一种颠覆性的淀粉制备方法引发了人们的关注。据这则来自科技日报的报道介绍，9月23日中国科学院召开的本年度首场新闻发布会上，介绍了该院天津工业生物技术研究所在人工合成淀粉方面取得的重要进展。这种颠覆性的淀粉制备方法，不依赖植物光合作用，以二氧化碳、电解产生的氢气为原料，成功生产出淀粉。而这意味着，淀粉生产从传统农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能。
在传统农业种植模式中，淀粉主要由绿色植物通过光合作用固定二氧化碳进行合成。改善光合作用这一生命过程，提高二氧化碳的转化速率和光能的利用效率，成为了提升淀粉的生产效率的关键所在。但随之而来的疑问是，在我们身边无处不在的生命——活着——究竟意味着什么呢？从气候变化到流行瘟疫，从生物多样性的丧失到食品安全问题——面对一系列的未知世界，想要做出解答，进而得以更好地生活下去，每个人都需要了解生物学，理解生命。
以下内容选自《五堂极简生物课》，为编者所加，非原文所有。已获得出版社授权刊发。
原作者丨保罗·纳斯
摘编丨安也
《五堂极简生物课》，[英]保罗·纳斯 著，于是 译，博集天卷丨湖南科学技术出版社2021年8月版。
这是个大问题。我在学校得到的答案是生物必考题MRS GREN 清单之类的东西——生物体会表现出如下特征：运动（movement）、呼吸（respiration）、应激反应（sensitivity）、生长（growth）、繁殖（reproduction）、排泄（excretion）和吸收营养（nutrition）。这番简洁明了的总结确实概括了生物体的行为表现，但对于“生命是什么”，却算不上令人满意的解释。我想换一种思路。根据我们已经逐步理解的五个生物学的重要概念，我将总结出一套可以用来定义生命的基本原则。这些原则将让我们更深入地了解生命是如何运作、如何开始的，以及将我们星球上的所有生命联系在一起的关系的本质。
当然，很多人都试图回答这个问题。薛定谔在1944年出版的极富先见之明的著作《生命是什么》中，阐述了他对遗传和信息的看法。他提出了“生命密码”的构想，现在，我们都知道那就是写在DNA中的信息。但在书的结尾，他暗示了一种近似活力论的结论：要真正解释生命是如何运作的，我们可能需要一种全新的、尚未被发现的物理法则。
几年后，激进的英裔印度籍生物学家J.B.S.哈尔丹也写了一本题为《生命是什么》的书，并在书中宣称：“我不会回答这个问题。事实上，我很怀疑这个问题会不会有完整的答案。”他把活着的感觉与我们对颜色、痛苦或努力的感知相比较，以示“我们无法用别的说法来描述它们”。我对哈尔丹的说法深有共鸣，但这也让我想起了美国最高法院法官波特在1964年定义色情时所说的话：“我看到就知道了。”
诺贝尔奖获得者、遗传学家赫尔曼·马勒（Hermann Muller）就没这么犹豫了。他在1966年用简单的一句话将生物单纯定义为“具有进化能力的东西”。马勒正确地指出了思考“生命是什么”的关键，就在于确立达尔文的通过自然选择进化的伟大思想。进化论是一套机制——事实上也是我们所知的唯一机制——能在不借助超自然的造物主的情况下，产生出多样的、有组织、有目的性的活的实体。
我们应该来如何定义生命？
拥有通过自然选择进化的能力，这是我用来定义生命的第一个原则。正如我在自然选择那一章中所说的，它取决于三个基本特征。为了进化，生物体必须能够繁殖，必须有一套遗传系统，并且，遗传系统必须表现出变异性。任何具有这些特征的实体都可以且必将进化。
我的第二个原则是，生命形态是有边界的有形实体。它们与身外的环境分离，但又有互动沟通。这个原则来自细胞的概念，细胞是能清楚体现生命所有标志性特征的最简单的实体。这个原则强调了生命的实体性，将计算机程序和文化实体排除在了生命形式之外，哪怕它们似乎也可以进化。
我的第三个原则是，生命体是化学、物理和信息机器。它们构建自身的新陈代谢，并以此维持自身的存续、成长和繁殖。这些生命体通过管理信息来自我协调和调控，以让生命体作为有目的性的整体来运作。
这三个原则共同定义了生命。任何按照这三个原则运作的实体都可以被认为是有生命的。
要想充分了解生命体的运作方式，就要更详尽地阐述构成生命基础的非凡的化学形式。这一化学的一个主要特征是，它是围绕着主要由碳原子连接而成的大聚合物分子构建的。DNA就是其中一种，它的核心目的是作为一个高度可靠的、长期存储信息的载体。为此，DNA螺旋结构将含有信息的核心元素——核苷酸碱基——置于螺旋体的核心位置，让它们处于稳定且良好的保护之下。正因为有这样稳妥的保护，研究古代生物DNA的科学家们才能从生于远古、死于远古的生物体中获取DNA并对其进行测序，其中包括一匹在永冻层中冰冻了近百万年的马！
纪录片《绝对好奇：细胞战场》（2012）剧照。
但是，储存在基因DNA序列中的信息不能一直处于隐藏状态而不发挥作用。信息必须转化为行动，以生成支撑生命的新陈代谢活动和实体结构。储存在化学性质稳定但相当无趣的DNA中的信息必须转化为有化学活性的分子：蛋白质。
蛋白质也是碳基聚合物，但与DNA不同的是，蛋白质上大部分化学性质可变的部分位于聚合物分子的外部。这就是说，它们会影响蛋白质的三维形态，也会影响它们与外部世界的相互作用。最终，这使它们能够发挥诸多功能，构建、维持和再造化学机器。与DNA不同的是，如果蛋白质受损或被破坏，细胞可以轻而易举地构建一个新的蛋白质分子来替代它们。
我想不出比这更优雅的解决方案了：这些线性碳基聚合物的多种布局既能生成化学性质稳定的信息储存装置，又能产生高度多样化的化学活动。我发现，生命的化学的这一面既极其简单，又卓越非凡。生命体将复杂的高分子化学与线性信息存储相结合的方式实在令人叹服，我推测，这个原理不仅是地球生命体的核心，也很可能是宇宙中任何地方的生命的核心构造。
尽管我们和所有已知的生命形式都依赖于碳基聚合物，但我们对生命的思考不应该受制于地球上的生物化学经验。我们可以天马行空地去想象，宇宙中其他地方的生命以别的方式运用碳，甚或压根就不是构建于碳基之上的生命体。比如说，英国化学家和分子生物学家格雷厄姆·凯恩斯-史密斯（Graham Cairns-Smith） 就曾在20世纪60年代构想了一种原始的生命形式，它会基于结晶状黏土颗粒进行自我复制。
凯恩斯-史密斯想象中的黏土颗粒是以硅为基础的，科幻小说作家都很热衷于幻想硅基外星生物。和碳原子一样，硅原子最多可以组成四个化学键，我们已经知道它们可以形成聚合物：硅酮密封胶、黏合剂、润滑剂和厨具的主要成分都是硅。原则上，硅基聚合物可以很大，而且多样，足以包含生物信息。
然而，尽管硅在地球上的含量远远高于碳，地球上的生命却是基于碳的。这或许是因为在地球表面的现成条件下，硅不像碳那么容易与其他原子形成化学键，因而不能为生命制造出足够的化学多样性。不过，如果在假想地外生命时彻底排除硅基生命，或完全基于其他化学成分的生命，觉得它们不可能在宇宙中其他地方的不同条件下茁壮生长成生命体，就太愚蠢了。
如何区分生命和非生命？病毒是一个很好的例子
思考生命是什么时，人们很容易在生命和非生命之间划出一条鲜明的分界线。细胞显然是有生命的，所有由细胞集合而成的生物体也是有生命的。但也有居于两者之间、类似生命的形态。
病毒是个很好的例子。它们是有基因组的化学实体，有的基于DNA，有的基于RNA，包含了制造包裹每个病毒的蛋白质外衣所需的基因。病毒可以通过自然选择进化，这一点符合马勒的定义，但别的方面就不那么清晰了。尤其是从严格意义上说，病毒不能自我繁殖。相反，它们繁殖的唯一途径是感染生物体的细胞，劫持被感染细胞的新陈代谢。
所以，当你感冒时，病毒会进入你的鼻腔细胞，利用它们的酶和原料来反复多次地繁殖病毒。随着病毒大量滋生，鼻子里受感染的细胞破裂并释放出了成千上万的感冒病毒。这些新的病毒会感染附近的细胞，并进入你的血液，继而感染其他地方的细胞。这是一种非常有效的策略，可以让病毒持续存在，但这也意味着病毒不能脱离其宿主的细胞环境单独运作。换句话说，它完全依赖于另一个生命体。你差不多可以这样说：在宿主细胞中具有化学活性和繁殖能力时，病毒是活着的，但当它在细胞外作为化学惰性病毒存在时，它又不算是活着的，病毒就在这两种状态间不断切换。
有些生物学家就此得出结论，病毒的存续严格依赖于另一个生命体，这就意味着病毒不是真正的生命体。但我们还要记住很重要的一点：几乎所有生命形态，包括我们人类，也都依赖于其他生命体。
纪录片《人体奥妙之细胞的暗战》（2012）剧照。
你很熟悉的身体，其实是一个由人类细胞和非人类细胞的混合物组成的生态系统。我们自身有30万亿左右的细胞，但生活在我们身上和我们体内的细菌、古细菌、真菌和单细胞真核生物等不同群落的细胞总量远远超过这个数字。许多人还携带着比它们更大的动物，包括各种肠道蠕虫，生活在我们皮肤上并在我们的毛囊中产卵的八条腿的小螨虫。在这些与我们亲密无间的非人类同伴中，有很多都严重依赖我们的细胞和身体，但我们也依赖其中的一些。比如，内脏中的细菌会产生某些我们自身的细胞无法制造的氨基酸或维生素。
我们也不应该忘记，我们吃的每一口食物都是由其他生物体制造的。甚至有许多微生物，比如我研究的酵母菌，也完全依赖于通常由其他生物体制造的分子。比如那些包含葡萄糖和氨的分子，这些成分是制造含碳和氮的大分子所必需的。
植物似乎更加独立。它们可以吸收空气中的二氧化碳、地里的水，并利用太阳能来合成它们需要的许多更加复杂的分子，包括碳基聚合物。但即便是植物，也要依赖在根部或根部附近发现的细菌，从空气中捕捉氮。没有那些细菌，植物就不能制造构成生命的大分子。事实上，据我们目前所知，没有任何一种真核生物能够独自办成这件事。这就意味着，没有任何一种已知的动物、植物或真菌物种能够完全从零开始、赤手空拳地完成产生自身细胞的化学过程。
因此，要说真正独立的生命体——堪称完全独立，能无牵无绊地自由生活的——恐怕就是那些乍一眼看起来相当原始的生命形式了。其中包括微型蓝藻，通常被称为蓝绿藻，它们既能进行光合作用，又能自己捕获氮；还有古细菌，它们能从海底火山的热液喷口获取所需的能量和化学原料。这太令人震惊了：这些相对简单的生物不仅比人类生存的时间长得多，还比我们更加自立。
我们人类的故事，到底是怎么开始的呢？
不同生命形式间的深度相互依存也反映在我们细胞的基本构成中。产生我们身体所需能量的线粒体原本是完全独立的细菌，它们掌握了制造ATP的能力。但在15亿年前，命运发生了一些意外的转折，有些线粒体细菌住进了另一种类型的细胞内。随着时间的推移，宿主细胞变得极其依赖这位入驻的细菌客人所制造的ATP，以至于让线粒体成了永久住客，成为细胞内的固定装置。这种互利关系得以巩固，很可能标志着整个真核生物系的开始。有了可靠的能量供应来源，真核生物的细胞就拥有了变得更大、更复杂的能力。反过来，这又促成了动物、植物和真菌演化出今天这般繁茂的多样性。
这一切都表明，生物体有一个分级的渐变光谱，从完全依赖他者的病毒，到更为自给自足的蓝藻、古细菌和其他众多植物。我坚持认为这些不同的形态都是有生命的，因为它们都是自我导向的有形实体，可以通过自然选择来进化，虽然它们也在不同程度上依赖于其他生物体。
从这种更广泛的生命观出发，我们看待生命世界的眼光也会变得更丰富。地球上的生命都从属于一个单一的、巨大的、相互关联的生态系统，其中包含了所有生物。这种基本的关联不仅来自生命体之间相互依存的深刻关系，还源于一个事实：追根溯源，所有生命体都有一些共同的进化根源，因而在基因层面相互关联。长久以来，生态学家一直很赞成这种深层关联、相互关联的生命观。这个观点最早源于19世纪初的探险家、自然学家亚历山大·冯·洪堡的思想，他认为所有生命都被一个互相连接的网络关联在一起。这种相互关联性是生命的核心，虽然这么说可能让人意外，但应该能让我们有充分的理由停下来，更深入地思考人类活动对生态世界里的其他生命体造成了怎样重大的影响。
生命之树分杈繁密，生活在不同分支上的生物体的种类之多，令人震惊。但是，即便是这样丰富的多样性，在更重大、更基本的相似性面前也会逊色几分。作为化学、物理和信息机器，所有生物体运作的基本细节是相同的。比如，生物体都用相同的小分子ATP作为能量货币；都依赖DNA、RNA和蛋白质之间的基本关系；都使用核糖体来制造蛋白质。弗朗西斯·克里克认为，从DNA到RNA再到蛋白质的信息流是最根本的生命特性，所以，他把这种关系称作分子生物学的“中心法则”。后来，有人指出了一些法则外的小特例，但克里克的核心观点依然屹立不倒。
纪录片《人体奥妙之细胞的暗战》（2012）剧照。
所有生命的化学基础中的这些深刻共性，指向了一个令人瞩目的结论：如今地球上的生命只发生了一次。如果不同的生命形态各自独立地出现了好几次，并存活下来，那么，它们的后代能以如此相似的方式进行基本运作的可能性微乎其微。
如果所有的生命都栖居于同一棵巨大的生命之树，那么，这棵大树是从什么样的种子生长出来的呢？不知何故，在很久很久以前的某个地方，无生命的化学物质从无序状态排列成有序组织，以使它们延续，自我复制，并最终获得最重要的通过自然选择进化的能力。但这个故事，也就是我们人类的故事，到底是怎么开始的呢？
地球形成于45亿多年前，太阳系诞生之初。在最初的5亿年左右，地球表面特别热，极不稳定，不具备让我们所知的生命出现的条件。目前发现的最古老的生物化石可以确定是存活于35亿年前。这就意味着，生命的出现是在那几亿年中发生的。这个时间段非常漫长，并不是我们的大脑能轻易想象和理解的，但相对于地球上生命的历史总长，几亿年只是一小段时间。
在弗朗西斯·克里克看来，在现有的时间总长内，生命似乎根本不可能在地球上从无到有。所以，他提出生命肯定是在宇宙的其他地方出现的，被以部分或以完整的形态送到了地球。但这更像是逃避，而非回答生命如何从微不足道的起点开始出现这一关键问题。今天，我们可以对这个故事做出一番能让人信服的描述，哪怕目前还无法全部得到证实。
死亡是生命的必由之路
最古老的化石看起来和今天的一些细菌非常相似。这说明当时的生命形态可能已经相当完备，有被细胞膜包裹的细胞，有基于DNA的遗传系统，有基于蛋白质的新陈代谢。
但最先出现的是什么呢？以DNA为基础的基因复制？以蛋白质为基础的新陈代谢？还是将细胞封闭起来的细胞膜？在今天的生物体中，这些小系统形成了一个相互依存的大系统，并且必须作为一个整体才能正常工作。储存在DNA中的基因只有在蛋白质酶的协助下才能自我复制。但是，蛋白质酶必须根据DNA中的信息指令来构建。怎么能撇开一个去谈另一个呢？还有一个事实是：基因和新陈代谢都依赖于细胞外膜把必要的化学物质聚集在细胞内，捕捉能量，并保护它们不受外界环境影响。但我们知道，今天的活细胞都是用基因和酶来构建它们复杂的膜的。基因、蛋白质和细胞膜组成关键的三位一体，所以很难想象其中的任何一个怎么单独出现。只要你拿走一个元素，整个系统就会迅速崩溃。
在这三者中，解释细胞膜的形成可能是最容易的。我们知道，构成细胞膜的那种脂质分子可以通过自发的化学反应来形成，这些反应涉及的物质和条件在年轻的地球上应该已经存在。当科学家们将这些脂质放入水中后，它们会有一些让人意想不到的表现：它们会自发地组合成由膜封闭的中空球体，球体的大小和形状与一些细菌细胞差不多。
膜封闭实体可以自发形成，如果这套机制足以采信，那么，就剩下DNA基因和蛋白质谁先来的问题了。针对这个特殊的“先有鸡还是先有蛋”的问题，科学家们找到的最佳答案是：没有先后！反倒是DNA的化学表亲RNA可能最先出现。
和DNA一样，RNA分子也可以储存信息。它们也可以被复制，复制过程中的错误也会导致变异。这意味着RNA可以作为一种能进化的遗传性分子运作。直到今天，基于RNA的病毒仍然如此行事。RNA分子的另一个关键特性是它们可以折叠，形成更复杂的三维结构，可以作为酶发挥作用。基于RNA的酶完全没有蛋白质酶那么复杂，也没那么多功能，但它们可以催化某些化学反应。比如，对如今的核糖体的功能至关重要的几种酶就是由RNA制成的。如果将RNA的这两种特性结合起来，也许能够产生既能作为基因又能作为酶的RNA分子：把遗传系统和简单的新陈代谢打包在一个袋子里。这就等同于有了一个能够自我维持、以RNA为基础的生命体。
纪录片《人体奥妙之细胞的暗战》（2012）剧照。
一些研究人员认为，这些RNA生命体最早可能形成于深海热液喷口周围的岩石中。岩石中的微小孔隙可能提供了一个保护它们的环境，与此同时，从地壳中沸腾而出的火山活动提供了稳定的能量和化学原料。这种情况下，制造RNA聚合物所需的核苷酸有可能通过更简单的分子组装，完成从无到有的过程。起初，嵌在岩石中的金属原子可能起到了化学催化剂的作用，使化学反应无须生物酶的帮助就能进行。
最终，经过几千年的试错和试对，这一过程可能最终催生出了由RNA构成的机体，这些机体是有生命的，能自我维持和自我复制，并且，在未来的某个时候，它们可能会被纳入膜封闭实体中。那应当算是生命出现的漫长道路中的第一个里程碑事件：第一批真正的细胞出现了。
我给你们描述的这番演变看似真实可信，但请记住，这也是高度猜测性的结论。第一批生命形态没有留下任何痕迹，所以我们很难得知生命之初发生了什么，甚至很难确定35亿多年前的地球本身到底处于什么状态。
不过，一旦第一批细胞成功形成，接下来的事情就比较容易推想了。首先，单细胞微生物会在世界范围内蔓延，逐步在海洋、陆地和空气中扎根。然后，20多亿年过去了，体形更大、结构更复杂的真核生物加入了它们的行列，但在很长一段时间内，这些真核生物仍然是单细胞生物。真正的多细胞真核生物的出现要晚得多，还得再过十几亿年。如此推算便可知：多细胞生物在地球上存在了大约6亿年，仅占生命历史总长的六分之一。然而，就是在这段时间里，多细胞生物衍生出了我们周围目力所及范围内形体最大的所有生命形态，包括高耸的森林、蚁群、巨大的地下真菌网络、非洲大草原上的哺乳动物群，以及距今年代最近的现代人类。
所有这些都是通过盲目的、未经引导但又极具创造性的自然选择进化过程发生的。但是，在思考生命体的诸多成就时，我们应该记住，只有当一个种群中的某些成员无法生存和繁殖时，进化才能有效地进行。因此，尽管生命作为一个整体已自证是顽强的、持久的且具有高度的适应能力，但单个生命体的寿命是有限的，当环境发生变化时，其适应能力是很有限的。这就是自然选择出手的时机：消灭旧的秩序，如果种群中存在更合适的变种，就为新秩序铺路。如此看来，死亡是生命的必由之路。
我们要关心一切生命，照料一切生命
自然选择的无情筛选创造了许多意料之外的东西。最特别的产物之一就是人脑。就目前所知，没有其他生物像我们这样能意识到自身的存在。有自我意识的人类大脑一定是进化出来的——至少有一部分经过了进化——为了让我们在世界发生变化时有更多的余地来调整自身的行为。和蝴蝶，甚或其他所有已知的生物体不同的是，我们可以谨慎选择并反思自身行为的动因。
与其他生物系统一样，大脑的运作也基于相同的化学和物理过程。然而，不知为何，从同样相对简单的分子和众所周知的动能中，竟然涌现出了我们思考、辩论、想象、创造和受苦的能力。这一切是如何从我们大脑的湿化学中产生的？这给我们带来了一系列极具挑战性的问题。
众所周知，我们的神经系统的基础是数十亿个神经细胞（神经元）间极其复杂的相互作用，这些神经元会在相互之间创建数万亿个连接，被称为突触。这些深不可测、精妙繁复、持续变化、互相连通的神经元网络共同构建了信息通路，传输和处理丰富的电子信息流。
生物学中常见的研究方法是从较为简单的“模型”生物入手，通过研究像蠕虫、苍蝇和小鼠之类的生物，我们可以了解到大部分情况。对于这些神经系统如何通过感官从环境中收集信息，我们了解到的情况已经相当多了。研究人员已经做了全面细致的工作，追踪视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉信号在神经系统中的移动，还绘制了一些能够形成记忆、产生情绪反应和造成肌肉舒张等输出行为的神经元连接图。
纪录片《人体奥妙之细胞的暗战》（2012）剧照。
这些工作都很重要，但只是个开始。对于理解数十亿个神经元之间的相互作用，是如何结合并产生抽象思维、自我意识和看起来的自由意志的，我们还只是在起跑线上。为这些问题找到合情合理的答案，可能要耗费21世纪这一百年，甚至可能需要更久。而且，我相信我们不能仅仅依靠传统的自然科学方法来达到这个目的。我们将不得不吸取心理学、哲学和更广泛意义上的人文科学带来的各种真知灼见。计算机科学也会很有助益。当今最强大的“人工智能”计算机程序就是用高度简化的形式，为了模拟生命体的神经网络处理信息的方式而构建的。
这些计算机系统展现了越来越惊人的数据处理能力，却没有表现出任何类似于抽象思维或想象力、自我意识或知觉的东西。哪怕只是定义我们所说的这些心智特性都非常困难。在这个方面，小说家、诗人或艺术家可以通过贡献创意想法的基础，通过更清晰地描述情绪状态，甚或通过追问存在的真正意义，助我们一臂之力。如果我们讨论这些现象时，能在人文和科学之间有更多的共同语言，或至少有更强大的智识联结，我们可能就可以更好地理解进化是如何以及为什么让我们发展成为化学和信息的系统，乃至以不可言说的方式意识到自己的存在的。要理解想象力和创造力是如何产生的，这本身就需要我们动用所有想象力和创造力。
宇宙的浩瀚超乎想象。根据概率定律，在所有的时间和空间中，生命似乎不太可能只在地球上繁盛过一次，更不用说有意识的生命了。至于我们以后会不会遇到外星生命则是另一个问题。但如果我们真的遇到了，我确信它们和我们一样，必然是自我维持的化学物理机器，经由自然选择进化产生，是一种基于信息编码构建的聚合物。
我们的星球是宇宙中唯一能确定生命存在的角落。我们在地球上的生命是非凡的。生命不断令我们感到惊喜，但是，哪怕其多样性令人眼花缭乱，科学家们仍致力于诠释生命的奥秘。正是这种对生命的理解，为我们的文化和文明做出了根本性的贡献。我们对“生命是什么”的理解不断加深，将有可能改善人类的命运。但是，对生命的认知绝不会止于人类本身。生物学已让我们明白，我们所知的一切生物体都是相互关联、密切互动的。我们与所有其他生命都有深厚的关联，在阅读本书的过程中，爬行的甲虫、感染的细菌、发酵的酵母、好奇的山地大猩猩和飞舞的黄蝴蝶一直陪伴着我们，同样，生物圈中的每一个成员也始终在我们身边。所有这些物种聚集在一起，都是生命世界里最伟大的幸存者，是同一个无法估量的庞大家族里最年轻的后裔，经由一连串不间断的细胞分裂，这个生命家族能回溯到时间的深处。
据我们所知，我们人类是唯一能看到这种深层联系，并思考这一切可能意味着什么的生命体。这让我们对这个星球上的生命负有某种特殊的责任，因为它们都算我们的亲戚，有些是近亲，有些是远亲。我们要关心一切生命，照料一切生命。而要做到这一点，我们首先要理解生命。
作者丨[英]保罗·纳斯
摘编丨安也
编辑丨张进
导语校对丨柳宝庆