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是“假死”还是“长生不老”?——生死之间的“薛定谔”状态

来源: 赛先生

撰文 | 彼得·沃德(华盛顿大学生物学、地球与空间科学教授、古生物学家)

乔·克什维克(加州理工学院地球生物学教授)

2006年,科学圈子里开始流传一则令人十分好奇的消息,说到一组关于生、死和似乎奇怪、让人不安的两者混合状态的实验。一开始,这些发现像谣言一样在同行间萌生、流传,接着,它在各种科学会议的连续会谈中慢慢成熟,最终在此前默默无闻的一位生物学家的一系列优秀论文中完全盛放。不久特别是在2010年麦克阿瑟基金会授予他此项工作“天才奖”之后,马克·罗斯(Mark Roth)就不再“名不见经传”。罗斯是一位开拓者,率先进入到一片遥远的国度,这一国度不仅可以告诉我们很多关于什么是“生命”的信息,也可以告诉我们什么是“活着”,以及(不只是现在,还有很久以前——地球上的生命第一次“活过来”的时候)两者是否缺一不可。

罗斯发现,亚致死剂量的硫化氢会使哺乳动物进入一个只能称为“假死”的状态。虽然这个名称中附加了大量通俗文化的包袱(主要来自科幻领域),但实际上这个词相当恰当地描述了发生在这些中毒动物身上的事情。这些受试动物的活跃性或运动能力,不仅在能够观察的范围内停止了(它们不再运动,其呼吸频率和心率大大减慢),而且在更基本的层面停止了。正常组织和细胞功能大大降低。然后发生了更加出乎意料的事情:哺乳动物失去了调节体温的能力。它们不再是恒温的了,而是回到了更原始的脊索动物状态:变成外温性的,或冷血的状态。但它们既没有死,也不是真正地活着,虽然就哺乳动物最基本的一项特征判断,它们好像死了,但那是暂时的。它们的生命活动在一段有限的时间里暂时停止,但当停止施用这种气体的时候,所有功能都恢复了正常。除了明显的医疗应用外,这一新的认识在很大程度上阐释了生命是什么,以及生命不是什么。

罗斯的直觉很简单,他认为生与死之间存在着一种状态,这种状态既未被探查过又具有潜在的医疗价值,而且为解释某些生物在大灭绝中为何能幸存下来提供了线索。也许死亡并不像通常假设的那样是一了百了的“最终结局”。他希望能够把生物带入这个状态,然后再把它们带回来。事实上,没有任何一个英语单词能够准确捕捉到(表达出)这个状态的本质。电影制作人赋之以“僵尸”之类的名称,也许顽固的科学(界)最终会采用这个词。但我们对此表示怀疑。

这是他的一个关键实验:他用扁形虫(一种简单的动物,但仍然是动物)做实验。然而,与微生物相比,任何动物都不“简单”。他降低扁形虫呼吸的氧含量。像所有的动物一样,扁形动物不仅需要氧气,而且需要很多氧气。随着盛有扁形虫的密闭容器中的氧含量降低,扁形虫们逐渐放慢了动作,进而停止运动。即使刺它们、戳它们,都不会引起任何反应。但是,罗斯并没有就此结束实验。事实上,他不停地降低扁形虫水箱中的氧含量,结果它们又恢复了生命状态。扁形虫经历了不死不活的“休眠”状态。生和死,是两种更为复杂的状态,似乎远远超过我们大多数人目前的认知。

最简单的有机体的生与死

哺乳动物是最复杂的动物。在这些实验中,有趣的实验对象显然是活着的:它们的心脏依然跳动,血液继续流入静脉和动脉,神经活跃,生命必要的离子转运继续发挥作用,只不过是以较慢的速率。然而,在更简单、更小的生命体中,如细菌和病毒,仍然存在生命运作的问题,特别是当它们被放置在没有气体或非常寒冷的环境中时。这些,都不是理论问题而已,因为每一天,微生物都被猛烈的风暴抛向地球大气层的最高层,并发现自己到达如此之高的位置,以至于失去了地球的臭氧保护层的庇护(臭氧层是抵御来自太空的紫外线的主要防卫物)。这是研究“生与死”的第二个前沿领域:对地球“最高的生命”的研究。

在高层大气中待了数天或数周之后,这些地球上最新发现的生态系统中的成员又重返地球(正在研究对流层生物群的科学家,把这些生物命名为“高层生命”,这个名称不太精准)。但在太空时,它们是活的吗?

虽然从太空时代早期开始,我们就知道在飞机能到达的最高海拔,可以发现细菌和真菌孢子,但这并无助于我们回答“在地球这一最大栖息地中,可以找到多少不同的物种”这一问题。这块最大的栖息地,在空间容量上令第二大栖息地(从上到下的整个海洋)相形见绌。但一项从2010 年开始的工作证明,在任何给定的时间里,这块栖息地都可能有成千上万种细菌、真菌和数不清的病毒类群。华盛顿大学的研究团队也发现,在俄勒冈州的一座高山上所探测的空气中, 中国的沙尘暴经常把真菌、细菌和病毒抛到北美西海岸。

然而,可以在如此之高的大气中发现微生物(等于大气可以作为运送洲际病毒武器的传输系统)除了具有内在的生物学意义,还有一个新的基本的理解,构成本书故事的一部分,那就是:地球上最初的生命远离起源地、分散传播出去的方式,可能是通过大气传输。既然在不到一天的时间内,生命就能通过空气从一个大陆移动到另一个大陆,为什么还要通过反复无常的涌流慢慢地漂浮在海洋里呢?稍后,我们将再议地球生命史上高层生命的意义;但这里的问题是—在洲际大气旅行中,它们是活着的还是休眠了?在最基本的生命类型中,我们发现,生死之别,即使不是伪命题,也是相当不完备的。

人们通过三种途径收集高空生物:用退役的美军高空侦察机;用高空气球;以及当大风暴在亚洲升空、越过太平洋,充分地“吃入”大气,使用高山上的空气“嗅探器”可以捕捉到的一丁点儿下降的对流层空气。这一点儿空气中充满微生物。我们从现在已知的常出现细胞和病毒的浩瀚大气层的高空中收集细菌,收集到的细菌是濒死的。但将它们带回地球,置于它们可能曾经生活、演化的高度一些时间之后,它们又恢复了生机。

我们大多数人会同意,对于哺乳动物,甚至对于所有的动物来说,死的就是死的。但在更简单的生命中,情况并非如此。事实证明,在我们对什么是生、什么是死的传统理解之间,还有一片广大的处女地值得探索。这一新发现的领域对地球生命史的“开篇”有着重要的启示,它告诉我们,“死”的化学物质,当受到适合的结合和刺激,也可以变成活的。生命,至少是简单的生命,不总是活着的。但现在,科学试图探寻是否存在一个介于两者之间的状态。地球上最初的生命可能就诞生在我们所称的“死地”,或者说某一处接近于“活”的地方。

生命的定义

“生命是什么”这个问题,是几本书的书名,其中最著名的是20世纪早期物理学家欧文·薛定谔所著。这本小薄书之所以构成一座里程碑——不仅是因为它书写的内容,还因为作者所研究的科学学科。薛定谔是一位物理学家,在他生活的时代及以前,物理学家一直蔑视生物学研究,因为他们认为这些不值得研究。薛定谔开始以物理学家的方式思考有机体,用物理术语表达即“生命体里最关键部分中的原子排列以及这些排列间的相互作用,从根本上不同于物理学家和化学家迄今为止试验性和理论性研究的对象。”虽然《生命是什么》这本书的大部分都在讨论遗传和变异的性质(这本书写于DNA发现前的20年,当时遗传的性质还是一个难解之谜),但在书的最后,薛定谔慎重考虑了“生命”的物理学原理,他写道“生命物质避免了朝向静寂的衰败”和生命以“负熵为生”。

生命通过新陈代谢来实现这一点,表现为进食、饮水、呼吸或物质的交换,新陈代谢一词的词根来自于其原始的希腊语定义。新陈代谢就是生命的密钥(关键)吗?也许是。——至少对一位生物学家来说,答案是肯定的。作为物理学家的薛定谔,领会到了一些更为深刻的东西:“认为最基本的事儿是物质交换,这是一个荒谬的观点。氮、氧、硫等任意原子,都不亚于其同类的其他原子;在交换它们的过程中能得到什么呢?”那么,这种包含在我们的食物中、让我们远离死亡、被我们称为生命的珍贵“东西”究竟是什么?对于薛定谔来说, 这很容易回答。“每一个过程、事件,每一个自然发生的事情,都意味着在它发生之处的那部分世界的熵在增加。因此,一个活的有机体在不断地增加它的熵。”这就是薛定谔的“生命的秘密”:生命是引起熵增加的物质。由此,一种比较生与死的新方法形成了。

于是,对于薛定谔来说,生命的维持要依赖从环境中摄取“秩序”,他称之为“负熵”(他自己也承认这是一种笨拙的表达)。因此,生命是大量分子通过不断从所处环境中吸取“秩序”,从而在高度有序的水平上维持自身的装置。薛定谔提出:生物体不仅从无序中创造了有序,而且从有序中创造了有序。

那么,生命就是一台改变有序和无序的性质的机器吗?从物理学的角度来看,生命可以被理解为一系列的化学机器,全部紧密地安放在一起,并以某些方式整合起来,通过消耗能量保持有序。几十年来,这是对于生命最具影响力的定义。但半个世纪之后,其他人开始质疑并修正这些观点。有些人,是像薛定谔这样的物理学家,如保罗·戴维斯(Paul Davies)和弗里曼·戴森(Freeman Dyson)。但其他人都是训练有素的生物学家。

保罗·戴维斯,在其著作《第五个奇迹》(The Fifth Miracle)中,用一个不同于“生命是什么”的提问,靠近了“生命是什么”的问题。这个提问就是——生命做什么?根据他的主张,定义生命的是活动。这些主要活动如下:

生命做什么?

生命进行新陈代谢

所有生命体都加工化学物质,以此把能量注入体内。但这种能量有什么用呢?我们所说的新陈代谢,是指有机体对能量的处理和释放,它们也是生命获取负熵、维持内部秩序所必需的方式。思考这个问题的另一种方式是根据化学反应。如果生命体从主动发生化学反应(不是在生命体内部)的状态转变为停止反应,生命体就不再是活的。生命不仅可以维持这种非自然的状态,而且也可以找到能发现和收获必要能量的环境来维持这种状态。地球上的一些环境比其他地方更适合生命的化学反应(如一个温暖的、阳光明媚的珊瑚礁之上的海面,或黄石国家公园的一眼热泉),在这样的地方,我们发现了大量的生命。

生命具有复杂性和组织性

事实上,不存在由少量(即使是几百万)原子组成的简单生命。所有生命都是由大量的原子以错综复杂的方式排列组成的。这种复杂性的组织是生命的一个特征。复杂性不是一台机器,而是一种属性。

生命进行繁殖

戴维斯讲出了关键性问题,即生命不仅必须复制它本身,还要复制允许进一步复制的机制。正如戴维斯所说,生命还必须包括一套复制装备。

生命进行发育

复制完成之后,生命会继续改变,这可被称为发育。这个过程完全不像机器。机器不会生长、改变形状,甚至改变功能。

生命进行演化

这是生命中最基本的特性之一,也是它存在的不可分割的部分。戴维斯将这一特性描述为“永久性与变化性”的悖论。基因必须能够复制,如果它们不能非常有规律性地做到这一点,生命体就会灭绝。然而,另一方面,如果复制是完美的,就不会有变异,也不可能发生通过自然选择的演化。演化是适应的关键,没有适应就没有生命。

生命是自主的

这一点可能最难定义,然而却是“活着”的核心。一个生命体是自主、自决的;没有其他生物体的不断输入,它也可以生存。但这里仍然有一个未解之谜:“自治”是如何在一个生命体的许多部分和运作中产生的?

这最后一点,对生命至关重要的分子的短暂寿命,作为理解生命最早在哪里形成的一条重要线索被严重低估。美国国家航空航天局(NASA)对生命的定义更简单,但最受卡尔·萨根(Carl Sagan)的青睐,即生命是一套具有达尔文演化能力的化学系统。这里有三个关键概念。首先,我们正在处理的是化学物质,而不只是能源或电子计算系统;第二,这不仅是化学物质,还涉及化学系统。因此,存在化学物质之间的相互作用,而不仅仅是物质本身。最后,化学系统必须经历达尔文式的演化,这意味着如果环境中存在的个体超过可用能量能够维持的个体数量,其中一些生命将难以维系。那些幸存下来的,是因为他们携带了有利的遗传性状,可以传递给它们的后代,因此给了后代更强大的生存能力。卡尔·萨根和美国国家航空航天局的定义的优点是——不再混淆“生命”和“活着”。

“死”的化学物质以这样的方式结合形成“活”的生命,其“驱动力”是什么?产生生命的主要驱动力是一种新陈代谢系统,是后来增加了复制能力,还是相反—先有复制能力,后添加了新陈代谢系统?如果是前者,就是原始代谢系统(必定封闭在细胞样的空间中)后来获得了复制和整合一些携带信息的分子的能力;如果是后者,则是复制的分子(如核糖核酸或一些变体)获得了使用能量系统帮助其复制的能力,并在后来被封闭在细胞中。所以,在化学分子层面,我们可以看到代谢与复制问题存在非常鲜明的对比:是先有蛋白质,还是先有核酸?两者在什么情况下,能在化学反应之间为生命赋能?然而,如果一个活细胞的基本特征是动态平衡(在不断变化的环境中保持稳定且基本不变的化学平衡的能力),就必须先有新陈代谢。摄食之后再繁殖似乎是目前公认的观点,但在处理生命起源的问题时一样,仍然存在令人不安的问题。

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