信息哲學視野下的生物問題（生物學隨筆）

生物從何而來，人又從何而來？這不僅是生物學問題，更是哲學問題。如果生物是上帝造的，那麼我們自然應該聽從上帝的指揮，接受世界上的一切善與惡。如果生物是自然進化的，那麼我們自然應該放棄抱怨世界，而將適應與進化作為發展的方向。目前，什麼是生命？生命又是如何形成的？這些基本問題並沒有得到解決，生命科學並沒有走向終極。信息哲學帶有鮮明的科學性，但是按照波普爾對科學的可證偽性定義，信息哲學有大量的內容是不可證偽的，信息哲學是馬克思主義的異（進）化形態，對抗的是基督教、自由主義等社會思潮和意識形態。信息哲學要鼓吹自己的真理性，就要把自己的觸角伸入各個基本科學，汲取科學的力量，增強自己的權威，因此自然離不開生物科學的支持，你自由主義牛逼，叫生物科學支持一個看看？

一、生命是一個高度複雜的動力學系統

生命是一個高度複雜的動力學系統，這個定義中動力學這三個字格逼最高，但實際上動力學是形容詞，全稱是系統動力學，代表看待系統的視角。系統動力學的核心觀點是「凡系統必有結構，系統結構決定系統功能」，根據系統內部組成要素互為因果的反饋特點，從系統的內部結構來尋找問題發生的根源，而不是用外部的干擾或隨機事件來說明系統的行為性質。信息哲學對系統的觀點和系統動力學類似，但將結構改成了信息，認為力的本質就是信息，「凡系統組成必有信息傳遞與轉換，信息的傳遞與轉換方式決定系統功能」，強調從信息的傳遞、轉化和施效來尋找問題發生的根源。高度複雜也好理解，據科學家測算，單個細胞或一個人的基本複雜度都不會大於10的十二次方比特，也不會小於10的五次方比特。當然，這是個非常粗略的估算，但總算聊勝於無。

我們把生命看成一個高度複雜的動力學系統，是因為生命具備如下四個特點：高度有序（具備結構和生命活動），開放系統（能夠新陳代謝），具備耗散結構（能夠消耗物質和能量以維持生命、負熵狀態），信息傳遞的有序性（遺傳信息：DNA→RNA→蛋白質）

病毒形體小，具備細胞結構，僅由遺傳物質和簡單的蛋白質組成，不能獨立生活。按照我們前面的定義，病毒不是開放系統（不能夠新陳代謝），不具備耗散結構（消耗物質和能量以維持自身穩定），病毒的本質是信息（DNA或RNA）片段，它的「生理"過程是利用別的生物體的信息傳遞、轉換、施效過程，完成自身信息的複製，自身不是一個單獨的系統，所以我們一般不把病毒看成生命。過去，對病毒是不是生物的爭議較大，是因為我們將可複製作為生物定義的核心標準，病毒具備自我複製能力，所以很多人認為病毒是生物。按照信息哲學的認識論，區分事物的異同的核心在於信息傳遞、轉換、施效方式，病毒的這種」生理「特點，表示其信息轉換和施效方式與其他生物不同，因此分為一類也是不妥的，如果你還不能理解，那麼我們回到系統動力學結構決定一切的觀點來看，病毒與一般生物的結構不同，所以不是生物。即使，未來人工智慧高度發達，人類製造了符合生物動力學特點的機器人，能夠自我複製和獲取能量，這也不是生命，因為機器人的信息系統核心是光波信號和生物的信息系統是完全不同的，不能分為一類。但有一點是肯定的，生物與非生物的邊界會越來越模糊，最終化歸為一，我們人類以此實現進化，必將有偉大和永恆的未來。

二、生物信息

前面說過，生命是一個高度複雜的動力學系統。一般認為這個系統是物質、能量與信息的整合系統——分層次，嚴格有序，可調控。生物體和所有物質一樣，即是信息發送源頭，又是信息接受體。物活動的每個環節也都充滿了信息現象，從個體角度看大致可以分為個體外的信息交流、個體內的信息交流這兩種形式。光、聲、氣味、形體動作等常常是個體外信息交流的主要途徑，如雌性和雄性之前，捕食者和獵物之間，同一種群的個體之間，都離不開這些信號的作用。而各類激素、化合物、神經電信號則是個體內傳遞的信息傳遞的主要方式，如器官與器官之間、細胞和細胞之間、細胞器和細胞器之間的協調，則離不開體內信息素的作用。因此我們可以說，是信息的傳遞與識別（轉換）維持了生命體的基本生命活動。

世界的確如此，基因封裝信息，並允許信息的讀取和轉錄；生命通過網路擴散；人體本身是一台信息處理器；記憶不僅存儲在大腦里，也存儲在每一個細胞中；鹼基的精確序列就是承載遺傳信息的編碼；DNA是信息分子的典型代表，是細胞層次上最先進的訊息處理器—它是一份字母表、一種編碼，用60億比特的信息定義了一個人；複製DNA，就是複製信息；製造蛋白質，就是轉換信息；所有細胞都是一個錯綜複雜的通信網路中的節點，它們一刻不停地傳輸和接受信息，不停地編碼和解碼。 伽莫夫就精練地總結道:「一個活細胞的細胞核就是一座信息倉庫。」更不凡的是，它還是一台自動激活的信息發射機。所有生命的延續都依賴於細胞核中的這個「信息系統」，而遺傳學所研究的正是「細胞的語言」；進化本身正是生物體與環境之間持續不斷的信息交換的具體表現。

三、生命系統

系統有層級性，高級系統是低級系統的總和，但又不是低級系統的簡單疊加，系統科學把這種整體才具有，孤立部分及其總合不具有的性質稱為整體湧現性。信息哲學認為整體湧現性是信息施效的結果，這在前面哲學篇已經介紹過了。

在生物層面上看，和生物有關的系統構成是這樣的：

1、細胞：能獨立進行生命活動的有膜包被的生物體的基本結構和功能單位。

2、組織：許多結構相似、功能相似的細胞與細胞間質形成的細胞群叫做組織。

3、器官：具有相似功能的一些組織組成的，能夠獨立完成某一生命活動的結構叫做器官。

4、系統：多個器官組成的，能夠完成某一類生命活動的結構層次叫做系統，植物沒有系統。

5、個體：單個生物體成為個體。

6、種群：由同一區域內，某一種生物的所有個體組成的層次叫做種群。

7、群落：由同一區域內，所有生物的所有個體（或所有種群）組成的層次叫做群落 。

8、生態系統：由同一區域內，所有生物的所有個體和其生活的無機環境共同組成的層次叫做生態系統 。

9、生物圈：大氣圈下層、地殼和整個水圈組成的、最大的生態系統稱生物圈。

在生物圈在這個系統中，某些作為信息載體的物質是穩定的，可以循環利用的，水圈大約2800年通過生物體循環一次，大氣自由氧大約1000年通過生物體循環一次，從7億年前有確鑿的動植物化石開始計算，現在為止的動植物遺體總質量大約是地球質量的1000倍。

四、生命的起源

關於生命的起源，有著種種假說，這裡先介紹三種非主流學說。一、遠古和中古時期，神創論是生命起源的主要解釋，聖經創世錄部分明確記錄了上帝造萬物，造人的過程。二、近古時代，又有人提出自然發生論，認為生物是從非生物環境中自然發生出來的，比如不潔的衣物會滋生蚤虱，污穢的死水會自生蚊，骯髒的垃圾會自生蟲蟻，糞便和腐臭的屍體會滋生蠅蛆。總之，生物可以從他們所在的物質元素中自然發生，而不是通過上代此類生物繁衍產生。三、現代，又有人提出了宇生論，認為生命來自宇宙中別的星球，他們的證據是從概率角度看地球形成較晚，按照進化的速率，這麼短的時間概率上不可能進化出生物，而宇宙隕石中已發現有發現有機物，因此生命一定是外來的。

距今約150億年前，宇宙大爆炸。45億年前，太陽系形成，地球形成。35億年前的生物已有化石記錄證明，所以基本可以認定生命大約起源於45億-35億年前 。按照進化論的觀點，目前，生物進化的整體邏輯還是比較清晰的：第一步，從無機分子生成有機分子。1828年，德國化學家弗里德里希維勒首次用無機物質氰酸氨（一種無機化合物，可由氯化銨和氯酸銀反應製得）與硫酸銨人工合成了尿素，就已經打破了有機物與無機物的界限。30多億年前原始地球的生態環境極其惡劣，各地火山噴發，電閃雷鳴，原始大氣中充滿了甲烷、氨、硫化氫、氰化氫等有毒氣體，基本沒有氧氣，現在的高級生物在這種環境下活不了幾分鐘。米勒實驗已經證實，在模擬原始大氣的環境下，無機物可以生成約35種有機物，其中包括10種氨基酸。第二步，從有機小分子合成生物大分子，在原始海洋的岸邊，岩石、粘土的表層或湖泊樣的小水體中，氨基酸、核苷酸等小分子，運用環境結構（粘土晶格與化學滲透），可以吸收能量，通過溶液聚合等方式生成原始的蛋白質、核酸等生物大分子。美國福克斯實驗證實，將氨基酸混合物傾倒在160℃~200℃的熱砂或粘土上，水分蒸發，氨基酸能夠濃縮並化合生成類蛋白質分子。將酸性類蛋白放到稀薄的鹽溶液中溶解，冷卻後再顯微鏡下可以看到無數小球，福克斯稱之為微球體。微球體有雙層膜，較穩定，在高滲溶液中收縮、在低滲溶液中膨脹，能通過「出芽」和分裂的方式進行「繁殖」，並表現出水解、脫羧、胺化、脫氨和氧化還原等類酶特性。第三步也是最關鍵的一步，是從多分子體系進化為原始生命。這一步實現了最重要的兩個突破，包括複製子的出現和自組織結構的形成，但目前這一步還未經實驗證實。

按照道斯金在《自私的基因》中的說法， 地球上的生命史始於複製子的偶然出現。複製子是一種信息載體，它通過自我複製而生存和傳播。複製出的副本必須自洽且可靠，但無需完美。相反，為了實現進化，錯誤倒是必不可少。複製子可以先於DNA甚至蛋白質而存在。蘇格蘭生物學家亞歷山大·凱恩斯-史密斯(Alexander Cairns-Smith)就曾設想過一個場景，複製子可能出現在粘土礦物的活性表面:某種脫胎於硅酸鹽礦物的複雜分子。另一些生命起源模型的進化場所則是更傳統的「原生湯」。但無論是哪種場景，在這些承載了信息的大分子當中，或者有些降解得比其他的要快，或者有些複製得比其他的要多或要好，又或者有些可以通過化學效應破壞對手的分子結構，如此這般，它們得以在競爭中延續下來。一般認為，RNA可能是最早的有機複製子（之前可能存在無機複製子），因為RNA在攜帶信息的同時，同時具備催化功能。 RNA分子在複製過程可能會產生錯誤，複製能力強的RNA勝出，從而開始了化學版的自然選擇。之後，經過化學滲透，RNA和脂質自發形成細胞原型。DNA則除了比之前的複製子都要更穩定外，還具有自我複製以及製造另一類分子的雙重功能，而這賦予了它獨特的競爭優勢。它能通過在自身周圍製造一層蛋白質外殼來保護自己，這就是道金斯所謂的「生存機器」—一開始只是細胞，然後是越來越龐大的組織系統，其中具備越來越複雜的膜、組織、肢體、器官以及技能。它們是基因的精緻載具，可以與其他載具競爭，轉換能量，甚至處理信息。在這場生存競賽中，基因控制著載具，有些載具跑得更快、操控更靈、傳播更廣，因而基因和載具得以共同延續下去。

另外一方面，化學滲透的發現完善了生命活動的自組織理論。化學滲透既不化學、也不滲透，是一個生物學過程，但是這個理論揭示了膜在生命進化中的重要作用。化學滲透揭示了所有生物最基礎的能量代謝形式都是基於濃度聚集的質子動力，都依靠生物膜。正如前文所說，某些粘土礦物由於水的侵蝕和地質結晶過程，內部形成了非常細微的疏鬆孔道結構，這就是天然的封閉空間。生物大分子可以由海水浸潤流入，原始海洋中富含硫-鐵氧化還原材料，而且這些結構的薄壁允許Na+、Ca+離子（質子的可替代品）的濃度聚集以及半通透性。換句話說，自然無機物的自組織性「免費」提供了「細胞膜」和一切能量代謝材料，促進了生物的自組織性的實現。最初的生物大分子只需要通過自然選擇實現自身複製就夠了，膜是後期慢慢進化出來的。最初狀態的原始細胞，應該具有脂雙層膜圍成的與周圍環境隔開的含水囊泡，這種囊泡結構通過化學滲透實現了能量代謝。囊泡內有多種核酸、蛋白質、糖類大分子。這種生命能夠選擇性的從周圍環境中吸納有機大分子作為食物，同時利用「食物」的分解，複製自身一部分起核心作用的大分子。囊泡因大分子增多，分裂後實現了生殖。

這種原始細胞後來繼續分化，進化成了原始祖細胞，原始祖細胞沒有細胞壁，外圍是細胞膜，細胞質中只有核糖體，只含有DNA、RNA和多種蛋白質。原始祖細胞繼續進化，出現了不同的組細胞類型。什麼葉綠體、線粒體之類，這些東西其實都是曾經的其它祖細胞，被吃進去之後融合成一個細胞內一起生活。這個成就大約發生在15億年前，換言之我們知道在15億年的時候已經有了捕食和寄生。少數古細胞群聚在一起，細胞功能特化，變成多細胞生物。多細胞生物繼續沿著從低等到高等、從簡單到複雜、從水生到陸生的規律進化，最終誕生了人類。看了花千骨的，不要覺得人日毛毛蟲很奇怪，生物是有共同起源的，人和毛毛蟲也算的上是遠房親戚。另據研究表明，人與豬的基因差異只有17%，豬也可以算是人類近親了。至於猩猩的1%的基因差距，已經可以算是人類的兄弟了。

五、進化論的提出

在進化論誕生之前，神創論是主流觀點，那個時候人民人們普遍相信聖經中說的話：「神說，要有光，就有了光。神說，地要生出活物來，各從其類。牲畜，昆蟲，野獸，各從其類。神說，我們要照著我們的形像，按著我們的樣式造人，使他們管理海里的魚，空中的鳥，地上的牲畜，和全地，並地上所爬的一切昆蟲。」既然上帝創造了萬物，又任命人作為上帝的代理人管理萬物，那麼人類對生物的研究就只要對它們進行分類便於管理就行了。那個時代生物學被博物學所涵蓋，博物學不僅與教會的理論相容，還得到教會大力的支持。博物學家收集成百上千的物種標本，並對它們進行分門別類，但由於沒有一個統一的命名法則，各國學者都按自己的一套工作方法命名物種，致使物種研究困難重重。後來著名的博物學家林奈提出了界、門、綱、目、科、屬、種的物種分類法基本解決了這個問題。然而世界是由上帝創造的，人是萬物的管理者，物種是基本靜止不變的，這樣的思想觀念依舊佔據統治地位。

經過幾代博物學家的努力，人類的物種資料庫逐漸擴大，人們開始注意到物種內部的相似性。與此同時，通過對化石與琥珀的觀察，人民發現古代生物和現代生物雖然不一樣，但也有一定的繼承性。林奈學說的繼承者拉馬克在《動物哲學》首次提出進化思想，拉馬克的進化理論的主要內容有兩點：（1）一切變異（獲得性狀）的原因在於環境的影響或者器官的用進廢退，比如一般的鹿為了吃到高處的樹葉天天伸長脖子最後經過鍛煉變成了長頸鹿。（2）凡兩性所共有的獲得性狀都可以傳給後代。拉馬克創造性的進化思想否定了當時占統治地位的物種不變論，受到主流的打擊和迫害，晚年雙目失明，最終在在貧窮與冷漠中死去。

拉馬克雖然去世了，獲得性遺傳在理論上也有重大瑕疵，但生物進化的觀點也開始被越來越多的人所接受。其後，達爾文經過5年的環球航行，積累了豐富的第一手資料，並最終寫出了《物種起源》這一曠世巨作。書中，達爾文提出了生物進化論學說，從而摧毀了各種唯心的神創論以及物種不變論，讓進化的觀念深入人心。達爾文認為，生物之間存在著生存爭鬥，適應者生存下來，不適者則被淘汰，這就是自然的選擇（物競天擇，適者生存）。生物正是通過自然選擇，實現了從低級到高級，從簡單到複雜的進化，現代基因學的誕生，為此提供了重要的證據，事實上，物競天擇，競的就是「基因」。

基因開啟了信息生物學時代，維爾納·勒文施泰因就指出:「一門分子考古學正在興起。」生命史是用負嫡寫就的，他繼續寫道:「真正在進化的是以各種形態和載體存在的信息。如果有那麼一本指導生物進化的手冊的話，我想，裡面第一句大概應該是這樣的，它讀起來像句聖經誡命:應使你的信息更豐富。」

六、基因的發現過程

上文生物信息部分介紹了幾種信息現象，但是這幾種信息現象描述的主要是生物間和生物體內部的運動過程，並不能決定生物的形狀，並不能決定你是老鼠還是鳳。 既然信息是因果系統的中介，能夠傳遞、轉換和施效，那麼為什麼龍生龍，鳳生鳳，老鼠的兒子會打洞？生物性狀的傳遞與複製，必然離不開信息作為中介，這個中介的物理實體是什麼？早在DNA被發現之前，科學家就已經提出遺傳物質的存在。

1865年，孟德爾通過對豌豆性狀的研究，在論文《植物雜交試驗》中提出了遺傳單位是遺傳因子（現代遺傳學稱為基因）的論點。1910年，摩爾根通過果蠅試驗證明了基因位於染色體上，但染色體由DNA和蛋白質組成，這兩者誰才是遺傳物質？從信息傳遞角度來看，作為遺傳物質必然要具備幾個特點：1）穩定性，確保信息在傳遞過程中不失真。2）信息存儲能力強，能夠儲存大量關於生物性狀的信息。3）可複製性，自身首先要能夠自我複製才能保證信息可以遺傳。4）可轉換性，信息要能夠表達才能指導蛋白質合成從而控制生物性狀。

起初人們認為蛋白質是遺傳物質，因為，之前科學家已經確定，蛋白質（protein）是生命的物質基礎，是有機大分子，是構成細胞的基本有機物，由不超過30種氨基酸組合而成，是生命活動的主要承擔者。當各種氨基酸可以按照不同的方式排列時，氨基酸多樣的排列順序，就可能蘊含著大量的遺傳信息。

來的肺炎雙球菌的轉化實驗證實，DNA才是遺傳物質，這個實驗大家中學都學過，相信大部分人都還有印象。

首先取兩種肺炎球菌，性狀為：R型，無毒。S型，有毒。

對照組：R型肺炎球菌注入小白鼠，白鼠活，S型肺炎球菌注入小白鼠，白鼠死。加熱滅活的S型肺炎球菌注入小白鼠，白鼠活。實驗組：（加熱滅活的S型肺炎球菌+R型肺炎球菌）注入小白鼠，白鼠死。（加熱滅活的S型肺炎球菌+DNA溶解酶處理+R型肺炎球菌）注入小白鼠，白鼠活。實驗說明，活的R型肺炎球菌可以讓死的S型肺炎球菌變活，進一步分析可以知道，蛋白質不是遺傳物質，遺傳物質是DNA。

那麼DNA又是如何儲存、表達信息的呢？這就要等到1953年，沃森和克里克對雙螺旋結構的發現了。沃森在搞清楚DNA的雙螺旋結構之後不到兩個星期的時間內，就洋洋自得地告訴克里克：「我想我發現了生命的秘密。」這種從結構到功能突破性的跳躍，來自於沃森作為化學家的直覺：分子結構宣示分子功能。雙螺旋意味著互為模板以及無限擴充。四個鹼基兩兩配對意味著精確、無損的信息複製。從鹼基翻譯到氨基酸的簡單語法意味著有限、簡練的基本指令集。生物遺傳的穩定性和精確性在DNA的結構中得到完滿解釋，從一個生物化學家的視角來看，這個跳躍簡單明晰不言自明，足以讓沃森和克里克之外的所有人把自己的腦袋拍腫。這個理論的被接受程度，也是猶如星火燎原，一夜之間清洗了所有研究者的大腦，改變了整個生物學研究的版圖，標誌著分子生物學的誕生。

分子生物學的研究有三個宏觀面：物質、信息、能量。物質是共有的基礎，而信息和能量在當時被看做兩個不同的研究方向。分子生物學的標誌性成就之一就是，把基因確定為一段包含蛋白質編碼的DNA片斷。但這只是基因的硬體定義和物質定義，其軟體定義和信息定義則要更悠久也更含糊----基因是遺傳的基本單位，是某種表現型差異的根源（即信息哲學的核心觀點：一切系統結果的差異均源自信息）。分子生物學意味著研究框架變了，從研究能量和物質開始轉向研究信息。在信息方面，克里克後來又單獨提出遺傳規律的中心法則，即遺傳信息不能由蛋白質轉移到蛋白質或核酸之中，遺傳信息的流程一般為「DNA製造RNA，RNA製造蛋白質，蛋白質反過來協助前兩項流程，並協助DNA自我複製（DNA→RNA→蛋白質→DNA）」。從此之後，編碼、指令、信號，所有這些帶有濃厚的機械和工程學意味的術語很快侵人了生物學家的辭彙，變成了生物學家的主流用語。

值得注意的是，信息是純粹的，和載體無關。DNA不是唯一的遺傳物質，RNA在某些情況下也有遺傳能力，如煙草花葉病毒TMV，不含DNA，僅由RNA和蛋白質組成的，在感染煙草時，也會出現致病斑。細胞結構的生物，包括原核生物和真核生物，遺傳物質是都是DNA，僅在少數只含RNA的非細胞結構病毒中，RNA才作用遺傳物質。蛋白質某些時候也有自我複製能力，比如朊病毒。朊【ruǎn】是蛋白質的舊稱，朊病毒是一類不含核酸而僅由蛋白質構成的可自我複製並具感染性的因子。1996年，瘋牛病席捲歐洲，瘋牛病就是一種朊病毒。

七、性別是怎麼來的

前面我們介紹了生物從無機物向高級動物進化的過程，這裡還有一個有意思的問題，性別是怎麼來的？我們都知道有性生殖里，性細胞的分裂屬於減數分裂。在減數分裂過程中，染色體只複製一次，細胞連續分裂兩次，從而性細胞的染色體數目減半。在下一步的受精過程中，僅有半數染色體的性細胞兩兩結合，從而恢復親代染色體數，進而保持物種染色體數的恆定。我們還知道，基因是滿足「適者生存」的，而對於什麼算「適」，最重要的判斷標準是能往後代里傳遞多少份拷貝。假如我以無性生殖的方式產生後代，那所有的後代必然含有我的全部基因。那麼問題來了，有性生殖僅允許我給每個後代傳遞一半的基因，這樣兩次有性生殖才能頂得上一次無性生殖！對基因來說，有性生殖的複製能力遠不如無性生殖，有性生殖是如何進化出來的？這可很不道斯金啊。

在達爾文看來，性的好處在於雜種優勢，雜種優勢認為，有性生殖過程中，一好一壞兩個等位基因在一起的時候，好基因自組織能力強，就會勝出表達出來。有性生殖促進了雜種的進程，也提高了好基因表達的概率。因此雜種好處多，罵你雜種別生氣，純血一般精神病，近親結婚達爾文，子女各個有問題，寵物狗亂倫，自然環境難適應。然而，雜種優勢這其實應該是近親交配的劣勢，而算不上性的好處。實際上，只要有兩套染色體，保證每個基因都有兩份，那麼不管你是無性還是有性，都能達成優勢互補的效果。實際上解開這個問題的鑰匙有兩把，一把在群體選擇，另一把在關聯進化。

什麼叫群體選擇？群體選擇認為，遺傳進化是在生物種群層次上實現的，當生物個體的利他行為有利於種群利益時，這種行為特徵就可能隨種群利益的最大化而得以保存和進化。按照這種思想推論，當面臨巨大災變或是種群之間的生存競爭時，一個存在著某種超越親緣與互惠利他行為的生物種群與一個完全缺乏獻身精神的生物種群相比，具有更大的生存適應性。因此，純粹的利他行為可以伴隨著種群的勝利而成功演化。

性為什麼對種群有積極意義呢？20世紀三十年代，偉大的數量遺傳學大師費希爾藉助數學手段引入了突變的問題，發現考慮到突變之後，性的優勢就非常明顯了：性的洗牌雖然看似混亂，卻能快速地把所有好的新突變都集中到一起；而無性生殖則要慢得多。設想一下一個全是無性生殖的種群里，出現了兩個優秀的新突變A和B。這兩個突變會同時發生在一個個體身上嗎？這種事情像挨雷劈一樣，一個人兩次的概率太小了，更大的可能是發生在甲和乙兩個不同的個體上。這時，整個種群就遭遇了魚與熊掌不可得兼的窘境：如果你是甲的後代，那就只擁有A突變，是乙的後代就只有B。要想讓新突變擴展到整個群體從而固定下來，那只有雙方對拼直到一方被淘汰。想同時擁有A和B？對不起，那只有等甲的子子孫孫中再運氣好碰上一個B突變，或者反過來。可是，假如這是一個有性生殖的群體，那隻需甲和乙一交配（或者起碼是它們的子女交配），一兩代的時間就能產生同時擁有A和B的個體；這多快呀。哪怕這個強力AB組合今後還要時不時地拆散幾次，那也比無性生殖里A統一天下之後苦苦等待B再次出山要強嘛。

在費希爾的鼓舞下，一位叫赫爾曼·穆勒的遺傳學家開始考慮那些壞的新突變（畢竟壞突變總是要比好突變多得多），並據此提出了業內著名的「穆勒棘輪」學說。穆勒因為拿X射線摧殘果蠅而獲得1946年的諾貝爾獎，在長年的摧殘中他深切體會到壞的新突變是多麼常見又多麼可怕。而糟糕的是，無性生殖對於這些新生的壞基因還真沒什麼好辦法，因為：1.許多壞突變剛出現時作用實在太小，遇上不完全均一的環境時，自然選擇幾乎無法將它們清除——好比說雖然你智商比他高一點，可偏偏他是富二代，這就沒辦法了；2.壞基因出現的頻率問太高。假如一個群體的突變率實在太高，以至於每一代都至少帶上一個壞突變，那自然選擇就根本沒有辦法把它們完全清除了——總不能把每個人都殺掉吧。自然界中各個群體的突變率還存在爭議，但是對於很多長壽的群體，壞突變恐怕是不可避免的。因此，無性生殖陷入了一個死局。除非哪個個體撞大運，遇上一次「回復突突」把這個壞突變糾正過來（這種事情的概率就像一個人被雷劈了兩次，還都劈在同一個地方），不然一段時間之後，群體中所有的個體都會掛上一個小小的壞突變。在此基礎上，就像是傳話遊戲里錯上加錯一樣，繼續產生新的壞突變——兩個壞突變比起一個差不了太多，而三個又比兩個差不了太多，因此自然選擇依然是有勁使不上。如此往複，整個群體的素質就穩步逐年下降，像一枚棘輪一樣，一次一個齒、一往無前地墮落下去，最後徹底玩兒完。

但是群體選擇有一個問題，群體選擇作為系統現象必然有信息作為中介，但是作為群體選擇的中介物質實際上並未找到。也就是說，不管性給整個群體帶來多少好處，它要想存在，必須同時也給選擇有性生殖的個體帶來好處（即群體選擇通過個體選擇起作用）。威廉姆斯認為，群體選擇本身固然可以存在，但是當群體選擇和個體選擇相矛盾時，永遠是個體優先。群體選擇的致命缺陷是它太慢了，而完全沒有先見之明的自然選擇恰是「快魚吃慢魚」的最好例證。一般而言，一個群體從產生到消亡，全過程最快也通常要幾十代，而個體的適應度差異卻是一代見分曉。就算你是一個利他的、和諧的群體，只要有一個自私者混了進去（不管是遷徙還是突變），那麼這個自私者就會迅速獲得大量利益——在性這個問題上，起碼是兩倍利益——從而在群體內部擴散開來，讓整體徹底腐化墮落；而這時不同群體間的鬥爭還看不出結果呢。而且從信息儲存和傳遞方式上看，自然選擇主要在基因和個體層面起作用，不會為了群體或種群的利益。那麼，有性生殖到底能夠給個體帶來什麼好處呢？

威廉姆斯提起了一個重要的觀點，這個觀點直到今天還常常被人們忽略：基因的好壞並不完全取決於基因本身，有時很大程度上是取決於周圍的環境——一副打升級的好牌不見得適合打鬥地主，一個某種環境下優勢的基因換了環境不見得還是優勢。因此，性讓子女變得和父母不同，這個舉措好處就凸顯出來了：如果環境正在發生變化，或者群體正在向新的環境遷移，那麼變化一下就十分划算了。這個觀點極好地解釋了那些無性和有性相間的生物。你是否還記得初中的生物課說，水螅在平常進行無性的出芽生殖，秋天環境較惡劣時則進行有性生殖？這就是個很好的實例。

演化生物學家范·瓦倫則通過紅色皇后假說對威廉姆斯的片面的環境觀進行了補充，環境不僅包括物理化學環境：溫度，光照，海拔，礦物質，等等，還包括周圍其他生物組成的「活」環境。《物種起源》裡面寫過，過度繁殖導致的生存鬥爭是演化的主要力量，換言之生物之間的搏鬥才是演化的重點。我們談論「環境」二字時，不能忽視了周圍其他生物組成的「活」環境。而且這個演化動力是永遠長存的：你在演化，周圍的生物也在演化，形成一場無止無休的賽跑。你只有拼盡全力去跑，才能留在原地。

比爾·漢密爾頓通過對寄生蟲的研究證明了紅色皇后假說。生物學界曾經有過這樣一種觀點：寄生生物殺死宿主的話自己也會死掉，兩敗俱傷，那麼最佳策略應該是二者互惠互利才對；那為什麼現實中傳染病對人的危害那麼大呢？是因為初來乍到還不適應，需要時間而已。這個想法是挺美好的，可惜忽略了一點：寄生生物自己也面臨著競爭，宿主體內很可能有幾種幾十種不同物種的寄生生物，分屬成百上千個不同的克隆型，我們能指望它們為了長遠利益團結起來和宿主和睦共處嗎？抱歉，基本沒戲。原因和上面一樣，群體選擇打不過個體選擇，自私自利的寄生生物更可能拚命掠奪宿主的資源，而非小心翼翼加以保護——保護的後果往往是被別人掠奪走了。這和經濟學上的公共草坪悲劇如出一轍。結果是，寄生生物不但精巧得讓人嘆為觀止，還成功得令人出乎意料——有人估計寄生生物的總物種數是自由生活生物的四倍以上，在抗生素髮明之前，古代人死於寄生生物的可能性也比死於捕食、挨餓或者嚴寒的機會要大。寄生生物的演化是非常快的，主要原因是它們每一代都很短。細菌快的可以20分鐘複製一次，腸道寄生蟲也不過幾星期到幾個月；如此速度之下，很快就能適應寄主的身體條件。假如全部的寄主的基因組成都是一樣的——比如幾乎所有的現代農業生產——那麼寄生生物就是一勞永逸了，一旦適應就能橫掃整個群體；歷史上著名的愛爾蘭土豆大饑荒就是發生了這種事情。相反，如果一個寄主群體內部的多樣性很高，又有性在不斷生成新的多樣性，寄生生物就得大吃苦頭：常常會有某一些個體能抵擋這種寄生生物，存活下去。等到寄生生物學會了適應這種個體，又會有新的抗性個體產生，雙方於是長年共存下去，像紅色皇后說的那樣，永遠在跑，卻哪兒也去不成。

通過對性的研究，我們可以認識到性其實伴有極其巨大的代價，然後到發現性在群體層面上的利益，最後找到性對個體本身的利益並發現二者是統一的，這套系統實在在複雜，太糾結了。我們相信，沒有哪個工程師會想出這麼一套複雜的辦法來解決這些問題的，面對新突變、理化環境、寄生蟲這些看似風馬牛不相及的問題，幾乎可以肯定他們會就事論事，各個擊破。可是，在偉大的自然選擇過程中，我們習以為常的一個簡單的「性」，貌似複雜低效，卻能短期長期兼顧，還讓世界變得如此五彩繽紛，著實神奇。

八、生命為什麼會死亡

生命是一個高度複雜的動力學系統，生命從高度有序的耗散狀態走向無序狀態就是死亡。我們這裡討論的生物為什麼會死亡主要指生物的自然死亡，俗稱老死。感染病原體身亡、被老虎吃掉了等由其他生物導致的死亡和而被雷劈死、被水淹死、被車撞死等意外事故導致的死亡，不屬於自然死亡。

關於自然死亡這個問題，是偉大的進化優勢？還是多細胞體系必然崩潰的宿命？這還遠遠不到蓋棺定論的時候，現在只有科學家們對現象的觀察、記錄與總結。根據生命科學領域頂級雜誌Cell的一篇超神的論文「The Hallmarks of Aging」，造成自然死亡的主九大元兇是：基因組不穩定、端粒耗損、表觀遺傳狀態變動、蛋白動態平衡被打破、線粒體損傷、營養信號感知下調、細胞衰老、幹細胞耗盡、細胞間通訊變動。

基因組不穩定：每當細胞增殖，一個細胞變成兩個細胞的時候，基因組也相應地變成兩份。人體基因組約有30億個鹼基對，細胞在每一次增殖的時候不能保證30億個鹼基都被準確複製一遍，鹼基出錯的頻率大概是每十萬個鹼基有一個錯誤，但隨著複製的進行，突變還是根本停不下來。隨著細胞複製而不斷積累各種錯誤和傷口，造成基因組不穩定。對於多細胞生命來說，每一個細胞都只是龐大機器上的一個小齒輪，對穩定性的要求非常高，根本容不得再細微的改變，一點點的變化都可能導致它不能承擔自己的使命，失去本身的功能。

端粒耗損：端粒是存在於真核細胞線狀染色體末端的一小段DNA-蛋白質複合體，它是每條DNA兩頭的一段非編碼的重複序列，它與端粒結合蛋白一起構成了特殊的「帽子」結構，作用是保持染色體的完整性和控制細胞分裂周期。因為DNA複製的機制決定了每一次細胞增殖都要丟失最前端的遺傳信息，如果每次都丟，經過幾百萬次複製，生物哪有機會把遺傳信息流傳到現在？這裡我們的細胞採用了最簡單的方案，只要最前端是一段沒有意義的亂碼，問題就解決了，每次複製損失掉的都只是亂碼，不會影響到有意義的編碼序列。但是DNA複製一次端粒就變短一點，直到發現用完了，好，拒絕複製，你別分裂了你等死吧。

表觀遺傳狀態變動：前面說過，人體基因組約有30億個鹼基對，拉開來有兩米長，人體細胞直徑只有20微米，兩者相差6個數量級，正常情況是放不下的。所以基因一般是像毛線球一樣圈起來的，這樣高度壓縮的源代碼已經難以讀取了，在需要讀取的時候，先要經過解壓，把要用的那一段毛線從乒乓球上解下來。如果說遺傳信息是源代碼，那麼表觀遺傳信息就是讀取方式。表觀遺傳狀態影響的是壓縮和解壓的演算法，雖然它不直接改變源代碼，卻決定了源代碼的讀取。大量研究發現，表觀遺傳狀態隨著衰老的進程，發生有明顯特徵的變動。

蛋白動態平衡被打破：系統動力學認為，結構決定功能，在蛋白質生產過程中，如果發生了意外，蛋白質不小心毀容了，只能失業，而正常細胞都有一套處理無業游民的系統。第一招，修，在美容蛋白的幫助下，恢復成正常的樣子。第二招，殺，派出專業刺客蛋白酶，把錯誤摺疊的蛋白降解掉。可惜道高一尺魔高一丈，總有一些無業游民逃過處理系統，隱姓埋名，為禍人間。隨著時間的推移，錯誤的蛋白逐漸積累，甚至互相抱團，形成巨大的沉澱物。

線粒體損傷：線粒體作為細胞的能量工廠，不斷地消耗氧氣，發生活躍的化學反應和電子傳遞，這個過程不可避免地產生副產物，包括超氧陰離子、過氧化物和羥自由基。這些線粒體產生的自由基造成線粒體損傷和細胞損傷，進而導致衰老。通俗地說，就是發電機老化漏電把整個廠子毀了。

以上五大元兇，不管是錯誤的DNA、縮短的端粒、變動的讀取方式、毀容的蛋白、漏電的線粒體，都類似一種「用壞了」的情況。

營養信號感知下調：對哺乳動物來說，生長激素是促進生長的司令員，通過IGF-1, FOXO，mTOR等小夥伴，指導細胞對營養信號的感知和響應。研究發現，生長激素和IGF-1水平隨著衰老的進程而下降，這看起來很合理，年紀大了生長激素也少了。那麼，補充生長激素是否能延緩衰老呢？上帝大叔說如果這麼簡單我豈不是很沒面子！實驗發現，人為地減弱生長激素、IGF-1、FOXO、mTOR的功能，反而延長了線蟲、果蠅、小鼠、甚至類人猿的壽命。其中一個抑制mTOR的藥物叫rapamycin，據說是至今為止效果最好的延長壽命的化學手段。為什麼會出現這樣的悖論？上帝大叔又在偷笑。營養信號感知與衰老的關係仍然籠罩在迷霧中。

細胞衰老與幹細胞耗盡：這兩個其實是同一種問題。細胞衰老是指細胞進入停止分裂的狀態，由於窮凶極惡的前幾大元兇，越來越多的細胞受到傷害，生長停滯，進入這種狀態。對於多細胞生物來說，衰老狀態本來是一種自我保護，阻止受損細胞繼續生長，甚至出動免疫系統的鋼鐵洪流將受損細胞碾壓成灰，防止這一小撮細胞變成階級敵人，把風險扼殺在搖籃里。這個過程嚴格依賴於有效的細胞替換系統，一邊清除衰老的細胞，一邊調動祖細胞生產新兵，進行替換（祖細胞屬於成體幹細胞，負責組織損傷後的修復再生）。而祖細胞同樣面臨五大元兇的威脅，自身也會衰老。在自身難保的情況下，還要加班加點生產新兵，最終耗盡了再生能力。由於得不到補充，大量衰老細胞進一步造成組織和器官功能衰退。這也許就是衰老和自然死亡的頭號罪犯。

細胞間通訊變動：細胞進入衰老狀態之後，傷心的細胞流下的淚水（蛋白信號）讓免疫系統聞風而動，激活炎性小體，產生炎症反應。這本身是一場自衛反擊戰，防止受傷的細胞發生癌變，只可惜殺敵一千自損八百，慢性而低程度的炎症增加了病理性肥胖以及2型糖尿病的風險，正是老年群體中糖尿病的發病率較高的一種解釋。

九、生物工程

生物工程，是20世紀70年代初開始興起的一門新興的綜合性應用學科，90年代誕生了基於系統論的生物工程，即系統生物工程的概念。生物工程，以分子生物學、微生物學、遺傳學、生物化學和細胞學等生物學理論和技術為基礎，結合化工、機械、電子計算機等現代工程技術，充分運用分子生物學的最新成就，自覺地操縱遺傳物質，定向地改造生物或其功能，短期內創造出具有超遠緣性狀的新物種，再通過合適的生物反應器對這類「工程菌」或「工程細胞株」進行大規模的培養，以生產大量有用代謝產物或發揮它們獨特生理功能一門新興技術。

生物工程作用巨大，能夠改變DNA攜帶基因數量。生命的進化史上曾經對DNA攜帶類型產生過重大分歧: 一派認為DNA中要盡量攜帶更多更全面的信息, 這樣就減少了學習的成本；另一派認為DNA中只需要攜帶生存需要的信息，同時賦予個體學習能力,以適應變化的環境。前一派發展到目前的終極形式是昆蟲，後一派發展到目前的終極形態就是人類。 可能很難說究竟哪一種更成功，因為目前為止昆蟲反而比人類分布範圍更廣，數量更多。如果DNA中攜帶了盡量全面的信息，那麼我們像很多玄幻小說中那樣，血脈傳承，生下來就獲得了很多知識，掌握各種技能這樣多好呀。這種是第一派的策略，這種策略有個缺陷就是不能適應環境的變化，為了補償這個缺陷，昆蟲採取了大量和快速繁殖，縮短生命周期從而加快基因流動的辦法來應對變化，但這也制約了昆蟲向智能生物的進化。

未來，人類一定可以通過基因工程實現自身進化，目前的技術條件下，比較成功的基因工程是微生物，其次是植物和動物，畢竟越簡單的生物基因工程操作起來越容易。大家一定要提高自己的識辯能力，一方面不能像崔永元一樣盲目抵制轉基因，轉基因是有性生殖的基本過程，轉基因是父母生育子女的前提，基因工程是社會發展的必備技術。另外也不能盲目去相信什麼天賦基因測試，要認識到現在生物工程的水平還比較低下。基因決定的是決定生物性狀的指令片段，一些簡單的性狀可以由一個基因片段決定，但天賦這種複雜的性狀，是有一系列基因控制的，而且這些基因又各自擁有其他的功能，都處於牽一髮而動全身的狀態。更何況天賦等複雜性狀，受後天影響極大，訓練可以創造天賦，後天條件和先天條件對能力的形成大約分別佔50%。2014年，美國一個科研組對10萬多人進行智商測試和基因測序，最終只找到了3個突變位點與智商有強相關性。但是，平均來說，每個突變只能貢獻0.3點智商，僅佔個人平均智商的千分之三，高考前喝兩支葡萄糖都比這些基因貢獻的分數多。

前面解釋過生物為什麼會死亡的解釋，相信大家很想問另外一個問題，人類怎麼才能利用生物工程實現永生不死，死者復活呢？這個問題現在無解，全部靠編——未來科學發達了，死人應該能復活，反正都是信息現象，不依賴物質載體。靠編的東西，應該歸入宗教理論，以後再說，我們的目標是走完宗教的路，讓宗教無路可走。

本節參考文獻：本節全靠抄，自己組織的部分只有不到10%，文章主要內容均源自 1.袁越、李騰、雪山象等部分知友回答，2.某《陳閱增普通生物學》北大講義2006版，3.科學松鼠會科普小文（《二十世紀最「反直覺」的偉大生物學發現：化學滲透》、《為什麼出雙入對是一個腦殘的好主意》，4.《信息簡史》

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