“非設計”生命

文/嘉納·馬萊塔 嘉納·馬萊塔 譯/丁冰青

打從物種起源以來，各類與生命有關的問題就困擾著我們。即使有了現代科學知識的幫助，這些問題依舊存在。獵鷹精準地捕食獵物，蜂鳥懸在半空中采蜜，細菌有自生能力：這些都是驚人控制力和精準度的實例。如此復雜的生物怎么會起源于惰性物質呢？幾千年來，很多智慧的思想家都在試圖回答這個問題。大多數人得出的結論是：生物一定是由一個有意的設計過程產生的。當然他們錯了，《進化論》中的變異和自然選擇——查爾斯·達爾文的重大飛躍——說明了那些驚人的復雜機制是怎樣不通過設計而產生的。然而，揭示生物本身仍然任重而道遠。

達爾文理論提出的首要問題最終歸結于物理：生物有某些性能，似乎能夠把它們同其他惰性物質聚合物分開。它們有許多不同的組成部分（根據生物適應的實例），可以依據功能相互協調。這是關鍵屬性：它們很像經過設計的物體，就像工廠和機器人那樣。例如，眼睛的睫狀肌和水晶體，它們協調得天衣無縫，我們才能看得見，就像一臺高性能相機的光學元件。在現代生物學中，這叫作外觀設計。這種性能曾被蘇格拉底描述過，1802年，威廉·帕利也給出了神學方面的表達，他把上帝比喻成“鐘表匠”。

更廣泛地說，生物就像工廠運作和機器人一樣，必須具有非常高的精確度來進行物理轉換，一直重復并且十分可靠。和工廠不同的是，所有生物都依賴一種非常奇特的發明：活細胞。細胞可以自生，從核心角度講，即產生新細胞的過程中能夠如實地復制細胞DNA上面的遺傳信息。我們發現，這種能力也存在于自然界的其他地方，甚至在人類技術上。舉個十分簡單的例子，就好像用3D打印機打印人體的一些零件。

生物的這些特性為什么構成了一個物理問題？關鍵在于，在物質世界中，什么可以發生和什么不可以發生是由物理定律決定的。例如，不管投入多少資源，永動機是不可能建成的，因為它與物理定律相悖。反言之，宇宙中的生命之所以能夠存在，是因為符合物理定律。

但我們的物理定律只存在于某些基本的物質，如簡單且種類繁多的化學物質。這些物質本身不能反復地進行高精度轉化，它們似乎也不發揮任何作用。即使產生了轉化，也不是精準可靠的：會損失或出錯，耗盡能量，等等。換句話說，物理定律不包含這些精確轉化的內在機制，尤其不包含能夠帶來這種轉化的生物適應裝置。從狹義上說，這些轉化沒有經過設計。因此，對物理描述范疇之內的生物來說，問題在于它們可以進行各種高精度的轉化，這顯然不符合物理定律。

那么，如果生命不是一個有意的設計過程的產物，生物又是如何進化的呢？達爾文理論提出了這一問題，通過解釋變異和自然選擇引出了外觀設計。但這本身跟解釋空缺無關（尤其從現代版達爾文理論——新達爾文主義——可以清晰地看出這點），其核心是復制，或者說攜帶DNA的基因通過轉化遺傳給下一代。此外，生物體內的復制十分精準，細胞自生也是如此。總之，理論假定了某些精準物理轉化的可能性，而這正是非設計物理定律未能提供的入門套件。

難題在這里出現了。生物復制和自生事實上是協調得驚人的物理轉化，這就要求我們必須解釋它們是如何在如此簡單且非設計的物理定律下運作的。這種額外的解釋雖然不包括在進化論內，但可以從本質上為進化論解釋生物是如何在無意的設計過程中進化的，即填補了解釋空缺。

事實證明，這樣的解釋是難以用當下流行的物理方法得出的。后者可以在以后預測物理系統會做什么（或可能做什么）時，給予一定的初始條件和運動規律。但是將運動規律應用于粒子，在表達外觀設計、復制、自生和自然選擇方面是一個棘手的方式。這些過程十分復雜，涉及無數相互作用的粒子的集合運動。

不止如此。即使我們能預測——根據特定的動力學定律和初始條件——粒子可以聚集，以便在特定的時間內形成一頭山羊，也根本不能解釋山羊是否是不需要設計就可以產生的。我們都知道，山羊的設計可以在初始條件或運動規律下被編碼。在一般情況下，我們必須解釋山羊是否以及如何在非設計物理定律下產生，而不僅僅是根據現存的一些物理定律和初始條件，預測它將會（或可能會）發生什么。

當下流行的概念已經促使很多物理學家得出“物理定律必須適用于產生生物適應”這一結論，包括1963年諾貝爾文學獎得主尤金·維格納和量子物理學家戴維·玻姆。這是一個驚人的錯誤。如果這是真的，物理理論就必須在初始條件、運動規律，或兩者共同作用下，增加“設計”這一概念，而達爾文進化論中全部的解釋就會被丟掉。

那么，如果這個概念提供的工具不夠充足，我們該如何根據非設計物理定律解釋復制和自生是可行的呢？

這就要用到物理學的一個新基本理論：構造理論。構造理論是一種新型解釋模式，由牛津大學物理學客座教授大衛·多伊奇提出。他率先應用了量子計算機理論。通過構造理論，多伊奇概括了一些導致先前想法的見解，并將它們應用到整個物理學中。

在構造理論中，物理定律根據任務可行性（包括任意高精度、可靠性和重復性）的制定，說明哪些不可行及其原因，而不是根據運動規律和初始條件說明什么會發生，什么不會發生。如果一項任務違背了物理定律，那它是不可行的;否則，它就是可行的。這意味著一項任務的構造者：一個導致任務發生并保持重復能力的對象。汽車工廠、機器人和活細胞都精準地與構造者相似。

這一觀點的巨變與根據初始條件和運動規律的通用解釋保持一致，但使物理學能解釋更多的現象。現在，要注意的第一件事就是這個框架如何自然地允許我們表達生物學問題。準確地復制和自生符合非設計物理定律（即不包含生物適應設計的定律）嗎？結合進化論的構造理論，研究者對這一問題給出了明確肯定。

也許這聽起來像一個真理：很明顯復制和自生確實發生了！但生命的構造理論解釋了更多。例如，它回答了這一問題：因為物理定律都是非設計的，準確的自生和復制確實存在于生物體內，都需要進化論，什么條件能使這些構造者和非設計物理定律之間相互兼容呢？

首先，人們為精準的構造者的操作設置了必要特征，就像一家汽車制造廠要遵循一定的規定。事實證明，這種機器必須遵循一個“配方”——一個基本指令的順序——來執行任務，并糾正中途出現的任何錯誤。這些指令很簡單，在執行過程中不需要任何特殊的設計，它們是一種轉化，與非設計物理定律完全兼容。

事實上，汽車制造廠有詳細的步驟說明，“配方”是工廠的一部分，即使它沒被寫入非設計物理定律。持續了數百萬年的高精度構造者，“配方”也一定被復制了很多次。因此，對這些構造者來說，“配方”上的信息必須是數字化的，復制后有可靠的誤差修正機制（如果不是數字化的，就會在檢測錯誤方面存在基本的限制，這將增加對準確性和可實現彈性的錯誤和限制）。

一個自生細胞也必須做到這些。親細胞包含一個DNA“配方”，所有指令用來構造新細胞。這意味著發生準確的自生需要兩個步驟：利用逐字母復制和誤差修正，親細胞可以把“配方”的高保真副本植入新細胞中;然后根據“配方”，在其余的細胞上構造復制機制。20世紀40年代，匈牙利物理學家約翰·馮·諾依曼最先發現了這一邏輯，當時他正在研究細胞自動機，以便用于離散計算模型。構造理論表明，這是精準的自生和非設計定律之間唯一可能存在的邏輯。

在基礎物理方面，構造理論給了“配方”一個精確的描述特征。它是被數字編碼的可作為構造者且具有彈性的信息，這種能力一旦被實例化在物理系統中，就會一直保持。在構造理論中，這被稱為“知識”（這里指的不是人們通常使用的那個術語，它僅僅表示這種特殊的帶因果關系和彈性的信息）。而對各類生物（一般意義上的精確構造者）特性解釋最主要的一點是，它們包含這種“知識”。

此外，根據必要的“知識”，任何不被物理定律禁止的轉化都可以實現，是構造理論的一個基本觀點。要么被物理定律禁止，要么可行，除此之外沒有第三種可能。這就解釋了進化的另一方面。根據相關“知識”和數字化“配方”的實例，在不受限制的情況下，甚至可以產生更優良的構造者。

從構造理論的角度看，早先的進化歷史就是一個漫長的、不準確的、非目的性的建造，最終從沒有任何內在的基本事物中產生了承載“知識”的方法。這些基本事物是簡單的化學物質，如短核糖核酸鏈，只能執行低保真度的復制，不承擔外觀設計，因此允許由非設計物理定律控制的前生物環境存在。

因此，生命的構造理論明確表明，自然選擇不需要假定任何包括“知識”在內的初始“配方”的存在。這表明，無論我們在生物體內發現何種“配方”，它們都不需要特殊的生命中心主義或神秘的物理定律證明生物產生于基本的初始元件，而只需要物理定律允許數字化信息的存在，再加上足夠的時間和能量（至于多少要因生命體的不同而異）。這又為我們理解生命現象和物理的可行性增加了另一個深層次原因。無論物理定律禁不禁止我們，我們都能做到，這只取決于我們創造了多少“知識”。這一切統統取決于我們自己。