埃里克·梅塔克萨斯
第七章 生命的复杂远超想象
当达尔文和十九、二十世纪初的其他科学家谈论细胞时，他们只知道细胞是一些极其微小的东西，包含了一种被称为“原生质”的物质。然而，“原生质”只是一个无意义的代称，用来形容他们尚未理解的事物，就像人们曾假设宇宙间充满一种被称为“以太”的物质，但我们现在知道根本不存在“以太”。“原生质”也是如此，它仅仅是一个概念化的名词。语言具有力量，科学家们自信地谈论“原生质”让人们感到安慰，直到有了更强大的显微镜，我们才发现，“原生质”并不存在，而细胞内部实际上是一个令人惊叹的复杂世界。
我们曾以为细胞只是一个包裹着黏稠“原生质”的简单膜，现在才明白，细胞内部包含了一个令人震撼的宇宙，一个复杂到令人难以置信的系统，各种部件交织在一起，执行着令人惊叹的功能。就连细胞膜本身也是极其精妙的，不仅能够完全“防水”，还能“选择性”地允许某些物质进出。科学的发现越多，我们越清楚地认识到，单个细胞远非简单之物，其复杂程度显然不可能通过纯粹的偶然产生。早在1978年，剑桥大学的进化论学者、动物学家W.H.索普（W. H. Thorpe）就曾表示，即使是“最原始的细胞类型，其‘机制’也比人类迄今为止构思或制造的任何机器都复杂得令人难以想象。”
这种复杂性究竟有多难以理解？仅仅是一个细菌中的DNA所包含的信息量，就相当于一排二十本书中的数百万个词汇。DNA和RNA的基本构件是核苷酸，它们分别参与信号传导、新陈代谢以及酶反应。每个核苷酸由三个部分组成：一个磷酸基团、一个五碳糖和一个含氮碱基。已知最小的细菌拥有5,375个核苷酸，而其他一些细菌则拥有多达三百万个核苷酸。所以，我们如何真正理解即使是最简单的细胞的复杂性？我们曾以为它仅仅是包裹着果冻状“原生质”的膜。而这些无数的核苷酸究竟是如何“被编程”去完成复杂功能的呢？我们知道它们确实被某种方式“编程”了，但如何做到的？我们是否敢想象，这种难以估量的复杂性，竟然是通过地球早期水面上的随机搅动自发出现的？然而，这正是几十年来不断被提出的观点，尽管伴随着越来越少的热情。
在《宇宙的蓝图》（The Cosmic Blueprint）一书中，物理学家保罗·戴维斯（Paul Davies）指出，可以粗略计算出，通过随机分解和重新组合“原始汤”中复杂分子的过程，在十亿年后形成一个小型病毒的概率。他接着告诉我们，这些计算的结果是什么。他说，概率是十的两百万次方分之一，一个“令人麻木”的数字。换句话说，这比连续抛硬币六百万次都正面朝上的概率还低。任何尝试连续抛十次正面的人（可以试试）都能略微理解这种概率。戴维斯总结道，“通过分子随机重组自发生成生命是一个荒谬得令人难以置信的不可能事件。”
最简单细胞的复杂性已超越科学目前所能完全理解的范围
但自从戴维斯提出这些观察以来，我们发现生命起源的时间缩短了十倍，从大约十亿年缩短到仅仅一亿年。因此，他所描述的困难必须再乘以十倍。再一次，随着时间的推移，科学发现越多，问题就变得越加严重。
弗兰茨·卡夫卡（Franz Kafka）有一篇短篇小说《在法律之前》（Before the Law），讲述一个人多年来试图进入“法律”之门的故事，或许是为了面见一位法官。这是典型的卡夫卡风格，如果你熟悉他的作品，大概能猜到情节发展。首先，守门人告诉这个人，他不能进入。然后，这位令人畏惧的守门人解释说，即使这个人设法绕过他进入这扇门，后面还有许多门，而每扇门都有一个比前一位更强大的守门人把守。所以，守门人说这个人不得通行——当然并未给出任何理由——但他表示如果愿意，这个人可以等，并指了指一张凳子让他坐下。于是，这个人坐下等候。他等啊等，但始终未被允许通过第一道门。随着岁月流逝（记住，这是卡夫卡的故事），这个人到达法官的希望逐渐消失。这种体验后来被称为“卡夫卡式的荒诞”。最终，这个人年老体衰，仍然坐在那里等待通行，甚至恳求守门人毛领中的跳蚤，希望它们能帮助自己。当然，最后，他死了。这篇两页短文根据读者的心情，可以令人沮丧，也可以让人感到荒诞可笑，因为它概括了我们大多数人在人生某些经历中的感受。同时，这篇故事也精准描述了科学在生命起源问题上的处境：守在长久假设的理论之门前，久久未能突破。
那么，生命是如何诞生的呢？没有人再认为它一直都存在，就像过去有人认为宇宙是永恒的那样。所有人都同意，曾经有一段时间生命完全不存在，后来突然出现了。那么，到底发生了什么？
细胞的复杂超乎想象
在我们思考这个最重要的问题时，让我们重新回到对最简单生命的惊人复杂性的探讨。遗传学家迈克尔·登顿（Michael Denton）写道：
尽管最小的细菌细胞小到难以置信，重量不到 [0.0000000000001 克]，但每一个细胞实际上都是一个名副其实的微型化工厂，内部包含数千个精巧设计的复杂分子机械部件，由 [一千亿] 个原子组成，远比人类制造的任何机器复杂，且在无生命世界中完全无与伦比。
许多科学家已经得出结论，米勒-尤里实验所暗示的内容并不能解释生命是如何起源的。专注于生命起源研究的诺贝尔奖得主、比利时生物化学家克里斯蒂安·德·迪夫（Christian de Duve）拒绝了“偶然假说”，正是因为他认为，生命起源所需的偶然事件高度融合几乎是不可能的。在《有意义的世界》（A Meaningful World）一书中，本杰明·维克（Benjamin Wiker）和乔纳森·威特（Jonathan Witt）提到，具备最低限度功能的细胞“至少需要包含250个基因及其对应的蛋白质。原始汤通过随机过程生成一个长度甚至只有其一半的组合，其概率远低于10的150次方分之一。”
詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克
这些数字实在过于夸张，以至于——再次强调——它们甚至显得有些滑稽。我们必须笑一笑，因为面对攀登一面近乎通往无穷的陡峭悬崖，除了笑，别无其他方式能应对那种绝望。然而，即便如此，许多科学家仍然不愿承认现实。他们似乎在哲学上无法接受生命不是凭空自我创造的这一观念，尽管有大量证据摆在面前。著名的无神论者理查德·道金斯（Richard Dawkins）曾被多次引用说：“生物学是研究那些看起来好像是为了某种目的而被设计出来的复杂事物的学科。”这句话听起来也可能不经意间带点滑稽色彩，就像齐科·马克思（Chico Marx）对佩戴珍珠项链的贵妇玛格丽特·杜蒙（Margaret Dumont）说的那句台词：“好吧，你是相信我呢，还是相信自己的眼睛？”
那么，为什么对那些看似显而易见、自明的设计痕迹，不论如何都不该相信呢？道金斯和其他人能否对此做出解释？他们确实做出了努力。在道金斯之前半个世纪，詹姆斯·沃森（James Watson）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick）于1953年发现了DNA分子的精妙复杂且优雅的双螺旋结构。这是科学进程中的一个里程碑时刻，但克里克显然非常担心他的发现可能会引发错误的印象（关于设计），于是迅速敦促其他生物学家警惕地“记住，你看到的并不是被设计出来的，而是通过进化产生的。”意思是，这不是看上去的那样！我可以解释，相信我！
然而，正如梅耶（Meyer）在其书中所解释的，这种声明充满讽刺，因为正是由于沃森和克里克的发现，“唯物主义的生命观开始崩解。”梅耶基于分子生物学的最新实验结果，计算了单个功能性蛋白质或单个功能性基因通过随机过程生成的概率，这些实验显示功能性蛋白质在所有可能的氨基酸排列中极其罕见。那么他的结论是什么？基本上，他发现这种情形发生的概率低得惊人，足以让我们确定它从未发生过。用他自己的话来说：“在前生物环境中，仅通过随机过程产生一个中等长度（150个氨基酸）的功能性蛋白质的概率，不超过‘极其微小’的[十的164次方分之一]。”也就是说，这是1后面跟着164个零的概率。换句话说：这根本不可能发生。
当然，梅耶只是计算了单个功能性蛋白质生成所需的概率。而最简单的活细胞包含数百种各司其职的专门蛋白质。所有这些蛋白质又是如何从随机分子中形成的？它们又如何整齐地协调起来，执行那繁多复杂的任务？你对细胞内部的了解越多，就越会感到惊叹。这一切越看越荒谬。
詹姆斯·图尔博士，纳米科学家
正如我们提到的，莱斯大学的詹姆斯·图尔（James Tour）被广泛认为是当今世界最伟大的纳米化学家。他的奖项和资历证明了这一点。2009年，他被评为过去十年全球十大化学家之一；2013年，他被《研发杂志》（R&D Magazine）评为“年度最佳科学家”。他在化学、计算机科学、材料科学和纳米工程等多个学科担任联合职务，拥有700多篇研究论文和超过140项专利。在纳米科学领域，包括纳米生物学、纳米化学和纳米工程，很难夸大他的重要地位。
图尔出生于曼哈顿的一个犹太家庭，并在纽约地区长大。有一次，他回到纽约市时，我们在曼哈顿的第二大道熟食店见面。就在我们的犹太丸子汤端上来之前，他突然把手机递给我，点开了一段颇为令人不适的视频。视频中，一只白鼠的脊柱在C5椎骨处被故意切断，因此从脖子以下完全瘫痪。他向我解释，通过使用纵向剖开的石墨烯“纳米管”——这些管状结构在显微尺度上看起来像面条——他创造出了微小的“桥梁”，神经不仅能够在其上生长，而且确实成功连通了。我在视频中看到，这只白鼠后来完全恢复了。图尔解释说，在不到两周的时间里，断裂脊椎两端的神经通过石墨烯重新连接，使白鼠重新获得了控制四肢的能力。这一切看起来像奇迹，但图尔表示，类似技术将来还能用于重新连接断裂的视神经。因此，他在讲座中常说自己在帮助瘸子行走、盲人复明，尽管这句话常引发笑声，但他并不是在开玩笑。
图尔的其他研究项目——可以查阅维基百科——同样令人难以置信且印象深刻。其中包括创造“纳米车”，每辆车由单个分子组成。他关于这一研究的2005年文章《热驱动单分子纳米车的方向控制》（Directional Control in Thermally Driven Single-Molecule Nanocars）被美国化学学会评为“最受关注的期刊文章”。这些分子车辆在实验室中被创造出来，拥有独立运转的车轴、车轮和底盘，每辆车都装有以光为燃料的“发动机”。这不是科幻，而是科学。图尔解释说，如果将大约三万台这样的分子“汽车”并排停放，它们占据的宽度不过是一根头发的直径。
图尔深知，从原子层面操纵以构建分子是多么不可思议地复杂，需要无数的操作步骤和精密的实验。因此，他在这个领域内具有无可争议的权威，也能以此为基础探讨生命是否能在约四十亿年前“随机”出现。他斩钉截铁地表示，根据我们现在所知的事实——以及他自己比绝大多数人更深入的知识——这种观点无疑是荒谬的。图尔是第一个向我解释，在米勒-尤里实验的七十年之后，我们在理解生命如何从非生命中起源的问题上，并未取得哪怕一个埃（angstrom）的进展（1埃是1米的一千亿分之一）。正因过去几十年的科学研究，我们才得以看清这一令人谦卑的现实，并认识到我们对于生命从无生命中跃升的过程是多么无知。图尔明确指出，正是由于我们已经尝试并失败了七十年，我们才真正理解到自己的无知。1952年，我们或许还可以认为在破解这个问题上走了很远的路。但如今我们知道得太多，已无法再这么想了。我们现在知道得足够多，以至于明白我们对这一问题的无知有多深。
然而，图尔指出，真正的问题在于科学家大多过于顽固，无法承认这一点。他们太想相信米勒和尤里提出的假设和范式，以至于无视实验中明显的结论，仍旧用相同的方式研究这个问题，假装很快就会找到我们想要的答案。但图尔清楚地知道，他们声称“几乎成功”的目标，其实永远无法实现。
“[这]永远不可能发生，”他说。“他们在掩饰。我知道他们……在掩饰，但大多数人，甚至大多数科学家都不足以和他们争论。但我可以。我会指出他们的问题。我受够了。我们应该停止资助这一方向的研究，因为我们已经明确知道，这就像在彩虹尽头寻找金罐一样。显然，这是愚蠢的徒劳，现在已经变成巨大的浪费，这些资金本可以被更好地利用。”
当然，几十年的失败也是科学过程的一部分。我们常常发现自己的假设是错误的，不得不重新调整，进行范式转变。但哲学偏见往往与科学结果相矛盾。许多人在学习亚里士多德的宇宙观后拒绝接受哥白尼的理论；许多牛顿物理学家对爱因斯坦的理论感到不满；而最近，许多稳态宇宙理论的支持者不愿接受宇宙大爆炸的观念。这是人类的天性：某种程度上，意识形态惯性的力量似乎趋近无穷大。
生命与非生命之间无法跨越的鸿沟
尽管如此，图尔博士对在这一问题上拖延不前的行为毫无耐心。他深知从无机化学物质中“创造”生命有多么不可能，并且能够明确指出这一点。在最近的一次演讲中，他说：
首先，我们不知道如何制造……生命所需的四类分子。即使我们有了这四类分子，我们也不知道如何将它们组装成最简单的细菌。我们不知道怎么做……任何说相反话的人都不知道自己在说什么。拿出证据来给我看。没有人做到过，这不是因为缺乏努力，也不是因为缺乏意愿。首先，他们无法让这些分子完成这些事情；即使他们能制造出这些分子——即便我们把分子直接交给他们——他们也没有信息。DNA中不会有任何内在的信息。但即使我们把他们想要的DNA结构交给他们，他们也不知道如何将所有组件组合在一起，因为细胞内部的复杂性太高了。分子之间的相互作用网络——包括分子之间的范德华力——所有这些都必须处于正确的位置和正确的顺序，细胞才能正常运作。我们甚至不知道如何定义生命，更不用说如何让生命起始了。
讨论这个主题越多，事情就显得越奇怪、越令人困惑。图尔博士的话无疑是正确的：我们连“生命”本身的定义都无法给出，更不用说知道它在四十亿年前是如何诞生的，或试图自己创造生命了。我们越是了解哪怕最简单生命的复杂性，就越是难以说清什么是生命。这一问题随着时间的推移，已然成为一个越来越令人费解的谜团。
到底什么才是生命？
从某种意义上说，试图定义生命就像1964年美国最高法院大法官波特·斯图尔特（Potter Stewart）判定一部电影是否属于“色情作品”。这需要首先定义什么是色情作品，而他当时著名地说道：“今天，我不会尝试进一步定义我认为可归入这一简略描述的各种材料，也许我永远无法清楚地做到这一点。但我见到时便知道……”除此之外，他无话可说。
这不正是我们许多人对生命的定义方式吗？超出这种描述，即使是最伟大的生物学家也会陷入困境。一个人到底在何时不再具有生命？某一刻生命存在，而下一刻便是死亡。究竟是什么从这一瞬间到下一瞬间发生了变化？而在生命光谱的另一端，当我们讨论最简单的生命形式、单细胞生物时，又该如何定义它们？
科普作家约翰·卡斯蒂（John Casti）在其著作《失落的范式》（Paradigms Lost）中，可能将这一问题表达得最为简洁清晰。他写道：“如今基本达成共识的是，如果一个实体能够进行三项基本功能活动：代谢、自我修复和复制，那么它就被认为是‘活着’的。”这些概念中的“自我修复”和“复制”相对容易理解，但其所涉及的复杂程度几乎不可想象。而“代谢”又该如何定义呢？某词典中将其描述为：“生物体内物质通过物理和化学过程生成、维持和分解，并通过这些过程获取能量的总和。”事实很简单：我们正在讨论的是极其复杂的事物，而随着科学几十年来的研究深入，我们发现的复杂性也在不断增加。
因此，当我们讨论生命如何从非生命中产生时，这个曾经看似容易假设的问题，随着时间的推移，已变得几乎无法想象，甚至是科学领域中最伟大的头脑也无能为力。难怪没有人能展示这一过程究竟是如何发生的。1977年，化学诺贝尔奖得主伊利亚·普里高津（Ilya Prigogine）在《今日物理学》（Physics Today）中说道：“在普通温度下，宏观数量的分子自发组合以产生具有生命有机体特征的协调功能，其概率微乎其微。因此，生命以现有形式自发产生的想法，即便在数十亿年的时间尺度上，也是极不可能的。”
时间是敌人
有人认为，在数亿年的时间里，这些事情可能偶然发生，但图尔解释说，时间在有机合成中可能是敌人。许多必需的化学物质是动力学产物，也就是说它们在热力学上并不稳定。例如，碳水化合物是构成DNA的主要化合物。这些化合物是细胞结构中具有识别功能的单元，也是细胞获取生命能量所需要的单元。然而，一旦它们形成，就会开始分解。图尔说：“除非有人在那儿……把它们捞出来，终止这个过程，然后在惰性环境下把它们装进瓶子并冷冻，否则它们会像出现时一样迅速消失。”
图尔还解释了许多类似的问题。例如，即便随机过程奇迹般地成功生成了一种碳水化合物或其他必要的化合物，这些随机过程却无法“学习”如何再次完成这一过程。如果它们偶然间碰巧得到了正确的结果，也没有能力说：“让我们再试一次！”图尔说：
假设你花了四亿年的时间才完成某一步合成，[但是]现在你需要回头再合成更多。但怎么回头再合成更多呢？自然界从未保存实验记录……所以，即使它能再生成，也不知道该怎么做，只能重新开始。但它不知道如何开始，也不知道为什么要重新开始，因为它根本不知道自己在朝什么方向努力。
换句话说，我们现在知道，由于随机过程在漫长时间里没有任何目的性，我们所作的假设并不合理。事实上，这些假设是幻想且极其不现实的，但它们符合一种叙事：这些事情可以在没有神圣之手的指引下自行发生。然而，图尔毫不犹豫地表示，现在的科学已经非常清楚地表明，这种情形不可能是事实。是时候停止假装（可以合成生命）了。
停止研究！
图尔博士通过比较其他领域自1952年以来取得的惊人成就，进一步强调了“生命起源”研究的停滞不前。他说：“我们实现了载人航天；我们拥有了卫星通信；我们有了互联网；我们经历了整个微芯片和计算机技术的硅时代。这一切都发生在过去的三分之二世纪中，而在‘生命起源’研究上，我们仍然停留在米勒和尤里当时的水平。”从事这项研究的科学家尽管成功合成了一些化学物质，但“连如何将它们以正确顺序组装起来都毫无头绪。我们在这方面一无所知，一无所知。因为即使运用我们所有的智慧，所有的时间也无法解决这个问题。”
在解释为什么当前研究无法解决这一问题时，他再次强调，我们曾认为漫长的时间是支持生命起源研究方向的理由，但事实证明，正是漫长的时间让这一方向更加不可信。时间只会加剧我们的困难。
时间无法解决这个问题。即便让这些已经生成的化学物质……闲置几个月，你会发现——甚至连生命起源研究者自己也发现——当他们让这些化学物质静置几周后，分解就开始了。对于前生物时代的时间尺度而言，几周只是转瞬之间。
因此，认为这种现象可能在数十亿年前的大洋中自然发生的观点就显得更加荒谬。他接着说道：
这些化学物质会分解……氨基环境和细胞本身的性质非常基本。会发生一系列延长的醛醇缩合反应。所以，认为这些分子能够生成并静候其他分子出现，这种事情根本不会发生。有机化学不是那样运作的。任何懒于反应操作的学生，如果在周末设定反应后离开，而没有及时处理反应结果，都会付出代价，通常是较低的产率。一旦反应完成，或者当你想要获得优化产率时，你必须终止反应并将产物与起始物分离，否则结果是反应继续进行，生成多聚产物。尤其是在生成动力学产物时，这些产物在热力学上并非最稳定的，而恰恰这是生命所需的许多化学物质的特点。因此，时间实际上是敌人。
随后，图尔博士回到了一个更令人恐惧的问题，即我们试图实现的目标之复杂性之荒诞。他指出，仅仅是酵母细胞中蛋白质之间的相互作用就已经复杂到无法理解。语言根本无法准确描述这些天文数字般的概率。他说：“请记住，仅一个酵母细胞中的蛋白质相互作用组合数就达到10的790亿次方。”为了让我们理解他说的是什么，他提醒我们：“宇宙中的基本粒子总数是10的90次方……也就是1后面有90个零。但仅仅一个酵母细胞中的蛋白质-蛋白质相互作用组合数是10的790亿次方。这不是1后面有90个零，而是1后面有790亿个零。我们讨论的是这样的数字。”
如果这还不足以让人信服，他进一步提醒我们，数千种蛋白质需要完全正确，仅仅是问题的开端：
除了酵母细胞中那三千种蛋白质……你还需要所有的DNA和所有的RNA。你还需要所有的碳水化合物……记住，这些碳水化合物都有其自身的定义，由它们的连接方式决定……细胞表面碳水化合物中存储的信息可以比DNA和RNA总和的存储信息还多。而这些信息必须源自原始DNA模板，并且需要一系列其他酶级联反应。这一切都存在于细胞中，此外还有它们的交互网络。这一切都极为复杂。
确实如此。
