即使是最簡單的細菌也比任何研究過的化學(xué)制品復(fù)雜的多。

    鳳凰科技訊 北京時間1月15日消息，國外媒體報道，生命的起源一直是著名的科學(xué)神秘之謎之一。非生命的分子混合物是如何變成活的有機物？其中究竟有什么機制起著重要作用？大約1個半世紀以前，查爾斯·達爾文（Charles Darwin）提出了一種有關(guān)地球上的生命是如何從簡單的微生物進化到現(xiàn)在復(fù)雜的生物圈的令人信服的理論，但有關(guān)生命最初是如何開始的，他卻沒有做出相應(yīng)的解釋。“人類可能也需要思考一下物質(zhì)的起源。”他嘲諷的說。然而這并沒有阻止好幾代科學(xué)家試圖解開這個謎團。

    關(guān)鍵的問題在于，無論幾十億年前發(fā)生了什么，所有的證據(jù)早就已經(jīng)消失一去不復(fù)返了——我們可能永遠也無法獲得有關(guān)該過程詳盡的記載。即便如此，我們?nèi)耘f可以回答一個更為簡單的問題，那便是生命的起源究竟是曾經(jīng)發(fā)生過的某件事導(dǎo)致的一系列后果，還是內(nèi)在的生命支持定律所導(dǎo)致的幾乎不可避免的結(jié)果。這個問題的答案又聯(lián)系到另一個問題，我們是否是宇宙中唯一的生命形式，或者其它星系和銀河系一樣孕育著生命。

    很多化學(xué)家已經(jīng)對生命起源問題進行了大量研究。他們嘗試了大量的方式試圖再造生命形成的第一步，然而直到現(xiàn)在仍然沒有太多突破性進展。考慮到生命異常的復(fù)雜性，這其實也不足為奇。即使是最簡單的細菌也比任何研究過的化學(xué)制品復(fù)雜的多。

    在化學(xué)實驗室條件下研究生命起源還面臨一個更加基本的障礙——化學(xué)語言和生物學(xué)語言并不一致。化學(xué)是有關(guān)物質(zhì)和它們是如何相互起反應(yīng)的，而生物更傾向于有關(guān)信息和組織的概念，信息性敘述滲透入生物學(xué)里，DNA 被描述為基因的“數(shù)據(jù)庫”，它包含如何建造有機體的“指令”。而基因“密碼”則被“轉(zhuǎn)錄”和“翻譯”，等等。如果我們將生命起源問題放到計算機術(shù)語里，通過化學(xué)合成的方法將關(guān)注于硬件方面——生命的化學(xué)基質(zhì)——但是卻忽略了軟件方面，也即信息方面。為了解釋生命是如何開始的，我們必須了解這種獨特的信息管理過程是如何形成的。

    20世紀40年代，數(shù)學(xué)家約翰·馮·諾伊曼(John von Neumann)將生命比喻為機械構(gòu)造，并陳述了自我繁殖的自助機器為了復(fù)制硬件和軟件所需要的邏輯結(jié)構(gòu)。但是馮·諾伊曼的分析仍然停留在理論階段。最近出現(xiàn)了一種新的觀點，它主要是建立在工程師、數(shù)學(xué)家和電腦科學(xué)家的工作上。他們研究信息流在復(fù)雜系統(tǒng)，諸如帶有反饋回路、邏輯模塊和控制過程的交流網(wǎng)絡(luò)中的傳輸方式。顯而易見，信息流的動態(tài)性顯示了基因特征是獨立于支持信息的特殊硬件。

    信息論還被廣泛的應(yīng)用于不同層次的生物系統(tǒng)，包括從基因組到生態(tài)系統(tǒng)。但是卻很少應(yīng)用于有關(guān)生命是如何開始的問題。將該理論應(yīng)用于生命起源將展示一種完全新的視野。生命起源的答案并沒有埋葬在某些令人困惑的化學(xué)變化中，相反，這個問題的關(guān)鍵存在于信息流組織的變形中。

    美國宇航局天體生物學(xué)家美國亞利桑那州立大學(xué)的薩拉·沃克（Sara Walker）認為生物學(xué)信息的最重要特征并不是它的復(fù)雜性，而是它分層級性的組織方式。在所有的物理系統(tǒng)中信息都是從底部向上流動，從某種意義上說，系統(tǒng)的部件決定了整個系統(tǒng)的特性。因此，如果一名氣象學(xué)家想要預(yù)測天氣，他可能從當(dāng)?shù)匦畔㈤_始著手，例如各個地區(qū)的溫度和氣壓，然后計算出天氣系統(tǒng)作為一個整體的移動方向和變化趨勢。在有機體內(nèi)，底部朝上的信息流和頂部朝下的信息留傳遞方式可能相互混合，因此地方層面發(fā)生的一切取決于全球環(huán)境，反之亦然。

    舉一個簡單的例子，一個細胞是否反映了一個基因特性取決于環(huán)境對整個細胞造成的機械壓力或者電場。因此，宏觀層面上全球信息（力量的模式）的改變會導(dǎo)致微觀層面上（基因的接入）當(dāng)?shù)匦畔⒌倪\動。普遍來說，從環(huán)境接收到的各種信號能幫助描述一個細胞的DNA是如何分布和轉(zhuǎn)錄的。沃克提出生命起源道路上最關(guān)鍵的轉(zhuǎn)變發(fā)生在頂部向下的信息流首次占支配地位的時期。基于簡單的數(shù)學(xué)模型，沃克認為它可能發(fā)生的非常突然，類似于加熱的氣體忽然燃燒那一瞬間。

    生命是如何處理信息的方式還有另外一個特點。基因的語言是數(shù)字性的，它包含離散的二進制數(shù)字，以四位字母的語言形式呈現(xiàn)。相反，化學(xué)過程是連續(xù)的，連續(xù)的變量也能處理信息——所謂的模擬計算機就是按這種方式運行的——但很少依賴于數(shù)字。無論化學(xué)過程是如何引發(fā)生命的出現(xiàn)，它必須存在一個從模擬變?yōu)閿?shù)字的轉(zhuǎn)變過程。

    生命處理信息的方式還涉及一個邏輯結(jié)構(gòu)，它從根本上與復(fù)雜的化學(xué)有所不同。因此化學(xué)是無法單獨解釋生命的起源，對硅、銅和塑料的研究只能解釋一臺電腦是如何執(zhí)行程序的。科學(xué)家的研究表明，對生命起源的探索將開始于這樣的過程，也即將信息作為物理中介，后者有著自身動態(tài)性和存在與周圍物質(zhì)隨意的關(guān)系。通過將生物學(xué)的語言和概念導(dǎo)入物理學(xué)和化學(xué)，才能最終解釋生命起源。（編譯/嚴炎劉星）
                                                                (中國科技網(wǎng))
                                                                2013年01月18日