生命是什么

王立铭

推荐序一

  • 丰富多变智慧的生命，是如何从冷冰冰的自然界中产生的？
  • 我们人类在茫茫宇宙中，至今还没找到其他生命证据。哪怕从理论上讲，在同样的物理条件下，生命应该在宇宙中绽放开花无数次了，但我们仍然没听到任何来自宇宙的声音。
  • 生命涌现于物理化学，但生命不等于物理化学。生命大厦完全由原子、分子砖头组建而成，然而搭砖头的方式仍然超出人的理解范围。
  • 化学反应总是趋向于均衡态，热力系统总是趋向于无秩序，而生物恰恰起始于非均衡态和秩序的生成。
  • 我们生于幸运，幸存于幸运，在一系列不同寻常的小概率事件和大浪淘沙般的消亡中，我们作为一种结构复杂的多细胞智慧生命，竟然从无中生有，并幸存至今，不能不说是一件神奇的事。

推荐序二

  • 我们将逐渐从被动变为主动，操起“上帝的手术刀”，改变演化方向，取代自然选择。
  • 在书中，作者将生命的驱动力分为物质、能量、自我复制、细胞、细胞间的分工五大元素，将生命的智慧分为感觉、学习、社交、自我意识和自由意志五大元素，以唯物论和还原论的哲学思维，生动地展现了生命史是与环境永不停息的奋斗史，始终体现着“物竞天择，适者生存”的演化规律。

推荐序三

  • 而生命是高度有序的系统，所以生命应以负熵为生，需要能量的摄入来维持稳定而有序的存在[插图]。
  • 曾经被生命科学吸引的物理学天才费曼戏言，在生物学领域，随便一个问题，我们都没有答案；而在物理学领域，则要花相当多的时间才能找到没有被解决的重要问题。
  • 好的科普书重要的作用不是科普知识点，因为知识早晚会变得陈旧，而是普及科学的思维和判断方式。
  • 他这本书的风格让我想起了我最喜欢的法国科学大师和优秀的科普作家弗朗索瓦·雅各布（François Jacob, 1965年因操纵子模型获诺贝尔生理学或医学奖）。他的科普著作《生命的逻辑》探讨的角度和思路与立铭这本书有交相辉映之处。

推荐语

  • 生命，如果不是因为其确实存在，本来可以很容易地证明其不可能存在。

前言

  • 在我看来，在人类所有的科学领域中，生命科学是最谦卑、也是最自负的一门科学。
  • 其次，对于人类智慧的形成，我们也没有话语权。
  • 所以，人类之所以成为今天的人类，不是因为人类多么奋发图强，多么聪明勤奋，仅仅是因为几十万年前一些偶然的遗传变异，才让我们从一大堆猿猴和人类亲戚里脱颖而出，君临天下。
  • 首先，基因编辑技术的发展，让我们有可能主动掌控自己的身体。
  • 人类就可以在受精卵里精确地修改镰刀型贫血症的致病基因，让婴儿完全摆脱这种疾病的困扰，让这个基因突变从此在这个家族里消失。
  • 2015年，中山大学的黄军就实验室利用一种名为CRISPR/Cas9的全新基因编辑技术，在人类胚胎中尝试进行了人类血红蛋白基因的修饰。
  • 沿着这个逻辑推演下去，如果可以对人体遗传物质进行随心所欲的修改和设计，那么人类未来就有可能有针对性地设计自己的下一代，让他/她智力超群，貌美如花，永远赢在起跑线上。
  • 其次，人类开始利用生物学技术破解智慧的秘密，主导智慧演化的进程。
  • 2013年，美国麻省理工学院的科学家就做了这样的尝试。他们通过解析小鼠大脑中特定区域的活动规律，从中获得了记忆的存储信息。然后，他们通过随心所欲地改变神经细胞的活动，就可以擦除这段记忆，甚至人工虚拟出记忆，让老鼠产生身临其境的幻觉。
  • 最后，现代生物学技术可以让我们更接近生命的真相，甚至改变人类的终极宿命。
  • 研究证明，有些方法能有效延长动物的寿命，比如节食。少吃能让动物活得更长久，衰老更慢。这可能是通过影响胰岛素相关的生物信号来影响动物衰老过程的。
  • 因此，无论是身体、智慧，还是生死，今天，我们确实已经站在了人类历史的拐点上。
  • 理解生命最大的难题，很可能是尺度问题。
  • 有一种叫北极燕鸥的小鸟，每年都要在地球的北极和南极之间飞一个来回，一生之中飞翔的距离长达数百万千米，足够在地球和月球之间往返三次。
  • 不管是植物还是动物，是细菌还是真菌，回溯几十亿年，我们都共享一个祖先。有人还给这个祖先起了个名字，叫LUCA，意思是现今地球生命的最后共同祖先。当然，LUCA是一种假想中的生物，在今天的地球上并没有。
  • 今天每一种地球生命的体内都蕴藏着来自古老祖先的遗传信息，都记录着过去几十亿年来地球气候环境变迁的历史，以及对生物特征的修饰和筛选。每个活着的地球生命都是一部鲜活的地球自然历史。

序曲 地球人和外星人

  • 对外星人的想象可能源自人类内心一种特别的孤独感。
  • 德雷克公式：N=R*·fp·ne·f1·fi·fc·L
  • 2013年，旅行者1号历经36年187亿千米的远行，终于离开太阳系，进入人类从未涉足过的恒星际空间，带着全人类的光荣和梦想向银河系深处挺进。尽管电池失效的它再也不会向地球发回任何信号，但是想到在茫茫宇宙中还有这么一颗人类文明的小小种子，全人类都应该感到骄傲和温暖，并更加团结

三种灵魂

  • 亚里士多德认为植物有一种灵魂，催使它们不断地生长繁殖；动物则多了一种灵魂，负责感知和运动；而我们人类有三种灵魂，除了动物的两种灵魂外，还有一种负责理性思考的灵魂
  • 在17世纪的法国哲学家勒内·笛卡儿（Rene Descartes）看来，哪里有什么虚无缥缈的灵魂，生命现象完全可以用冷冰冰的科学定律来解释，甚至只需要用人类已知的简单机械原理就足够了。

活力论的兴衰

  • 英国科学家约翰·道尔顿（John Dalton）天才地提出了原子论，认为化学物质无非是不同化学元素的原子微粒组合而成的，而化学反应的本质其实就是这些原子颗粒的重新排列组合。
  • 巴斯德，微生物学之父。巴斯德不仅证明了发酵过程是由微生物驱动的，而且进一步提出人类疾病也可能是微生物导致的。他发明了沿用至今的巴氏消毒法杀灭食物中的微生物，还制作了世界上第一个狂犬病疫苗
  • 在科学的语言里，没有“自古以来”，没有“理当如此”。在证据面前曾经倒下过数不清的科学假说和思想，但是对客观世界规律的深入探索却从未停步。
  • 既然如此，那为什么不干脆一些，假设生命现象本质上和自然界发生的物理化学现象并没有什么明确的界限？或者，为什么不干脆用已知的物理和化学规律去解释整个生命现象呢？

烧瓶里的原始地球

  • 真正为灵魂论和活力论钉死棺材板，在物质层面彻底葬送生命特殊论的，是大名鼎鼎的米勒-尤里实验。
  • 众所周知，氨基酸是构成蛋白质分子的基本单位。地球上所有生命体中的蛋白质分子，都是由20种氨基酸分子排列组合而成的。而蛋白质是什么？蛋白质是组成地球生命的重要物质，人体内蛋白质分子占到了体重的20%，仅仅少于水分所占的比例。在人体的每一个细胞里，都有超过10亿个蛋白质分子驱动着几乎全部生命所需的化学反应：支撑细胞结构、传递细胞信号、复制和翻译遗传信息、产生和消耗能量，等等。说氨基酸分子是构成地球生命的基石，一点也不为过。

生命是什么

  • 从灵魂论到活力论，从尿素合成到米勒-尤里实验，随着我们一点点地抛弃生命特殊论，一步步将神秘莫测的生命现象还原到基本的物理和化学定律，生命和非生命之间的界限在不断模糊。
  • 薛定谔雄辩地指出，尽管在高度复杂的生命体中很可能会涌现出全新的定律，但是这些新定律绝不会违背物理学规律。遵循这个观念，薛定谔提到生命活动需要“精确的物理学定律”，他设想生命的遗传物质是一种“非周期性晶体”，而遗传变异则可能是“基因分子的量子跃迁”。他敏锐地提出，生物体需要不停地从环境中攫取“负熵”，才能避免死亡和衰退。
  • 我们希望最终理解生命，理解我们自己。而为了实现这个愿望，我们必须首先假定生命是可以被我们理解的，生命现象里没有超越我们认知能力的神秘物质和规律。

第2章 能量：生命大厦建筑师

  • 蛋白质分子是生命现象最重要的驱动力，是绝大多数生物化学反应的指挥官。
  • DNA密码的书写规则其实很简单，三个相邻的核苷酸形成一个密码子，决定了蛋白质分子中一个氨基酸的身份。
  • 2017年初，美国哥伦比亚大学的科学家人工合成了总长度达到1440万个核苷酸分子的DNA链，并且利用DNA编码规则，在里面存储了一整套计算机操作系统和一部法国电影！
  • 当生物死亡的时候，组成它的生命物质可能原封不动地保留下来了，但是生命现象却仍然不可逆转地消失了。换句话说，生命物质和生命现象之间一定存在着一条虽然不为人知、却难以逾越的界限。
  • 让氨基酸和核苷酸单体分子组织在一起变成蛋白质和DNA链，是一件非常困难的事情。
  • 粗略估计一下，一个细胞中95%的能量储备都用来支持蛋白质组装了！
  • 换句话说，如果你手里有一堆氨基酸和核苷酸单体分子，每次抓一把丢进魔法师的礼帽里让他们随机拼接，可能试到地球消失的那一天也拼不出生物学上有意义的蛋白质和DNA来，其难度大概和猴子随机敲键盘打出莎士比亚的《哈姆雷特》差不多。
  • 依据热力学第二定律（见图2-2），任何一个孤立系统的混乱程度——物理学家更喜欢用“熵”这个物理量来表述——总是在增大的。

以负熵为生

  • 如果存在外界能量的注入，一个局部系统的混乱度确实也可以下降而不违反热力学第二定律。这也正是薛定谔在《生命是什么》一书中的名言“有机体以负熵为生”。
  • 直到今天，全部地球生命所能利用的太阳能加在一起，也仅是抵达地球的太阳能总量的千分之一。
  • 在生物体内，化学反应释放的能量首先被用来合成一种叫作三磷酸腺苷（adenosine triphosphate, ATP，见图2-3）的分子。之后这种蕴含能量的分子再去驱动各式各样的生物化学反应。通俗地说，ATP就是地球生命通用的能量“货币”。
  • 和货币一样，ATP分子也不会被消耗，它只会在“高能量”和“低能量”两种状态里无休止地循环往复，为生命现象提供能量。实际上在人体中，每一个ATP分子每天都要经过两三千次消费-生产的循环。当生命需要能量的时候，ATP可以脱去一个磷酸基团，变成二磷酸腺苷（adenosine diphosphate, ADP，见图2-3），蕴含在分子内部的化学能就会被释放出来。而反过来，当能量富余的时候，ADP也可以重新带上一个磷酸基团，变回能量满满的ATP。
  • 因此这样看来，为生命大厦的建筑师找到能量来源似乎是水到渠成的事情了。无非是某些营养物质——可以是葡萄糖这样的有机物，也可以是硫化氢这样的无机物——通过化学反应释放能量，合成ATP，然后ATP再去为各种各样的生物化学反应提供能量的过程嘛。

化学渗透：生命的微型水电站

  • 在米切尔看来，生物利用营养物质兑换能量货币ATP的过程，其实就和人们利用水力发电的过程类似。
  • 首先，生命体利用营养物质（特别是葡萄糖）的分解产生能量，能量驱动带正电荷的氢离子穿过细胞膜蓄积起来，逐渐积累起电化学势能。之后，在生命活动需要能量的时候，高浓度的氢离子通过细胞膜上的蛋白质机器反方向流出，驱动其转动产生ATP。
  • 这个原则就是，再大牌的权威、再传统的主张、再符合直觉的世界观，都必须符合实验观测的结果，否则没有力量救得了它。
  • 在动物细胞的能量工厂——一种叫作线粒体的微型细胞机器中，确实存在极高的氢离子浓度差。跨越线粒体内层膜，仅仅几纳米的距离跨度就有上百毫伏的氢离子浓度差，这个差别堪比雷雨云和地面之间的电荷差别。
  • 看吧，根据几百年间积累的经典力学和电磁学知识，人类设计出了水力发电机，而它居然和大自然几十亿年的鬼斧神工不谋而合。 这当然也可以看作对生命奇迹的礼赞：不需要设计蓝图，不需要人类智慧，在原始地球的某个角落，居然诞生了让人叹为观止的伟大“工业”设计！

生命来自热泉口

  • 有了稳定的浓度差，就能够稳定地蓄积电化学势能；而电化学势能就可以驱动发电机，为生命大厦的建筑师供应能量。
  • 既然已经有了利用化学反应制造ATP分子的方法，今天的地球生命为什么仍然不约而同地继续选择借助氢离子浓度差生产ATP？
  • LUCA。它并不一定是地球上最早出现的生物，但是现今地球所有生物（动物、植物、细菌、古细菌等）都是它的子孙后代。严格来说，LUCA是一种生物学家假想出的生物，在今天的地球上无迹可寻。但是根据现存物种的基因组信息比较结果，人们可以推测LUCA大致生活在距今38亿年至35亿年前，嗜热厌氧
  • 2000年末，科学家在研究大西洋中部的海底山脉时，偶然发现了一片密集的热泉喷口（见图2-9）。这片被命名为“失落之城”（Lost City）的热泉与已知的所有海底火山不同，它喷射出的不是高温岩浆，而是40～90摄氏度的、富含甲烷和氢气的碱性液体。而碱性热泉能够提供几乎永不衰竭的氢离子浓度差！远古海洋的海水中溶解了大量的二氧化碳，应该是强酸性的。因此当碱性热泉涌出“烟囱”口，和酸性海洋相遇的时候，在两者接触的界面上，就会存在悬殊的酸碱性差异。而酸碱性差异，其实就是氢离子浓度差异。

第3章 自我复制：基业长青的秘密

  • 在氧气缺乏的环境下（例如肌肉持续收缩时），一个葡萄糖分子分解成两个乳酸分子，仅仅能产生两个ATP分子。而在氧气的帮助下，葡萄糖分子可以彻底分解为二氧化碳和水。这个过程中所释放的能量，通过驱动细胞内的微型水电站——ATP合成酶，可以制造出多达28～38个ATP分子。
  • 如果把时间尺度扩大到整个地球生命史，再考虑到太阳光强度、昼夜长短、大气组成、土壤的化学成分、食物和天敌等复杂的环境因素，就会得到一个不言而喻的结论——在翻脸无情的地球母亲的怀抱里，没有哪个生命可以做到永远左右逢源。
  • 一个显而易见的悖论出现了。诞生于远古地球的始祖生命——那些由能量这个天才建筑师建立的生命大厦——是如何逃开了无可避免的意外事故和难以抗拒的沧桑巨变，绵延不绝一直到今天的？答案其实很简单：自我复制。
  • 对自身的不断复制保证了生命不会因一场意外而彻底毁灭，而自我复制过程中出现的错误，则帮助生命适应了地球环境的变化。

思想实验中的生命演化史

  • 在今天的绝大多数地球生命中，三维到一维的信息简化是通过DNA分子实现的。
  • 特别值得指出的是，DNA的复制过程异常精确，在人体细胞中，DNA复制出错的概率仅有10的9次方分之一。这就从原理上保证了它可以作为生命遗传信息的可靠载体。
  • 除了负责制造能量货币的ATP合成酶之外，生命3.0还需要一大堆各种各样的蛋白质分子，来实现DNA分子的自我复制，利用DNA分子携带的信息制造各种新的蛋白质。
  • DNA复制是一个需要大量蛋白质帮手参与的精细过程。DNA双链首先会在拓扑异构酶和解旋酶的帮助下分解成单链。随后，不同的DNA聚合酶分别负责两个方向的DNA复制，复制完成的短片段还要在连接酶的帮助下连成长片段
  • 地球生命对这个问题的回答是非常耐人寻味的：既不是先有蛋，也不是先有鸡。事实上，很可能在生命刚刚出现的时候，鸡和蛋都还没有踪影呢。

不是鸡不是蛋，既是鸡又是蛋

  • DNA负责记录蛋白质分子的氨基酸排列信息，以DNA序列为模板可以制造出各式各样的蛋白质分子。而反过来，蛋白质分子除了制造能量，还可以帮助DNA实现自我复制。
  • 在DNA和蛋白质的二元化结构之间，平白无故地多了第三者：RNA（ribonucleic acid，核糖核酸）。
  • RNA密码本其实并不是一字不差地誊抄了DNA密码本的信息，例如DNA密码本中往往会写着大段大段看起来没有什么特别用处的“废物”字母（它们的学名叫作“内含子”）。在抄写RNA密码本的时候，生物会首先老老实实地誊抄这些废物字母，之后再将它们整页撕去，整理出更精简更经济的一本密码本。
  • 他们终于可以明白无误地确认，这条RNA在什么外来蛋白质都没有的条件下，仍然固执地实现了自我剪接，把那段没用的中间序列切割了出来。
  • 原本大家觉得多余和浪费的RNA分子，居然可以身兼DNA和蛋白质的双重功能：它显然可以和DNA一样存储信息，同时也可以像蛋白质一样催化生物化学反应
  • 也许曾经存在一大类逻辑类似的核酶分子，它们既能够记录五花八门的遗传信息，又能够实现形形色色的生命机能，一身担起DNA和蛋白质的使命。
  • 只要想象一个这样的RNA分子，它自身携带遗传信息，同时又能催化自身的复制（相比剪接，这当然是一种复杂得多的生物化学反应），那不就可以实现遗传信息的自我复制和万代永续了吗？什么DNA，什么蛋白质，对于伟大的生命起源来说，不过是事后锦上添花的点缀而已！

RNA世界

  • 蛋白质分子的生产是以RNA分子为模板，严格按照三个核苷酸分子对应一个氨基酸分子的逻辑，逐渐组装出一条蛋白质长链的过程。这个过程是在一个名叫“核糖体”（模型见图3-6）的车间里进行的。

第4章 细胞膜：分离之墙

  • 细胞是构成地球生命的基本物理单元。细胞内外，生命和环境的界限不言而喻。
  • 从某种意义上说，每一个细胞都可以看作一个有着自己独特生活经历和命运的生命体。
  • 马蒂亚斯·雅各布·施莱登（Matthias Jakob Schleiden）和西奥多·施旺（Theodor Schwann）是细胞学说的集大成者。
  • 在细胞学说的视野里，包括人类在内的高等生物实际上和肉眼看不见的细菌并没有什么本质的区别，都受到相同物理化学规律的约束。
  • 生命的最终出现，仍然需要有一座分离之墙，一层生命自身能够制造和储备的薄膜。
  • 不溶于水、致密包裹、有选择透过性
  • 从英国科学家罗伯特·胡克（Robert Hooke）在显微镜下观察到植物软木标本里一个个蜂巢状的微小结构（见图4-2）并于1665年提出“细胞”的概念[插图]，到1972年西摩·辛格（Seymour Singer）和加斯·尼克尔森（Garth Nicolson）提出目前被广为接受的细胞膜物质解释“流动镶嵌模型”，足足用了300多年的时间！

看见分离之墙

  • 科学研究从来就不是一蹴而就的坦途，曲折反复、浴火重生是常态。
  • 这层膜实在是太薄了！厚度还不到10纳米，远远低于光学成像的理论极限分辨率200纳米
  • 归根结底，生物学家还是败给了自己“眼见为实”的思维定式。
  • 欧福顿天才地设想，这层薄薄的细胞膜可能本身就是由脂类分子构成的，特别是胆固醇和磷脂这两种脂类分子。
  • 拉出这层膜的面积，排除掉实验误差，差不多正好是计算出的红细胞表面积的两倍！换句话说，细胞膜应该不是一层，而是由两层分子构成的
  • 细胞膜的物质成分是磷脂和胆固醇，而这两种脂类分子都有一个异乎寻常的特性：分子骨架的绝大多数地方都是电中性的，因此天然排斥水分子。但是两种分子的顶端却恰好都有一个带有电荷的“头”，因此是可以和水分子亲密结合的。也就是说，这两种分子兼具了油和水的性质，头像水，尾巴像油。这样一来，这个双层膜的现象就很好解释了。两层膜对称排列，都是头朝外，尾巴朝内，那么分子骨架上电中性的部分被完全隐藏在了内部，而分子头部带电荷的部分又可以用来结合水分子，一举两得。这样的结构甚至比单纯用脂肪分子堆积一个实心小球还要稳定！
  • 细胞膜必须存在、由磷脂和胆固醇分子构成、是一个双层膜的夹心结构这几个要点，在“眼见为实”之前就已经深入人心并写进教科书了。
  • 如果说在此之前，借由米勒-尤里实验和对莫奇森陨石的研究，科学家已经不怀疑生命物质出现在宇宙中是一件平淡无奇的事情，那么蒂莫的发现说明，就连第一个真正的生命——细胞——的出现可能都没有人类想的那样复杂，它同样可能是一件自然而然、平淡无奇的小事件
  • 有了能量，有了遗传物质，有了细胞膜。地球生命起源的三大要素就此功德圆满。

第一个细胞是怎么来的？

  • 细胞“分离之墙”必须具备三个性质：不溶于水，致密包裹，选择性通透
  • 细胞膜不再是平静无趣的致密球壳，而是一个镶嵌着各种各样的蛋白质分子、一刻不停地疏导着细胞内外交通的重要分子机器
  • 它们仅有的共同点，可能就是利用能量、自我复制和细胞膜这层“分离之墙”。在此基础之上，生命拥有无限的想象空间。

第5章 分工：伟大的分道扬镳

  • 能量在混乱无序的大自然中建立了辉煌有序的生命大厦，自我复制保证了生命能够抵抗漫漫历史长河中的衰退和凋谢，“分离之墙”则让两者合二为一，为地球生命找到了一个足以安身的小窝。
  • 实际上，即便在今天的地球上，地球生物圈的主宰都还是最简单的仅有一个细胞的生物——细菌、真菌和古细菌。

吃还是被吃？

  • 一般而言，单细胞生物的直径在几微米到几十微米之间，只有在某些极其罕见的环境中才会存在体积非常庞大（相对而言）的单细胞生物，例如在深海一万多米下的马里亚纳海沟发现的古怪生物，单个细胞甚至可以长到大小10厘米的尺度！
  • 。比如，如果一个细胞的直径扩大一倍，那么体积就会变为之前的八倍，但是细胞膜的表面积却仅仅扩大为原来的四倍。也就是说，在这个大号细胞里，细胞膜进行物质交换的压力就大了一倍。
  • 在这两个例子里，我们能够直觉感受到“吃”和“被吃”在多细胞生物这种称得上是最简单的“复杂生命”形成中的深远意义
  • 多细胞生物的出现，就像一根魔法棒搅动了原始海洋。在吃别人和被别人吃的激烈博弈中，生命才如火山迸发一样出现在这个地球上。

分工：希望和代价

  • 而根据日常经验，多面手往往意味着哪方面都不是顶尖的高手，就像足球场上的万金油肯定成不了罗纳尔多，成不了齐达内，也做不成舒梅切尔。
  • 多细胞生物的出现为精细分工和专精一业提供了无限的可能。
  • 一种叫作微管的蛋白质可以在细胞内组装长长的坚固的细丝。在细胞分裂的时候，长长的微管能够把两份一模一样的DNA分别牵引到细胞的两端，保证分裂出的后代都有一份珍贵的遗传物质，而负责游泳的长长的鞭毛也是由微管形成的。
  • 如果站在单个细胞的立场上，细胞分化可以看成是一种“阶级压迫”。我们说过，分工的代价是一部分细胞永生不死，而另一部分细胞永久性地丧失了繁殖的权利，只能在生命个体的短暂生存期内勤勉工作。这当然是一种巨大的不平等——如果体细胞也会有平等概念的话。从某种意义上说，分工对于生命本身的意义，是通过大量细胞自我“牺牲”实现的，是它们为永生不死的生殖细胞创造了生存空间。这种巨大的不平等当然蕴含着危机：万一突然出现一个不愿意牺牲的细胞怎么办？
  • 作为伟大分工的代价，多细胞生物要面对一个永恒的难题：如何预防、压制和惩罚那些不愿意接受既定分工、特别希望重新拥有繁殖能力的细胞？ 最能说明这个棘手问题的可能就是癌症了。
  • 从某种意义上说，繁殖是所有细胞的本能。如果这一本能顽强地逃脱了身体（例如免疫系统）的管控，癌症就会出现
  • 从这个小小的例子中，我们大约能够又一次确信，包括人类在内的所有多细胞生物，与单个细胞顽强的生存和繁殖“意志”之间的战斗，将会永远继续下去。而这可能是所有复杂生命必须承担的代价。

从细胞分工到君临地球

  • 分工为地球生命更复杂的功能分化提供了基础。
  • 也就是说，即便是在小肠上皮这种看起来结构和功能都相对单一的系统里，也存在着不同细胞类型之间功能的取舍。为了更好地起到屏障和吸收营养的作用，绝大多数小肠上皮细胞也需要放弃自身分裂增殖的能力。
  • 神经信号传递的本质在20世纪中叶逐步得到揭示：神经细胞的细胞膜上分布着数种奇特的蛋白质分子。这些蛋白质分子像闸门一样开合，改变了细胞内外带电离子的流动，从而产生了微弱的电信号。这种电信号可以沿着神经细胞的突起方向高速运动，实现信息的远距离输送。在人类大脑中，千亿数量级的神经细胞紧密缠绕，通过千万亿数量级的海量连接形成了密如蛛网的系统（见图5-10）。我们可以想象，这些细胞电信号的强弱和频率，以及彼此之间的连接方式和相互影响，构成了一个巨大的计算网络，从中涌现出人类的感觉、情感、记忆和思想。
  • 我们有理由相信，高度复杂的神经网络正是人类智慧的本源

第6章 感觉：世界的模样

  • 细胞的出现加速了自然选择，细胞的分化则催生了人类智慧。
  • 如果我们人类的大脑真的那么简单，那么容易理解，那如此简单的一颗大脑根本就不可能做到理解自己！

上帝说：“要有光！”

  • 感知外部世界的能力是生命和环境互动的基础。
  • 这些复杂的感觉输入，在人类大脑中重新整合，构造出了一个虚拟但活色生香的世界。
  • 视黄醛来源于维生素A，因此当人体缺乏维生素A时，感光能力会急剧下降，从而导致夜盲症。

从“要有光”到“我看见了”

  • 我们同样可以把这些细胞的功能类比成数码相机的像素，每个像素都有一个独一无二的位置（多少行多少列），每个像素的唯一功能就是检测这个位置有没有光、光强弱如何。

从信号到信息，从视觉到全部世界

  • 鼻子和舌头所采集的信号本质上都是化学物质。来自外在环境的化学物质，结合在特殊的化学感受器上，就会像光照射在视紫红质蛋白上一样产生电信号，从而将环境信息转换成某种生物体可以识别的信息
  • 那些人脑无法获取和利用的信息，也许能够被其他生物体所利用，产生人类完全无法想象的美妙感知。
  • 依靠三种稍微不同的视紫红质蛋白，人的眼睛能够识别三种基本颜色（黄、绿、紫），三种色彩的组合让人的眼睛能区分多达一千万种色彩，这构成了我们能看到的五彩斑斓的视觉世界。而蝴蝶能够感知五种不同的基本颜色，简单计算可知，蝴蝶应该有能力区分一百亿种颜色！如果蝴蝶能做画家，那它们画笔下的世界一定有着人类不可言说的美妙色彩。

刺激-反射：一个极简主义者的大脑

  • 一个简单的思路是“随机应变”，或者我们可以叫它刺激-反射。
  • 原则上只需要一个特定的感觉神经细胞用来接收环境刺激，连接上一个特定运动神经细胞用来控制肌肉的舒张和收缩，就可以实现刺激-反射模式的随机应变。
  • 对于复杂智慧生命来说，学习是生存发展的必需技能。
  • 在生物学上，真正的核心问题在于，人类学习的本领到底是从何而来的？在学习的过程中，我们的身体（特别是我们的大脑）到底发生了什么？它体现为一种可描述的物质变化，还是一种纯粹精神性、灵魂层面的变化？它是人类独有的能力，还是所有地球生物或者至少地球动物都具备的？如果别的动物也具备，那么我们该用什么办法去证明它、描述它（毕竟动物无法直接告诉我们它们的经历和感受）？

单身派对定律

  • 在赫布看来，正是因为这种强行安排的同步活动，让两者之间的物理连接从无到有，从弱到强。这个过程其实就是学习。

20纳米

  • 赫布的这一理论被稍显简单粗暴地总结为“在一起活动的神经细胞将会被连接在一起”（Cells that fire together, wire together.），并以“赫布定律”之名（也许“单身派对定律”是个更合适的名字）流传后世。
  • 这个20纳米的间距保证了前一个神经细胞产生的电信号或者化学信号可以迅速且不失真地被后面的神经细胞捕捉到，同时也保证了两个神经细胞相互独立，彼此的细胞膜不会错误地融合在一起。
  • 学习意味着突触的生长和消失，意味着在这20纳米之间，信号传递的效率增强或者减弱。在这20纳米的距离上，任何微小的变化都可能和学习有关。
  • 发生在突触界面的微小变化是学习的本质。这种变化可能是数量和大小的变化，也可能是每一个突触内部信号传递效率的变化，如信号发出端释放了更多的信号（图中的黄色点），也可以是信号接收端的灵敏度提高（图中的绿色孔道）

聪明老鼠

  • N-甲基-D-天冬氨酸受体或者NMDA受体
  • 在神经细胞之间20纳米的微小空间里制造一种蛋白质，就可以操控整个动物的学习能力！

假如记忆可以移植

  • 赫布定律其实是在告诉我们，学习过程的本质就是两个相连的神经细胞差不多同时开始活动，因此它们之间的连接会变得更加紧密，从而让我们在两个本来无关的事物之间建立了联系。

团结就是力量

  • 在遗传物质的层面，两者是完全一样的。实际上蜂后根本就是被随机挑中的：在成千上万的蜜蜂幼虫中，工蜂会挑一只作为下一代蜂后培养，而且没有证据它们经过了精挑细选。富含糖类的蜂蜜是绝大多数蜜蜂幼虫的食物，而这一只未来蜂后则以蜂王浆为食——这是一种工蜂分泌的、富含蛋白质的乳白色液体。

性别的出现和复杂社交

  • 性别的出现并不是地球生命演化的必然。事实上直到今天，无性别的生物还是地球生物圈的主流——全部细菌都没有性别的区分，同时还有上千种动物、植物、真菌也没有性别。
  • 相比总是一个人战斗，总是持续地一分为二、二分为四的无性生殖，异性相吸的有性生殖要更容易创造多样化的后代，因此更能适应多变的地球环境。
  • 以求偶、竞争和抚育后代为代价，性别的出现和有性生殖将极大地增加生物个体之间交流遗传信息的频率，为后代创造更大的遗传多样性。

求偶社交：对面的女孩看过来

  • 实际上，如果把这些雌性特有的物质添加到其他雄性身上，雄鼠和雄果蝇就会变身“同性恋”，同样“性”致勃勃地对雄性展开攻势了。
  • 请注意，整个过程里最诡异的地方在于，这个精心准备的求偶场所是地地道道的面子工程。它既不能住，也不能用来产卵和孵蛋，甚至大多数时候都不能用来储藏食物。它唯一的目的就是吸引雌鸟前来交配。更要命的是，这只雌鸟之后还不得不自己重新搭建一个鸟巢用来抚育后代，而那个时候已经完成交配任务的雄鸟早就跑得没影了！

语言：伟大社会的基础

  • 而人类社会则大大不同，越来越严密的教育、筛选和考察系统，使每个个体都在非常丰富的维度上被定义和分类——价值观、智力高低、体能优劣、友善度、内向外向、逻辑思维、语言能力，甚至是颜值和衣着品位，然后进入不同的职业和人生发展通道。
  • 大脑区域——后来分别被命名为布罗卡区和威尔尼克区（见图8-11）——分别侧重于语言的表达发声和语言的理解
  • 伟大社会的三块奠基石已经呼之欲出了：为了对抗面目千变万化的大自然，生物体放弃了“一个人的战斗”，呼朋引伴地走到了一起；性别的出现催生了生物多样性，为更复杂的社交提供了遗传学的准备，更是让寻找配偶的社交方式五花八门、无所不用其极；最后，语言的出现让更精细的信息分享和分工成为可能。

第9章 自我意识：我是谁

  • 生命源于能量，遗传信息需要复制，分工带来复杂性，而心智的萌芽依靠与客观世界的交流握手和学习互动。

镜子里的自己

  • “我”这个字出现在孩子的语言里要晚一些，差不多在一岁半到两岁这段时间。这个小小的变化，也许就反映出自我意识的萌发。
  • 人类婴儿在16个月到21个月这段时间里会开始理解“我”的身体。大家注意，这个时间段恰好和孩子开始使用“我”这个词的时间差不多。
  • 现在我们知道，能够通过镜子实验的考验、成功地认出“自己”的动物统共也就10种左右，而且大多数是那些人们日常认为的“聪明”动物：大猩猩、倭黑猩猩、海豚、大象、（看起来滥竽充数的）喜鹊，等等

我思故我在

  • 自我意识的产生需要两方面的信息，我们需要一方面采集外部感觉信息（镜子里一个正在皱眉招手扭腰的人的图像），另一方面采集自身感觉信息（我自己正在皱眉招手扭腰）。当两方面的信息高度吻合的时候产生一个“这就是我”的输出，自我意识就出现了。

镜像神经元和人工智能的自我意识

  • 这种神奇的神经细胞能够同时感知自身的运动和对外界的观察，似乎在“我”和整个外部世界之间架起了桥梁，一下子把玄之又玄的哲学命题直接和物质世界联系在一起了。
  • 有人猜测，也许人类同情心乃至道德感的基础就是镜像神经元。因为看到别人受苦会激发那些感受自身痛苦的神经细胞，从而在大脑中产生类似受苦的感觉。

“我”到底是什么？

  • 这个区域被称为内侧前额叶皮层（medial prefrontal cortex, MPFC），很多科学家认为它参与了自我意识的形成。
  • 真正的智慧生命与那个只会照镜子的机器人的一个本质区别就是，人类能够通过不断的学习和经历，在“我”这个概念外周包裹上大量的情景、事件、价值判断和形容词。
  • 解离性人格障碍，也就是人们俗语中的“多重人格”。在同一个躯壳内，这些患者拥有两个乃至多个彼此独立的自我意识，而这些自我意识此起彼伏地统治着患者的思想和身体。

第10章 自由意志：最重要的幻觉

  • 能够从纷繁复杂的感官输入、经验积累和人际交往中抽象出“我”的存在，能够把“我”和周围万事万物和其他人类个体截然分隔，可能是很多复杂情绪（比如羞耻感、成就感、责任感，等等）和认知功能的基石。
  • 自由意志存在吗？当我们尝试着超越一切物理和生物学规律俯瞰地球生命和人类心智活动，我们人类真的是自己的主人吗？

自由意志：确实有，还是最好有？

  • 自由意志问题的主旨就是讨论一个人是否能够自主决定自己的思想和行为。或者反过来说，人类的所有思想和行为，到底是每个人类个体的自由抉择，还是在此时此刻之前所发生的所有事件导致的必然结果。
  • 我相信大多数人会立刻认定自由意志是存在的。一个自然而然的原因就是，如果否定自由意志，认定我们所有的想法和行为都是早已注定的，那我们的生活还有什么尊严可言
  • 不是因为我们真的找到了什么客观证据支持自由意志，而是因为如果否认自由意志的话，会带来一系列我们不愿意承担的灾难性后果。
  • 不是我们希望有的东西就一定是真实存在的，梦想成真那只是美好的愿望而已。从哥白尼的太阳中心，到达尔文的猴子变人，科学发现已经无数次把人类从宇宙中心唯我独尊的地位上拽下来了，真要是科学证据证明人类的自由意志不存在，也无非是历史又重演了一次而已。
  • 作为一个神经科学家，我个人的观点是，人类的自由意志应该就是个美好的幻觉。自由意志即便真的存在，也绝对不是我们想象中那个遨游自由王国、思想随风起舞的样子。

本能不自由

  • 内驱力降低理论。在这种负反馈的理论框架下，本能行为本质上是由于内驱力产生的，而它的目标则是降低这种内驱力

人类心智：白板还是蓝图

  • 为什么许多比较“低级”的、本能的感受和行为是不自由的。它们在很大程度上可以看成是一套检测-反应系统，就和生活中司空见惯的自动控制系统（例如刷卡进门、停车过杆、烟雾报警，等等）没什么本质区别。即使没有自由意志，它们也可以工作得好好的。
  • 利用这样的研究方法，人们进一步发现，人类的心智指标，从智商到记忆力，从幸福感到自信心，甚至是政治倾向和宗教信仰，遗传都是最大的影响因素（见图10-6）
  • 迄今为止我们并没有发现任何一种心智指标是100%由遗传因素决定的。这或多或少可以给我们一些信心，尽管人类心智的蓝图可能早已绘就，但是我们仍然有机会用一生的时间对它精雕细琢，浓妆淡抹。因此，也许一个更积极的心态反而是：接受这张心智蓝图存在的事实，努力去理解它长什么样，它最美好的部分和最丑陋的部分在哪里，然后再去努力把它修改成自己想要的样子。

在下定决心的一刻，选择早已做出？

  • 尽管遗传因素和本能已经绘制了我们一生言行的蓝图，但是蓝图上每一个细节处的涂抹和着色，总还是有自由意志存在的吧？
  • 人的认知活动看起来在指导我们的一言一行，但它其实是“事后诸葛亮”。与其说它是指导者，倒不如说它是个观察和记录员。它所做的，只是把大脑指导我们的身体进行的行动加以总结提炼，然后呈现在我们的思维当中而已。
  • 我们幻想的那种在无垠的心智空间里自由遨游，引导着自己的人生向着任何一个方向去的意志“精灵”，大概率是不存在的。这个精灵的游走方向既受到遗传蓝图的规范指引，也会受到一生生活环境和阅历的牵制调节，最后它还不得不在意识之下的大脑活动中逐渐成形——无论如何，它的选择谈不上多么“自由”。

哪怕自由意志不存在，我们还是我们

  • 但是这一切是不是意味着人类智慧彻底失去了神圣的地位，我们每个人不过是基因和大脑活动的奴隶，只能像提线木偶一样走完自己的一生？
  • 也许我们可以这样理解自由意志：没错，完全自由的意志是不存在的。但是不管是遗传因素，还是大脑的神经活动，都在为最后一刻的决定绘制蓝图，准备草案。最后，我们的心智仍然有机会为自己的言行做一锤定音的决断。

尾声 关于生命，我们知道的和我们不知道的

  • 有些事是“已知的已知”，我们知道自己知道这些事。有些事是“已知的未知”，我们知道自己不知道这些事。但还有些事是“未知的未知”，我们压根儿就不知道自己对这些事其实一无所知。
  • 物质、能量、自我复制，这三个要素共同构成了地球生命的基石。
  • 驱动生命活动的蛋白质分子为什么都是由20种氨基酸组成的？原始地球海洋中肯定诞生过更多的氨基酸分子，那些氨基酸因何被废弃？同样的道理，为什么DNA和RNA不约而同地使用了四种结构单元（核苷酸）？深海白烟囱是否确实是生命的摇篮？第一个利用环境能量驱动生命活动的分子机器是什么？RNA世界的假说是否真实反映了生命的起源？如果当真如此，第一个RNA生命是什么样子的？细胞膜究竟是天外来客还是在地球上土生土长的？除了薄薄的磷脂双分子层，地球生命为什么没有发展出任何别的办法来隔绝环境、包裹自己？
  • 我们不得不承认，对于理解生命现象，我们缺乏的可能不光是知识，还有观察和分析复杂性的技术手段、数学工具乃至世界观。
  • 而如果这一切成真，那将是人类智慧的永恒丰碑，还是人类葬礼开始时的安魂曲？
  • 对于地球生命和智慧，别说今天的我们远没有做到深入理解，即便是要给出一个关于我们到底能不能最终理解、什么时候能最终理解、可能通过什么思路和途径得到这一理解的猜测，都显得过分轻狂和盲目。
  • 关于生命，关于智慧，关于我们自己，我们知道一些，我们不知道许多，还有更多东西远在想象之外。但是，我们必将知道，我们必须知道。

后记

  • 回想40多亿年地球生命历程的这些高光时刻，我们会意识到：无论是你，还是我，还是今天地球上仍然在喜笑或悲伤的每一个人，都远比我们本身更大，更强壮，更古老。
  • 我们每一个人，都是一本活着的生命编年史。
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