生命之流(1)——从复杂到生命

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  • 作者:jake
  • 时间:2008-04

从复杂到生命

  “今天你复杂了吗?”,这是一位朋友为了讽刺当今科学研究中的随波逐流行为的一句调侃。因为时下复杂系统已经成为了一个科学研究中的热门领域,似乎不管是什么领域的研究都要跟复杂、网络扯上关系,因为你不复杂就不时髦。然而,这门新兴学科除了能给我们兜售一些诸如幂律、网络、涌现等概念之外,还会给我们带来什么样的深层次启发呢?它究竟要回答和解决一类什么样的问题?它将引领我们去向何方?这些问题使我陷入了深深的思考……
  春天到了,我漫步在小河边。地上的小草刚刚发芽,几只刚刚苏醒的小虫在那里快速爬行,划出了一系列复杂随机的曲线。一阵暖洋洋的春风迎面扑来,一只灰色的小虫摇摇晃晃地沿着复杂的曲线爬到了我的脚下。然而,当我定睛一看才知道,那并不是一只虫子,而是一块普普通通的石头子儿。石子由于风的作用,在崎岖的路面上颠簸形成了复杂的运动曲线,才会勿让我把它看作是“活”的小虫。
  这一情景让我陷入了沉思,究竟什么是“活”这个属性呢?如果仅从行为上判断,石子和小虫可能都会让我们觉得它们是活的,因为它们的行为同样的复杂。但我们却知道石子是死的,因为它的行为复杂性并非来源于它的内部,而是来源于外力风的作用和复杂的地形。小虫却有本质的不同,它们能够按照它们“自我的意识”来决定将朝哪个方向去觅食。
  所以,我们很清楚这个世界存在着两类完全不同的东西,一类被我们称为活的,它们能够按照“自我”的意识,主动地进行运动;另一类则是死的,它们永远是被环境和物理规则驱动的被动运动着。然而,这两种事物之间的分界线真的如此清晰吗?要知道,即使是活的小虫也是由一群分子构成的,这些分子无非也遵循着物理规则被动运动。因为,科学在19世纪就已经证明,生命体不存在所谓“活素”(vitalism)的物质以及那个特殊而神秘的“活力”(vital force)。那么,究竟小虫子那种主动的活性从哪里来呢?
  有一部3D动画叫做The Inner Life of a Cell (中文字幕解说版的下载地址:https://www.bilibili.com/video/av9575395/)。

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图1.1 动画The Inner Life of a Cell的一个截图。图中那个拖着大泡泡的“小人”是个分子,它可以沿着脚下的微管运输营养物质。它跟我们人一样,通过交替迈出两条“腿”而前进。

  通过这个形象而精彩的动画,我们可以窥探到一个细胞内部的分子世界,这哪里是细胞啊,它简直就是一个人类社会!微管是一条条高速公路,一些蛋白质分子就像载货的汽车一样运输着营养物质(图1.1中的那个分子装置),线粒体是一个大的发电厂、细胞核中的DNA相当于人类社会中的中央首脑在发号施令。更有意思的是,这群分子有条不紊的复杂运动却能导致细胞整体呈现出活性来!当我们观察细胞整体的行为时,它明显地活了,因为它可以按照“它自己”的意识游向葡萄糖浓度高的地方去捕食,也可以按“它自己”的意识避开有害化学物质。一种只有生物才有的高层次的主动性体现出来了。

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图1.2 一个觅食的单细胞生物,通过摇动它身后的鞭毛,细胞可以游向食物。更有趣的是,这个小家伙完全是由分子按照物理、化学的规则构建的,不存在超物理的力量

  按照科学的解释,活细胞的这种主动性是蕴藏在成千上万个分子的物理、化学相互作用之中的整体涌现属性!然而,这种属性究竟是怎样涌现而出的呢?要知道,更详细的微观物理、化学知识并不能给这个问题的回答提供太大的帮助。比如图1.1所示的那个分子的运动完全可以从微观上用物理化学定律解释清楚,但是为什么这个小家伙要沿着微管朝这个方向而不是另一个方向运输物质呢?显然,最好的解释是说,因为细胞整体在这个方向缺少营养物质,所以细胞会给这个小家伙发送信号,使得它朝这个方向运输物质。可是,请不要忘记,我们这个整体细胞恰恰就是由这成千上万个分子组成的呀,那么是哪一个具体分子能够代表细胞的利益发号施令呢?答案是不存在这样的分子!细胞就是细胞,它的整体是一个独立的个体!我们不能把这个整体还原成一个具体的分子!
  其实细胞和分子的这种关系与我们争论已久的人类社会中个人同集体的关系非常相近。试想,某国家被外敌侵略,需要征集本国志愿兵。从个体上看,没有哪个人愿意参兵,因为这对每个人都是不利的,他们需要冒生命危险。然而,国家这个整体却需要有这群冒死的士兵,因为他们的牺牲能够保护国家大多数人的利益,虽然这个大多数人具体是哪一个人并不清楚。所以,国家是发号施令的独立个体,它能按照“它自己”的意愿来命令它下面的个体来完成抵抗外敌的任务,尽管这个独立个体恰恰是由微观的个人构成的。我们说人类国家也是一个活生生的有机体!
  没错,这个问题已经逐渐从具体的学科知识中慢慢浮出水面,而成为一个复杂系统的问题了。实际上,我们就是要问:“究竟什么样的系统才是有生命的活系统?”。与薛定谔那个著名的“什么是生命”的问题略有不同,在这里,我们已经把生命看作是一个系统的属性,而不仅仅是物理属性。所谓的系统属性就好像我们的软件一样具备某种对硬件的“超越性”。
  举个例子来说明这种软件对硬件的“超越性”,我们知道“生命游戏”是一个简单的计算机程序(参见:http://www.swarma.org/javaclass/gol.htm ),我们可以用屏幕上的黑、白方格按照规则来演绎该游戏;同样,如果我们把一幢大楼看作一个元胞空间,大楼窗户中的灯光的开关看作黑、白两种细胞状态的话,那么只要这些窗户开灯关灯也遵循生命游戏的规则,那么整个游戏的动态就可以在整幢大楼上重演!(现在很多大楼都装上了这样的大楼霓虹灯)。更有意思的是,“滑翔机”这个小家伙也会在整幢大楼上遨游,因为它完全是一种独立于底层硬件的软件Pattern。按照这个类比,“生命”也是一种具备“超越性”的系统属性。它可以用一堆分子作为硬件来实现,也完全可能用一群人类个体作为硬件来实现。这样,遥远宇宙太空中很有可能存在着某种由星体相互运动构成的超级生命个体。当然,这一切的前提就是我们能够找到那个系统的“活性”出来,即究竟“生命”是一种什么样的软件?
  实际上,这个问题恰恰就是现代复杂系统中的核心问题。系统科学发展到20世纪70年代以后人们才开始真正面对复杂系统。传统的控制论、系统论感兴趣的是一类由开关、机械装置构成的死系统,因为这类系统的因果规律相对清晰。例如一艘巨型轮船,尽管它的部件设计非常复杂,但是它总是需要人来操纵、指挥,这样轮船的运动完全可以归结为舵手的指挥,一切结果都可以归结为简单的原因,所以系统不具备活性。然而,对于细胞、社会、互联网这样的系统来说,似乎不存在一个控制者在那里(或者我们可以说那个控制者就是系统自己)。因果变得复杂,系统开始呈现出“活系统”才具备的特性。这种“活性”在具体的环境中就会演绎出一系列具体的问题。例如,社会系统的活性就体现了国家整体利益和个体成员利益的冲突。同样,对分子的运输行为的解释也必须从整体细胞的角度出发,因为细胞才是一个活个体。
  有了这个“更大的问题”,我们不再困惑。所有的具体研究都将在这块更大的拼图中找到自己的位置。而第一步就是要解决:“究竟生命是一种什么样的软件?”。为了找到这个问题的答案,我不得不花费整本书的篇幅来讨论它。

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