生命到底是什麼?不同學科的科學家眼中有不同答案

2020-12-06 科技快報網

示意圖:人類皰疹病毒。病毒是生命嗎?

生命到底該如何定義?朊蛋白是生命嗎?

如果你需要根據一隻斑馬來概括所有哺乳動物的特徵,你會選擇從哪裡入手?

   北京時間1月10日消息,我們中的絕大部分人在生活中要想區分什麼是「活的」,什麼不是「活的」應該不會是一件非常困難的事情,你看:一個人是活的,但是一塊石頭則不是活的。太簡單了!

  但是在科學家和哲學家們的眼裡,這件事卻沒有那麼簡單。他們花費數百年的時間來思考:究竟什麼讓一樣東西成為「活的」。人類中的那些最偉大的頭腦們:從亞里斯多德到卡爾薩根,都曾經在這個問題上做過大量思考,但直到現在卻都還沒有一個具有共識性的結論。這也就意味著,從文字定義的角度來說,我們迄今仍然還沒有一個達成共識的關於生命的定義。

  在過去的100年間,我們對於生命的定義變得更加困難了。一直到19世紀以前,人們一直認為生命是非常特殊的,而之所以如此,是因為我們的身體內隱藏著一種看不到的「靈魂」。但在科學界,這樣的說法現在已經逐漸消失了。現在的人們看待這一問題的視角更加科學了。比如說美國宇航局將生命定義為「能夠自我維繫,且能夠進行達爾文進化的化學系統」。

  但美國宇航局也僅僅是許許多多試圖將所有生命現象歸入一個簡單定義中的機構中的一個。事實上,人們已經提出了超過100個有關生命的定義,其中大部分著眼於一些生命所具有的關鍵特徵,比如繁殖以及新陳代謝。

  讓事情更加糟糕的是,不同學科的科學家在「究竟什麼才能真正被用來定義生命」這一重要問題方面的想法是很不同的。一個化學家傾向於將生命看做大量分子的結合,而物理學家則更多會從熱力學角度去進行討論。

  為了對「什麼是生命」這一問題有一個更好的理解角度,讓我們先來聽聽那些在這一領域前沿工作的一些科學家們的看法吧。

  病毒學家的觀點:

  病毒學家正是這樣一群人。他們的工作正是探尋處在我們所知的生命範疇邊緣的那些灰色地帶。

  在西方的小學裡,孩子們會學習到一個說法,叫做「格雷女士」(MRS GREN)。這其實是一個記憶口訣,老師希望藉此幫助孩子們記住定義生命的7個關鍵特徵:運動(Movement)、呼吸(Respiration)、感受性(Sensitivity)、生長(Growth)、繁殖(Reproduction)、排洩(Excretion) 以及營養(Nutrition)。

  這當然是不錯的認識開端,但卻談不上嚴謹。有很多我們不會將其視作生命的東西卻可以滿足這些定義條件。比如有些叫做「阮病毒蛋白」的感染性蛋白顆粒,甚至是某些電腦程式,如果按照MRS GREN定義方法,那就都成為生命了。

  經典的分界線還是在病毒這裡。法國巴黎巴斯德研究所的微生物學家派屈克·伏特裡埃(Patrick Forterre)表示:「它們不是細胞,它們沒有新陳代謝,並且除非它們遇到合適的細胞,否則它們將一直都是休眠的。因此很多人,包括很多科學家都認為病毒並不是生命。」

  但在伏特裡埃看來,病毒的的確確就是生命。不過他也承認,病毒是否能夠被歸入生命範疇,很大程度上要取決於你將生命定義的邊界放置在何處。

  儘管病毒看上去幾乎缺乏一切在我們看來屬於加入「生命俱樂部」所必須的條件,但它們的確擁有遺傳物質DNA或者RNA。這是生命的藍圖,整個星球上所有生命之間都是相通的。這就意味著病毒可以進化和複製——儘管它們必須藉助其他細胞才能完成這一過程。

  病毒攜帶有DNA或RNA的事實讓很多人認為病毒應該能夠被歸入生命進化樹中去。甚至有科學家認為病毒可能隱藏著地球上生命最初誕生的奧秘。如果情況的確如此,那麼生命在其最初的階段就完全不是非黑即白的狀態,而是某種不甚清晰的,介於生命與非生命之間的模糊邊界。

  一些科學家已經接納了這一觀點。他們將病毒視作是「介於化學體和生命體之間的邊界上」。而這就引出了一個十分有趣的問題:究竟從何處開始,所有化學成分的總和開始超越化學本身而進入生命的範疇了呢?

  化學家的觀點:

  化學家們的工作是探索構建生命的「菜單」。

  美國斯克裡普斯海洋學研究所的傑弗裡·巴達(Jeffrey Bada)表示:「我們所知的生命是基於碳元素的大分子聚合物。」正是基於這些聚合物——它們被叫做胺基酸(構建DNA的基本構建),進一步出現了蛋白質和多糖,隨後整個豐富多彩的生命世界出現了。

  哈羅德·尤裡正在實驗室裡檢查設備。1950年代,尤裡和斯坦利·米勒共同設計並實施了著名的「尤裡-米勒實驗」

  巴達是美國著名化學家斯坦利·米勒(Stanley Miller)的學生——對,就是那個在上世紀1950年代構建名垂青史的「尤裡-米勒實驗」的那個米勒。該實驗是人類首次嘗試證明生命物質可以從非生命的化學物質中誕生。巴達在他老師的工作基礎上更進一步,證明了在按照設想中早期地球大氣成分配置的混合氣體中放電,可以產生豐富得多的與生命有關的各類複雜分子。

  但這些化學分子仍然是沒有生命的。只有當這些化學分子開始具備了排洩功能,或者開始互相廝殺,這時候我們才會給予它們「生命」的榮譽稱號。那麼這個關鍵的開關究竟在何處?究竟如何才能讓這些化學物質一躍而成為生命?巴達對此給出的答案令人驚訝。

  他說:「遺傳信息分子的不完美複製可能標誌著生命和進化本身的起源,因而也是非生命的化學過程向生命演化的關健過渡。」化學複製的開端,尤其是非完美的,有差錯的複製將產生完美程度,或者說「能力」不同的「後代」。這些分子「後代」將會相互競爭,爭奪生存的機會。

  巴達說:「這基本上就是分子層面上的達爾文進化。」

  但在很多化學家看來,只有複製——也就是病毒必須要藉助感染細胞才能完成的過程,才能真正定義生命。一個事實是,攜帶遺傳信息的分子 :DNA和RNA分子讓這種複製成為了可能,因此它們也應該被認為是構成生命的關鍵要件。

  但如果我們將視野放的更加寬廣,那麼這種將特定化學分子視作生命標誌的做法很有可能就會失效。想想看,地球上的生命或許都有DNA或者RNA作為遺傳物質,但是有沒有我們目前還不了解的生命形式,它們是否也就一定是這樣的呢?

  天體生物學家的觀點:

  天體生物學家的工作是搜尋外星生命。

  要想預言那些我們從未了解的地外生命是非常困難的。很多研究人員,包括英國愛丁堡大學天體生物學中心的查爾斯·考克爾(Charles Cockell)和同事們,都嘗試利用地球上生活在極端環境下的微生物作為可能地外生命形式的參考原型。他們推測認為,生活在地外世界的生命,其生存環境或許會和地球環境很不相同,但可能仍然會保留有一些與地球上的生命所共同的特徵,因此我們是可以識別出來的。

如果火星上有生命,我們能夠找到它們嗎?

  但考克爾也表示:「我們必須保持開放的頭腦,以便應對任何可能出現的,完全不符合以上定義範疇的生命形。」

  甚至在嘗試將我們現有的關於地球生命的知識推廣至地球之外的生命時,我們也常常會遭遇令人困惑的結局。比如美國宇航局在1976年將海盜-1號飛船降落到火星地表時,他們當時認為他們自己對於什麼是生命是相當清楚的。這臺

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