即使是最簡單的細(xì)菌也比任何研究過的化學(xué)制品復(fù)雜的多。
鳳凰科技訊 北京時(shí)間1月15日消息,國外媒體報(bào)道,生命的起源一直是著名的科學(xué)神秘之謎之一。非生命的分子混合物是如何變成活的有機(jī)物?其中究竟有什么機(jī)制起著重要作用?大約1個(gè)半世紀(jì)以前,查爾斯·達(dá)爾文(Charles Darwin)提出了一種有關(guān)地球上的生命是如何從簡單的微生物進(jìn)化到現(xiàn)在復(fù)雜的生物圈的令人信服的理論,但有關(guān)生命最初是如何開始的,他卻沒有做出相應(yīng)的解釋。“人類可能也需要思考一下物質(zhì)的起源。”他嘲諷的說。然而這并沒有阻止好幾代科學(xué)家試圖解開這個(gè)謎團(tuán)。
關(guān)鍵的問題在于,無論幾十億年前發(fā)生了什么,所有的證據(jù)早就已經(jīng)消失一去不復(fù)返了——我們可能永遠(yuǎn)也無法獲得有關(guān)該過程詳盡的記載。即便如此,我們?nèi)耘f可以回答一個(gè)更為簡單的問題,那便是生命的起源究竟是曾經(jīng)發(fā)生過的某件事導(dǎo)致的一系列后果,還是內(nèi)在的生命支持定律所導(dǎo)致的幾乎不可避免的結(jié)果。這個(gè)問題的答案又聯(lián)系到另一個(gè)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著生命。
很多化學(xué)家已經(jīng)對生命起源問題進(jìn)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(xiàn)在仍然沒有太多突破性進(jìn)展??紤]到生命異常的復(fù)雜性,這其實(shí)也不足為奇。即使是最簡單的細(xì)菌也比任何研究過的化學(xué)制品復(fù)雜的多。
在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室條件下研究生命起源還面臨一個(gè)更加基本的障礙——化學(xué)語言和生物學(xué)語言并不一致。化學(xué)是有關(guān)物質(zhì)和它們是如何相互起反應(yīng)的,而生物更傾向于有關(guān)信息和組織的概念,信息性敘述滲透入生物學(xué)里,DNA 被描述為基因的“數(shù)據(jù)庫”,它包含如何建造有機(jī)體的“指令”。而基因“密碼”則被“轉(zhuǎn)錄”和“翻譯”,等等。如果我們將生命起源問題放到計(jì)算機(jī)術(shù)語里,通過化學(xué)合成的方法將關(guān)注于硬件方面——生命的化學(xué)基質(zhì)——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(dú)特的信息管理過程是如何形成的。
20世紀(jì)40年代,數(shù)學(xué)家約翰·馮·諾伊曼(John von Neumann)將生命比喻為機(jī)械構(gòu)造,并陳述了自我繁殖的自助機(jī)器為了復(fù)制硬件和軟件所需要的邏輯結(jié)構(gòu)。但是馮·諾伊曼的分析仍然停留在理論階段。最近出現(xiàn)了一種新的觀點(diǎn),它主要是建立在工程師、數(shù)學(xué)家和電腦科學(xué)家的工作上。他們研究信息流在復(fù)雜系統(tǒng),諸如帶有反饋回路、邏輯模塊和控制過程的交流網(wǎng)絡(luò)中的傳輸方式。顯而易見,信息流的動(dòng)態(tài)性顯示了基因特征是獨(dú)立于支持信息的特殊硬件。
信息論還被廣泛的應(yīng)用于不同層次的生物系統(tǒng),包括從基因組到生態(tài)系統(tǒng)。但是卻很少應(yīng)用于有關(guān)生命是如何開始的問題。將該理論應(yīng)用于生命起源將展示一種完全新的視野。生命起源的答案并沒有埋葬在某些令人困惑的化學(xué)變化中,相反,這個(gè)問題的關(guān)鍵存在于信息流組織的變形中。
美國宇航局天體生物學(xué)家美國亞利桑那州立大學(xué)的薩拉·沃克(Sara Walker)認(rèn)為生物學(xué)信息的最重要特征并不是它的復(fù)雜性,而是它分層級性的組織方式。在所有的物理系統(tǒng)中信息都是從底部向上流動(dòng),從某種意義上說,系統(tǒng)的部件決定了整個(gè)系統(tǒng)的特性。因此,如果一名氣象學(xué)家想要預(yù)測天氣,他可能從當(dāng)?shù)匦畔㈤_始著手,例如各個(gè)地區(qū)的溫度和氣壓,然后計(jì)算出天氣系統(tǒng)作為一個(gè)整體的移動(dòng)方向和變化趨勢。在有機(jī)體內(nèi),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(fā)生的一切取決于全球環(huán)境,反之亦然。
舉一個(gè)簡單的例子,一個(gè)細(xì)胞是否反映了一個(gè)基因特性取決于環(huán)境對整個(gè)細(xì)胞造成的機(jī)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(huì)導(dǎo)致微觀層面上(基因的接入)當(dāng)?shù)匦畔⒌倪\(yùn)動(dòng)。普遍來說,從環(huán)境接收到的各種信號能幫助描述一個(gè)細(xì)胞的DNA是如何分布和轉(zhuǎn)錄的。沃克提出生命起源道路上最關(guān)鍵的轉(zhuǎn)變發(fā)生在頂部向下的信息流首次占支配地位的時(shí)期?;诤唵蔚臄?shù)學(xué)模型,沃克認(rèn)為它可能發(fā)生的非常突然,類似于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(gè)特點(diǎn)。基因的語言是數(shù)字性的,它包含離散的二進(jìn)制數(shù)字,以四位字母的語言形式呈現(xiàn)。相反,化學(xué)過程是連續(xù)的,連續(xù)的變量也能處理信息——所謂的模擬計(jì)算機(jī)就是按這種方式運(yùn)行的——但很少依賴于數(shù)字。無論化學(xué)過程是如何引發(fā)生命的出現(xiàn),它必須存在一個(gè)從模擬變?yōu)閿?shù)字的轉(zhuǎn)變過程。
生命處理信息的方式還涉及一個(gè)邏輯結(jié)構(gòu),它從根本上與復(fù)雜的化學(xué)有所不同。因此化學(xué)是無法單獨(dú)解釋生命的起源,對硅、銅和塑料的研究只能解釋一臺電腦是如何執(zhí)行程序的??茖W(xué)家的研究表明,對生命起源的探索將開始于這樣的過程,也即將信息作為物理中介,后者有著自身動(dòng)態(tài)性和存在與周圍物質(zhì)隨意的關(guān)系。通過將生物學(xué)的語言和概念導(dǎo)入物理學(xué)和化學(xué),才能最終解釋生命起源。(編譯/嚴(yán)炎劉星)
(中國科技網(wǎng))
2013年01月18日
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