（RFA，2025-03-03）
2024年诺贝尔奖启示了当代生物学的新进展
2024年的3项诺贝尔科学奖都引起了不小的争议，一些人认为物理奖和化学奖事实上都奖给了人工智能，这是对人类智慧的不信任。还有一些人则指出这3项科学奖居然都和生物有关，似乎意味着传统意义上的物理学和化学都日渐式微了。
但对于菲利普·鲍尔（Philip
Ball）来说，所有这些争议都早在预料之中。这位出生于1962年的英国科普作家在牛津大学拿到了化学学士学位，然后在布里斯托大学拿到了物理学博士学位。之后他并没有直接从事科学研究，而是去著名的《自然》（Nature）杂志当了20多年的编辑。其间他出版过十几本科普著作，包括已经翻译成中文的《化学元素发现史》、《牛津通知读本：分子》和《水：中国文化的地理密码》等等，题材范围相当广泛。
生物学也是鲍尔非常关心的领域，他发现今天的主流社会在描述当代生物学时的叙述方式过于简单，没能体现出生物学的复杂性。2019年他去哈佛大学医学院做了几个月的访问学者，和全世界最顶尖的生物学家进行了多次深入的交谈，发现关于生物学的主流传统叙事比他想象的还要过时，于是他决定写一本书，修正普通人对生物学的错误印象。
2023年底，鲍尔的新书《生命是如何运作的》（How
Life Works）终于问世。他在这本书里介绍了当代生物学的新进展，很多内容都和2024年的这3项诺贝尔科学奖有关。比如，医学或生理学奖给了基于RNA的基因调控，再次证明生命并不是依照DNA蓝图按部就班组装起来的一部“机器”，这个过程远比大家想象的要混乱得多。
举例来说，人类只有大约1.9万个编码蛋白质的基因，这个数字只是香蕉的一半，但因为mRNA剪切方式的不同，人类细胞可以用这1.9万个基因合成出8万~40万种不同的蛋白质！此前人们认为一种蛋白质只能折叠成一种三维结构，但实际上大部分蛋白质并不具有固定的三维结构，而是会随着与之相结合的分子的不同而呈现出完全不同的状态和性质。不但如此，这个过程不是0和1的差别，而是线性的，这就从根本上杜绝了蛋白质的数码化模拟，把细胞内的蛋白质相互作用变成了一个极度复杂和混乱的线性网络。
不但如此，大约有37%~50%的人类蛋白质属于无序蛋白质（disordered
protein），这些蛋白质没有固定的三维结构，可以根据所处环境的不同随时改变其构象和功能。因为无序蛋白质无法被结晶，难以用传统实验方法解析其结构，所以人工智能在预测无序蛋白结构的问题上有其独特优势。从这个意义上说，预测蛋白质结构的人工智能技术获得本届诺贝尔化学奖可谓实至名归。
生物奖和化学奖都和复杂系统有关，而这也是经典物理学在研究复杂系统时遇到的最大瓶颈。物理学家喜欢把物理学定义为“负责解释一切的科学”，但经典物理学只擅长解释特别简单的事情，比如大尺度的星体运动或者微尺度的原子结构。一旦我们把目光放到中等尺度的复杂世界，比如气象预报或者地震预警，就会发现经典物理学是无能为力的。
生命更是经典物理学研究的禁区，物理学家们至今仍然无法从还原论的角度解释生命的起源和生命运作的机理，因为生命系统的复杂性超越了经典物理学的解释范围。
在所有的生命现象当中，智能的产生无疑是最神秘的，也是最难以研究的。无数神经生物学家曾经试图通过传统生物学的方法挑战这个难题，但收效甚微。获得本届诺贝尔物理学奖的两位科学家另辟蹊径，通过构建人工神经网络来模拟智能的生成过程，间接地证明神经系统不像DNA那样通过事先编程来运作，而是通过不断地试错来逐步完善，后者才是复杂系统自我进化的主要方式。
当然了，智能的本质问题今天依然没有得到根本的解决，但两位物理学家可以说开了个好头。从这个意义上说，本届诺贝尔科学奖当中就属物理奖的意义最为深远，也最为当之无愧。
理解复杂系统——进化论的过时与生物学的范式转变
和本届诺贝尔科学奖的呼应只是一个巧合，这本书最大的贡献在于鲍尔用大量事实告诉我们，传统的生物学研究范式已经过时了，就连进化论也需要修正。
早期生物学重描述，缺理论，一直被物理学家和化学家们所轻视。直到达尔文横空出世，提出了一套基于自然选择的进化论学说，生物学这才终于有了属于自己的理论框架。DNA双螺旋结构被发现之后，一批进化生物学家把DNA和达尔文结合起来，建立了一套被称为“现代综合”（modern
synthesis）的新的进化理论，并以此为基础，确立了当代生物学的研究范式。
DNA是这个范式的中心，因为大家都认为，所有的生命体都是以DNA为蓝图一步一步地构建出来的，其过程和现代化工厂按照设计图纸建造出一辆辆汽车差不多。因此，要想理解生命的奥秘，只需读懂DNA分子里蕴含的密码就行了。
同理，所谓生物进化，就是DNA图纸在拷贝时出现的随机差错在自然选择的作用下优胜劣汰，今天大家见到的各种各样的生物就是这样一步一步地进化而来的。
现代综合理论的一个最著名的应用案例就是英国进化学家理查德·道金斯（Richard
Dawkins）提出的“自私基因”（The
Selfish Gene）理论。按照这个理论，基因才是进化的基本单元，每个基因的终极目标就是尽可能多地复制自己，从而成为自然选择的最终赢家。
现代综合理论一经提出就风靡全球，统治了生物学好多年。生物学家喜欢它，因为它把数学公式引入了生物学，特别符合现代科学对精确性的要求；科普作家喜欢它，因为它背后的逻辑简单明了，可以用准确而又清晰的语言加以描绘；公众也喜欢它，因为这套理论容易理解，很容易让人产生一种“大千世界尽在掌握”的感觉。
但是，鲍尔却通过这本书告诉我们，其实这个理论早就过时了。首先，DNA本身没有任何生化功能，也不会复制自己，DNA需要在RNA、蛋白质和脂类等等很多其他分子的全力配合下才能完成自身的复制并发挥其功能，所以进化的基本单元不可能是基因，而只能是细胞，或者比细胞层级更高的组织、器官乃至生物个体，道金斯的“自私基因”理论是不成立的。
其次，几乎所有的生物学新发现都不支持现代综合理论的简单设定。比如很多貌似重要的基因被敲除（即用遗传工程手段把某个特定基因彻底关闭）之后并不影响生物活性，即使有影响，结果也往往出人意料，这说明单个基因的功能远比大家之前想象的要复杂和模糊得多，细胞内的整体生化环境才是决定细胞命运的关键。
这个发现直接导致一大批面向消费者的基因测序公司的破产，因为单个基因的作用被严重高估了。这个发现还让那些热衷于用古DNA复原古代生物的尝试变得不可行，因为仅凭DNA序列是无法还原受精卵的发育模式的。换句话说，即使我们成功地把人类基因组序列发送给外星人，它们也不可能制造出一个完整的人。
这个发现还可以解释为什么基于特定致癌基因的靶向治疗方案的成功率远低于预期，因为癌细胞似乎总有办法绕道而行。鲍尔认为，癌症绝不仅仅只是DNA突变导致的遗传性疾病，而是多细胞生物在发育过程中必然会出现的一种错误，所以治疗癌症的关键并不是针对所谓的“致癌基因”开发靶向药物，而是要想办法让人体组织的构建过程恢复正常。
第三，表观遗传学（epigenetics）的发展模糊了先天和后天的差别，证明很多后天习得的经验都可以通过对DNA分子的化学修饰（比如甲基化），以及基因调控模式的改变（比如前文提到的基于RNA的基因调控网络）而被遗传下去，这就迫使进化学家们不得不改变原有的认知，承认生命进化的方式并不是此前设想的那样仅仅基于DNA复制过程中产生的随机突变。
第四，关于蛋白质结构的研究也让传统的进化理论变得不合时宜了。正如前文所说，有相当多的蛋白质并没有固定的三维结构，这些无序蛋白会根据结合对象的不同而改变自身的三维结构，从而改变其功能，这就让单个氨基酸突变的意义变得没那么重要了。鲍尔认为，蛋白质分子进化的主要方式很可能并不是单个氨基酸的改变，而是蛋白质不同结构域的重新组合，只有这样才能加快进化的速度。
以上这些研究进展全都指向了一个必然的结论，那就是生物进化的方式绝不仅仅是基因突变外加自然选择，而是以生命为单位的整体改变。在鲍尔看来，传统的进化模式只适用于单细胞生物，它们结构简单，数量众多，繁殖速度快，能够忍受大量个体因不适应环境而迅速死亡，只有这样才能解释传统的单基因突变是如何推动种群进化的。与之相反，我们很难想象复杂的哺乳动物依靠这种方式在短时间内就进化出了如此丰富多样的新物种，即使把地球漫长的历史考虑在内也不行，很多宗教信徒正是因为这个原因而拒绝接受进化论的。
“主观能动性”是生命为抵抗熵增而进化出的超能力
鲍尔在这本书中用了大量篇幅否定了目前非常流行的生命机械观，他反对把生物比作一部机器，因为再复杂的机器都是事先设定好程序的，缺乏主观能动性。但生命不一样，所有的生命体都是具备一定主观能动性的“行为主体”（agent）。这是个颇具颠覆性的观点，关于这个问题的讨论是本书的一大亮点。
“行为主体”这个名词来源于哲学中的“能动性”（agency）这个概念，指的是行动者为了实现自己的目标在不同的环境中做出具有针对性行动的能力。能动性这个概念曾经被认为是唯心主义的，因为它要求行动者具备自由意志。以牛顿为代表的经典物理学隐含了一种类似决定论的思想，即世间万物的一切变化都必须遵从严格的数学法则，因此只需知道世界的初始条件，就能推导出这个世界在未来任意时刻的状态。如果你相信决定论的话，那么自由意志就是不存在的，因为一个人的所有想法都是他大脑内的各个原子相互作用的结果，是预先就设定好了的，只是他自己还不知道而已。
热力学第二定律的出现向自由意志发起了挑战。这个定律的大意是说，任何封闭系统一定会朝着越来越无序的方向发展，即这个系统的熵值只能越来越大（所谓“熵增”），最终达到绝对的热平衡（所谓“宇宙热寂”）的状态，没有温差、不会产生流动、毫无活力，也不再有任何有趣的事情发生。这个结论与《圣经》许诺的永生相去甚远，惹恼了著名物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James
Clerk Maxwell）。作为一名虔诚的基督徒，麦克斯韦不相信上帝会设计出这样一个没有未来的世界，而如果世界的发展只有熵增这一种方式的话，人类的自由意志只能是一种幻觉，因为人们通常认为自由意志意味着可以自主选择、控制和改变未来，而熵增则意味着所有过程都是单向的、不可逆的、决定性的，人的意志和思维过程也可能只是这个趋势中的一部分。
为了拯救自由意志，也为了拯救自己的宗教信仰，麦克斯韦设计了一个思想实验。想象在一间房子的门口住着一个妖怪，对经过门口的每一个粒子的速度进行测量，只允许速度快的粒子进门。久而久之，房子里便会充斥着速度快的粒子，使得这间房子永远保持高温状态而无需加热。按照热力学第二定律，封闭系统中的熵应该是不断增加的，但在这里，系统本来是均匀的，但经过妖怪的操作后，竟然变得更加有序了（低熵状态）。这似乎违反了热力学第二定律。于是，熵增定理导致的决定论似乎被打破了，人类重新获得了自由。
可惜这个思想实验是不正确的，因为妖的存在本身也要消耗能量和增加熵。德裔美国物理学家罗尔夫·兰道尔（Rolf
Landauer）通过计算指出，那个想象中的“麦克斯韦之妖”要决定是否让分子通过，就必须观测并存储信息，在测完粒子速度之后必须擦除内存才能继续测量下去，而这个擦除动作是需要消耗能量的，其最低值被称为兰道尔极限值（Landauer
limit）。这意味着虽然妖怪能局部降低系统熵，但它自己需要进行计算，这个计算过程最终导致总熵增加。因此，热力学第二定律依然成立，热寂仍然会是宇宙的终点。
不过，按照另一位物理学家薛定谔的观点，生命其实并不违反热力学第二定律，因为所有的生命都是封闭的非平衡系统。这样的系统在大自然中相当常见，比如飓风和水流的漩涡就是两个很好的例子。这样的封闭系统只要持续地从外界获得能量，持续抵抗熵增，就能自发地组织成有序结构。换句话说，生命本质上就是一个具备自组织能力的非平衡系统，只要为麦克斯韦之妖提供一定的能量，就能让房间永远保持高温。这意味着，生命有能力在一个总体熵增的环境里暂时维持局部的有序状态。
随着生物学研究的深入，科学家们发现细胞这间房子的门口住满了麦克斯韦之妖——也就是遍布细胞膜的各种离子通道。它们有选择地让某一类离子通过，而拒绝另一类离子的进出，以此来维持细胞内外的渗透压差，细胞的生物活性就是靠这个压差来维持的。当然了，这些小妖是需要能量的，并不违反热力学第二定律，但有研究显示，细胞完成这个工作所需的能量仅为兰道尔极限值的10倍左右。相比之下，现在最好的计算机要想完成类似的工作，所需消耗的能量至少是兰道尔极限值的100万倍。仅从这一点就可以看出，人工智能的效率还远远比不上大自然进化出的生命智慧。
在这个例子中，遍布细胞膜表面的麦克斯韦之妖（也就是各种离子通道）展现出了类似“行为主体”的特征。它们有特定的目标（维持细胞内外的渗透压差），具备收集信息的能力（鉴别不同的离子类型），以及根据环境信息做出相应行动的能力（泵出特定的离子）。更重要的是，细胞生活在一个复杂的环境里，每时每刻都有大量离子经过细胞膜，膜上的这些小妖每时每刻都被海量的信息包围着，它们必须知道哪些信息是有用的，哪些信息是噪音。这个本事一方面可以从进化中习得，但也可以从生活经验中慢慢总结出来。如果这些小妖不是“行为主体”的话，很难想象会出现这样的结果。
正因为如此，鲍尔坚信“主观能动性”才是生命区别于非生命的最核心要素，没有这个要素，其他同样具备自组织能力的非平衡系统不是生命。举例来说，河流中的漩涡依靠水流带来的能量维持了自身的存在，这可以理解为一种简单的新陈代谢。这些漩涡也可以持续生产出更多的漩涡，这可以理解为一种简单的自我复制。但是，这些漩涡没法做到根据水流的情况主动做出应对，它们不是具备主观能动性的“行为主体”，因此它们不是生命。
换句话说，生命并不是碰巧出现的一种能够抵抗熵增的非平衡结构（比如飓风和漩涡），而是专门为此目的（抵抗熵增）而进化出来的一种更加复杂的非平衡结构。如果你按照抵抗熵增的能力来为自然界出现的各种非平衡结构排个序的话，生命肯定排名第一。按照热力学定律，一个封闭系统对熵增的局部抵抗反而更能促进宇宙整体的熵增——例如生命获取能量的过程会释放更多的热量，使环境的熵增长更快。所以生命的出现其实是熵增定律的一个推论，是熵增定律所主导的世界最有可能出现的结果。
那么，生命的这种超能力是哪来的？答案就是基于自然选择的进化，而“行为主体”的出现恰恰是进化的杰作。想象一下，如果一种生物只能根据写在DNA上的指令来应对外部环境的变化，那么它要么非常脆弱，要么需要海量的DNA，这显然是过于昂贵了。但是，如果一种生物能够根据自己的需求，对不同的外部环境做出灵活的反应，那么它一定会更好地适应环境，并在进化中胜出，这就是“行为主体”的成因。这个“行为主体”能够最高效地抵抗熵增，正是因为它具备主体能动性，有自己的目的和意义。很多原教旨唯物主义者不敢谈生命的目的和意义，认为这是唯心主义的，属于宗教的范畴，但事实恰好相反，追寻生命的目的和意义，其实是有生物学基础的。进化就是最有可能产生目的和意义的过程，大家千万不要小瞧进化的力量。
当然了，进化本身没有目的，但制造意义是维持生存和繁衍的绝佳方式，甚至可能是唯一的方式，所以能够产生意义的那个实体就是进化所能产生的最成功的实体——这就是生命。
总之，鲍尔坚信生命就是在宇宙中创造出意义的东西，现代生物学所面临的最大挑战就是对生命的意义开发出一个合理的解释框架，只有这样才能真正明白生命是如何运作的。甚至，他认为只有这样的生物学研究才有意义。他在这本书的结尾这样写到：“如果我们不弄清楚生命的意义，研究那么多细节有什么用呢？”
