基于自組織理論的生命本質(zhì)觀

文件編號：1003—7586(2010)04—0006—03

摘要基于自組織理論從構(gòu)成生命系統(tǒng)的物質(zhì)、能量和信息三大要素的視角對生命的誕生和演化歷程進(jìn)行了整體解析，形成了多視角、多元化的生命本質(zhì)觀。關(guān)鍵詞 生命本質(zhì)觀 自組織 等級層次結(jié)構(gòu) 新陳代謝DNA—RNA—蛋白質(zhì)秩序

中圖分類號Q-49 文獻(xiàn)標(biāo)識碼E

隨著素質(zhì)教育思潮的興起，中學(xué)生物學(xué)課程的目標(biāo)被定位在提高學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)。提高生物科學(xué)素養(yǎng)除了對生物結(jié)構(gòu)和生命現(xiàn)象等的認(rèn)識外，還應(yīng)包括對生命的本質(zhì)、生物的價值、生物界的發(fā)展等自然哲學(xué)問題的認(rèn)識。其中，生命的本質(zhì)問題是最基本的問題之一，但迄今為止人類尚未能給出確切定義。因此在生物學(xué)課程中，一般用對生物基本特征的學(xué)習(xí)來讓學(xué)生理解生命的本質(zhì)。在生命科學(xué)范圍內(nèi)來看這個生物學(xué)課程體系，它的合理性和教育價值不言而喻。但是如果從“科學(xué)問題的性質(zhì)”來思考，初中著重解決的是“是什么”，高中著重解決的是“怎么樣”，都未涉及“為什么”。就是說，一直未引導(dǎo)學(xué)生在科學(xué)一般意義上認(rèn)識生命的本質(zhì)。因此，積極地探討生命的本質(zhì)問題，加深對生命本質(zhì)的認(rèn)識，對于生物學(xué)課程體系的建構(gòu)以及學(xué)生生物科學(xué)素養(yǎng)的達(dá)成具有重要的現(xiàn)實意義。

現(xiàn)代科學(xué)認(rèn)為，宇宙世界中的生命系統(tǒng)是自組織系統(tǒng)。從系統(tǒng)發(fā)生和發(fā)展的角度看，生命最重要的特征是自組織。因此，對生命本質(zhì)問題的探討，一方面應(yīng)以分子生物學(xué)對生命本質(zhì)研究的最新成就為基礎(chǔ)，同時還必須基于宇宙從無序到有序發(fā)展的自組織理論的觀點出發(fā)去分析研究對象，才可能透徹地了解和把握生命的本質(zhì)。

1 自組織理論簡介

自組織理論是一個由眾多數(shù)理分支構(gòu)成的學(xué)科群，包括耗散結(jié)構(gòu)理論、協(xié)同學(xué)、突變論、超循環(huán)論、分形理論和混沌理論。它是研究考察自然界和人類社會中存在的各種開放系統(tǒng)發(fā)展的經(jīng)驗事實，總結(jié)概括而得的一個說明宇宙世界變化發(fā)展的基本理論。它認(rèn)為宇宙世界中不同層次上各類系統(tǒng)都是其內(nèi)在的諸種演化因素自組織過程的產(chǎn)物，都是宇宙世界普遍存在的自組織特征的標(biāo)志和體現(xiàn)。

所謂自組織是指“如果一個體系在獲得空間的、時間的或功能的結(jié)構(gòu)的過程中，沒有外界的特定干涉，我們便說該體系是自組織的”。自組織包含著以下三類過程。第一，由非組織到組織的過程演化。它意味著組織的起源，需要研究的是組織起點和臨界問題。第二，由組織程度低到組織程度高的過程演化。它是一個組織層次躍升的過程，是有序程度通過躍升得以提升的過程。第三，在相同組織層次上由簡單到復(fù)雜的過程演化。它標(biāo)志著組織結(jié)構(gòu)與功能在相同組織層次上從簡單到復(fù)雜的水平增長。這三個過程形成了組織化的連續(xù)統(tǒng)一體。

實現(xiàn)自組織過程需要滿足以下條件。首先，系統(tǒng)必須開放。有序的結(jié)構(gòu)需要輸入物質(zhì)、能量或信息，并與外界進(jìn)行交換才能維持，封閉的系統(tǒng)無法進(jìn)行有效的交換，因而最終變?yōu)榛煦?。其次，系統(tǒng)必須遠(yuǎn)離平衡態(tài)。在平衡態(tài)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)朝著均勻、無序和簡單的方向發(fā)展，不可能產(chǎn)生自組織結(jié)構(gòu)。當(dāng)系統(tǒng)遠(yuǎn)離平衡態(tài)時，才有可能進(jìn)入有序狀態(tài)，形成新的有序結(jié)構(gòu)。第三，系統(tǒng)內(nèi)各要素之間存在著非線性相互作用。因為非線性相互作用，使系統(tǒng)各個要素之間產(chǎn)生相干效應(yīng)和協(xié)同作用，才能形成自組織結(jié)構(gòu)。從本質(zhì)上講，任何線性系統(tǒng)不會有進(jìn)化和質(zhì)變，所以，協(xié)同學(xué)理論創(chuàng)始人哈肯認(rèn)為，“控制自組織的方程本質(zhì)上是非線性的”，“這些非線性項起著決定的作用”。第四，通過隨機漲落促進(jìn)系統(tǒng)的自組織過程。漲落是指系統(tǒng)的某個變量對系統(tǒng)狀態(tài)統(tǒng)計平均值的偏離。在遠(yuǎn)離平衡態(tài)的非線性區(qū)，系統(tǒng)中一個隨機的微小擾動或漲落，通過非線性相干和連鎖效應(yīng)被迅速放大，形成整體的宏觀巨漲落，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生突變，形成新的有序結(jié)構(gòu)。

2 基于自組織理論的生命誕生和演化歷程的整體解析

2.1 原始生命的誕生以及DNA-RNA-蛋白質(zhì)生命系統(tǒng)的確立

生命的誕生是宇宙物質(zhì)演化到一定階段的必然產(chǎn)物。近幾十年來，人們提出宇宙物質(zhì)總體演化的微觀一宏觀進(jìn)化鏈(圖1)。在宇宙物質(zhì)總體演進(jìn)的圖景中，化學(xué)演化階段呈現(xiàn)出從化學(xué)元素到無機小分子(水、氫氣、甲烷、氨等)，再從有機小分子(氨基酸、核苷酸、嘌呤、嘧啶等)到生物大分子(蛋白質(zhì)、核酸、糖類等)的演化途徑。其中，核苷酸、氨基酸、糖類、脂類和其他一些與生命過程有關(guān)的小分子物質(zhì)構(gòu)成了原始生命物質(zhì)，生命的誕生正是這些原始生命物質(zhì)積累和演進(jìn)的必然結(jié)果。在漫長的生命化學(xué)進(jìn)化過程中，當(dāng)原始生命物質(zhì)的數(shù)量和種類積累到一定程度時，通過縮合或聚合作用能夠形成生物大分子，生物大分子再通過相互作用聚集形成多分子體系。多分子體系(自組織系統(tǒng))在滿足系統(tǒng)開放、遠(yuǎn)離平衡態(tài)、系統(tǒng)內(nèi)諸要素非線性相互作用的條件下，通過隨機漲落形成系統(tǒng)整體質(zhì)變的巨漲落，引起了系統(tǒng)宏觀特性的改變。通過生存選擇的作用，具有能主動從環(huán)境中獲取物質(zhì)和能量以及具有自身建構(gòu)能力維護(hù)其系統(tǒng)存在的動力學(xué)結(jié)構(gòu)逐漸形成，從而宣告了原始生命的誕生。

顯然，這個由原始生命物質(zhì)通過自組織作用建立起來的原始生命系統(tǒng)，具有新陳代謝和自身建構(gòu)這兩方面的特征。新陳代謝集中體現(xiàn)的是生命與環(huán)境之間物質(zhì)和能量的交換以及生命體內(nèi)物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)換。自身建構(gòu)是以持續(xù)擴展為主要內(nèi)容的不同生物大分子級聯(lián)與衍生的過程，這一過程表現(xiàn)出生長的屬性。在生命誕生的初始階段，所形成的生命還沒有穩(wěn)定的形態(tài)結(jié)構(gòu)，原始生命的特征更多地體現(xiàn)在新陳代謝方面。隨著原始生命的演進(jìn)和各種生命物質(zhì)持續(xù)不斷的積累，系統(tǒng)必然朝向強化自我建構(gòu)能力的方向發(fā)展。這時出現(xiàn)的DNA-RNA-蛋白質(zhì)秩序中的一些成分和環(huán)節(jié)，通過自組織過程逐步建立起DNA-RNA-蛋白質(zhì)框架結(jié)構(gòu)。由于這一框架結(jié)構(gòu)有高度的穩(wěn)定性和負(fù)載信息的巨大潛力，使它能夠改造和容納周圍的生命次序。經(jīng)過漫長的DNA-RNA-蛋白質(zhì)秩序?qū)υ忌到y(tǒng)的歸納過程，各種生命次序逐漸歸納到DNA-RNA-蛋白質(zhì)框架結(jié)構(gòu)中，使它獲得了對復(fù)雜的生命代謝和自我建構(gòu)活動的控制能力，成為了生命過程的核心程式。獨立于DNA-RNA-蛋白質(zhì)秩序之外的原始生命失去了生存條件，最終被DNA-RNA-蛋白質(zhì)生命系統(tǒng)取代而退出歷史舞臺。

據(jù)此，可以把DNA-RNA-蛋白質(zhì)生命系統(tǒng)的生命活動解析為兩個范疇：一個是生物的新陳代謝和圍繞新陳代謝而進(jìn)行的一系列生理、生化和行為活動。另一個是通過DNA—RNA-蛋白質(zhì)秩序?qū)崿F(xiàn)對生命過程的核心控制，它集中體現(xiàn)的是生命有序結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和遺傳。代謝雖然最能夠體現(xiàn)生命的活力，但它的活力只能在納入DNA-RNA：-蛋白質(zhì)秩序的框架結(jié)構(gòu)后才能體現(xiàn)出來?？梢?，DNA—RNA-蛋白質(zhì)生命系統(tǒng)使生命代謝獲得了一種穩(wěn)定的動力學(xué)結(jié)構(gòu)：從此，生命的發(fā)展體現(xiàn)在其有序性的建構(gòu)是以DNA信息儲存和程序展現(xiàn)的方式進(jìn)行，并能通過自我復(fù)制穩(wěn)定遺傳下去。

2.2 細(xì)胞的出現(xiàn)以及物種的形成

經(jīng)過漫長的發(fā)展歷程，生命系統(tǒng)完成了一系列復(fù)雜、精巧的形態(tài)和空間結(jié)構(gòu)的建構(gòu)，內(nèi)部出現(xiàn)了區(qū)域分化現(xiàn)象，與外界環(huán)境的界限變得也越來越明確。至此在生命的發(fā)展歷程中出現(xiàn)了一種新的生命形態(tài)——細(xì)胞。細(xì)胞的出現(xiàn)使生命在形態(tài)結(jié)構(gòu)和程序上實現(xiàn)了周而復(fù)始的生存方式。系統(tǒng)的擴展與延伸會影響到生命與環(huán)境之間正常的物質(zhì)和能量的交流，帶來對生命系統(tǒng)有序結(jié)構(gòu)的破壞，最終威脅到生命的生存。細(xì)胞這種生命形態(tài)所具有的周期性結(jié)構(gòu)克服了這一問題，它使生命過程可以周而復(fù)始地進(jìn)行下去，并且進(jìn)一步使DNA-RNA--蛋白質(zhì)秩序得到確認(rèn)，保證了生命代謝的持續(xù)穩(wěn)定表達(dá)。可以說，細(xì)胞的出現(xiàn)標(biāo)志著地球生命的最終確立，生命從此以個體的形式通過逐代相傳實現(xiàn)著生命的不斷發(fā)展。

此后，具有周期性結(jié)構(gòu)的細(xì)胞與環(huán)境的適應(yīng)成為生命發(fā)展的主要方向。在環(huán)境的影響下，結(jié)構(gòu)(初始條件)不同的細(xì)胞系統(tǒng)通過自組織作用，其后續(xù)的發(fā)展會產(chǎn)生不同的效果。真核生物具有線形DNA分子，原核生物具有環(huán)形DNA分子。線形DNA分子比環(huán)形DNA分子有較強的有序發(fā)展的容納能力和較弱的簡約能力。因此，真核生物發(fā)展有序結(jié)構(gòu)的潛能要比原核生物大得多。同樣，真核生物中不同細(xì)胞系統(tǒng)也存在這種發(fā)展?jié)撃艿膮^(qū)別，由此引發(fā)了生物演進(jìn)的分化。真核生物在與其環(huán)境適應(yīng)的過程中，通過選擇作用出現(xiàn)了減數(shù)分裂機制，有性生殖過程從此登上了生命歷史的舞臺。有性生殖過程帶來的不僅是生物生活史中單倍染色體與雙倍染色體交替出現(xiàn)的現(xiàn)象，而且通過生殖隔離還帶來了生物種群的區(qū)分。如果說細(xì)胞代表了生命存在的基本單位，那么，有性生殖程序的建立以及通過生殖隔離形成的種群區(qū)分，給生命帶來了高于細(xì)胞層次的動力學(xué)單位——物種。物種是一種成熟的子系統(tǒng)，它的出現(xiàn)不僅賦予了生命以新的表達(dá)形式，而且提供了群體性遺傳信息改變的一種新的操作平臺。生命系統(tǒng)利用這一平臺使物種呈現(xiàn)出多樣化的演化趨勢。

2.3 多細(xì)胞生物的發(fā)生及其演化

繼細(xì)胞誕生之后，大約在10億年前，多細(xì)胞生物登上了生命歷史的舞臺。從現(xiàn)代生物學(xué)角度看，多細(xì)胞生物與單細(xì)胞生物相比，其有序性的建構(gòu)有三個重要進(jìn)步。一是建立了細(xì)胞間相互作用信息系統(tǒng)。單細(xì)胞生物利用的是一個共享的基因庫，多細(xì)胞生物中雖然大多數(shù)細(xì)胞含有同樣的基因組，但通過細(xì)胞間相互作用信息系統(tǒng)，遺傳信息在不同細(xì)胞中是被分配使用的。這也是多細(xì)胞生物發(fā)育的空間結(jié)構(gòu)和時間結(jié)構(gòu)能夠依次展示的基礎(chǔ)。二是出現(xiàn)了細(xì)胞分裂的發(fā)育控制機制。多細(xì)胞生物每一個細(xì)胞的分裂已納入整體發(fā)育的編程之中。依據(jù)細(xì)胞在整體發(fā)育程序中所處的地位，多細(xì)胞生物的許多細(xì)胞通過調(diào)控可以依次進(jìn)入或者脫離分裂程序。三是設(shè)置了生殖細(xì)胞發(fā)生程序。多細(xì)胞生物具有單細(xì)胞生物所不具有的個體發(fā)育階段，發(fā)育的出現(xiàn)帶來了生物個體死亡的現(xiàn)象。相應(yīng)地，生命的延續(xù)方式從單細(xì)胞的細(xì)胞分裂改變?yōu)樯臣?xì)胞(孢子或配子)的形成。在單細(xì)胞生物向多細(xì)胞生物的演化過程中，一些單細(xì)胞生物通過細(xì)胞分裂形成的多細(xì)胞聯(lián)合體，通過自組織作用建立了細(xì)胞間相互作用系統(tǒng)，出現(xiàn)了細(xì)胞分裂的發(fā)育控制機制，設(shè)置了生殖細(xì)胞發(fā)生程序，并且它們與細(xì)胞內(nèi)基因表達(dá)系統(tǒng)建立起聯(lián)系，形成了特定的多細(xì)胞生物世系。多細(xì)胞生物的出現(xiàn)，賦予個體發(fā)育充分展示的空間，將生命周期性結(jié)構(gòu)推向了一個新的高度，生命的有序結(jié)構(gòu)進(jìn)入到一個更高的層次。從此，地球上出現(xiàn)了以多細(xì)胞生物為主體的大發(fā)展的局面。

多細(xì)胞生物演化過程的主要特征可以歸納為兩點：一是演化的分形性。從發(fā)育生物學(xué)的角度看，多細(xì)胞生物的發(fā)育是一個嚴(yán)格編程的過程，其演化實質(zhì)是發(fā)育程序的演化。發(fā)育程序具有的分形屬性，使多細(xì)胞生物的演化呈現(xiàn)出一個不斷分支、多樣化發(fā)展的趨勢，二是生物對于環(huán)境的適應(yīng)性。多細(xì)胞生物在與其生存環(huán)境的適應(yīng)過程中，總體上表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、功能精細(xì)化的發(fā)展特點。因此，演化的發(fā)生根植于發(fā)育程序的分形屬性，而適應(yīng)是環(huán)境對于分形演化選擇的結(jié)果。從此，在多細(xì)胞生物發(fā)育程序建構(gòu)這個舞臺上，生命充分調(diào)動著發(fā)育編程、環(huán)境選擇、信息重組、細(xì)胞分化等各種手段，使地球生命的演化無論是從形態(tài)結(jié)構(gòu)到生理功能，還是從外在行為到生態(tài)關(guān)聯(lián)，都獲得了比單細(xì)胞生物不可比擬的多樣化發(fā)展，帶來了地球上生命存在形式和規(guī)模的巨大變化，產(chǎn)生出多種多樣的宏體生物并最終促使了智能生物的出現(xiàn)。

3 結(jié)論

通過以上對生命誕生和演化過程的整體解析，我們可以得出以下結(jié)論：

(1)從構(gòu)成生命的物質(zhì)要素上看，生命是由生物大分子一細(xì)胞一生物個體一種群一生態(tài)系統(tǒng)組成的等級層次結(jié)構(gòu)。生命經(jīng)歷了四次重大的有序結(jié)構(gòu)層次的自組織升級。第一次是原始生命系統(tǒng)的誕生，第二次是DNA-RNA-蛋白質(zhì)生命系統(tǒng)的確立，第三次是細(xì)胞結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，第四次是多細(xì)胞發(fā)育程式的建構(gòu)。每一次自組織升級展現(xiàn)出的是生命基本結(jié)構(gòu)的改變，反映出生命是由生物大分子一細(xì)胞一生物個體一種群一生態(tài)系統(tǒng)組成的等級層次結(jié)構(gòu)。

(2)從構(gòu)成生命的能量要素上看，新陳代謝是生命存在和發(fā)展的基本條件。生命通過代謝活動實現(xiàn)著與環(huán)境之間的對話，并且推動著生命有序結(jié)構(gòu)的建構(gòu)。從根本上講，生命系統(tǒng)的四次自組織升級都是對生命代謝程式的一種規(guī)范。原始生命系統(tǒng)的出現(xiàn)實現(xiàn)了生命以新陳代謝為其基本品格的建設(shè)，DNA-RNA-蛋白質(zhì)秩序的確立使代謝程式獲得了穩(wěn)定的動力學(xué)結(jié)構(gòu)，細(xì)胞周期結(jié)構(gòu)的形成保證了生命代謝程式的持續(xù)穩(wěn)定表達(dá)，多細(xì)胞生物發(fā)育程式的建構(gòu)帶來了對代謝程式表達(dá)的一系列新的規(guī)定，極大地豐富了生命代謝活動的內(nèi)涵?？梢哉f，新陳代謝是生命活力的主要體現(xiàn)，是生命存在和發(fā)展的基本條件。

(3)從構(gòu)成生命的信息要素上看，DNA-RNA-蛋白質(zhì)秩序是生命存在和發(fā)展的內(nèi)在根據(jù)。生命的存在和發(fā)展體現(xiàn)在其有序性的建構(gòu)是以DNA信息儲存和程序展現(xiàn)的方式進(jìn)行。DNA-RNA-蛋白質(zhì)框架結(jié)構(gòu)具有高度的穩(wěn)定性和巨大的負(fù)載信息的潛力，是一個對各種生命活動有著充分容納能力的開放結(jié)構(gòu)。各種生命活動的建立得益于DNA-RNA一蛋白質(zhì)秩序?qū)?fù)雜生命代謝和自我建構(gòu)活動的控制能力。可見，DNA-RNA-蛋白質(zhì)秩序是生命的核心程式，是生命存在和發(fā)展的內(nèi)在根據(jù)。

(4)從生命演化的動力上看，生命是通過自組織過程實現(xiàn)的。從本質(zhì)上看，生命系統(tǒng)是自組織系統(tǒng)。生命的誕生、等級層次演化以及生命形態(tài)呈現(xiàn)出的多樣化發(fā)展的態(tài)勢，是生命在與環(huán)境的適應(yīng)過程中通過自組織過程實現(xiàn)的。綜上所述，筆者認(rèn)為，生命是具有等級層次結(jié)構(gòu)，能夠進(jìn)行新陳代謝作用，通過DNA-RNA-蛋白質(zhì)秩序進(jìn)行自我復(fù)制的自組織系統(tǒng)。