生命與非生命之間，究竟有什么本質(zhì)區(qū)別？

偉大物理學(xué)家薛定諤的《生命是什么》系列演講（薛定諤：生命以負熵為生）已過去了三代人的時間，然而，生物學(xué)與物理學(xué)之間仍然存在著巨大的鴻溝。

生命與非生命之間的“missing-link”（缺失的連接）

人們曾經(jīng)認為，只要將生命拆分研究，直至分解到分子原子，就可以使用原子和分子的物理學(xué)來解釋一切（“強還原論”），然而，許多科學(xué)家并不這么認為，比如薛定諤曾寫道：“生物體可能涉及我們迄今尚未發(fā)現(xiàn)的‘其它物理規(guī)律’?！?/p>

這是一種“新的物理”，這種新物理將發(fā)現(xiàn)更加微妙的東西，它將物質(zhì)與信息、整體與部分、簡單性與復(fù)雜性交織起來。

“當與生物打交道時，人們就能深刻地感受到物理學(xué)有多么原始?！薄獝垡蛩固?/p>

“生命力”的本質(zhì)是“信息”

人們曾經(jīng)認為，生命與非生命的區(qū)別，在于具有“生命力”（“活力論”）。

而從科學(xué)的視角來看，其背后的統(tǒng)一概念就是“信息”。

注意，這里的信息，與通常意義上的信息不同；這里的信息是更為抽象的概念，與物質(zhì)同構(gòu)，能讓物質(zhì)形成生命，的一種“信息流模式”。

所以，“生命力”的本質(zhì)，是包含了“物質(zhì)-能量-信息”的三位一體的復(fù)雜概念，單純用“信息”這個詞尚不準確，我們中國人可以姑且使用一個幾乎與這個概念完美一致的詞——“氣”。

比如，一只剛死的老鼠和它在前一秒的化學(xué)復(fù)雜性是一樣的，但我們不會說前者活著的程度是99.9%。我們會說，它“沒氣了”，意思是說，這個生命在這個“物質(zhì)-能量-信息”的三位一體的復(fù)雜概念上，失效了。

信息對這個世界產(chǎn)生著巨大的影響，它具有“因果關(guān)系的力量”。而科學(xué)的挑戰(zhàn)就在于，如何將抽象的信息與具體的物質(zhì)聯(lián)系起來。

“信息就是物質(zhì)的！”——蘭道爾

人類不能直接感知信息，只能感知它所在的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。

我們可以把熵看成是一種無知狀態(tài)，那么，信息就是關(guān)乎你知道什么；所以，信息是熵的對立面。

無序，是大量事物聚集在一起的集體屬性，所以，說單一分子處于無序或隨機狀態(tài)是沒有意義的。無論何時，只要取平均，有些信息就會損失掉。

生命是一個“復(fù)雜系統(tǒng)”

我們知道，僅僅羅列出生命的“屬性”，并不等同于解釋了生命是什么，但是可以幫助我們理解。

生命必定涉及到比原子和分子物理學(xué)更多的東西。從復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)的視角來看，這幾乎是必然的；我們稱這種“更多東西”的出現(xiàn)為——“涌現(xiàn)”（emerge）。

還原論的反面就是涌現(xiàn)——新的性質(zhì)和原則會在更高的級別上涌現(xiàn)，但這些性質(zhì)和原則本身卻相對簡單，并不需要借助低級別來理解。

中科院特聘教授吳家睿研究員的《生物學(xué)是什么》一書極為精彩地詮釋了生物學(xué)的真諦，科技千里眼也做了精華解讀，感興趣的讀者可移步——生物學(xué)是什么？

生命是一個“耗散結(jié)構(gòu)”

有些系統(tǒng)可以呈現(xiàn)出有組織的復(fù)雜性的自發(fā)樣態(tài)，偉大的化學(xué)家普里高津（Prigogine）稱之為“耗散結(jié)構(gòu)”（dissipative structure），這是一種遠離熱平衡態(tài)的開放系統(tǒng)。

生物就是典型的耗散結(jié)構(gòu)，它從環(huán)境中吸收能量和物質(zhì)，也向環(huán)境中放出熵，從而保持自穩(wěn)態(tài)。

“城市”和“氣旋”，也都是典型的耗散結(jié)構(gòu)。

耗散結(jié)構(gòu)會自發(fā)產(chǎn)生“對稱性破缺”，并走向“混沌”（chaos）。

生命是一個“無標度網(wǎng)絡(luò)”

生物學(xué)表明，生物系統(tǒng)中往往不存在簡單的因果關(guān)系，更多是一種“網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)”，比如下圖所示的“控制酵母菌細胞周期的基因網(wǎng)絡(luò)”，其中實線代表“激活”（“生”），虛線代表“抑制”（“克”）。

控制酵母菌細胞周期的基因網(wǎng)絡(luò)

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，生命中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并不是“隨機網(wǎng)絡(luò)”，而是一種“無標度網(wǎng)絡(luò)”，大大提升了信息處理的品質(zhì)。

無標度網(wǎng)絡(luò)（Scale-free network），特點是“少數(shù)節(jié)點的連接數(shù)遠高于平均值”，在自然和社會中具有極其普遍的適用性。無標度網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)決定了它能以分形的方式自然地擴張，與生命的演化過程高度一致。（生物學(xué)是什么？）

同樣的網(wǎng)絡(luò)理論也很好地解釋了生物群體（蟻群、鳥群、魚群）的行為，單個節(jié)點通過簡單的規(guī)則的大量復(fù)用，可以產(chǎn)生難以想象的復(fù)雜有序行為，一般被稱為“群體智能”。

納斯在他的文章《生命、邏輯和信息》中前瞻性地說：“支配信息的原則在不同層級上具有相似性，即使它們的元素完全不同?！?/p>

結(jié)語：“missing-link”的補完時代

生物學(xué)與物理學(xué)之間的鴻溝將由“新物理學(xué)”補完，而我們正處于揭示和利用這些新物理學(xué)的偉大時代；這種補完很可能從“信息”的視角切入，從而建立一套全面的理論框架。

真正的問題是，信息究竟是一種依附于物質(zhì)的事物，還是一種獨立存在的事物呢？

要知道，我們現(xiàn)在的物理定律都是關(guān)于物質(zhì)的，而并沒有關(guān)于信息的。為了將生命納入物理定律的范疇，并且，為信息本身作為一種基本實體的基礎(chǔ)，《生物與新物理學(xué)》的作者戴維斯主張，我們需要對物理定律的性質(zhì)進行徹底的重新評估。

我不僅僅是科學(xué)家的事，還對了解人類存在的本質(zhì)和我們在宇宙中的位置而言，意義重大。

如果生命（也許還有心靈）的涌現(xiàn)被視為自然界中注定會發(fā)生的事，這就會使我們作為活生生的、會思考的存在，擁有一種宇宙層面上的意義。

這樣的話，我們就會在宇宙中真正獲得“家的感覺”。

科技千里眼頭條號，長期致力于用最易懂的講解詮釋科技，創(chuàng)作系列科普專欄，與中國所有自我教育者一同理解科技、認識世界。