《生命是什么》：王立铭的“野心之作”-凯发游戏

撰文 | 刘海坤（德国国家癌症研究中心研究员）

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王立铭是科普界的明星，也是国内少有的、可以在科普科研间自由切换的优秀青年科学家。我认识立铭是通过微信，我戏称此类朋友为“微友”。此类朋友特点是相隔万里，不必相见，无人情之累，却又近在手边，可随时互怼并交流心得。我之前已经读过立铭两本精彩大作（《吃货的生物学修养：脂肪，糖和代谢病的科学传奇》和《上帝的手术刀：基因编辑简史》），后来知道他在用心打造一本新著。之后又读到他精彩的新书书稿的后记，更加心急难耐。万幸近日从立铭处得到样书，遂一气读完。就是这一本我今天要谈的《生命是什么》。

生命是什么？如果是对“生命”这个概念的解释，那么这可能是我们能想象的最难回答的问题之一，学术界也的确没有统一答案。但如果这是个开放的问题，我们便可以在很多有趣的维度解释并充分演绎。立铭此书便是要以一己之力从多个维度提取出最重要而又互相承接的维度，并在20万字里把《生命是什么》以层层递进的方式解析。本书的主题比起立铭前两部书更宏大而深刻，所以我称之为“野心”之作。

生命是什么？作者在开篇并没有尝试直接回答这个问题，而是把我们的视角转离地球，瞄向太空。他首先提出了一个全体人类都感到好奇的问题：外星生命是否存在？接连几个精彩的科学故事，从非常有说服力的“费米悖论”，令人遐想的“戴森球”，以及可以推算外星生命机率的“德雷克公式”，展示人类一直尝试用理性去想象外星生命的存在的模式。寻找外星生命，一个前提是我们要有能力分辨什么是生命？这也是困扰美国航天局负责寻找外星生命的科学家的主要问题之一。这个问题自然而然引出了作者的创作主旨——生命是什么？

生命科学跨越的尺度从纳米到宏大的地球生态系统，宏大繁复，包罗万象。想要从中提炼出生命的基本特质并书写出来非常有挑战性。不过幸好我们有贯穿生命科学的第一原则：进化论。立铭选择了生命的演化作为轴线，在其妙笔之下，一出跌宕起伏，惊险刺激的几十亿年的大冒险戏剧就此拉开序幕。他先从古代哲学家对生命本质对探讨谈起，之后科学家登上舞台，一个个精彩的科学故事提醒我们人类不断从多维度接近, 理解并尝试解析生命本质的曲折过程。之后他把镜头迅速推进到著名的米勒－尤里实验，该实验令人惊奇地证明了生命起源的基本分子，如氨基酸，可以在实验室模拟的古代地球环境里快速产生。该试验基本解决了生命产生的原材料来源问题，随之引申出当代科学三大重要问题之一：生命的起源问题。

宇宙漫长历史中最神奇的事件之一莫过于生命的诞生。在前进化论时代，大多数人类甚至认为地球上生命的多彩纷呈是神迹存在的最好证明。正如物理学家对理解宇宙起源的“大爆炸”充满了无穷的向往和想象，生物学家对于理解生命诞生这一从无到有的重要时刻也抱有同样的情感。

这部分，立铭首先提出了产生生命的物理先决条件——能量。立铭的偶像之一，物理学黄金时代的代表，量子力学奠基人之一薛定谔在1944年发表的影响深远的科普名著《what is life？》（也是立铭本书取名的原因）里就提到，由热力学第二定律推论，在一个封闭系统中，熵只会增加，即变得无序。而生命是高度有序的系统，所以生命应以负熵为生，需要能量的摄入来维持稳定而有序的存在（注：负熵这个概念薛定谔本人后来也有修改，感兴趣的可以进一步阅读相关文献）。这一推论显示出生命的基本法则不违背物理基本法则（实际上我们目前已知的所有生命的基本法则都不违背物理或化学的基本法则，不过迄今未止也没有任何一个物理学的理论能够把对生命的解释包含在内）。以此为引，作者请出了他非常喜欢的而且在书中非常不吝言辞赞美的atp及其合成酶。这一部分立铭写的非常精彩，是本书的高潮之一。我不敢在此剧透，强烈推荐读者自己阅读体验。

解决了能量问题之后，想象力丰富的立铭随即把一个个精彩的理性科学发现和其浪漫的想象力结合在一起，构想出了生命诞生之初的“前生命”形式的几个可能版本（从1.0到4.0）。蛋白，dna和rna轮番登上舞台。他尝试从各个角度的可能性来探讨生命起源的可能途径。这一部分我们可以欣赏到立铭作为著名科普作家的功力。生命诞生前的时刻对科学家来说都是神秘和晦涩的，立铭通过其丰富的想象力把各种可能性转变为在读者面前的一幕幕精彩文字影像。

所有上述的准备都是为了胞生命诞生的那一刻，这是一个可以自我复制其生命分子和个体的生命单位，一个活着的细胞。这应该是一个有能力把遗传信息传递到几十亿年之后的细胞，一个有能力转动进化之轮的细胞。（从科学上来说，细胞学说的诞生（1839）远远早于dna作为遗传物质的发现（1944），是第一个真正把所有生命都包含在内的学说。）可以说生命的诞生标志就是第一个细胞的诞生。在这个环节，立铭强调了细胞膜的产生是关键性的一步，因为这是把酶、遗传物质和其他生命必须分子聚集在同一空间的关键。我个人认为，对第一个细胞的多种想象也是立铭可以进一步加以发挥的地方，可能因为篇幅原因，立铭并没有在此进一步打开其想象力的闸门。而随之而来的细胞的分工即多细胞生命的出现则是打开了生命爆发的闸门，这直接导致了更为复杂的生命以及具有高等智慧的人类的出现。作者称之为“君临地球”。

进化本身虽然并非是从低级到高级，但复杂生命的产生却是长期进化的结果。生命进化漫长的历史中最杰出的产物毫无疑问当属人类的大脑。至此，作为神经科学家的立铭用整个下半部进一步展示大脑的功能：感知、学习记忆、社交，并由此一直讨论到哲学上都极有难度的更抽象的概念：我，自由意志。从视觉的神经解码，到语言的生物基础，再到多重人格症以及人工智能，这些精彩的故事呈现出一个已经非常精彩且在未来会更加精彩的科学世界。

科学研究在带来新知的同时总是带来新的未知。曾经被生命科学吸引的物理学天才费曼戏言，在生物学领域，随便一个问题我们都没有答案，而物理学则是你要花相当多的时间才能找到没有解决的重要问题。这样的现状并没有改变太多，而立铭之后讨论的生命科学的已知和未知也会让读者浮想联翩，我想这部分对于有抱负的下一代科学家会有相当的吸引力。所以，读完本书，你可能找不到“生命是什么？”的答案，但你对“生命是什么？”这一问题的理解定会有质的提升。

好科普难写，中文世界的原创科普可以达到英文优秀科普著作高度的更少。我个人认为，立铭的作品是中文科普世界里凤毛麟角的存在。这部书的架构和逻辑在英文科普著作里也少见，可见立铭对此做过仔细推敲琢磨。好的科普书重要的作用不是科普知识点，因为知识早晚变得陈旧，重要的是普及科学的思维和判断方式。这一点读者应能从立铭讲故事的字里行间体会到，他总是努力地给读者展现精彩科学发现背后的内在逻辑，从推理到实验验证，丝丝入扣。

从行文风格也可以看出立铭是有人文情怀的作家，他的作品充满了积极对待未知世界的态度和一个更好未来的信念。这部作品的风格让我想起我最喜欢的法国科学大师、优秀的科普作家弗朗西瓦.雅克布（francois jacob，1920-2013 ，1965年因操纵子模型获诺贝尔奖)。他在1973年出版的科普著作《生命的逻辑》探讨的角度和思路与立铭本书有交相辉映之处。

立铭本书起名《生命是什么》，有向偶像薛定谔的《what is life？》致敬之意。薛定谔的这部名著启发了分子生物学时代的许多科学名家，最出名的当属dna双螺旋结构的发现者之一沃森。我想，立铭花如此多心思打造这一本中文同名著作的“野心”也在于此，他一定希望本书能启发中国下一代科学家在青少年时代就能领略到真正的科学思维。我至今记得自己在年轻时阅读薛定谔这本著作时对科学产生的懵懂而向往的情愫。我相信立铭也做到了这一点，因为即使中年如我，在阅读本书过程中脑子里也在不断蹦出新的问题：假设宇宙中另存一个物理上一模一样的太阳系，该太阳系里的星球能进化出和我们地球一样的生命类型吗？人类出现在那里的机率是否可以通过德雷克公式推导出来？自称掌握了基因编辑这把上帝的手术刀的人类真的可以跳出自然选择吗？在生命产生初期，是否产生过不基于dna传递遗传信息的生命形式而被筛选掉了？最早的产生的细胞里的基因组到底有多大？进化论是否是放之宇宙而皆准的生命法则？

我不擅书评，立铭花两年打造的精品，也不是我一天写就的书评就能揭示其全部精彩的，之所以成此文是衷心推荐本书给各个层面的读者，此书老少咸宜，希望您有自己的收获。当然我尤其推荐给对科学感兴趣的青少年，我女儿就非常喜欢“戴森球”的故事。我想，作为科普作家的立铭一定不止一次想象过这样的一天，一位中国科学家在斯德哥尔摩的领奖台上致获奖辞：“我踏上科学之路是因为小时候读的一部王立铭教授的科学名著，《生命是什么》。”

撰文 | 王立铭（浙江大学教授）

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对于地球生命来说，在生命体和周围环境之间存在着不言而喻的清晰界限。皮肤毛发包裹着人类的躯体，水里的鱼虾顶着闪闪发光的鳞片或者厚厚的硬壳，树木的躯干上也裹着斑驳嶙峋的树皮。很难想象会存在一种生命，和环境之间有着缓慢过渡的边界。就像我们看不到人体的内脏飞得满房间都是，也不会看到树木若有如无的魅影笼罩成了一片树林。

在微观视角下，几乎所有的地球生命都是由一个或许多个、乃至上百万亿个微小的细胞构成的。即便是不以细胞形式存在的病毒生命，也只有在进入宿主细胞后才能“活”过来开始自己的生命历程。细胞是构成地球生命的基本物理单元。细胞内外，生命和环境的界限不言而喻。

从某种意义上说，每一个细胞都可以看作一个有着自己独特生活经历和命运的生命体。祖先细胞的dna分子完成自我复制后各奔东西，携带着祖先的记忆，伴随着细胞本身一分为二，完成生命的繁衍复制。在每一个细胞内部，能量货币atp驱动着各种各样生命活动的进行，它让红细胞能够吸满氧气在血管里畅游，让神经细胞释放高高蓄积的离子水位产生微弱的生物电流，让草履虫的纤毛轻轻摆动，让大肠杆菌修补外壳上破损的脂多糖。而到生命的尽头，细胞或因为外敌的入侵不幸罹难，或按照自身的生命密码启动了自杀程序，曾经辉煌壮丽的生命大厦轰然倒塌，曾经严整有序的形态、结构和生物分子慢慢破损消亡。

和宏观生命一样，细胞这种微观生命也同样是有清晰边界的。它们被一层仅有几纳米厚的脂类分子薄膜严密地包裹起来，薄膜内部是生机勃勃的生命活动，外面则是危险冷漠的外在世界。实际上，考虑到地球生命都是由数量不等的细胞构成的，我们完全可以认为这层薄膜才是生命和地球环境的边界。

在逻辑上很容易想通这层薄膜的意义——它远比简单的一层屏障重要得多。

我们知道，能量和自我复制是生命从混乱无序的环境中萌发并万世长青的两个基本条件。生命现象想要存在，必须在局部蓄积起足够浓度的能量，然后用它驱动某种能够携带遗传信息的生物大分子（例如rna）的自我复制。那么可想而知，如果没有一层物理屏障的存在，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，迅速稀释到无踪无迹。或者反过来说，从46亿年前地球形成开始，能量分子和遗传物质可能已经自发出现过千千万万次。但是必须再耐心等待10亿年，直到第一个原始细胞出现，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，地球生命才真正有可能告别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。

当然，即便没有这层薄膜，化学家也仍然可以设想出许多场合能够聚拢能量分子和遗传物质。比如，我们可以设想最早的生物化学反应并不是在海洋里进行的，而是固定在某种固体的表面（例如海底矿床和火山），我们也可以设想岩石内部存在微小的孔隙，生命物质可以在空隙里维持很高的浓度。但是不管是矿床还是岩石孔隙，都不会跟着生命自我复制的节奏扩张。生命的最终出现，仍然需要有一座分离之墙，一层生命自身能够制造和储备的薄膜。

甚至不需要做任何观察和实验，我们也能轻而易举地推导出这层分离之墙的许多有趣性质。

它必须是一种不溶于水的化学物质，否则会在地球原始海洋里轻易地分崩离析。它必须能够形成致密的结构，要是孔隙太大各种物质能够自由进出，这层膜也就没有用了。而基于这两点，我们还能猜想出这层膜的第三个性质：它必须具备一定程度的通透性，能够让某些分子穿梭于细胞内外，例如氧气、营养物质、细胞产生的废物，等等。不溶于水、致密包裹、又有选择透过性，考虑到地球原始海洋里并没有多少原材料可以选，按说生命这道分离之墙的性质应该昭然若揭了。

然而让人跌破眼镜的是，从英国科学家罗伯特·胡克（robert hooke）在显微镜下观察到植物软木标本里一个个蜂巢状的微小结构并于1665年提出“细胞”的概念，到1972年辛格（seymour singer）和尼克尔森（garth nicolson）提出目前被广为接受的细胞膜物质解释“流动镶嵌模型”，足足用了三百多年的时间！

►1665年，罗伯特·胡克发表了巨著《显微术》。在书中，他展示了在显微镜下观察到的软木标本图片。胡克把图片中蜂巢状的结构命名为“细胞”。我们现在知道，胡克图片中的蜂巢结构其实是植物的细胞壁，这是一种由多糖类物质形成的结构。细胞壁内部才是细胞膜。动物细胞没有细胞壁。

科学研究从来就不是一蹴而就的坦途，曲折反复、浴火重生是常态。但是无论如何，从知道有一层逻辑上必须存在的膜，到搞清楚这层膜到底是什么，三百年还是太长太长了，长到在对科学史盖棺定论的时候，我们必须为此给出一个合理的解释。

这个解释就是，这层膜实在是太薄太薄了！厚度还不到10纳米，远远低于光学成像的理论极限分辨率200纳米。人类科学家再雕琢自己的光学显微镜镜片，也不可能看到这层膜的样子（胡克在软木标本中看到的蜂巢结构其实是细胞壁，一种植物细胞特有的坚硬外壳）。看都看不见的东西，天知道它存不存在？而当生物学家瞪大眼睛反复看，都没有看到传说中这层膜的样子以后，自然而然会有一批人转而开始考虑其他的可能性。比如，直到20世纪初，仍然有不少生物学家认为这层膜压根就是不存在的，细胞内的物质像胶水一样黏合在一起才不会破碎和稀释。这个解释现在看起来几乎不言而喻是错误的，就算是每一个细胞内的物质可以按照这种方式聚集而不散开，怎么才能防止细胞和细胞之间的“胶水”黏在一起？这种解释仍然离不开一个在物理化学性质上截然不同的“分离之墙”。归根结底，生物学家们是败给了自己“眼见为实”的思维定势。

►电子显微镜下的细胞膜。图中显示的是两个细胞的边界，两个箭头分别指向两个细胞各自的细胞膜。

话说回来，要说服大家相信一个看不见摸不着的东西仅仅因为逻辑上的理由就必须存在，确实还是需要些勇气的。读者们可能会想到一个类似的例子：物理学中“以太”的概念。而且别忘了，以太的概念最终被证明是多余的。所幸从18世纪开始，生物学家们观察到了一个很有趣的现象：把动物红细胞从血液里提取出来，丢进各种各样的溶液中，如果溶液里盐分很足，细胞会缩成一小团；如果溶液里盐分很少甚至没有，细胞又会肿胀得很大。这个现象当然可以有各种各样的解释，但是最简单的解释就是把细胞想象成一个薄膜包裹的盛水口袋，水可以在薄膜两边自由地流动，但是盐分子不可以。如果外界环境盐分太足，就会形成外高内低的盐浓度差，也就是说，内高外低的水浓度差，因而水会顺着这种浓度差，从里往外渗出来，让口袋变小；反过来水就会渗进口袋。

特别是到了19世纪末，在检测了市面上能找到的数百种化学物质之后，英国科学家内斯特·欧福顿（ernest overton）发现，并不是把细胞丢在什么溶液里它都会像变戏法一样长大缩小的。各种各样的盐溶液都没有问题，但是如果换成脂类分子溶液（比如大家耳熟能详的胆固醇），这种戏法就不灵了。那么根据上面的逻辑继续推论，我们还可以进一步猜测脂类分子也能自由通过细胞膜。这样在脂肪和水的环境里，细胞膜就像筛子一样，完全起不到“分离之墙”的作用，当然也就谈不上能控制细胞的大小了。在此观察的基础上，欧福顿天才地设想，这层薄薄的细胞膜可能是脂类分子构成的，特别是胆固醇和磷脂这两种脂类分子。

这个设想一举解决了关于“分离之墙”的两个问题。大家都知道“油水不相容”，这是因为水分子带有强烈的极性，它的氧原子上带有强烈的负电荷，氢原子上则带有正电荷，因此水分子之间能够通过正负电荷的吸引形成稳定的结构。与之相反，大多数脂类分子的电荷分布很均匀，一旦放入水中，不仅不能和水分子形成电荷吸引，反而还会破坏水分子之间的稳定关系，就像把玻璃弹珠扔进一堆方方正正的乐高玩具一样不合时宜。因此脂肪分子不溶于水，而且在水中还会自发聚集成团，尽可能减少表面积，减少暴露在水分子面前的机会。这样一来，由脂类分子构成的膜当然就不会在水中分崩离析，而且天然地形成致密的结构，包裹住细胞内的生命物质。

当然了，欧福顿的理论听起来头头是道，但是有一个相当致命的技术问题没有顾及到。脂类分子构成的膜为什么不会动不动就突然崩塌，进一步收缩成更小更致密、表面积更小的球？要知道，既然脂类分子在水中的天然倾向是减小表面积，那自身聚集成一个实心球，把大多数脂肪都包裹起来岂不是最好的凯发游戏的解决方案？

这个问题又过了二十多年才得到完美的解决。1925年，荷兰莱顿大学的科学家高特（e. gorter）和格兰戴尔（f. grendel）决定直接使用化学方法，把这层假想中的“分离之墙”提取出来，看看它们是什么——如果它们如欧福顿所说当真存在的话。

根据欧福顿的理论，这层膜是脂类分子，因此可以用有机溶剂轻松提纯。然后，高特和格兰戴尔把从红细胞提取的这些物质平铺到一杯水上，小心翼翼地拉成了一层膜。这个过程有点像把吃饭剩下的油倒进开水里，菜汤表面就会形成一层油光光的薄膜。然后他们发现，拉出这层膜的面积，排除掉实验误差，差不多正好是计算出的红细胞表面积的两倍！换句话说，细胞膜应该不是一层，而是由两层分子构成的。

►高特和格兰戴尔提出的磷脂双分子层模型。简单来说，细胞膜是由两层紧密排列的磷脂分子构成的，磷脂分子的极性“头”朝外，和水分子亲密结合，非极性“尾”则隐藏在分子内部。可以看出，这样的结构最大程度地避免了电中性的尾巴和水分子的接触，在物理性质上很稳定。事实上，细胞膜的基本模型在1925年之后并没有巨大的改动。

这时高特和格兰戴尔又想起了欧福顿理论中一个总是被人忽略的小细节。欧福顿预测，细胞膜的物质成分是磷脂和胆固醇，而这两种脂类分子都有一个异乎寻常的特性：分子骨架的绝大多数地方都是电中性的，因此天然排斥水分子。但是两种分子的顶端却恰好都有一个带有电荷的“头”，因此是可以和水分子亲密结合的。也就是说，这两种分子兼具了油和水的性质，头像水，尾巴像油。这样一来，这个双层膜的现象就很好解释了。两层膜对称排列，都是头朝外，尾巴朝内，那么分子骨架上电中性的部分被完全隐藏在了内部，而分子头部带电荷的部分又可以用来结合水分子，一举两得。这样的结构，甚至比单纯用脂肪分子堆积一个实心小球还要稳定！

直到此时，细胞膜的存在、细胞膜的特性、细胞膜的化学构成才真正取得了共识。高特和格兰戴尔的双分子层模型在此后经历过几次小的更正和改动，但是细胞膜的基本形态模型已经确立。实际上，尽管大家真正“看”到细胞膜是在20世纪50年代电子显微镜足够进步的时候，也就是二三十年之后，但是真到那个时候，大家反而没有那么大惊小怪了——因为细胞膜必须存在、由磷脂和胆固醇分子构成、是一个双层膜的夹心结构，在“眼见为实”之前就已经深入人心并写进教科书了。

实际上，这样一种细胞膜不光是逻辑上容易理解、实验上得到了证明，它还非常容易形成。这最后一点对于解释地球生命的起源——也许包括宇宙许多生命形态的起源——非常重要。只要把一些具备类似油水兼具性质的分子放在水里，它们可以自发形成一层薄膜，包裹成一个空心球的形状。也就是说，只要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，最早的细胞结构就可以自发形成，剩下的问题无非是怎么用这种结构把能量分子以及遗传物质包裹起来而已。

关于这一点，最动人心魄的证明来自地球之外。1969年，巨大的火球从天而降，击中澳大利亚维多利亚州的莫奇森，留下腾空而起的蘑菇云。人们很快确认，爆炸来自一颗重达100千克的陨石，它坠地产生的碎片散布在十多平方公里的地面。人们惊奇地发现，这颗陨石上携带了大量的有机物质——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。

这些发现立刻引发了完全不同的两种解读。在一部分人看来，地球生命可能就来自这些从天而降的陨石，考虑到早期地球经历了密集的陨石雨轰击，来自天外的生命物质很可能足够多，因此构成了地球生命的物质基础。

而在另一部分人看来，莫奇森陨石的发现恰恰说明根本不需要把地球生命的尊严寄托于天外来客，既然陨石携带的物质如此接近米勒-尤里实验的发现，那么在早期地球海洋中，在雷鸣电闪和火山喷发中制造出地球生命所需的物质，应该非常简单。地球生命的出现根本不需要借用什么天外陨石的假说。

到了1985年，关于莫奇森陨石的研究又一次震动了科学界。美国人大卫·蒂莫（david deamer）证明，从陨石上提取出来的脂类分子也可以自发形成类似于细胞膜的结构。如果说在此之前，借由米勒-尤里实验和莫奇森陨石的研究，科学家们已经不怀疑生命物质出现在宇宙中是一件平淡无奇的事情。那么蒂莫的发现说明，就连第一个真正的生命——细胞——的出现可能都没有人类想的那样复杂，它同样可能是一件自然而然、平淡无奇的小事件！ 

“生命的外壳：细胞膜”一文以及插图，节选自王立铭新作《生命是什么》。《知识分子》获授权发表。

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