化学稳定性与静态稳定性的差异

稳定性是一个相对简单易懂的概念，如果一个个体能够在一段时间内维持不变，那么这个个体就是稳定的。不过，在物质世界中，稳定性可以被分为两个不同的种类，即静态稳定性与动态稳定性，前者的含义很容易理解，而后者可能还需要一些解释。静态稳定性很好解释，举例来说，水是热力学意义上的稳定物质，如果用适宜的方法将水提纯，那么它可以在一段时间内维持不变，水维持不变的时间段甚至还可以继续延长。正如我们之前讨论过的那样，静态稳定性就是热力学意义上的稳定性。

不过稳定性还有另外一种形式，一种不同于静态稳定性的动态形式。请想象一条河流，比如说穿过伦敦市中心的泰晤士河。泰晤士河的起源可以追溯到3000万年前，当时泰晤士河还是莱茵河的一条支流。但是，现在泰晤士河的河道和外貌与数千年前的样子相比并没有发生太大的改变。如此说来，泰晤士河作为一个个体应该是比较稳定的。不过，泰晤士河的这种稳定性和具有静态稳定性的系统非常不同。形成泰晤士河的水流，不是固定不变的，而是处于不断改变的过程中。从这一意义上来说，今天我们眼前的河水和我们上次见到的河水是完全不同的。这种稳定性就叫作动态稳定性，喷泉（或者瀑布）是稳定的（只要能源源不断地供水）但是构成那个喷泉（或瀑布）的水却在不断地更新。

那么，河流、瀑布、喷泉这类事物所展现的动态稳定性与化学反应又有什么关系呢？其实二者之间的关联还是很紧密的。现在，让我们回到分子复制的问题上来。由于分子在自我复制的过程中，反应速率呈指数型增长，所以就像在棋盘上成倍数地放米一样，这个过程是不可持续的。如果一个分子要复制160次（当然这种情况仅在理论上成立），那么这一过程将会消耗与整个地球的质量相当的资源！这也意味着任何一个复制系统（无论是由复制分子、兔子，还是其他可以复制的物质所构成），如果想要保持稳定，那么该系统的生成速率一定要与其分解速率保持平衡。换句话说，为了让复制反应在一段时间内持续下去，那么系统的分解速率一定要与其生成速率相适应。在这样的条件下，复制反应才能在理论上无限地进行下去。

但是，什么会导致复制系统的分解呢？如果一个复制体是化学物质，比如说是一个复制分子，那么这个分子将会经历一系列相互竞争的化学反应，导致该分子不久就会被分解。比如RNA寡聚体（寡聚体是一个由基本组成单位构成的链状分子）和肽就是一个复制分子的基本范例，这一系统从热力学的角度来说并不是非常稳定，因为它处于不断分解的过程中。如果一个复制体是生物系统，比如一个细菌或者其他多细胞生物，这种系统的复制过程和化学系统中的情况差不多。这时，分解（现在可以称为死亡）的威胁也在四周虎视眈眈。缺乏营养、生物或化学攻击、物理损伤、凋亡（细胞的程序性死亡）或者其他机制，最终都将导致生命体的死亡。无论是什么机制造成了生命体的死亡（分解），其结果会平衡系统中不断发生的复制，从而维持复制系统的动态稳定性。

不过，重点在于如果一个复制系统在一段时间内是稳定的，那么系统中稳定的是复制因子的群体，而不是组成群体的单个复制因子。单个复制因子就像河流或喷泉中的水珠一样，无时无刻不处在更新的状态中。换句话说，一个具有稳定性的复制因子群体，无论构成该群体的复制因子是分子、细胞还是兔子，其稳定性是动态的，就像河流和喷泉的情况一样。所以，我们不妨把一个稳定的复制分子群体想象为一个分子喷泉。这样，我们将发现生命让现代生物学家们头疼不已的动态性，直接来源于复制反应的动态特点。(www.xing528.com)

在化学系统的语境中，静态和动态稳定性的含义有很大的差别。在一个“常规的”化学世界中，系统的稳定状态指的是其内部不会发生反应。稳定性的本质就是缺乏反应。但是，在一个复制系统中，该系统的稳定性（“稳定”指的是维持现状并且保持前后一致）只有在其中发生反应、不断进行自我复制的基础上才能实现，并且一个系统中的复制因子的反应性越强，该系统也就越稳定，因为这些复制因子能更高效地自我复制，从而维持系统的一致性。系统的反应性越强也就越稳定——这听上去几乎是一个悖论。因此，我们把复制系统所具有的这种稳定性称为动态动力学稳定性。之所以把这种稳定性称为“动态”的，原因我们已经简单陈述过了，不过我们还需要介绍另一个术语“动力”，这样才能将化学意义上的动态稳定性，与喷泉、河流等系统的物理动态稳定性区分开来。对复制系统而言，系统的自我复制速率和分解速率是决定系统稳定性的关键指标。较快的复制速率和较慢的分解速率有助于维持系统的高度稳定性，因为这样能够生成大量的复制因子群体。苍蝇和蟑螂从动态动力学角度而言是高度稳定的，因为它们能够高效地维持一个大规模的群体，这一点也常常令我们感到苦恼；熊猫这样的群体在维持稳定性方面就比较低效。确实，复制系统的低动态动力学稳定性，无论是由缓慢的复制还是快速的分解造成的，都有可能在某个时候导致该系统中的群体走向灭绝。

前文已经描述了动态动力学稳定性的独特性，以及这种稳定性与一般稳定性的差别所在，那么可能有人会想问，这两种稳定性中哪一种更好呢？哪一种从本质上来说更“稳定”呢？这些问题就像问苹果和橘子哪个比较好一样，不存在确切的答案。这两种稳定性不能进行直接的比较，而且事实上动态动力学稳定性只能通过很有限的方法进行量化。但是，我们可能会直觉性地认为，基于低反应性的静态稳定性是更稳定的状态，这种状态才是更加持久的。其实并不一定！只要认真观察一下我们周围的世界，我们就能发现出人意料的结果。比如，珠穆朗玛峰这样一个静态平衡的个体，根据地理学家的推测，已经存在了6000万年了，这无疑证明了静态稳定性的坚实基础。但是，一种非常古老的生命形式蓝细菌（蓝绿藻），已经在地球上存在了数十亿年，但是至今蓝细菌的形态都还没有发生过什么改变。生物学家们可能会就蓝细菌存在的时间段展开争论，讨论它们究竟存在了25亿年还是35亿年，但是蓝细菌已经存在了数十亿年这一点是毋庸置疑的。这才是真正的稳定！当然，我们在这里所说的蓝细菌是一个动态稳定的系统，如今的蓝细菌当然和数十亿年前的蓝细菌不是同一批。但是，通过不断地复制，它们得以在地球上持续存在很长的一段时间。更明确地说，尽管复制系统具有动态的特质，但我们并不能因此低估这种系统所具有的稳定性，比如在地球总共46亿年的历史中，蓝细菌的存在就横跨了其中很大一部分的时间。

我们到目前为止的讨论已经说明了（静态）热力学稳定性和动态动力学稳定性分别适用于不同的系统，而且它们之间也存在本质上的差异。但是，存在两种不同的化学稳定性这个事实，能帮助我们认识分别属于这两种类型的系统的物理化学特征。因为，各自属于两种不同的稳定性类型的化学系统，必然也各自遵循不同的转化规则。也就是说，存在两种化学！一种化学是“常规的”或者说是传统的化学，这个类别数百年来被研究得很透彻了，已经是一门成熟的科学。而另一种化学则是复制化学，也就是研究复制系统的化学。这种化学属于“系统化学”这一新兴的研究领域，这一领域仍然处于萌芽阶段。29对该领域的系统性研究开始于20世纪80年代，许多化学家们甚至都不知道这个领域的存在。下面让我们仔细了解这“另一种化学”，它为什么会出现，又具有什么基本特征，以及这个新兴的领域是如何成为连接化学与生物的基础的。