自然游憩

    即使是最简单的细菌也比任何研究过的化学制品复杂的多。

    凤凰科技讯 北京时间1月15日消息，国外媒体报道，生命的起源一直是著名的科学神秘之谜之一。非生命的分子混合物是如何变成活的有机物？其中究竟有什么机制起着重要作用？大约1个半世纪以前，查尔斯·达尔文（Charles Darwin）提出了一种有关地球上的生命是如何从简单的微生物进化到现在复杂的生物圈的令人信服的理论，但有关生命最初是如何开始的，他却没有做出相应的解释。“人类可能也需要思考一下物质的起源。”他嘲讽的说。然而这并没有阻止好几代科学家试图解开这个谜团。

    关键的问题在于，无论几十亿年前发生了什么，所有的证据早就已经消失一去不复返了——我们可能永远也无法获得有关该过程详尽的记载。即便如此，我们仍旧可以回答一个更为简单的问题，那便是生命的起源究竟是曾经发生过的某件事导致的一系列后果，还是内在的生命支持定律所导致的几乎不可避免的结果。这个问题的答案又联系到另一个问题，我们是否是宇宙中唯一的生命形式，或者其它星系和银河系一样孕育着生命。

    很多化学家已经对生命起源问题进行了大量研究。他们尝试了大量的方式试图再造生命形成的第一步，然而直到现在仍然没有太多突破性进展。考虑到生命异常的复杂性，这其实也不足为奇。即使是最简单的细菌也比任何研究过的化学制品复杂的多。

    在化学实验室条件下研究生命起源还面临一个更加基本的障碍——化学语言和生物学语言并不一致。化学是有关物质和它们是如何相互起反应的，而生物更倾向于有关信息和组织的概念，信息性叙述渗透入生物学里，DNA 被描述为基因的“数据库”，它包含如何建造有机体的“指令”。而基因“密码”则被“转录”和“翻译”，等等。如果我们将生命起源问题放到计算机术语里，通过化学合成的方法将关注于硬件方面——生命的化学基质——但是却忽略了软件方面，也即信息方面。为了解释生命是如何开始的，我们必须了解这种独特的信息管理过程是如何形成的。

    20世纪40年代，数学家约翰·冯·诺伊曼(John von Neumann)将生命比喻为机械构造，并陈述了自我繁殖的自助机器为了复制硬件和软件所需要的逻辑结构。但是冯·诺伊曼的分析仍然停留在理论阶段。最近出现了一种新的观点，它主要是建立在工程师、数学家和电脑科学家的工作上。他们研究信息流在复杂系统，诸如带有反馈回路、逻辑模块和控制过程的交流网络中的传输方式。显而易见，信息流的动态性显示了基因特征是独立于支持信息的特殊硬件。

    信息论还被广泛的应用于不同层次的生物系统，包括从基因组到生态系统。但是却很少应用于有关生命是如何开始的问题。将该理论应用于生命起源将展示一种完全新的视野。生命起源的答案并没有埋葬在某些令人困惑的化学变化中，相反，这个问题的关键存在于信息流组织的变形中。

    美国宇航局天体生物学家美国亚利桑那州立大学的萨拉·沃克（Sara Walker）认为生物学信息的最重要特征并不是它的复杂性，而是它分层级性的组织方式。在所有的物理系统中信息都是从底部向上流动，从某种意义上说，系统的部件决定了整个系统的特性。因此，如果一名气象学家想要预测天气，他可能从当地信息开始着手，例如各个地区的温度和气压，然后计算出天气系统作为一个整体的移动方向和变化趋势。在有机体内，底部朝上的信息流和顶部朝下的信息留传递方式可能相互混合，因此地方层面发生的一切取决于全球环境，反之亦然。

    举一个简单的例子，一个细胞是否反映了一个基因特性取决于环境对整个细胞造成的机械压力或者电场。因此，宏观层面上全球信息（力量的模式）的改变会导致微观层面上（基因的接入）当地信息的运动。普遍来说，从环境接收到的各种信号能帮助描述一个细胞的DNA是如何分布和转录的。沃克提出生命起源道路上最关键的转变发生在顶部向下的信息流首次占支配地位的时期。基于简单的数学模型，沃克认为它可能发生的非常突然，类似于加热的气体忽然燃烧那一瞬间。

    生命是如何处理信息的方式还有另外一个特点。基因的语言是数字性的，它包含离散的二进制数字，以四位字母的语言形式呈现。相反，化学过程是连续的，连续的变量也能处理信息——所谓的模拟计算机就是按这种方式运行的——但很少依赖于数字。无论化学过程是如何引发生命的出现，它必须存在一个从模拟变为数字的转变过程。

    生命处理信息的方式还涉及一个逻辑结构，它从根本上与复杂的化学有所不同。因此化学是无法单独解释生命的起源，对硅、铜和塑料的研究只能解释一台电脑是如何执行程序的。科学家的研究表明，对生命起源的探索将开始于这样的过程，也即将信息作为物理中介，后者有着自身动态性和存在与周围物质随意的关系。通过将生物学的语言和概念导入物理学和化学，才能最终解释生命起源。（编译/严炎刘星）
                                                                (中国科技网)
                                                                2013年01月18日