生命——宇宙的必然

生命實質上是一種信息處理系統，它的出現是宇宙的必然。

我們在宇宙中是孤獨的嗎?20世紀60年代，法國生物學家孟努德在其《不可知的無限宇宙》一書中說：“我們生于宇宙純屬偶然，所以孤獨。”這一看法也獲得了很多科學家的響應。

許多年過去了，事情出現了明顯的轉變。例如，諾貝爾獎得主達夫在其《生命之塵》中叙述，生命是一種“宇宙的必然”，隻要條件許可，它就出現。他的觀點也為美國航空航天局的許多專家所認同，他們的太空生物學計劃就是為了尋找外星的生命形式。

但米勒等人的想法經不起細細的推敲。制造出生命的磚塊比較容易，已在隕石、外太空找到了它們的痕迹，但磚塊無法堆成房屋。在生命出現之前，要形成蛋白質，必須有許多的氨基酸以正确的序列，接成長鍊。從能量的觀點來看，這是一個“上山”(即十分耗能)的過程。

也許耗能過程本身，還不算是一個難題，因為在地球早期富有能源。問題在于簡單地把能量擲在氨基酸上，怎能創造出具有高度特殊序列的微妙的分子鍊，也就是說，任意地把磚塊堆積起來，怎能變成房屋呢?搞不清楚能量怎麼會以一種設計的特殊狀态，輸入到這一系統(氨基酸)?在活體組織中，這一步是由細胞的分子機構控制下實現的。但在混亂的前一生物化學濃湯中，氨基酸隻能一般地(即偶然地)相互接觸，它極不可能排列成生命分子那種既長又有特殊順序的排列。

現在我們知道，生命的奧秘并不隐藏在它的化學組成上，而是藏在其分子的有序排列和邏輯結構中。其DNA是一個遺傳數據庫，基因則是定做蛋白質的一個指令組；生命像是一台超級電腦，是一種信息處理系統，它代表着一種特殊的複雜性；活細胞的信息内容(即其軟件)才是生命的真正核心。

沒有比遺傳密碼更能說明生命的計算威力，所有的(地球)生命都是建立在核酸和蛋白質的基礎上的。從化學觀點看，這兩類分子的組合是很稀有的，可是正是它們的合作，完成了生命的奇迹。DNA是一個雙螺形結構，類似于一架具有四種不同梯階的梯子，信息就是藏在這些梯階的序列之中，恰如一本手冊，其信息寫在字母的排列(即文字)之中。

DNA(最基本的遺傳物質)皆使用一套四個字母(即四種不同分子)的密碼系統。若生命的出現是必然的，現在要問，其精巧的密碼系統如何形成的?呆笨的原子，怎能寫出它們自身的軟件?最初的活細胞所需的特殊信息形成從何而來?

對于這個問題，科學家傳統上分為兩派。一派認為，這都出于偶然，生命是一種化學巧合。孟努德的看法就是如此：在化學混合物中，各種分子無數次随機碰撞，碰巧恰當的分子排成了生命所需的精巧排列。若果真如此，那麼我們将肯定是宇宙的獨生子。而另一派(生物決定論)則說，機會是次要的，恰當的分子結合是大自然的規律所使然。例如，生源說的先驅福克斯稱，化學作用更樂于把核酸精确地排列成具有生命機能的長鍊。依他所說，那麼大自然中，好像有一種制造生命的趨勢。這可信嗎?在物理(或化學)定律中難道本身就具有生命的藍圖?那麼生命所具有的關鍵信息是如何編碼于這些定律之上?

既然生命信息代表着一種複雜性，我們就不妨了解一下複雜性的意義。一種稱之為“算法信息”的理論，對信息的複雜性做了定量分析。試看二進制序列01010101，此數列具有一個可重複的模式(01)，這反映出它所含的信息量很少(即都是重複的東西)；而一個任意的數列：110100101001010111，它不可能壓縮成某個模式的重複，故它含有較大的信息内容。由此可知，模式代表了信息的冗餘度。而生物的基因組序列，很像是一個由四個字母構成的混亂的排列，即設有模式可重複，這也說明了DNA能有效地存儲信息。

再回過來看一下物理定律，它隻能描述有序結構，如晶體結構。它的有序排列(原子或分子)，皆可由定律中固有的數學對稱性來解釋，而蛋白質中的核酸(共有20種)的随遇性序列，跟物理定律無關。化學定律亦然，它跟核酸的排列攀不上邊。這些，正如說明書上的字母排列(文字)，也同樣地獨立于紙和墨水的化學性質。

故生物決定論要想站得住腳，它就要到信息理論或複雜性理論中去找答案。現在要問，生命所包含的信息内容來自何處?我們知道，生命信息并不隐含于物理(化學)定律之中，并且信息也不會自發地産生，故生命信息的内容隻可能來源于它所處的環境。可能會有某種原理，解釋信息如何從環境中被收集并積累于大分子中。

達爾文的進化論可能使我們找對了路子。

地球上的生命始于具有簡短分子鍊的基因組，它擁有較少的信息量。此後，更複雜的有機物含有更多信息量的基因組。這些添加的信息來自環境，通過自然選擇的途徑進入基因組。不管何時基因組做出選擇(即對它自身生存适合)，外部信息也即獲得。故達爾文主義能解釋有機物如何取得信息。但達爾文的進化論是在生命已存在的條件下介入的，那麼我們怎樣使“自然選擇”在前一生物時期發揮作用呢?有一種所謂“分子達爾文主義”的說法，它認為可以從該理論中找到答案，其理由是一些研究者在化學物中複制出分子。他們說，一些具有複制能力的分子，複制出像自己一樣的分子(嚴格說來，這還不能算是生命物質)。而這些具有複制能力的分子，是十分簡單的，且是碰巧形成的。這樣說來，他們豈不又回到“生命是宇宙的偶然”這個命題上去了?

我們是否承認生命是化學的偶發事件，一種整個宇宙中獨一無二的事件?不，即使生命并不出于物理、化學、進化論的一般定律，這些定律隻能解釋生命的硬件，但是關鍵的軟件(生命的信息部分)卻來自信息理論的定律。

說實在的，科學界對信息理論的研究時間并不長，迄今“信息”這個概念還相當模糊。就如“能量”這個概念，兩百年前它也很模糊，科學家把能量視為物理學過程中的重要部分，卻沒有嚴格的數學表述，而今人們已把它當做一個真實和基本的物理量，被人們充分了解。信息這個概念，現在還缺乏嚴格的一般叙述，它在不同的領域以不同的外貌出現。例如在相對論中，光速是極限速度，這就是信息；在量子論中，粒子系統的态由其最大信息量所描述；在熱動力學中，信息随着熵的增加而減少；在生物學中，基因是一個包含着所需信息的指令組。對信息理論研究的一個重要标志，是關于通訊中對無線電通道中的噪音之分析。那是二戰期間，美國電氣工程師山侬所創導，但迄今還沒有人能寫出信息動力學自己的“牛頓定律”。在物理學界，甚至對物理過程中信息是否守恒這樣的重要問題，還不能取得一緻。著名物理學家霍金，提出黑洞不黑的理論，按此一說，黑洞不僅“蒸發粒子，也将蒸發信息，那麼信息是否就此永遠消失了?抑或它再會回來?霍金說它将會消失，而别的一些科學家卻說“不”。

似乎峰回路轉，一個新的研究領域裡出現了新的線索。事實上，組成DNA的化學結構還受制于量子力學。現在，物理學家把信息這一概念擴展到量子王國，并有了驚人的發現。人們看到，量子系統處理信息的能力，遠遠高于今日的電腦系統，不是高幾倍，而是成指數級地提高。這一性質暗藏在量子計算機(目前還處在嬰兒期)之中。

生物遺傳之謎，實質上是一個計算問題。人們發現，在巨大的化學分叉樹上，最後生長出“生命”這個分枝，它不是偶然出現的，更可能是大自然精于計算的結果。這或許是生命反映了物質最根本(量子)的特征，這一研究成就，可能是科學家對“信息”概念研究上的關鍵性一步，因為把它跟物質(能量)最基本的(量子)領域挂上了鈎，從而正确地走向生命的真谛。若果真如此，那麼生物決定論就有了可信的新的理論基礎，并進而可說明，我們居住在一個新生物的宇宙之中，我們并不孤獨!