生命的定义和生命起源的充分必要条件

维普资讯 http://www.cqvip.com8卷第 4期 河 海大学 学报 ( 哲学 社会 科学版 20 06年 l   2月生命 的定义和生命起 源的充分必要条件 段 勇  ( 中国农业 大学 工 学院, 北京  108 ) 003 摘要: 现有的对生命起源和本质的各种论述以及生命的各种定义都没有找到生命起源的充分必 要条件。自然条件下能实现 自复制的比较稳定 的大分子物质结构才是生命产生的充分必要条件 ,   自复制能够解决生命的复杂结构产生的概率问题。有了正反馈 , 进化的世界观才能成立 , 才能战胜 热 力学第 二定理 引导 的退化 的世 界观 。  关键词 : 科学技术哲学 ; 生命定义 ; 系统理论 ; 生命起源; 自复制  中图分类号:09 B 2  文献标识码 :  A 文章编号 : 7 —9020 )4 0 1— 4 1 147(060 —03 0  6 生命是什么?如何揭开生命起源之谜?这是古 今 中外 学者普遍 关注 的 问题 , 2 是 1世纪人 类要 解 答  的四大起 源 问题 ( 宇宙 的起 源 、 球 的起 源 、 地 生命 的 有新陈代谢和产生负熵的功能, 例如内燃机也要不断  吸入 新鲜空气和燃料, 排出废气并对外做功。所以新  陈代谢和产生负熵不是生命产生的充分必要条件。   另外, 在生命产生的过程 中, 必然伴随着能量转 化和利 用 , 这不 是 最 重要 的 。非 生 物也会 利用 能  但起源和人类的起 源) 之一 。亚里士多德、 康德、 恩格  斯等都曾提出过自己的看法。  一、生命的功能定 义 量, 以研究生命的起源和本质的关键问题, 所 不是生 物消耗 了多少 能量 , 是 生物 如 何 利 用 能量 形成 复  而杂结 构。  2 灵 活适应说  .现有的对生命 的定义主要有两种 : 一种是主要  从生命的性质和功能来定义, 可以叫做功能定义; 另  外一种是从生物 的特有结构来定义 , 可以叫做结构  定义。功能定义也有两种, 一种认为生命是多种性  质的集合, 所以又称“ 集合定义” 另一种强调少数几  ;种或一 种性 质为生命 的本 质性质 , 以叫做 “ 可 根本 性  质定义 ”  。灵活适应的生命概念是 由美 国里德学院的哲学 教授 马克贝 多( akBdu 提 出来 的。贝 多认 为 :  M r ea) x是生命 当且仅当: ①X是灵活适应系统 ; ②X以恰 当   的方式 与灵 活适应 系统相联 系[33。 102  1-这 个定 义 的缺 陷 是 , 没有说 明如 何判 断 一个 系  统是不 是灵 活适应 系统 。死 亡 了的生物 和灭绝 了的 生物 是不是灵 活适应 系统 呢?而 且没有说 明繁 殖是 “ 集合定义” 往往是通过列举生命的一系列特征  来定义生命。比如 : 新陈代谢、 生长、 发育、 遗传、 进  化、 应激性、 自稳态、 自组织, 等等。   但 在 生物 的这 些 特 性 中 , 然 有很 多 特性 不 是  显 普遍的, 不是形成生命的必要条件。所以这样的罗  列无法找到生命 的本质特征。  根 本性质 定义 目前主 要有 4种 :  1 新 陈代谢说  .不是 灵活适应 的充分 条件 。   3信 息说  .李建会认为:信息定义强调的是 , “ 生命在生长  和繁殖过程中信息的传递作用。一个实体如果具有  冯・ 诺伊曼式的 自 我复制或繁殖的能力 , 那么这个实  体就是有生命的。[ ”1 ]   但他没有把繁殖与生物复杂结构产生的原 因结 新陈代谢说认为活的生命的一个基本的表现就  是其体 内一直在进行着 物质代谢和能量代谢。2  o世纪 4 年代 , o 薛定鄂把这种新陈代谢观点作了进一 步发展 , 提出了负熵说生命定义。到了 7 O年代 , 这  种负熵说被发展成为 自 创生说。   但这些定义都有 明显 的缺 陷 , 因为很 多非生物也 收稿 日期 :06 0 —9 2O —6 0 合起来 , 没有用繁殖去解决 目的论的问题 , 而把传递 信息当成鉴别生命的主要依据。很多非生物都能传 递信息 , 所以把能否传递信息 当成鉴别生命的主要 依据是错误的。  作者简介: ( 6-)男, l 1 7 , 河北辛集人, 从事生命科学 研巍。  ̄J 9 讲师, 哲学  ・ l ・ 3  维普资讯 http://www.cqvip.com4. 殖 说   繁我们现有生命是如何产生的, 即在原始地球的特定环  境下。 通过化学进化的方式产生生命。但是, 离开原  始地球 的环境 , 开化学进化 的方 式一定就不 能产生  离生命吗?这是分 子 生物 学无 法 回答 的 问题 。也 就是 进化 生 物 化 学 家 梅 纳 德 ・ 密 斯 (.Manr  史 J ya dSi ) mt 曾说过 : h 我们应该把任何具 有繁殖、 遗传和变  异属性的实体群体当作是活的【3   7 J。梅纳德 ・ 史密斯 的定义实 际上 已经把主要 内容都 说, 分子生物学不能说明这种方式是不是生命产生的   必要条件。②分子生物学主要使用分析的方法, 对现  有生物的结构进行分析, 用现有生物的结构去解释现  有生物的功能 , 综合的方法使用得 比较少。而要说明   生物的本质主要是使用综合的方法, 而且是必须针对  所有的生物和非生物进行综合。首先找到所有生物 的共性 和所 有非 生物 的共 性 , 后 比较它 们 的差异 , 然  说清楚了。但持这种观点的人很少。梅纳德。 史密斯 虽然很 有名 , 但他 的 观点也 没 有 引起 很多 人 的注 意。   好像没 有一 本与生物学有关 的教科 书采用 他 的定义 ,  更不被认为是生命之谜 的最后答案。贝多的理论是 在梅 纳德 ・ 密斯 的基础 上发 展来 的 , 贝多 只继 承  史 但了他的适应的思想 , 而把最核心的思想抛弃了。   梅纳德 ・ 史密斯 的定义本身也有缺 陷。他没有 强调 生 物数量 的 突变 作 用 , 有 把 这 看做 是 生 物适  没 应环 境 的关键 环节 。而 且 , 纳德 ・ 密斯没 有 明确  梅 史这样才能找到生命的本质, 从而给生命下一个确切的   定义 。而且在所 有 的生物 中既要 包括见过 的生物 , 也 要包括没见过 的生物 , 既要包 括 已经 存在 的生 物 , 也  要包括可能 存在 的 生物 。所 以生 物学 家觉得 这个 问  题太哲学 , 他们要研究 的问题。 . 不是    地把他的观点用于解释生命 的起源, 他主要关心进 化 的问题 。  二、 生命 的结构定义和分子生物学的局 限 多数功能定义 都没有深 究生命现象产生的原  因, 只停留在对现象的分析上。新陈代谢是一种  而 现象 , 灵活适应和信息传递也都是 现象。作为定义  也许是可以的, 但要探寻生命 的本质 , 必须探寻这些 现象 产生 的原 因。  三 、 内外 系统科 学的有关研究进展  国既然 分 子生 物 学 不能 解决 这 个 问题 , 们就 必  我 须求助于其他学科。令人高兴的是系统科学在这方  面 已经取得 了很 大进 展 。不 过 , 没有 确 切地 给 出  还生命本质的答案。   耗散结 构理 论 注意到 系统处 于非平衡 态 时可 以 通 过消耗 能量产 生 秩序 。但 耗 散结构理 论没有 注意  到无 论是 系统处 于非平 衡态 还是 消耗 能量都 只是产 系统论 的基本 出发点是系统的结构决定功能。   生物具有与非生物不同的功能, 因在于生物具有  原 与非 生物 不 同的结 构 。  l 纪 , 格 斯 主 要 从 大 分 子 的角 度 定 义 生  9世 恩生秩序的必要条件, 而不是充分条件。  郑维 敏认 为 : 繁 殖 是 物 种 求 生 存 发 展 的推 动  “命。他说 :生命是蛋 白体 的存在方式, “ 这种存在方  式本质上就在于这些蛋白体的化学组成部分的不断 的 自我更新 。 【  ”2 J力, 它是一种正反馈 。“ ” 其他系统 中的 自 增强、 自催  化、 组织等都是正反馈作用 , 自 是促使事物演化的原  因。[ 但他 没有说生命 的起 源是不是正反馈 的结  ”] 3 果。对生物如何通过正反馈形成 自组织也没有详细 的论述 。  2 世 纪 5 代 以后 , N 0 0年 D A双 螺 旋 结 构 的 发 现 及其遗传功能的研究进展改变了人们关于生命的本  质是蛋 白质的看法。开始把生命 的分子基础看做是  具有 自 我复制和携带有遗传信息 的核酸。   本来分子生物学可 以帮助人们理解生命 的本  质。然而 , 在分子生物学革命之后的很长一段时间,   主流哲学家和生物学家们似于完全忽视了生命本质 的问题 。从 2 纪 5 o世 o年代 以后 , 物学 家 和 哲 学  生艾 根 提 出 的超 循 环 理 论 是 生 命科 学 的 重大 突 破, 国内外学者都将其奉为经典。但学术界似乎并  不认为艾根已经给出了生命之谜 的最终答案。如弗  里德里希 ・ 克拉默认为艾根的超循环理论虽然重要 ,   但“ 不是对 进化 的解 释” J   【啪。   胡皓对 自 组织产生的机理作 了详细论述。他指  出i 类似“ 三分子模 型”2 Y=3 ) (X+ x 的正反馈作用  使系统产生了质上 的协同效应和量上 的放大效应。   由于这类互为因果 的相互作用 的连锁进行, 一个原  先只是局 部范 围 的涨 落 , 一个 相对 很短 的时 间 间  在隔 内 , 迅速放 大到 整体范 围 , 成一个新 的有 序结  被 形家几乎大都避而不谈这个问题。生物学家往往感到  这 个 问题太“ 学” 因而把 它 当作是 一个哲 学 问题 , 哲 ,   而 不是一 个科 学 问 题。而 另 一 方 面 , 学 家 可能 感  哲 到这个 问题 “ 太科 学” 因此 把 它 主要 看 作 是一 个 科  ,学 问题 , 而不是 一个哲 学 问题【 l   19 J。由此可见 , 分子生物学并没有像很 多人预想 的   那样 , 为我们揭示生命的本质。为什么会这样呢?   分子生物学有两个缺陷: ①分子生物学只能告诉 ・ 构。这类正反馈类型 的相互作用 , 是系统进化在子  系统 这一层 次上 的微观机 制 L。但胡 皓没有 把这种  5 J 微观机制用在对生命起源的解释上。  l ・ 4  维普资讯 http://www.cqvip.com可以说 , 系统科学的成果距离揭示生命的本质  只有一步之遥, 但现在还没有人捅破这层窗户纸 。  原 因是 自复制 。  一旦某种 大分子 物质 在 自然条 件 下具有 最简 单 四、 生命起源 的充分必要条件 生命物质之所以具 有新陈代谢、 生长、 发育、 遗  传、 进化、 应激性等功能 , 而非生物没有这些功能, 是  因为生物具有与非生物不同的结构。碳、 氢、 氮、 氧 等物 质可 以构成 生物 , 可 以构 成非 生物 , 也 它们之 间 的自复制的功能, 而且它的结构在 自然条件下 比较  稳定, 那么这种结构的数量就有可能会产生突变 , 这 样一来 这种 结构就 一定 能长期 大量稳 定地存 在 。   而 一 旦这 种 结构 能 长期 大 量稳 定 地存 在 , 可  就以在这种结构的基础上不断进化。经过几十亿年的  进化之后, 就会产生 出众多复杂多样的新结构。这  些新结构将使得任何复杂多样 的功能得 以产生 , 从  而呈现出一个绚丽缤纷的生命世界。   所 以生物产生 的充分条件可归结为: ①某种大  分子物质的结构使它在 自然条件下具有 自 复制的功  能; ②这种结构在 自然条件下比较稳定, 能通过指数  增长实现数量的突变。   所谓“ 生物适应环境” 就是指生物在某种环境  ,下 比较 稳定 。 被破 坏 的速度 明显 低于 自复制 的速度 ,  的区别完全是结构差别造成的。所 以, 探寻生命的   本质 , 键是 要研 究 生 物 的那 些特 定 的结构 为 什 么  关能够 产生 和持续存 在 。   特定 的结 构并 不 一定 是 由蛋 白质和 核酸组 成 。  在生命 起 源的 过程 中, 先有 蛋 白质 , 是 还是 先有  RA N ?这个问题曾有过激烈争论。其实不管是蛋 白   质还是 R A可能都不是生命产生的必要条件 , N 机器 人也 已经具 有很 多 生物 的特 点 , 以必 须脱 离 这 些  所物质形式去寻找生命物质结构的本质特征。   现在我们设想有某种 物质具有生命的功能 , 那 么不 管它是 不是 由蛋 白质 和核 酸 构 成 , 它一 定具 有 一能通过指数增长实现数量的突变。   满足这些条件的物质系统就一定是生命, 不管它  是 由蛋白质还是 由核酸组成 , 也不管它是否为其他生  命过程传递信息, 甚至不管它能不能进行新陈代谢。  生 物 的功能 虽 然有 很 多 , 如新 陈代谢 、 长 、 生 发 种特定 的与 周 围的非生 物不 同 的结构 。   我们 知 道 , 自然界 中的 任 何物 质 都会 与周 围 的 其他物质发生相互作用 , 包括碰撞、 传热等物理作用   和各种化学反应 , 这些相互作用可以改变物质的结  构。一旦那种生物的物 质结构发生 了变化, 它很 可  能就不再具有生命功能 了。因此 , 在各种环境破坏  下, 生物的结构必须持续存在 , 生命的各种功能才能 持续存 在 。  一育、 遗传、 进化、 应激性等 , 但不是每一种生物都具有  所有这些 功 能。在 这 些 功 能 中 , 只有 自然条 件 下 的 自复制 或称 繁殖是 所有生 物都具 有 的功能 。最 简单 的生物可以没有新陈代谢和生长、 发育等功能, 但没 有 繁殖 功能 的生物 是不存 在 的。所 以 自然条 件下 的  自复制 是一切 生物 产生 的必要条 件 。机器人 的结构 般来说 , 结构越复杂 的物质越容易被破坏。  再复杂也不是生命 , 因为它不能 自复制。  可 见 , 自然条 件下 能实 现 自复制 的 比较 稳定  在我们所说 的 生 物一 般 是 指 由大 分 子 构 成 的物 质 系 统, 多数生物的结构都极其复杂 , 与非生物相比复杂 得多 。那 么为什 么生 物能保 持稳 定 的结 构 呢? 比较 的大分子物质结构既是一切生物产生的充分条件 ,  又是一切 生物产 生 的必要 条件 。所 以这才真 正是 一  切 生物产 生 的充 分 必要条 件 。  高级的生物有再生、 免疫等维持结构稳定的功能, 但  也有很多生物没有这些 功能。那么 , 这些生物靠什 么维持 自身 结构持续 大 量地存 在 呢 ?  由此便可引出生命的定义: 生命就是一种具有  特殊结构的大分子物质, 这种结构使它具有在 自然  条件下通过 自复制等正反馈运动维持 自 身结构存在 的功能 。  其实, 每时每刻都有大量生物死亡, 但与非生物  不同的是, 每时每刻都有大量的生 物个体产生。繁 殖的结果是数量的指数增长 , 指数增长的结果是一 场突变 , 如果条件许可 , 它们 的数量将达到天文数  字。如果你不好想象这种突变的剧 烈程度, 你就想  想原子 弹爆 炸 , 因为原 子 弹爆 炸 也 是 正反 馈导 致 的 突变 。还有 蝗灾 、 鼠患 等等 。  依靠 自身的功能 , 保持 自身结构存在的能力就  叫生命力。非生物也能长期稳定地存在 , 但那主要  不是依靠 自身的功能, 而是依靠环境形成的。  五、 地球生物的起 源和进化 在原始地球环境 中, 由于已经能够产生很多大 分 子物质 , 以具 有 自复 制功 能 的大 分 子物 质 就 已  所由于生物 的数量能呈指数增长 , 生物可以大量  存在, 即使条 件很 恶劣, 总有一定数量的生物存  也 活, 所以生物的特定结构便能持续存在 , 即非平衡态  的结构便能持续存在。因此 , 生物结构能持续存在  的主要原因是数量的指数增长。而产生指数增长的  经具备了产生的条件。不管这种物质是 由核酸还是 由氨基酸 构成 , 只要 产 生 了某 个 具 有 自复 制 功 能 的 大分子物质 , 那么生命的历史便正式翻开了第一页。  ・ 1  ・ 5  维普资讯 http://www.cqvip.com如果条 件许 可 , 种 物 质 的 数 量就 会像 原 子 弹爆 炸  这一一个事物都有多重本质, 同的人从不 同的角度去  不不过仍然可以说找到了生命产生的充分必要条 样呈 指数 增长 。 从 此 , 何外 部力 量 都很 难 再 消  任分析会 有不 同 的观 点 。  灭这种结构。也就是说这种物质的生命力会越来越  充分地显示出来 。而这种结构 的大量存在, 也就意 味着 进化 的历史 不 可逆转 地开始 了。  件, 就在探索生命的本质方面取得了突破性的进展。  弗里德里希 ・ 克拉默教授在《 混沌与秩序》 一书 中 。 出生 物的复 杂 结构 产 生 的概率 问题 。大肠 杆  提六、 人工生命 自 18 年 国际人工生命研讨会召开以来 , 从 97 人  工生命的研究得到了快速发展, 成果包括众 多的人 工生命 的模 型和有 关方面 的理论进展 。  菌的遗传信息由纯粹偶然性导致正确结果的可能性 是 1 0的二百 四十 万次方 分之 一 。所 以克 拉默 断定 ,  如果生命是从一 系列随机事件 中产生的, 那么现在  就根本不会有生命存在l2   42 J。这样 一来就 只 能求助 于 目的论 了。产生 这种 观  点 的主要原 因就 在 于 , 有 考 虑 到生 物 自复 制 导致  没 的数 量突 变 。这 种 突变 可 以很 容 易 地达 到 l 0的二  百 四十万 次方 以上 的数量 级 。   最初 的生命 是 很 简 单 的 , 全是 在 原始 地 球环  完人工生命无非是一些计算机程序 , 这些程序如  果设计得好 , 就能表现出一些生命 的特征。人工生 命 的研究给我们一个启示 , 生命不依赖于碳 、 氧  氢、 等物质而存在的可能性是存在的。因此生命起源的  化学进化方式不是生命起源的必要条件。  但是人工生命也和分子生物学一样。 虽然轰轰  烈烈 , 却最终在生命 的定义和本质问题上没有为我  们提供一个确切的答案。实践 的发展虽然可以促进  理 论 的进 步 , 但不能 代替理论 的发展 。 而且还 需要 理  论的指导。由于人工生命是人为制作 的, 以人们  所 可 以人 为地 增加 和减 少一 些属 性 。 而验 证 这 些属  从 性 的充 分必要 性 。如 果人工生命 的研究 者意 识到揭  开生命之谜 的关键是寻找生命产生 的充分必要条  件, 那么他们就会去做这样的实验。通过这样的实  验 人们会 发现 , 陈代 谢 、 新 生长 、 发育 、 进化 、 应激性 、   自稳态等功能都不是生命产生的充分必要条件。生  命 产生 的充分必 要条 件只有一个 , 那就是 自复制 。   现有 的 人 工 生 命 中 , 论 是 道 金 斯 ( i a   无 Rc r hd Dwi ) ak】演示的生物形态程序(i o h)还是托马斯  I s B m r s, o p 雷(h m a) T r 模型都与这个结论相一致。 T伽 Ry 的 ir ea  ・境中偶然产生的。由于简单所 以产生的概率很大。  当然 这个过 程也 用 了几亿 年 的时间 。  最初的生命产生之后 , 马上就开始了进化的历  程。进化由遗传 因子的逐步变化形成 , 每一步变化  都是 物质 之间相 互作 用 的结果 。这里所说 的作 用是  广义的, 包括物质之间一切形式的相互作用 , 例如高 能辐 射对基 因 的影 响以及各 种化 学反应 等 。   相互 作用 的方 式 可 以是 随机 的, 但生 物 之 间 的  相互作 用 以及 生 物与 环境 之间 的相互作用 不是 在一  组物质 之 间进 行 , 是 在数 量 无 比庞大 的物 质之 间  而进行 。而且 这种 过程进 行 了几十 亿年 。  这样 一来 简 单 物质 反 应 产 生复 杂物 质 , 复杂 物  质反应 产生更 复 杂 的物 质 。 样 的 反应 进行 的概 率  这 就大 多 了。 由纯粹 偶然 性 导致正 确结果 的可能 性就  不再 是 1 0的二百 四十万 次方分 之一 , 是 1了。 而  有 了正反馈 , 世界就可以不再走向衰退。各种 结构 复 杂的物 质就 会 逐 渐 产 生 , 在这 些 复 杂物 质 中 但要完全证实这个结论, 还需要做进一步的实验。   另外 , 人工生命也不是真正的生命 , 因为它只能  在人造 环境 下生 存 , 不 能在 自然环 境 中生 存 。只  而 要一关电源, 人工生命就“ 了” 死 。但只要有人工生  存环境 , 人工生命就能表现出与 自然生命相 同的生  命力 。所 以在忽 略这一条 件 的前 提下可 以把人 工生  命当成真正 的生命。   参考文献 :  [] 1 李建会 . 与真理为友 : 现代科学 的哲学追思[ ]上海 : M  上  海科技教育 出版社 ,02  20 .比较稳定的即能适应环境的个体的数量很快就会急  剧增长。所以在 自然选择的作用下 , 生物一定会从  简单向复杂 , 从低级 向高级发展 。有 了正反馈, 进化  的世界观才能成立 , 才能战胜热力学第二定理引导  的退化 的世界 观 。   自复制是一 种比较简单 的正反馈, 超循环是 比   较复 杂 的正 反馈 , 生物 世 界 中还存 在 很 多其 他 形 式  的正反馈。但在生命起源时起作用的正反馈应该只  有 自复制 , 其他 形 式 的正 反 馈 只 有 当生 物进 化 出 比 []马克思恩格斯选集; 2 第三卷 [ . M]北京: 民出版社, 人  1 7 :2   9 2 lO.[] 3 郑维敏. 正反馈[ . M]北京: 清华大学出版社, 9 : 一   1 8 I Ⅲ. 9 [] 4 弗里德里希 ・ 克拉 默 . 混沌与 秩序——生物 系统 的复杂  结构I . N]柯志阳, 吴彤译. 上海: 上海科技教育出版社,  2I   0 0. D较复杂的结构之后才会产生。  在 自然条 件下 能实 现 自复制 的 比较 稳定 的大 分 子物质结构是生命产生的充分必要条件 , 而这是不  是生命的本质呢?可以说是 , 也可 以说不是。任何 ・ [] 5 胡皓 . 自组织 理论与社会发展 研究 [ ]上 海 : M. 上海科技  教育 出版社 ,02 8 0  20 : - . 45l ・ 6  


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