文/姚斌
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自从物理学家埃尔温·薛定谔在1943年发表《生命是什么》后，就标志着物理学进入生物学的新阶段。这是跨学科研究的里程碑。在20世纪40年代，生物学的发展还远远落后于物理学。那时，关于生命基本过程的细节仍然是一个巨大的谜题，因为生命的性质似乎违背了热力学第二定律。根据热力学第二定律，宇宙万物普遍倾向于衰败和无序。熵就是衡量无序或随机状态的。无序则是大量事物聚集在一起表现出来的集体属性。
薛定谔提出这样的一个问题：发生在生物体空间边界内的时空事件，如何用物理学和化学来解释？这个问题非常重要，因为生命要从无序中产生有序，并符合热力学第二定律，就必定存在分子实体。该实体能够以某种方式为形成生物体而编码指令，同时其本身要足够复杂，以嵌入大量信息。此外，它还要足够稳定，以对抗热力学的降解效应。现在我们知道，这种分子实体就是DNA。
生命具有诸多属性：生物体会自我繁殖；会通过进化探索无尽的新奇事物；会沿着无法预测的轨迹徜徉在可能的空间中，发明全新的系统和结构；会使用精密的算法制定生存策略；会从混沌中创造秩序；会对抗退化和衰变的宇宙潮汐；会呈现清晰的目标，并利用各种能量去实现这些目标；会形成令人难以想象的复杂网络；既合作又竞争……对此，查尔斯·达尔文这样表述：“凝视树木交错的河岸，许多种类的植物覆盖其上，群鸟鸣于灌木丛中，各种昆虫飞来飞去，蚯蚓在潮湿的泥土里爬过，表明这些构造精致的生命形式彼此不同，却又以复杂的方式相互依存，它们都是由在我们周围发生作用的法则创造出来的。”
然而，达尔文没有想到的是，串联起这些显而易见的物质复杂性（生命的“硬件”）的东西，竟然是更令人惊叹的信息复杂性（生命的“软件”）。后者对我们而言是隐性和不可见的，却为生物体的适应和创新提供了帮助。正是在信息领域，我们邂逅了生命的真正创造力。当今，科学家正在将“硬件叙事”和“软件叙事”融合成一种新的生命理论，该理论适用面甚广，涵盖从天体生物学到医学的诸多领域。
生物体拥有非凡的能力，可以在极端恶劣的环境中生存，这是我们难以想象的。一些微生物或适应极度寒冷和高温的环境，或适应高盐分和金属污染的环境，或适应足以烧灼人类皮肤的强酸环境。这些生活在极端环境中的适应性极强的微生物群的发现，颠覆了我们长期持有的信念，即认为生命只能在非常有限的温度、压力和酸性等条件下生存。很显然，如果我们只依靠化学作为标准，那么我们将很难判断另一个世界上是否存在生命。生命的难题在于其因果难辨的本质，就好像“先有鸡，还是先有蛋”，两者缺一不可。解决这样的难题，必须重新定义生命。
理论物理学家保罗·戴维斯在《生命与新物理学》中认为，我们不仅需要考虑建立模式的复杂而有序的化学结构，还需要考虑接受指挥和控制的化学反应。“生命就是化学加上信息”。如果没有信息，生物学就将失去意义。蚂蚁和蜜蜂之类的社会性昆虫通过传递信息来协调群体的活动，比如觅食和选择筑巢地点等。鸟儿会聚集成群，鱼儿也一样，这些都说明信息交换是它们协同行为的核心。薛定谔的伟大洞见在于，确认了信息的存储、处理和传递必定发生在活细胞内纳米尺度的分子层面上。
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早在1867年，苏格兰物理学家詹姆斯·麦克斯韦就想象存在这样一种东西，“它有着极敏锐的能力，可用于追踪每个分子的运动轨迹”。在进行简单论证之后，麦克斯韦确定这种微型实体“能做我们做不到的事情”，它就是著名的“麦克斯韦妖”。麦克斯韦妖拥有魔法，可以将混沌变得有序，但它也是一个悖论，一个谜题，挑战了宇宙的秩序和合法性。它打开了装着关于混沌与秩序、成长与衰败、意义与目的之本质等谜题的潘多拉魔盒。
尽管麦克斯韦是一位物理学家，但结果表明麦克斯韦妖的概念最有效的应用领域不是物理学，而是生物学。现在我们知道，麦克斯韦妖的魔法有助于解释生命的魔力，但人类却在麦克斯韦提出这一猜想后很久才开始应用这一魔法。在麦克斯韦提出相关概念140年后，一个真实的麦克斯韦妖在他出生的城市被制造了出来。随着科技的进步，尤其是纳米技术，“应用麦克斯韦妖”领域终于诞生了。
研究显示，生命具有令人惊讶的热力学效率。生物充斥着信息，从DNA一直到社会组织皆是如此，而且都会引起熵增。虽然进化已经改良了生命的信息管理机制，让其以超高效率运转，但生物还是需要不断完善存储和处理信息的艺术，否则废热会很轻易地把它们煮熟。生命的很多机制都徘徊在热破坏的边缘，所以生命必须耗费大量的精力来修复损伤，并重建被分解的结构。幸运的是，生物体中同时也充满了像麦克斯韦妖那样的微型机器，使生命得以延续。它们以聪明和超高超的方式操控信息，像变魔术一样从混沌中获得秩序，灵巧地躲开了热力学第二定律的“杀戮”。
基因中的信息是静态的，但是一旦信息被读取——基因表达为蛋白质产物，所有的行为就会跟着发生。DNA的输出结果与其他信息流结合在一起，沿细胞内各种复杂的路径移动，并与一批额外的信息流合作，从而产生一种逻辑连贯的共同秩序。通过一个包含多个可辩论阶段的循环，并在细胞分裂阶段达到高潮，细胞就会将所有信息和进程整合为一个单元。这一过程必须有效运转，否则结果就是致命的。正如安德烈亚斯·瓦格纳所说，“生物是死是活，取决于它们从其所在环境中获取的信息。”一部良好的预测机器意味着拥有从经验中学习的能力，从而能更好的预测未来，并采取明智的行动。然而，为了更高效，一个预测系统必须学会选择值得存储的信息，因为记住所有事情是不必要的浪费。
保罗·戴维斯由此推导出，生命的故事是有两种紧密交织的叙事构成的。一种叙事关注的是复杂的化学，即一种丰富而精密的反应网络；另一种叙事则关乎信息，不仅包括被动存储在基因中的信息，还包括穿行于生物体和弥散于生物物质间，最终形成独特秩序的信息。因此，生命是不断变化的化学和信息模式的综合体。这两种模式不是独立的，而是连接起来形成一个合作与协调的系统。该系统会对信息进行重排，就像编排一场精彩的芭蕾舞。
以计算机产业类比。30年前，个人计算机既笨重又难携带。后来，鼠标、彩色屏幕和小型电池等创新让计算机变得更高效、更便携，其销量也因此飙升。于是，在商业家眼中，自然选择引发了计算机数量的快速增长。然而，在硬件创新的同时，计算机软件方面的创新给人留下的印象更深刻。比如，Photoshop （一种图像处理软件）或PowerPoint （微软演示文稿软件）的早期版本与现在的可用版本相比，完全不值一提。最重要的是，现在的计算机速度已经大幅提升，同时成本大幅下降。而且，软件的改进为IT产业的迅速发展做出了不亚于硬件的贡献。
在达尔文理论发表的一个世纪之后，关于生命的信息叙事才被纳入进化论的范畴。当前，生物信息学领域已经是一个庞大企业不断拓展的产业，积累了惊人的数据量，并取得丰硕的研究成果。在科学家的跨国合作下，2003年第一份完整的人类基因组序列图发布了，它被誉为普通生物学尤其是医学领域的变革者。之后，正是在基因控制和管理领域，生物信息学的故事才真正地上演。这一新兴的学科被称为表观遗传学，它比孤立的遗传学更丰富也更微妙。越来越多的表观遗传因子被发现，它们驱动着生物信息模式和信息流的构建。如今，达尔文主义的修正和延伸正在进行时，这就是“达尔文主义2.0”，它开启了一个看待生物信息的力量的全新视角，并引领了进化论的重大修正。
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拉马克进化论的核心思想是，生物体在有生之年获得的性状可以遗传给其后代。对此，达尔文理论声称，由基因突变带来的变化是盲目的，它们与生物体自身的需求和环境没有关系。如果某种罕见的突变带来了生存优势，这纯粹是运气使然。达尔文认为，进化过程中不存在定向的进步，也不存在改良的系统性内在机制。
然而，哈佛大学生物学家约翰·凯恩斯断言，细胞可能有一种机制，用于选择让哪些突变发生。凯恩斯和他的团队研究大肠杆菌的突变菌株，这些细菌不能代谢乳糖，但研究人员却只给它们提供乳糖这一种食物。他们观察到，有些饿坏了的大肠杆菌会自发突变为乳糖利用型。他们经过研究后得出这样的结论：大肠杆菌的突变成功率高得出奇，远超原始概率。这说明突变不是随机发生的。细菌拥有突变热点，也就是比普通基因的突变速度快几十万倍的特异基因。如果它有利于细菌产生多样性，突变就很容易发生。它们能够选择性地提升适当的基因的突变率，从而摆脱困境。尽管如此，但基因突变仍是一件碰运气的事。正如凯恩斯最初暗示的那样，没有证据表明细菌选择了特异性突变。大多数突变都会导致情况变得更糟。但在饥饿的菌群中，让其中的一员很幸运地发生适当的突变，修复了基因缺陷，最后拯救了菌群，这种情况发生的可能性很大。这相当于细菌拥有了另一双手。这种有偏突变也被称为适应性突变，因为它使生物体能更好地适应环境。
想象一下，当你被困在一栋失火的房子里，你需要猜测某个地方有一个可以打开逃生的窗户，但房间里也许有12个窗户。一个真正聪明的人会事先了解火灾时逃生程序，以防万一。但如果没有这样做，当然是一个窗户一个窗户地尝试。在缺乏其他信息的情况下，随机抽样程序和其它方法并无差别。而真正愚蠢的做法是在房间里完全随机地乱跑，或者躲进橱柜，或者钻到床底，或者跑向阳台。定向随机性比完全随机性更高效。细菌并非绝顶聪明，但也不是愚不可及，它们会聚焦于最有可能实现目标的地方。
所有这些魔法般的突变如果涉及的机制灵活多变，并且这些机制本身也能进化(即所谓的“可进化性的进化”)，进化过程就会更顺利。很早以前，通过自身的进化摆脱麻烦的细胞，具有生存优势。当环境有所要求时，进化-自适应提升机制就会被开启，而当形势大好时又会被拨回，这种机制对生物而言是一种福利。对压力的适应性响应几乎肯定是一种古老的机制，它能基于良好的生物目的而进化。
生物学家埃娃·雅布隆卡将适应性突变描述为一种“知情搜索”。她的结论是，细胞找到突变解决方案的概率增加了，因为它过去的进化已经构建了一种系统，该系统可以为在何时何地产生突变提供智能提示。这并不是对达尔文主义的证伪，而是对其进行详尽的阐述。这就是达尔文主义2.0。凯恩斯的实验带有些许拉马克学说的意味，对达尔文主义进行修正，即自然不仅选择最能适应环境的生物，还会选择最适合的生存策略。
由此，生命或许可以被描述为一条陡然上升的信息学习曲线。生物不必通过试错法来进化，而是每一代均可另起炉灶。它们可以从过往的经验中受益，这一进步趋势显然违背了热力学第二定律，该定律讲述了一个关于退化和衰败的故事。安德烈亚斯·瓦格纳指出，进化远不只是我们眼睛看到那么简单……适应性不仅有机会去的，还有一系列规律驱动，这些规律允许自然在随机变异发生的那一部分时间内发生新的分子和机制。确实，基因信息只是影响生物个体的因素之一，生物在其自身及其后代的发育过程中扮演着积极和建设性的角色，因此它会影响进化的方向。
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从微观的层面上说，所有生物都是量子。毕竟生命是由化学物质构成的，并且分子的状态、大小和相互作用都需要用量子力学来解释。诸如隧穿效应(网球穿过窗玻璃的效应)等非凡的量子过程，或者所谓的量子纠缠(鬼魅般的超距作用)，都在生命中扮演着重要角色。
一般来说，如果某个事物为生命提供了一种优势，哪怕只是轻微的优势，自然选择也会利用它。如果某种“量子事物”能让生命变得更快速、更经济、更优质，我们就可以期待进化会偶然发现它并选择它。量子效应是原子和分子秩序的一种微妙和精巧的形式，所有量子效应的敌人都是无序。当然，生命充满了无序。被随机激发的分子会不可避免地喧嚣，从而对热力学第二定律造成普遍性破坏，到处都是熵。只有在非常特殊的环境中，非凡的量子效应才能面对这种不可避免的热噪声得以幸免。
参观任何一个量子力学实验室，我们都会看到精密的装置。它的主要目的就是减少热骚动造成的干扰：要么通过屏蔽热骚动，使相关量子系统与环境隔离开来；要么将相关事物都冷却接近绝对零度的温度。考虑到物理学家要规避热噪声效应还要很长的路要走，任何鬼魅般的事物还将继续存在于混乱且温度较高的生物体内。细胞中蛋白质的温度远高于我们能想象到孤立的低温系统，但不要忘了麦克斯韦妖的存在。这种由麦克斯韦精心设计的系统，能在混沌中创造秩序，能违背热力学第二定律并规避熵的腐蚀效应。生命中充满了麦克斯韦妖。在它们的精妙把戏中，它们可能已经学会了如何蒙骗比特和量子比特，其手法之灵巧就连我们目前技术最尖端的实验室也无法比肩。
量子力学对“究竟发生了什么事”的一种流行解释是，把从A到B的每条路径都视为一个独立的世界。如果在粒子的前进道路上有一个屏障，那么在有些世界中粒子会向右移动，而在其他世界中粒子会向左移动。那么粒子真正走的是哪条路？答案取决于你所说的“真正”指的是什么。各种不同的量子世界实际上就是真实的世界，它们平行存在，这就是所谓的量子力学的多世界或多宇宙的诠释。至于为何我们只体验到一个世界，必须要问一个问题：“我们”指的是什么？假设每一个世界都有一个独立版本的你，由于存在多个世界，也存在多个几乎相同的你。每一个版本的你只能看见一个世界。无论一个人是否相信量子力学这种流行而奢华的诠释，在这里都无关紧要：人们至少可以放心地说，粒子可以一并尝试从A到B的所有路线。
“量子”和“生物学”这两个词对应的是两个关系紧张的领域。量子效应在孤立、冰冷和简单的系统中表现得十分明显，而生物是温暖又复杂的，许多部分之间都有强有力的相互作用。量子力学建立在相关性的基础上，外部干扰会破坏相关性。生命则喜欢噪声，麦克斯韦妖利用热能来创造和移动。生物体内混乱喧嚣，分子四处乱转，彼此不断碰撞，交换能量并重排形状。我们不可能制止生物体内这种混乱。然而，让噪声和量子相干性持续共存于适当的环境中，有助于生命现象的发生。
生物进化具有无限的多样性和新奇性，而缺乏可预测性。但是，生物学领域并不处于混沌状态，其中有很多运行良好的规则，这些规则大多与生物的信息构架有关，如孟德尔的遗传定律。通常，规则取决于相关系统的状态。在一个相关的系统状态中，某些规则可能将获得成功，而某些规则可能导致失败。宇宙中的任何新事物都是法则和初始条件结合的产物。
伊利亚·普里戈金的耗散结构理论表达的是：一个远离平衡的开放系统，不论它是物理、化学、生物学，还是社会、经济、精神世界，通过与环境进行物质、能量和信息的交换即通过物质、能量和信息的耗散，就有可能自发组织起来，实现从无序到有序的转变，形成具有一定组织和秩序的动态结构。而薛定谔则将反抗热力学第二定律的能力确定为定义生命的属性，通过收集、处理和将信息应用与目的性活动，生物赢得了对抗熵的胜利。通过将信息模式和化学反应模式结合起来，以及使用麦克斯韦妖来获得极高的热力学效率，生命从分子的混沌中魔法般地创造出相关性和秩序。耗散结构和麦克斯韦妖从不同的视角思考引入熵的世界使之有序，有着异曲同工之妙。
今天，薛定谔的猫已经走出了箱子，使得所有人都不得不面对这只指数生长的“野兽”，它就潜伏在当前的世界图景之中，新的定律和原则会从极其复杂的信息处理系统中涌现出来。