生命之流(2)——生命自主体简史

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  • 作者:jake
  • 时间:2008-04

生命自主体简史

  上一章,我们指出来“生命”是一种存在于系统之上的软件。而复杂性科学的首要任务就是要破译这种软件。为了把我们的讨论更加形象化,我画出下面的图来表示一个系统。

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图2.1 系统示意图

  如图2.1所示,系统就是一个多个个体(小圆圈)通过各种相互作用(小箭头)组成的整体。实际上,这里的小箭头既可以表示相互作用又可以表示相互关系。因此,不严格地说,这些小的圆圈就可以看作是系统的硬件,而小箭头排列方式就是系统的软件。不同的小箭头连接方法,以及作用方式就导致了系统整体属性的千变万化。因此我们说生命是一种可能的软件结构其实就是说有生命的系统的相互连接方式具有某种特定的模式。那么,这个特定的模式是什么呢?
  开始认真思考这个问题的不是财大气粗的美国人、欧洲人,也不是以擅长整体思维方式自居的中国人,而是两名来自南美的不起眼的智利人:Humberto Maturana和Francisco Varela。20世纪50年代,Maturana是通过思考“每个人的眼睛看到的可能都不是同一种红色”为起点来思考生命本质这个问题的。也就是说,他认识到,要解释生命这个现象,我们必须“钻到”生命里面去。到了1972年,他和Varela合作出版了《Autopoiesis and Cognition: The Realization of the Living》一书,为生命的系统解释Autopoiesis(自我创生)理论奠定了基础。
  首先,对于细胞生命来说,系统的个体就是一个个分子,而Maturana和Varela关注的个体之间的关系是一类称之为生产的关系。我们知道,在细胞内部,每一秒钟都发生着成千上万个化学反应。无疑,每一个具体的化学反应都是非常不同的,但是我们总可以把这些反应概括成一种由若干元素生产若干元素的生产关系,例如:

A+B+C-->B+D+E

  A与B和C混合生成B, D,E(这里B又可以看作是该反应的一种催化剂)。因此,无论化学反应如何复杂,它们总可以看成是节点和节点之间的生产关系。进一步,活细胞中的这种生物化学生产关系构成的网络具备什么样的特性呢?Maturana和Varela回答说,细胞内的生产网络应该是一个自我闭合的整体。
  自我闭合的特性可以解释为,系统中的任意一个元素都必须是由该系统中的其它元素生产的。因此下图中的(a)和(c)都是自我闭合的生产网络,而(b)就不是。原因是(b)中的节点C并不是由系统中的其它元素(A或者B)生产的。

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图2.2 两个简单生产网络的比较,(a)是生产闭合的,(b)不是

  我们不难想象,图2.2(a)和(c)中的网络一旦存在就会一直稳定存在下去。原因是系统中的元素可以相互生成。假如我们人为地删除(c)中的D节点,那么它又会被A或者B重新生成。进一步如果图(a)中的节点C被删除了,虽然短时间内A分子得不到生产,但只要有一定量的B存在,B就会再创造出新的C来,而C又会继续创造A,从而使得原先的网络得以恢复。这恰恰解释了生命有机体中广泛存在的自我修复现象。当我们的手指划破了一个小口子,经过一段时间,这个小口子就会自己修复、闭合上。自生产网络就给自我修复现象提供了理论基础。
  然而,Maturana和Varela的自创生理论没有仅仅停留在生产闭合网络的阶段上。他们认为图2.1所表示的系统还忽略了非常重要的东西,这就是系统所在的环境。因此,要想完整的表达出这个关系,我们必须修改图2.1为图2.3所示:

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图2.3 系统、环境、观察者和边界

  原则上讲,任何一个系统都是和它的环境通过相互作用连接成一个整体的。系统和环境之间的边界并不是先天就客观存在的。所以,如图2.3,我们所说的系统和环境之间的边界无非是外界的观察者对系统进行区分的结果,即边界并不存在。讲到这里,你会质疑到:不对,真实的细胞是有明确的边界的,这是一个双层的磷脂分子构成的细胞膜。难道这层膜是观察者观测出的结果吗?当然不是,Maturana和Varela所说的边界更多的是指区分这一概念。试想一下,假如你的尺度非常小,小到了原子的量级,那么我们看到的无非是一群模模糊糊的电子云,这时,那层清晰的细胞边界还存在吗?原来的细胞还存在吗?这就好比我们看不到国与国之间的清晰边界一样(在现实中,国界线都是一片连续的自然景观),细胞和环境的边界也取决于观察者所处的观察尺度。
  因此,按照Maturana和Varela的观点,边界甚至是系统本身都是一个观察者所做出的区分结果。换句话说,对于细胞内部的分子来说,并不存在着所谓的边界、系统和环境。每个分子只知道跟自己相邻的分子发生着相互作用。而这些相邻分子有可能属于细胞之内,也很有可能属于细胞之外。因此对于细胞分子来说,即使是那层磷脂双层膜也不过是一连串的分子罢了。只有当我们的观察尺度跳到整个细胞的层面,我们才能明显地感觉到那个边界的存在,那个整体的活生生的细胞也才存在。所以,假如这个世界没有观察者的话,世界的本原就应是一片混沌的分子汤。然而,什么是那个观察者呢?观察者一定是我们人类吗? Maturana和Varela的回答是肯定的。然而,我却认为这个事情没这么简单,这个问题我们后面会进一步详细讨论。
  通过综合前面讨论过的自生产和边界这两个条件,Maturana 和Varela就给自创生系统(Autopoietic system)下了这样一个定义:
  自创生系统就是一个动态的系统,它是一个由个体生成的网络整体,该整体满足:
  a) 通过相互作用反复生产产生它们自己的网络;
  b) 用一个空间上的可观察整体来实现这个网络。该整体要能产生出与它所在的环境相分离的边界。
  因此,自创生理论明确地指出来,生命这个软件就是:一个具备可观察边界的自我生产闭合系统。注意,他们的理论并没有限定实现这两个条件的具体硬件是什么,这也就意味着自创生系统可以是人类社会、计算机程序等其它的东西。正是因为如此,著名的社会学家Niklas Luhmann才得以把Autopoiesis理论抽象出来应用于社会学系统论的研究之中(请参考Luhmann的有关著作,本书不详细讨论)。
  到此,似乎Autopoiesis理论已经对上一章的问题,“什么样的系统是有生命的活系统”给出了很好的解答。然而,当我们尝试用Autopoiesis理论去解释那个自主觅食的小虫的时候却发现我们并没有比以前进步多少。为什么单细胞小虫子会朝向食物游去?Autopoiesis理论会告诉你这必然是因为细胞内部的分子们发生着复杂的相互作用从而推动了细胞向某个方向运动,这导致了一个高层次的可观测行为就是:细胞主动觅食了。显然要解释生命的主动运动性,仅仅具备自我生产的特性和可观察边界是不够的。换句话说,相比较生命软件来说,Autopoietic软件的版本太低了,它还不足以支持系统高级别的操作,诸如自主运动。
  开始正儿八经地考虑小虫自主运动的系统性问题的人是大名鼎鼎的生物学家Stuart Kauffman,他因为写作《宇宙为家》而闻名。也是在上个世纪70年代左右,Kauffman为了研究生命起源问题提出了一个与自创生系统非常相似的自催化网络模型,如图2.4。

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图2.4 Kauffman的自催化网络模型。图中每个节点都是一种化学物质,实边是化学反应箭头,虚边是催化关系。例如该图中的càd的箭头就表示c可以反应生成d,同时需要催化剂f来催化。系统中的每个节点(除了黑色的食物节点以外)都是由同一个网络中的其它节点催化并反应生成的,因此它是催化闭合的。

  与Maturana和Varela的自我生产闭合网络相似,Kauffman的自催化网络也是这样一个自我闭合的网络,只不过这个网络中多了一种叫做催化反应的边。同时,这个自催化网络模型也比自生产网络更加贴近现实生物体了,因为该网络考虑到了食物的情况。在图2.4中,黑色的节点a,b就是两种食物化学物质,它们并不从系统内部生成,而是必须由外界环境供给。但是,在自生产网络中,Maturana和Varela认为如果外界环境充满了细胞所必须的食物资源,那么系统对食物的要求就可以被暂时忽略。尤其是对于观察者来说,他们可以近似把一个忽略掉食物的闭合自生产网络看作一个整体(如图2.3)。
  然而,Maturana和Varela所忽略的东西不仅仅是食物分子,还包括了另外一种完全不同的东西:流动!在Kauffman的模型中,这种由化学反应所构成的流动是明显的。例如从a出发,沿着网络的实箭头,我们能够明显看出三条流动路径,a-->g-->j, a-->c-->e和a-->c-->d。也就是说一旦a分子在环境中出现,那么系统就会通过化学反应创造出g物质或者c物质,进一步g物质又可以生成j,c又可以生成e或者d。一个由化学反应构成的因果关系沿着化学反应网络流动传播开了。
  我们知道,很多化学反应在没有催化剂的作用下会很缓慢地发生,一旦有了催化剂,反应速度会提高上百倍。因此,一个自催化的网络系统不仅能够像自生产系统一样把自己维持住,而且它还具备一种使得内部反应流加速的现象。因此,a,b一旦提供给该网络,整个系统就会因为自催化作用而自加速起来,从而为自身提供更高的活性。
  进一步,因为生物体中有些化学反应是可以释放能量的,所以,系统整体就可以由这些化学反应获得对外界做功的动力,这就为生命整体的自主运动提供了前提条件。因此,在《科学新领域的探索》(《Investigation》)一书中,Kauffman明确地给自主主体下了一个定义:
  自主主体就是一个生物化学网络,该网络具备下面两个条件:
  (1)、网络整体应该是自催化的;
  (2)、该网络应能够完成至少一个卡诺循环
  相比较Autopoietic系统的定义,Kauffman忽略掉了可观察边界的条件,而加上了卡诺循化条件。所谓卡诺循环就是指系统吸收能量、释放能量对外做功,并返回到状态原点的过程。汽车上的发动机就是在不停进行着卡诺循环。
  很清楚,Kauffman的自主体模型对于我们理解自主生命又进了一步,它一方面可以反应系统内部流动的自加速现象,另一方面也指出从能量角度看,自主运动必须要能实现卡诺循环过程。这进一步给我们指示出我们要前进的方向:时间、速度、流动和能量。

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