生命的定義

嘗試定義生命不僅僅是一個哲學(xué)問題。我們聲稱在宇宙的其他地方發(fā)現(xiàn)生命之前，我們需要理解將生命物質(zhì)與非生命物質(zhì)區(qū)分開來的是什么。

1944年，物理學(xué)家艾爾文·施汀格就將生命物質(zhì)定義為“避免腐敗到達(dá)平衡狀態(tài)的物質(zhì)”。該定義參考了熱力學(xué)第二法則：熵總是在增加。熵通常是指混亂或無序狀態(tài)，但實際上，它是能量向一種均勻狀態(tài)擴(kuò)展的過程。一杯冷水會慢慢變溫，直到與周圍空氣的溫度一樣，這就可以看出該法則。因為這個趨勢是趨向平衡狀態(tài)，宇宙最終將會是一種完全無結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，由均勻分布、具有相等熱度的原子組成。

但是，施汀格說，生物能夠推遲這種趨勢。試想：當(dāng)你活著時，你的身體就能保持其結(jié)構(gòu)，但是一旦你死亡之后，你的身體結(jié)構(gòu)就會通過細(xì)菌作用和化學(xué)過程而被破壞。最終，你身體的原子就均勻地散布開來，被地球回收。死亡就是你的身體屈服于宇宙的熵。

生物通過攝入營養(yǎng)物來抵抗熵。這種攝入能量進(jìn)行活動并排出廢棄副產(chǎn)品的生物化學(xué)過程叫做“新陳代謝”。如果新陳代謝是生命的一種跡象，科學(xué)家在探索其他世界的生命時，可以尋找新陳代謝的廢棄副產(chǎn)品。

至少，這是1976年“海盜”號探測器在火星上進(jìn)行標(biāo)志釋放實驗之后的觀點。這個實驗是通過給火星土壤樣品增加有放射性標(biāo)記的液態(tài)營養(yǎng)物來檢測生命的新陳代謝線索。如果這些營養(yǎng)物被生命體消耗了，作為廢棄副產(chǎn)品釋放的任何氣體均可以得到放射性標(biāo)記。

營養(yǎng)物被攝入后，二氧化碳?xì)怏w會快速增加。由于這種氣體具有放射性標(biāo)記，科學(xué)家開始斷定火星土壤內(nèi)的有機(jī)體在攝入營養(yǎng)物并釋放二氧化碳這種廢棄副產(chǎn)品。但是，火星土壤被證明具有一種獨特的土壤化學(xué)作用，能夠產(chǎn)生一種類似新陳代謝的反應(yīng)。盡管這個實驗仍未得出結(jié)論，但是大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為是火星土壤內(nèi)的非生命化學(xué)過程引起了這種“新陳代謝”反應(yīng)?！昂１I”號實驗表明，新陳代謝可能是生命的一個特性，而不是探索異域生命的一項適用準(zhǔn)則。

地球上所有生命的另一個特性是對水的依賴性。由于水在所有已知生命形式中均起著非常關(guān)鍵的作用，許多科學(xué)家認(rèn)為水的使用將是所有生命普遍存在的一個特性。但是，科羅拉多大學(xué)和洛克希德一馬丁公司的太空生物學(xué)家伯頓·克拉克說，水實際上是一個次要問題。

克拉克說：“水不能定義生命，它只是我們環(huán)境的一個方面?！?/p>

地球上的生命在水中進(jìn)化，因此，如今地球上的生命就依賴于這種資源。但是我們不能說，沒有水生命就不可能存在。在地球上，生命已經(jīng)能夠適應(yīng)最惡劣的環(huán)境，因此，生命可能已經(jīng)找到一種在無液態(tài)水的環(huán)境中生存的方式。

佛羅里達(dá)大學(xué)的太空生物學(xué)家史蒂文·伯納也認(rèn)為，水不一定是生命的一個普遍特性。

伯納說：“我們可以設(shè)想一種溶劑——硫酸在金星上可能發(fā)生的化學(xué)作用。這些作用的發(fā)現(xiàn)對于我們的生命觀點具有深厚的影響，并且還影響著NASA尋找生命的方式?！彼箍死锲昭芯克纳w德爾-喬伊最近創(chuàng)立的生命定義既未提及新陳代謝，也沒提及水。該定義認(rèn)為，生命是“一個能夠進(jìn)行達(dá)爾文式進(jìn)化的自我維持系統(tǒng)”。

但是，克拉克說大多數(shù)生命形式在技術(shù)上并非是自我維持的。動物吃植物或其他動物，植物在其根部需要微生物來攝入養(yǎng)分，而細(xì)菌通常生活在其他有機(jī)體內(nèi)部，依賴其寄主的內(nèi)部環(huán)境。他說，完全自我維持的有機(jī)體只有化學(xué)能無機(jī)自養(yǎng)生物和光能無機(jī)自養(yǎng)生物，且它們都相對罕見。

克拉克說，達(dá)爾文式進(jìn)化是此問題的另一個準(zhǔn)則。怎么能知道某物是否已經(jīng)進(jìn)行達(dá)爾文式進(jìn)化?所涉及的時間尺度是巨大的：在能夠宣布一個有機(jī)體確實活著之前，科學(xué)家可能需要對該物體的化石歷史有一個全面了解。

根據(jù)克拉克的觀點，活的有機(jī)體至少能顯示出102種可觀測的特性。將所有這些特性一起疊加到一個單獨定義中(假如非常長)仍然不能獲得生命的本質(zhì)。但是，克拉克從這個特性清單中選出了他認(rèn)為在創(chuàng)立一種生命新定義時具有普遍性的三項特性。這個定義說：“生命能繁殖，生命消耗能量，這些功能遵循一套有機(jī)體內(nèi)含的指令?！?/p>

這些指令就是地球上所有有機(jī)體內(nèi)組成基因代碼的DNA和RNA“字母”。有人可能會說，一團(tuán)野火也能繁殖和消耗能量，結(jié)晶和各種化學(xué)反應(yīng)也是這樣。事實上，伯納說：“不管是否為活體，每一個自然的化學(xué)過程均要消耗自由能量?！笨死苏f，這些現(xiàn)象沒有一個是“活著的”，因為沒有任何一個具有內(nèi)含的基因代碼指令(因為長時間以來并沒有任何變化，我們就可以知道不存在任何指令)。它們遵從的是物理規(guī)則，而不是內(nèi)含的指令，因此它們在任何時間均表現(xiàn)一樣。克拉克說，變化是了解某物是否具有內(nèi)含指令的關(guān)鍵。

但是，并非所有的生物均能夠繁殖。騾子天生就不能繁殖，大多數(shù)蜜蜂都不能繁殖：只有蜂后才擁有此榮耀。許多人類在整個生命過程中也未繁衍下后代，也沒有人會認(rèn)為這種人就不是活著的。

克拉克認(rèn)為繁殖和能量消耗對于生命存在并不需要同時出現(xiàn)。他將生命劃分為兩類：“有機(jī)體”和“生命體”。有機(jī)體按照內(nèi)含指令引導(dǎo)能量，這種能量可以讓有機(jī)體完成某些活動?？死苏f，生命體是一個更寬泛的分類，包含有機(jī)體且能夠進(jìn)行繁殖。

克拉克說：“我的主張是單獨的物理實體應(yīng)叫做‘有機(jī)體’，但多個有機(jī)體組合即產(chǎn)生‘生命體’，從而可以實現(xiàn)繁殖?！?/p>

多年來已經(jīng)創(chuàng)立了許多種生命的定義，但是還沒有一個所有人都接受的單獨定義。每種定義的有效性均受到了各種挑戰(zhàn)。按照科羅拉多大學(xué)蓋爾·克蘭德的觀點，這是因為定義僅涉及語言和概念，它們并不能擴(kuò)展我們對世界的了解。我們只能定義已經(jīng)了解的事物。

克蘭德說，17世紀(jì)的科學(xué)家在試圖給水下定義時遇到了同樣的問題。水有許多種描述：它是濕的、能解渴。它會結(jié)冰、變成蒸汽，但是其他物質(zhì)也具有這些特性。在科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了分子化學(xué)之后，他們就能夠?qū)⑺x為一個氧原子加上兩個氫原子，這是每個人都認(rèn)同的定義。我們在科學(xué)思考中可能需要一種類似的革命來定義生命。

克蘭德說：“目前，通過新陳代謝或繁殖之類的特征(我們通常用來識別地球生命樣本的特征)來定義生命并試圖回答‘什么是生命’這個問題，是不可能成功的?；卮稹裁词巧@個問題我們所需要的是生命系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論?！?/p>

下一步工作是什么呢?

我們能不能使用克拉克的定義發(fā)現(xiàn)其他世界上的生命?“海盜”號探測器已經(jīng)找到新陳代謝形式的能源消耗，但結(jié)果是不確定的。要將這個定義作為一種尋找生命的方式，我們可能需要考慮生命消耗能量的其他方式。

克拉克說，探索有內(nèi)含指令的生命形式的問題在于，標(biāo)準(zhǔn)可能過于具體。我們所知道的指令僅有DNA和RNA。宇宙中可能存在其他基因系統(tǒng)，與地球上已發(fā)現(xiàn)的系統(tǒng)并不相似。