自外部世界的能量摆脱了热力学第二定律的约束，像一个高明的建筑师，搬运着这些物质修建出生命的大厦。在几十亿年的地球生命史上，生命大厦则是靠（不那么忠实地）复制自身来抵抗命中注定的意外、衰老和地球环境的变迁。慢慢地，复杂生命诞生了。细胞膜这道“分离之墙”的出现将生命的三要素（物质、能量和自我复制）严密地包裹和保护起来。生命活动的规模从纳米级别的分子尺度扩展到微米级别的细胞尺度。以上种种组合在一起，各种机缘巧合之下，才形成了地球上的第一条生命 - LUCA（The last universal common ancestor），万物的起源，我们的祖先。它于三四十亿年前诞生，包含了如ATP 合成酶这样异常精巧的蛋白质结构，拉开了之后生命进化的序幕。有趣的是，这并不是唯一的可能。书中提到，1969 年坠落在澳大利亚的莫奇森陨石里，携带了大量的有机物质，包括几十种氨基酸和脂肪分子，甚至还有能够形成 DNA 和 RNA 分子的嘌呤和嘧啶。这些物质和米勒-尤里实验的产物惊人地相似。因此，或许生命的诞生不需要靠辛辛苦苦的等待，而是直接来自外星的馈赠也说不定。

第二，关于进化与分工。生命想要实现熵减，想要承担更加复杂的功能，就必须让细胞变得“更多”而不是“更大” - 因为如果变得更大，细胞体积的增加（直径的三次方数量级）会快于表面积的增加（直径的平方数量级），从而使蛋白质的需求增加（正比于体积）大于供给增加（正比于表面积），导致细胞的体积有上限。因此，多细胞生物很快出现了。这也从根源上说明了，我们这个世界的复杂性，本质上来自于群体的连接而不是单体的强大，来自于网络效应和协同效应。

有了多细胞，从效率的角度出发，很快就进化出了分工。运动和生殖的分工恐怕是地球生物演化历程中最基本也是最重要的一次分工，这完美地诠释了“食色，性也”这句老话。从团藻开始，多细胞生物的组成单元被永久性地区分成了专门负责产生后代和专门负责维持生存的两种细胞：生殖细胞（也就是专门负责产生后代的细胞）从某种程度上依然保持着单细胞生物的本质。它们有机会永生不死，可以持久地分裂复制，按照自己的样子制造出一个又一个后代，它们的后代又依葫芦画瓢，继续自我复制和分裂。而除了生殖细胞之外，所有负责维持生存的细胞（也就是体细胞）都注定转瞬即逝。它们在诞生后只有至多一个生物世代的寿命。当一个多细胞生命死去的时候，它所携带的所有体细胞都会随之烟消云散。人类也是如此，最极端的例子可能是红细胞。在包括人类在内的哺乳动物体内，红细胞干脆就没有细胞核和任何遗传物质，也就是说，从根本上放弃了繁殖的能力。实际上，新生的红细胞是有细胞核的，但是在它们离开骨髓进入血液前后，红细胞会挤出细胞核，变成大家熟悉的中心薄、周围厚的圆饼形状。抛弃细胞核的好处是显而易见的：这样一来，红细胞就留出了更多的空间装载血红蛋白分子，从而可以一次运输更多的氧气分子。与此同时，没有了细胞核的红细胞更加柔软，遇到狭窄的毛细血管时可以轻松地变形通过。对于每一个红细胞个体来说，它们付出的代价是彻底断了传宗接代的念想，只能在大约四个月的短暂寿命里机械地搬运氧气分子。对于红细胞所服务的哺乳动物个体而言，则借此机会获得了更充足的氧气供应和更高效的末梢循环系统，同时还顺便减少了红细胞癌变的风险。这些特性在漫长的演化史上，很可能会帮助哺乳动物跑得更快，活得更久，让它们的子孙后代遍布这个星球。

书中提到的对于分工的思考很有趣。站在生命体和物种的角度来说，以传宗接代和物种延续为目的，分工是效率最高的、“政治正确”的选择。但如果站在单个细胞的立场上，细胞分化可以看成是一种“阶级压迫” - 分工的代价是一部分细胞永生不死，而另一部分细胞永久性地丧失了繁殖的权利，只能在生命个体的短暂生存期内勤勉工作。这当然是一种巨大的不平等 - 如果体细胞也会有平等概念的话。从某种意义上说，分工对于生命本身的意义，是通过大量细胞自我“牺牲”实现的，是它们为永生不死的生殖细胞创造了生存空间。如果把一个蜂群看做是一个生命体，那么蚁后就是生殖细胞，而工蚁和兵蚁就是体细胞：工蚁负责觅食和照顾蚁后的后代，兵蚁负责抵抗外敌入侵，等等。就像体细胞一样，工蚁和兵蚁也失去了繁殖的权利。当然，群体遗传学可以帮助我们解释这种奇怪的利他行为：工蚁和兵蚁的遗传物质和蚁后几乎一样，因此帮助蚁后繁殖就等于传递自身的遗传信息。但是我们从逻辑上可以做如下推测：如果有一只工蚁哪天突然意识到自己为蚁后服务是“不平等”的，是一种残忍的“牺牲”，自己完全可以寻找合适的交配伴侣直接产生后代，那么先不管这只工蚁能不能如愿以偿，至少它所在的那个蚂蚁社会很可能就此分崩离析。

最早的多细胞生物也面临同样的麻烦。当然，不管是细胞还是蚂蚁，它们都没有真正的能力去主动做出“选择”，但是遗传突变和自然选择可以起到同样的作用。还是以团藻为例，如果在某一个团藻体内，某个长着鞭毛的体细胞产生了一个遗传突变，让它重新具备了分裂繁殖和分离的能力，那么这个不安分的体细胞就会立刻在几万个勤勤恳恳游泳的体细胞中脱颖而出——只有它才有机会留下自己的直系后代。如果它的单细胞后代能够顺利存活，那么这个偶然出现的新的单细胞生命就可以反过来和那些多细胞状态的亲戚竞争，甚至打败它们。这样一来，多细胞生命就会重新退回到单细胞状态。这可能是多细胞生物在演化史上独立出现了那么多次，但是其中的大多数都没有后代活到今天的原因。换句话说，作为伟大分工的代价，多细胞生物要面对一个永恒的难题：如何预防、压制和惩罚那些不愿意接受既定分工、特别希望重新拥有繁殖能力的细胞？最能说明这个棘手问题的可能就是癌症了。癌症的源头，正是某些本该循规蹈矩地完成它的使命、帮助人体健康存活的体细胞，由于遗传突变，突然重新获得了疯狂自我复制进行繁殖的能力。当然，人体已经演化出了极强的纠正和惩罚这些不听话细胞的能力。大部分偶然的遗传突变能够被细胞自身修复，大部分已经开始不听话的癌变细胞也能被免疫系统找到并杀死。但是时不时仍会有一些细胞不惜以破坏整个生命体的健康乃至生命为代价，满足自身复制进行繁殖的本能。想想看吧，人类和所有动物的祖先早在十几亿年前就已经完成了体细胞和生殖细胞那次伟大的分道扬镳，从那时起，这种分工就被持续不断地完善和强化。但仍然有细胞会利用一切机会，抵抗和逃脱这亿万年演化形成的枷锁，顽固地表现出自我繁殖的本能。包括人类在内的所有多细胞生物，与单个细胞顽强的生存和繁殖“意志”之间的战斗，将会永远继续下去。而这可能是所有复杂生命必须承担的代价。

这让我联想到了人类社会的分工。最近的教育培训行业被国家取缔搞得纷纷扬扬，如果从社会发展的角度来看，新加坡式的教育分流（从小学四年级开始做社会大分工，蓝领的归蓝领，白领的归白领，金领的归金领）无疑是效率最高的做法，但从个体的角度来看，也是最为残酷的做法。如今看来，人类社会进化出来的所谓“道德”，有可能反过来会妨碍物种的进化。这是否也说明了，人类已经接近了自身发展的极限，应该被更为冷酷高效的物种所取代了呢？

第三，关于学习。学习是进化带来的伟大机制，从最简单的刺激 - 反射模式，到如今的建立在输入/输出/反馈基础上的深度学习，或是建立在状态/动作/奖励基础上的强化学习，从感知到认知，生命的迭代过程令人惊叹。在复杂生命的舞台中央，智慧在万众瞩目中最后登场。一类特别的身体细胞 - 神经细胞 - 出现了。这群细胞开始睁开眼睛，指挥身体的运动，主动探索身边的危险和机遇；这群细胞开始学习和牢记经验与教训，试图熟悉和适应这个多变的世界；这群细胞甚至开始呼朋引伴，将孤军奋战的单个动物组织成千军万马和伟大社会。书中在提到神经系统的时候写道：

“不同神经细胞的突起会向着彼此无限逼近，但却在最后大约 20 纳米的距离上恰到好处地停下，并且形成一个被称为“突触”的连接。这个 20 纳米的间距保证了前一个神经细胞产生的电信号或者化学信号可以迅速且不失真地被后面的神经细胞捕捉到，同时也保证了两个神经细胞相互独立，彼此的细胞膜不会错误地融合在一起。图7-7　突触的想象图。突触是神经细胞信息交流的场所，两个神经细胞的突起在此相遇，形成了间隔 20 纳米左右的接触界面…学习实际上就发生在一个个突触之间，发生在这 20 纳米的距离之上。学习意味着突触的生长和消失，意味着在这 20 纳米之间，信号传递的效率增强或者减弱。在这 20 纳米的距离上，任何微小的变化都可能和学习有关。方寸之间，神妙难明。在过去的数十年里，从海兔和果蝇出发，人们开始逐步明了，在突触之间的微小距离上，学习究竟是怎样实现的。在今天神经科学的视野里，这区区 20 纳米尺度下的突触几乎就是一个小世界。每一次神经细胞的活动，都可能改变这个小世界的整个面貌。细胞膜上的孔道开了又关，带电的离子蜂拥着进入或者逃离神经细胞；微弱的电流闪电般地从神经纤维的一端流向另一端，时而汇聚成大河，时而分散成小溪；代表着兴奋或者沉默的化学物质被包裹在小小的口袋里，又一股脑地从神经细胞中抛洒而出，如果足够幸运，它们可能会在消失前找到相隔 20 纳米的另一个细胞，欢快地依靠上去，顺便也把兴奋或者沉默的信息传递过去；在细胞内部，全新的蛋白质被合成，陈旧的蛋白质被拆解，伴随着细胞骨架的拆拆装装，突触的形状也如呼吸般伸伸缩缩……发生在突触界面的微小变化是学习的本质。这种变化可能是数量和大小的变化，也可能是每一个突触内部信号传递效率的变化，如信号发出端释放了更多的信号，也可以是信号接收端的灵敏度提高。伴随着每一次成功的学习，在这方寸之间，新突触在诞生，旧突触在消亡，突触本身在变大和变小，信号发出端的功率和信号接收端的灵敏度也在发生变化。所有这些都可能会影响神经细胞之间的信号传递，也都可能被学习过程所影响。而所有这一切的总和，可能也就代表了学习的结果：经验和记忆。”

有了学习能力，有了沟通能力（FOXP2 基因的突变），有了有性生殖带来的生物多样性，使得人类不再是单打独斗的本地机器，而是联结成了一张分布式的智慧网络，最终演化成了“人类巨灵”（再次强推Tim Urban《我们的故事》系列长文），傲然屹立于生物涌现塔的顶端。

第四，关于意识。关于自由意志是否存在的讨论，是我觉得全书最有趣的部分。作者首先介绍了基因决定论的观点，通过大量的同卵双胞胎研究，人们发现，不仅仅是身高、体重这些体征指标由基因决定，即便是人类的各种心智指标，从智商到记忆力，从幸福感到自信心，甚至是政治倾向和宗教信仰，遗传的贡献率都在50%~70%。即便是看起来绝非“自然”的政治倾向，包括意识形态倾向、对独裁的看法、对平等的看法，等等，也在很大程度上受到遗传因素的影响。也就是说，从受精卵形成、生命孕育的那一刻开始，遗传物质就已经为我们每个人的心智准备了一张蓝图。之后的养育、成长、学习、交友，都是在这张蓝图上修修补补、写写画画。但是心智的大致模样，却不太会有剧烈的变动了。这已经有点赤裸裸的宿命论味道了。

作者之后进一步介绍了里贝特实验和海因斯实验 -这两项研究说明，因为早在人们自以为在做自由选择的那一刻之前，真正的选择就已经注定了。换句话说，我们所有的选择都是提前数秒被大脑悄悄规划好的。这从根本上动摇了自由意志的基础。实验结果说明，不仅仅我们的心智会受到遗传、环境和本能驱动的潜移默化影响了，即便是一个个具体的决定，实际上大脑也会在我们尚不知晓的时候悄悄做出。或者我们可以做一个更极端的推论：人的认知活动看起来在指导我们的一言一行，但它其实是“事后诸葛亮”。与其说它是指导者，倒不如说它是个观察和记录员。它所做的，只是把大脑指导我们的身体进行的行动加以总结提炼，然后呈现在我们的思维当中而已。

这让我联想到了之前看过的“延时选择量子擦除实验” - 那是真正让我感到世界观崩塌的实验，未来的选择能够影响过去。这几个实验的共性在于，时间是个伪概念，因果是不存在的，所有的可能性是同时运行的，结果是注定的，自由意识是虚幻的，决定论是量子态的。原来，七肢桶说的才是真相，宇宙实在有趣极了。

正式因为各种未知的存在，我们才会不断上下求索，试图为自身减熵。作者在书中解答了很多关于生命的难题，同时又在尾声中提出了更多的问题：

“在这些伟大事件的背后，恒河沙数般的‘已知的未知’一直在困扰着我们。对这座我们容身其间的地球生命大厦，我们只来得及远远地投上一瞥，还有太多的建筑细节仍旧面目模糊。驱动生命活动的蛋白质分子为什么都是由 20 种氨基酸组成的？原始地球海洋中肯定诞生过更多的氨基酸分子，那些氨基酸因何被废弃？同样的道理，为什么 DNA 和 RNA 不约而同地使用了四种结构单元（核苷酸）？深海白烟囱是否确实是生命的摇篮？第一个利用环境能量驱动生命活动的分子机器是什么？RNA 世界的假说是否真实反映了生命的起源？如果当真如此，第一个 RNA 生命是什么样子的？细胞膜究竟是天外来客还是在地球上土生土长的？除了薄薄的磷脂双分子层，地球生命为什么没有发展出任何别的办法来隔绝环境、包裹自己？多细胞生命应该在地球上反复出现过数十次，它们当中的大多数都没有繁衍到今天。那些不幸的多细胞生命谱系究竟是因为什么原因崩塌的？当多细胞生命体内出现有史以来第一个不听话的癌变细胞时，生物体有没有准备好应急预案？永生的生殖细胞会不会偷偷发布一个隐秘的指令，借此约束所有的体细胞不要蠢蠢欲动？多细胞生命的寿命是如何决定的，为什么会同时存在命如朝露的蜉蝣和千万年不死的大树？

而在智慧生命的大脑深处，我们尚未了解的细节就更多了。时至今日，我们固然开始了解各种感觉信息是如何被收集的，但是对于这些感觉信息是怎样在大脑深处被重新组装成一个天衣无缝的虚拟世界的，我们仍然几乎一无所知。我们连对大脑如何识别像一根线段这样最简单的形状、如何区分咖啡和玫瑰的香气等看似简单的问题都没有什么头绪。对于大脑如何组织和理解语言，如何形成抽象概念，如何凭空构思出一段故事并且活灵活现地分享给同类，就更是只知道一鳞半爪的模糊线索了。而且更让人沮丧的是，从语言到情感，从自我意识到世界观，大脑中有太多的秘密很可能是人类专属的。但我们到底有没有能力研究和了解自己呢？毕竟我们不可能对同类做有潜在破坏性的研究，人类个体的成长和生活环境也千差万别，根本不可能被严格控制，那么，对人类个体的研究在多大程度上是可行并且有说服力的？我们能否重建人脑学习和记忆的过程，实现真正意义上的“小数据”学习？要知道，人类的真实学习场景几乎都是从极端有限的信息中总结经验。我们又何时能够用算法模拟人类情感，实现社会交流，创建机器的自我意识和自由意志？而如果这一切成真，那将是人类智慧的永恒丰碑，还是人类葬礼开始时的安魂曲？

说到这儿，你应该能接受如下判断：对于地球生命和智慧，别说今天的我们远没有做到深入理解，即便是要给出一个关于我们到底能不能最终理解、什么时候能最终理解、可能通过什么思路和途径得到这一理解的猜测，都显得过分轻狂和盲目。”

30年前就有人说过，21世纪是生命科学的世纪，很多年过去了，在摩尔定律坚持不懈的努力下，今天的算力终于积累到了“或许够用”的程度，肿瘤治疗、新药研发、蛋白质结构预测、基因剪刀、衰老研究…生命科学的各个分支开始百花齐放，关于生命科学的世纪预言终于有希望变成现实。也许终有一天，“我们能够在实验室里从无到有地制造出一个（哪怕是非常粗糙简陋的）有机生命，它能够存活，能够繁衍，能够和环境互动。届时我们就可以说，关于生命，我们已经知道得足够多了。”

以上。