生命的有序复杂性：微小改变造成的意想不到后果

生命体都是十分复杂的。实际上，理查德·道金斯（Richard Dawkins）在《盲眼钟表匠》（The Blind Watchmaker）中的第一句话就指出，我们动物是宇宙中最奇妙的事物。2这句引人注目的开场白已经足以让我们意识到，生命一定有一些极为特别之处。但到底是什么让我们这些生命体如此特别？或者更准确地说，如此“复杂”？“复杂性”又意味着什么？我们可以说“复杂性”这个词语本身就很复杂——这听起来好像在兜圈子，“复杂性”这一概念至今既没有被准确定义，也没有在生物学领域被成功量化。那么，我们不妨先关注生命体的“高度有序性”这一特点——它体现了复杂性与生物学密切关联的部分。

在无生命的世界里，我们可以轻易地找到体现着复杂性的例子。一颗鹅卵石形态的复杂性来自其不规则的形状。如果要精确地描绘它们的形状，我们需要更多的信息——它们的形状越是不规则，我们所需要的信息也就越多。在某些情况下，我们甚至需要知道鹅卵石表面棱角的物理位置。但最重要的一点是，鹅卵石的不规则性，即它们复杂性的来源，是“随意”的。某一块鹅卵石可能是不计其数、形态各异的鹅卵石中的一枚，但无论它形态如何，都不会改变它是鹅卵石这一本质，也就是说，决定鹅卵石之所以为鹅卵石的并不是它不规则的形态。与之不同的是，在生命体的世界里，复杂性没有这么随意，它反而非常确定。在生命有序的复杂性中哪怕做出最微小的改变，都可能带来无法预料的后果。比如，在人类的DNA（脱氧核糖核酸）序列中做出一个微小的改变，哪怕仅仅改变了DNA序列30亿个组成单位中的一个，都有可能导致成百上千的基因疾病，比如镰状红细胞贫血症、囊性纤维化和亨廷顿病（又称“慢性进行性舞蹈病”）。这些在生命体的复杂结构中的细微改变会减弱生命体的生存能力，在极端的情况下，甚至会使生命体死亡。

非同寻常且令人困惑的一点是，这种有序的复杂性也存在于微小如细菌细胞的个体中，这些细胞的宽度不过是1毫米的千分之一。从各方面来看，细菌细胞都仿佛一个精密的纳米级工厂。“纳米级”指的是这个工厂里的元件都只有分子的大小，即长度仅为1毫米的百万分之一。这个纳米级工厂包括了复杂但完善的化学反应网络。这些化学反应使细胞能够从环境中汲取能量，合成与储存不同形式的化学物质，并调控细胞机器以保证细胞的正常运作。它的功能我们可以无穷无尽地列举下去。细菌细胞不仅仅是了不起的化学家，更是伟大的物理学家。这个微观的个体采用了所有现存的机械手段——泵、转子、发动机、螺旋桨，甚至是用于裁切的剪刀，而这些结构的大小都是纳米级的。它们保证了细胞能够高效地发挥其功能，这样才能满足细胞的“意志”。

但是生命体无可争议的复杂性与非生命体的复杂性大相径庭。这个现象在让人们感到困惑的同时也带来了两个问题。其一，细胞的有序复杂性是如何维持的？其二，这种复杂性是如何产生的？有序复杂性和热力学第二定律这个宇宙的基本法则从本质上来说互相违背。虽然我们在这个阶段还不会细谈热力学第二定律，但是简单来说，热力学第二定律指出有序的系统都将自发地朝着混乱的状态发展。比起秩序，大自然好像更青睐混乱的状态，可以说，混乱就是一种自然的“秩序”。打个比方来说，我们手里有一副按顺序排列的扑克牌，它们按牌面由大到小排列，先是两对A，然后是两对K，两对Q，依此类推，排在最后的是两对2。我们只要洗牌，这些牌的顺序自然就被打乱了。你几乎可以确定此时这副牌的顺序是随机排列的，而形成具有某种规律序列的可能性非常小。我书桌的日常状态也是一个很好的例证：无论我多么频繁地整理我的书桌，它总是很快就回到了之前乱七八糟的样子。然而，在生命体中，高度有序的状态对保证生命功能的正常运行而言十分关键，这种有序性的维持也是十分精准的。有一个生物学术语专门用来形容这种有序的状态：稳态（homeostasis），该词源自表示“静止不动”的希腊词。(www.xing528.com)

那么，在重要的物理和化学法则不断削弱这种有序复杂性的情况下，细胞又是如何维持其有序复杂性的呢？至少在热力学第二定律的语境下，这个问题回答起来比较简单：活细胞通过不断利用能量来维持其结构的组织和完整性，我们可以将这称为细胞的运作模式。这也是我们必须要进食才能够生存的原因——只有这样身体才能获得必要的能量，从而确保维持生命稳态的调控机制能顺利进行。这也解释了为什么我的书桌会时不时地变得整洁——因为每当书桌乱到影响我正常工作时，我便会消耗能量去整理书桌让其恢复秩序井然的状态。所以，从热力学的角度来说，生命有序的高能量状态不存在任何矛盾之处，就像汽车能够抵抗地心引力而向上坡行驶，还有电冰箱能在外部的热量不断流向内部的情况下维持内部的低温状态一样合情合理。上坡行驶的汽车和内部低温的冰箱通过不断利用能量来维持它们不稳定的能量状态。在汽车的例子中，能量来源于汽车发动机中燃烧的汽油，而在冰箱的例子中，冰箱压缩机运作的能量源是电力。从能量的角度进行类比，人体通过利用外界能量源来维持其高度有序的状态，而这个能量源就是我们从食物中获得的化学能，如果我们食用的是植物，那么这能量源就是由叶绿素所捕获的太阳能。总的来说，这一过程中没有太大的问题。

不过，一个更有难度的问题是，最简单的生命系统中，最初的组织是如何产生的。虽然人们普遍认为达尔文主义的进化论可以解释生物复杂性的出现，但事实却不然。达尔文主义的进化观可以宽泛地解释一个简单的单细胞有机体（我们也可以将其称为微生物“亚当”）是如何演变成大象、鲸鱼或人类的。但是，达尔文的理论并不能解决原始的生命体是如何出现的这个问题。所以，这恼人又亟待解决的问题便是：一个能够进化的系统从一开始是如何产生的？达尔文提出的进化论是一个生物学理论，他主要处理的是生物系统的问题。但生命的起源是一个化学问题，而化学问题只有通过化学（或是物理）理论才能找到最佳的解决方式。至于为何用生物学的概念来解释化学现象在方法论上存在缺陷，我们会在下文谈到，在某种程度上，这种研究方法是导致生命起源问题走入“死胡同”的原因之一。

显而易见，达尔文本人明确回避了生物起源这一问题。他承认在当时的知识发展状态下，提出这个问题的时机还不成熟，当时这个问题的解决看上去仿佛遥遥无期。所以，第一个微观的复杂结构体是如何产生的？这个问题至今富有争议且令人困惑。难道那像精密工厂一样的活细胞完全是由细胞前体随机组装而成的吗？仅仅由那些各式各样的零部件随机组合就能形成恰到好处的结构吗？这种情况不太现实。著名宇航员弗雷德·多伊尔（Fred Doyle）曾打过这样一个比方：这种情况发生的可能性，和一阵狂风刮过垃圾场后自动组装起一架波音747差不多。生命体的有序复杂性很奇怪，非常奇怪，而它的产生甚至更加奇怪。