袁越：進化論太過時，DNA也被拉下神壇，當代生物學追問起了生命的意義？
撰文：袁越
03/03/2025

2024年諾貝爾獎啟示了當代生物學的新進展
2024年的3項諾貝爾科學獎都引起了不小的爭議，一些人認為物理獎和化學獎事實上都獎給了人工智慧，這是對人類智慧的不信任。還有一些人則指出這3項科學獎居然都和生物有關，似乎意味著傳統意義上的物理學和化學都日漸式微了。
但對於菲力浦·鮑爾（Philip Ball）來說，所有這些爭議都早在預料之中。這位出生於1962年的英國科普作家在牛津大學拿到了化學學士學位，然後在布裡斯托大學拿到了物理學博士學位。之後他並沒有直接從事科學研究，而是去著名的《自然》（Nature）雜誌當了20多年的編輯。其間他出版過十幾本科普著作，包括已經翻譯成中文的《化學元素發現史》、《牛津通知讀本：分子》和《水：中國文化的地理密碼》等等，題材範圍相當廣泛。


英國科普作家菲力浦·鮑爾（Philip Ball）。(The University of Chicago Press)
生物學也是鮑爾非常關心的領域，他發現今天的主流社會在描述當代生物學時的敘述方式過於簡單，沒能體現出生物學的複雜性。2019年他去哈佛大學醫學院做了幾個月的訪問學者，和全世界最頂尖的生物學家進行了多次深入的交談，發現關於生物學的主流傳統敘事比他想像的還要過時，於是他決定寫一本書，修正普通人對生物學的錯誤印象。
2023年底，鮑爾的新書《生命是如何運作的》（How Life Works）終於問世。他在這本書裡介紹了當代生物學的新進展，很多內容都和2024年的這3項諾貝爾科學獎有關。比如，醫學或生理學獎給了基於RNA的基因調控，再次證明生命並不是依照DNA藍圖按部就班組裝起來的一部“機器”，這個過程遠比大家想像的要混亂得多。
舉例來說，人類只有大約1.9萬個編碼蛋白質的基因，這個數字只是香蕉的一半，但因為mRNA剪切方式的不同，人類細胞可以用這1.9萬個基因合成出8萬~40萬種不同的蛋白質！此前人們認為一種蛋白質只能折疊成一種三維結構，但實際上大部分蛋白質並不具有固定的三維結構，而是會隨著與之相結合的分子的不同而呈現出完全不同的狀態和性質。不但如此，這個過程不是0和1的差別，而是線性的，這就從根本上杜絕了蛋白質的數碼化模擬，把細胞內的蛋白質相互作用變成了一個極度複雜和混亂的線性網路。
不但如此，大約有37%~50%的人類蛋白質屬於無序蛋白質（disordered protein），這些蛋白質沒有固定的三維結構，可以根據所處環境的不同隨時改變其構象和功能。因為無序蛋白質無法被結晶，難以用傳統實驗方法解析其結構，所以人工智慧在預測無序蛋白結構的問題上有其獨特優勢。從這個意義上說，預測蛋白質結構的人工智慧技術獲得本屆諾貝爾化學獎可謂實至名歸。
生物獎和化學獎都和複雜系統有關，而經典物理學也正是在研究複雜系統時遇到了最大的瓶頸。物理學家喜歡把物理學定義為“負責解釋一切的科學”，但經典物理學只擅長解釋特別簡單的事情，比如大尺度的星體運動或者微尺度的原子結構。一旦我們把目光放到中等尺度的複雜世界，比如氣象預報或者地震預警，就會發現經典物理學是無能為力的。
生命更是經典物理學研究的禁區，物理學家們至今仍然無法從還原論的角度解釋生命的起源和生命運作的機理，因為生命系統的複雜性超越了經典物理學的解釋範圍。
在所有的生命現象當中，智慧的產生無疑是最神秘的，也是最難以研究的。無數神經生物學家曾經試圖通過傳統生物學的方法挑戰這個難題，但收效甚微。獲得本屆諾貝爾物理學獎的兩位科學家另闢蹊徑，通過構建人工神經網路來類比智慧的生成過程，間接地證明神經系統不像DNA那樣通過事先程式設計來運作，而是通過不斷地試錯來逐步完善，後者才是複雜系統自我進化的主要方式。
當然了，智慧的本質問題今天依然沒有得到根本的解決，但兩位物理學家可以說開了個好頭。從這個意義上說，本屆諾貝爾科學獎當中就屬物理獎的意義最為深遠，也最為當之無愧。
理解複雜系統——進化論的過時與生物學的範式轉變
和本屆諾貝爾科學獎的呼應只是一個巧合，這本書最大的貢獻在於鮑爾用大量事實告訴我們，傳統的生物學研究範式已經過時了，就連進化論也需要修正。
早期生物學重描述，缺理論，一直被物理學家和化學家們所輕視。直到達爾文橫空出世，提出了一套基於自然選擇的進化論學說，生物學這才終於有了屬於自己的理論框架。DNA雙螺旋結構被發現之後，一批進化生物學家把DNA和達爾文結合起來，建立了一套被稱為“現代綜合”（modern synthesis）的新的進化理論，並以此為基礎，確立了當代生物學的研究範式。
DNA是這個範式的中心，因為大家都認為，所有的生命體都是以DNA為藍圖一步一步地構建出來的，其過程和現代化工廠按照設計圖紙建造出一輛輛汽車差不多。因此，要想理解生命的奧秘，只需讀懂DNA分子裡蘊含的密碼就行了。
同理，所謂生物進化，就是DNA圖紙在拷貝時出現的隨機差錯在自然選擇的作用下優勝劣汰，今天大家見到的各種各樣的生物就是這樣一步一步地進化而來的。
現代綜合理論的一個最著名的應用案例就是英國進化學家理查·道金斯（Richard Dawkins）提出的“自私基因”（The Selfish Gene）理論。按照這個理論，基因才是進化的基本單元，每個基因的終極目標就是盡可能多地複製自己，從而成為自然選擇的最終贏家。
現代綜合理論一經提出就風靡全球，已經統治了生物學好多年。生物學家們喜歡它，因為它把數學公式引入了生物學，特別符合現代科學對精確性的要求；科普作家們喜歡它，因為它背後的邏輯簡單明瞭，可以用準確而又清晰的語言加以描繪；公眾也喜歡它，因為這套理論容易理解，很容易讓人產生一種“大千世界盡在掌握”的感覺。
但是，鮑爾卻通過這本書告訴我們，其實這個理論早就過時了。首先，DNA本身沒有任何生化功能，也不會複製自己，DNA需要在RNA、蛋白質和脂類等等很多其他分子的全力配合下才能完成自身的複製並發揮其功能，所以進化的基本單元不可能是基因，而只能是細胞，或者比細胞層級更高的組織、器官乃至生物個體，道金斯的“自私基因”理論是不成立的。
其次，幾乎所有的生物學新發現都不支援現代綜合理論的簡單設定。比如很多貌似重要的基因被敲除（即用遺傳工程手段把某個特定基因徹底關閉）之後並不影響生物活性，即使有影響，結果也往往出人意料，這說明單個基因的功能遠比大家之前想像的要複雜和模糊得多，細胞內的整體生化環境才是決定細胞命運的關鍵。
這個發現直接導致一大批面向消費者的基因測序公司的破產，因為單個基因的作用被嚴重高估了。這個發現還讓那些熱衷於用古DNA復原古代生物的嘗試變得不可行，因為僅憑DNA序列是無法還原受精卵的發育模式的。換句話說，即使我們成功地把人類基因組序列發送給外星人，它們也不可能製造出一個完整的人。
這個發現還可以解釋為什麼基於特定致癌基因的靶向治療方案的成功率遠低於預期，因為癌細胞似乎總有辦法繞道而行。鮑爾認為，癌症絕不僅僅只是DNA突變導致的遺傳性疾病，而是多細胞生物在發育過程中必然會出現的一種錯誤，所以治療癌症的關鍵並不是針對所謂的“致癌基因”開發靶向藥物，而是要想辦法讓人體組織的構建過程恢復正常。
第三，表觀遺傳學（epigenetics）的發展模糊了先天和後天的差別，證明很多後天習得的經驗都可以通過對DNA分子的化學修飾（比如甲基化），以及基因調控模式的改變（比如前文提到的基於RNA的基因調控網路）而被遺傳下去，這就迫使進化學家們不得不改變原有的認知，承認生命進化的方式並不是此前設想的那樣僅僅基於DNA複製過程中產生的隨機突變。
第四，關於蛋白質結構的研究也讓傳統的進化理論變得不合時宜了。正如前文所說，有相當多的蛋白質並沒有固定的三維結構，這些無序蛋白會根據結合物件的不同而改變自身的三維結構，從而改變其功能，這就讓單個氨基酸突變的意義變得沒那麼重要了。鮑爾認為，蛋白質分子進化的主要方式很可能並不是單個氨基酸的改變，而是蛋白質不同結構域的重新組合，只有這樣才能加快進化的速度。
以上這些研究進展全都指向了一個必然的結論，那就是生物進化的方式絕不僅僅只是基因突變外加自然選擇，而是以生命為單位的整體改變。在鮑爾看來，傳統的進化模式只適用於單細胞生物，它們結構簡單，數量眾多，繁殖速度快，能夠忍受大量個體因不適應環境而迅速死亡，只有這樣才能解釋傳統的單基因突變是如何推動種群進化的。與之相反，我們很難想像複雜的哺乳動物依靠這種方式在短時間內就進化出了如此豐富多樣的新物種，即使把地球漫長的歷史考慮在內也不行，很多宗教信徒正是因為這個原因而拒絕接受進化論的。
“主觀能動性”是生命為抵抗熵增而進化出的超能力
鮑爾在這本書中用了大量篇幅否定了目前非常流行的生命機械觀，他反對把生物比作一部機器，因為再複雜的機器都是事先設定好程式的，缺乏主觀能動性。但生命不一樣，所有的生命體都是具備一定主觀能動性的“行為主體”（agent）。這是個頗具顛覆性的觀點，關於這個問題的討論是本書的一大亮點。
“行為主體”這個名詞來源於哲學中的“能動性”（agency）這個概念，指的是行動者為了實現自己的目標在不同的環境中做出具有針對性行動的能力。能動性這個概念曾經被認為是唯心主義的，因為它要求行動者具備自由意志。以牛頓為代表的經典物理學隱含了一種類似決定論的思想，即世間萬物的一切變化都必須遵從嚴格的數學法則，因此只需知道世界的初始條件，就能推導出這個世界在未來任意時刻的狀態。如果你相信決定論的話，那麼自由意志就是不存在的，因為一個人的所有想法都是他大腦內的各個原子相互作用的結果，是預先就設定好了的，只是他自己還不知道而已。
熱力學第二定律的出現向自由意志發起了挑戰。這個定律的大意是說，任何封閉系統一定會朝著越來越無序的方向發展，即這個系統的熵值只能越來越大（所謂“熵增”），最終達到絕對的熱平衡（所謂“宇宙熱寂”）的狀態，沒有溫差、不會產生流動、毫無活力，也不再有任何有趣的事情發生。這個結論與《聖經》許諾的永生相去甚遠，惹惱了著名物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）。作為一名虔誠的基督徒，麥克斯韋不相信上帝會設計出這樣一個沒有未來的世界，而如果世界的發展只有熵增這一種方式的話，人類的自由意志只能是一種幻覺，因為人們通常認為自由意志意味著可以自主選擇、控制和改變未來，而熵增則意味著所有過程都是單向的、不可逆的、決定性的，人的意志和思維過程也可能只是這個趨勢中的一部分。
為了拯救自由意志，也為了拯救自己的宗教信仰，麥克斯韋設計了一個思想實驗。想像在一間房子的門口住著一個妖怪，對經過門口的每一個粒子的速度進行測量，只允許速度快的粒子進門。久而久之，房子裡便會充斥著速度快的粒子，使得這間房子永遠保持高溫狀態而無需加熱。按照熱力學第二定律，封閉系統中的熵應該是不斷增加的，但在這裡，系統本來是均勻的，但經過妖怪的操作後，竟然變得更加有序了（低熵狀態）。這似乎違反了熱力學第二定律。於是，熵增定理導致的決定論似乎被打破了，人類重新獲得了自由。
可惜這個思想實驗是不正確的，因為妖的存在本身也要消耗能量和增加熵。德裔美國物理學家羅爾夫·蘭道爾（Rolf Landauer）通過計算指出，那個想像中的“麥克斯韋妖”要決定是否讓分子通過，就必須觀測並存儲資訊，在測完粒子速度之後必須擦除記憶體才能繼續測量下去，而這個擦除動作是需要消耗能量的，其最低值被稱為蘭道爾極限值（Landauer limit）。這意味著雖然妖怪能局部降低系統熵，但它自己需要進行計算，這個計算過程最終導致總熵增加。因此，熱力學第二定律依然成立，熱寂仍然會是宇宙的終點。
不過，按照另一位物理學家薛定諤的觀點，生命其實並不違反熱力學第二定律，因為所有的生命都是封閉的非平衡系統。這樣的系統在大自然中相當常見，比如颶風和水流的漩渦就是兩個很好的例子。這樣的封閉系統只要持續地從外界獲得能量，持續抵抗熵增，就能自發地組織成有序結構。換句話說，生命本質上就是一個具備自組織能力的非平衡系統，只要為麥克斯韋妖提供一定的能量，就能讓房間永遠保持高溫。這意味著，生命有能力在一個總體熵增的環境裡暫時維持局部的有序狀態。
隨著生物學研究的深入，科學家們發現細胞這間房子的門口住滿了麥克斯韋妖——也就是遍佈細胞膜的各種離子通道。它們有選擇地讓某一類離子通過，而拒絕另一類離子的進出，以此來維持細胞內外的滲透壓差，細胞的生物活性就是靠這個壓差來維持的。當然了，這些小妖是需要能量的，並不違反熱力學第二定律，但有研究顯示，細胞完成這個工作所需的能量僅為蘭道爾極限值的10倍左右。相比之下，現在最好的電腦要想完成類似的工作，所需消耗的能量至少是蘭道爾極限值的100萬倍。僅從這一點就可以看出，人工智慧的效率還遠遠比不上大自然進化出的生命智慧。
在這個例子中，遍佈細胞膜表面的麥克斯韋妖（也就是各種離子通道）展現出了類似“行為主體”的特徵。它們有特定的目標（維持細胞內外的滲透壓差），具備收集資訊的能力（鑒別不同的離子類型），以及根據環境資訊做出相應行動的能力（泵出特定的離子）。更重要的是，細胞生活在一個複雜的環境裡，每時每刻都有大量離子經過細胞膜，膜上的這些小妖每時每刻都被海量的資訊包圍著，它們必須知道哪些資訊是有用的，哪些資訊是噪音。這個本事一方面可以從進化中習得，但也可以從生活經驗中慢慢總結出來。如果這些小妖不是“行為主體”的話，很難想像會出現這樣的結果。
正因為如此，鮑爾堅信“主觀能動性”才是生命區別於非生命的最核心的要素，除去這一點，其他同樣具備自組織能力的非平衡系統不是生命。舉例來說，河流中的漩渦依靠水流帶來的能量維持了自身的存在，這可以理解為一種簡單的新陳代謝。這些漩渦也可以持續生產出更多的漩渦，這可以理解為一種簡單的自我複製。但是，這些漩渦沒法做到根據水流的情況主動做出應對，它們不是具備主觀能動性的“行為主體”，因此它們不是生命。
換句話說，生命並不是碰巧出現的一種能夠抵抗熵增的非平衡結構（比如颶風和漩渦），而是專門為此目的（抵抗熵增）而進化出來的一種更加複雜的非平衡結構。如果你按照抵抗熵增的能力來為自然界出現的各種非平衡結構排個序的話，生命肯定排名第一。按照熱力學定律，一個封閉系統對熵增的局部抵抗反而更能促進宇宙整體的熵增——例如生命獲取能量的過程會釋放更多的熱量，使環境的熵增長更快。所以生命的出現其實是熵增定律的一個推論，是熵增定律所主導的世界最有可能出現的結果。
那麼，生命的這種超能力是哪來的？答案就是基於自然選擇的進化，而“行為主體”的出現恰恰是進化的傑作。想像一下，如果一種生物只能根據寫在DNA上的指令來應對外部環境的變化，那麼它要麼非常脆弱，要麼需要海量的DNA，這顯然是過於昂貴了。但是，如果一種生物能夠根據自己的需求，對不同的外部環境做出靈活的反應，那麼它一定會更好地適應環境，並在進化中勝出，這就是“行為主體”的成因。這個“行為主體”能夠最高效地抵抗熵增，正是因為它具備主體能動性，有自己的目的和意義。很多原教旨唯物主義者不敢談生命的目的和意義，認為這是唯心主義的，屬於宗教的範疇，但事實恰好相反，追尋生命的目的和意義，其實是有生物學基礎的。進化就是最有可能產生目的和意義的過程，大家千萬不要小瞧進化的力量。
當然了，進化本身沒有目的，但製造意義是維持生存和繁衍的絕佳方式，甚至可能是唯一的方式，所以能夠產生意義的那個實體就是進化所能產生的最成功的實體——這就是生命。
總之，鮑爾堅信生命就是在宇宙中創造出意義的東西，現代生物學所面臨的最大挑戰就是對生命的意義開發出一個合理的解釋框架，只有這樣才能真正明白生命是如何運作的。甚至，他認為只有這樣的生物學研究才有意義。“如果我們不搞明白生命的意義，研究那麼多細節有什麼用呢？”他在這本書的結尾這樣寫到。
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