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(guān)的問題就困擾著我們。即使有了現(xiàn)代科學(xué)知識(shí)的幫助，這些問題依舊存在。獵鷹精準(zhǔn)地捕食獵物，蜂鳥懸在半空中采蜜，細(xì)菌有自生能力：這些都是驚人控制力和精準(zhǔn)度的實(shí)例。如此復(fù)雜的生物怎么會(huì)起源于惰性物質(zhì)呢？幾千年來，很多智慧的思想家都在試圖回答這個(gè)問題。大多數(shù)人得出的結(jié)論是：生物一定是由一個(gè)有意的設(shè)計(jì)過程產(chǎn)生的。當(dāng)然他們錯(cuò)了，《進(jìn)化論》中的變異和自然選擇——查爾斯·達(dá)爾文的重大飛躍——說明了那些驚人的復(fù)雜機(jī)制是怎樣不通過設(shè)計(jì)而產(chǎn)生的。然而，揭示生物本身仍然任重而道遠(yuǎn)。

達(dá)爾文理論提出的首要問題最終歸結(jié)于物理：生物有某些性能，似乎能夠把它們同其他惰性物質(zhì)聚合物分開。它們有許多不同的組成部分（根據(jù)生物適應(yīng)的實(shí)例），可以依據(jù)功能相互協(xié)調(diào)。這是關(guān)鍵屬性：它們很像經(jīng)過設(shè)計(jì)的物體，就像工廠和機(jī)器人那樣。例如，眼睛的睫狀肌和水晶體，它們協(xié)調(diào)得天衣無縫，我們才能看得見，就像一臺(tái)高性能相機(jī)的光學(xué)元件。在現(xiàn)代生物學(xué)中，這叫作外觀設(shè)計(jì)。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(xué)方面的表達(dá)，他把上帝比喻成“鐘表匠”。

更廣泛地說，生物就像工廠運(yùn)作和機(jī)器人一樣，必須具有非常高的精確度來進(jìn)行物理轉(zhuǎn)換，一直重復(fù)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(fā)明：活細(xì)胞。細(xì)胞可以自生，從核心角度講，即產(chǎn)生新細(xì)胞的過程中能夠如實(shí)地復(fù)制細(xì)胞DNA上面的遺傳信息。我們發(fā)現(xiàn)，這種能力也存在于自然界的其他地方，甚至在人類技術(shù)上。舉個(gè)十分簡單的例子，就好像用3D打印機(jī)打印人體的一些零件。

生物的這些特性為什么構(gòu)成了一個(gè)物理問題？關(guān)鍵在于，在物質(zhì)世界中，什么可以發(fā)生和什么不可以發(fā)生是由物理定律決定的。例如，不管投入多少資源，永動(dòng)機(jī)是不可能建成的，因?yàn)樗c物理定律相悖。反言之，宇宙中的生命之所以能夠存在，是因?yàn)榉衔锢矶伞?/p>

但我們的物理定律只存在于某些基本的物質(zhì)，如簡單且種類繁多的化學(xué)物質(zhì)。這些物質(zhì)本身不能反復(fù)地進(jìn)行高精度轉(zhuǎn)化，它們似乎也不發(fā)揮任何作用。即使產(chǎn)生了轉(zhuǎn)化，也不是精準(zhǔn)可靠的：會(huì)損失或出錯(cuò)，耗盡能量，等等。換句話說，物理定律不包含這些精確轉(zhuǎn)化的內(nèi)在機(jī)制，尤其不包含能夠帶來這種轉(zhuǎn)化的生物適應(yīng)裝置。從狹義上說，這些轉(zhuǎn)化沒有經(jīng)過設(shè)計(jì)。因此，對(duì)物理描述范疇之內(nèi)的生物來說，問題在于它們可以進(jìn)行各種高精度的轉(zhuǎn)化，這顯然不符合物理定律。

那么，如果生命不是一個(gè)有意的設(shè)計(jì)過程的產(chǎn)物，生物又是如何進(jìn)化的呢？達(dá)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(shè)計(jì)。但這本身跟解釋空缺無關(guān)（尤其從現(xiàn)代版達(dá)爾文理論——新達(dá)爾文主義——可以清晰地看出這點(diǎn)），其核心是復(fù)制，或者說攜帶DNA的基因通過轉(zhuǎn)化遺傳給下一代。此外，生物體內(nèi)的復(fù)制十分精準(zhǔn)，細(xì)胞自生也是如此。總之，理論假定了某些精準(zhǔn)物理轉(zhuǎn)化的可能性，而這正是非設(shè)計(jì)物理定律未能提供的入門套件。

難題在這里出現(xiàn)了。生物復(fù)制和自生事實(shí)上是協(xié)調(diào)得驚人的物理轉(zhuǎn)化，這就要求我們必須解釋它們是如何在如此簡單且非設(shè)計(jì)的物理定律下運(yùn)作的。這種額外的解釋雖然不包括在進(jìn)化論內(nèi)，但可以從本質(zhì)上為進(jìn)化論解釋生物是如何在無意的設(shè)計(jì)過程中進(jìn)化的，即填補(bǔ)了解釋空缺。

事實(shí)證明，這樣的解釋是難以用當(dāng)下流行的物理方法得出的。后者可以在以后預(yù)測物理系統(tǒng)會(huì)做什么（或可能做什么）時(shí)，給予一定的初始條件和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。但是將運(yùn)動(dòng)規(guī)律應(yīng)用于粒子，在表達(dá)外觀設(shè)計(jì)、復(fù)制、自生和自然選擇方面是一個(gè)棘手的方式。這些過程十分復(fù)雜，涉及無數(shù)相互作用的粒子的集合運(yùn)動(dòng)。

不止如此。即使我們能預(yù)測——根據(jù)特定的動(dòng)力學(xué)定律和初始條件——粒子可以聚集，以便在特定的時(shí)間內(nèi)形成一頭山羊，也根本不能解釋山羊是否是不需要設(shè)計(jì)就可以產(chǎn)生的。我們都知道，山羊的設(shè)計(jì)可以在初始條件或運(yùn)動(dòng)規(guī)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(shè)計(jì)物理定律下產(chǎn)生，而不僅僅是根據(jù)現(xiàn)存的一些物理定律和初始條件，預(yù)測它將會(huì)（或可能會(huì)）發(fā)生什么。

當(dāng)下流行的概念已經(jīng)促使很多物理學(xué)家得出“物理定律必須適用于產(chǎn)生生物適應(yīng)”這一結(jié)論，包括1963年諾貝爾文學(xué)獎(jiǎng)得主尤金·維格納和量子物理學(xué)家戴維·玻姆。這是一個(gè)驚人的錯(cuò)誤。如果這是真的，物理理論就必須在初始條件、運(yùn)動(dòng)規(guī)律，或兩者共同作用下，增加“設(shè)計(jì)”這一概念，而達(dá)爾文進(jìn)化論中全部的解釋就會(huì)被丟掉。

那么，如果這個(gè)概念提供的工具不夠充足，我們該如何根據(jù)非設(shè)計(jì)物理定律解釋復(fù)制和自生是可行的呢？

這就要用到物理學(xué)的一個(gè)新基本理論：構(gòu)造理論。構(gòu)造理論是一種新型解釋模式，由牛津大學(xué)物理學(xué)客座教授大衛(wèi)·多伊奇提出。他率先應(yīng)用了量子計(jì)算機(jī)理論。通過構(gòu)造理論，多伊奇概括了一些導(dǎo)致先前想法的見解，并將它們應(yīng)用到整個(gè)物理學(xué)中。

在構(gòu)造理論中，物理定律根據(jù)任務(wù)可行性（包括任意高精度、可靠性和重復(fù)性）的制定，說明哪些不可行及其原因，而不是根據(jù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律和初始條件說明什么會(huì)發(fā)生，什么不會(huì)發(fā)生。如果一項(xiàng)任務(wù)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(xiàng)任務(wù)的構(gòu)造者：一個(gè)導(dǎo)致任務(wù)發(fā)生并保持重復(fù)能力的對(duì)象。汽車工廠、機(jī)器人和活細(xì)胞都精準(zhǔn)地與構(gòu)造者相似。

這一觀點(diǎn)的巨變與根據(jù)初始條件和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的通用解釋保持一致，但使物理學(xué)能解釋更多的現(xiàn)象?，F(xiàn)在，要注意的第一件事就是這個(gè)框架如何自然地允許我們表達(dá)生物學(xué)問題。準(zhǔn)確地復(fù)制和自生符合非設(shè)計(jì)物理定律（即不包含生物適應(yīng)設(shè)計(jì)的定律）嗎？結(jié)合進(jìn)化論的構(gòu)造理論，研究者對(duì)這一問題給出了明確肯定。

也許這聽起來像一個(gè)真理：很明顯復(fù)制和自生確實(shí)發(fā)生了！但生命的構(gòu)造理論解釋了更多。例如，它回答了這一問題：因?yàn)槲锢矶啥际欠窃O(shè)計(jì)的，準(zhǔn)確的自生和復(fù)制確實(shí)存在于生物體內(nèi)，都需要進(jìn)化論，什么條件能使這些構(gòu)造者和非設(shè)計(jì)物理定律之間相互兼容呢？

首先，人們?yōu)榫珳?zhǔn)的構(gòu)造者的操作設(shè)置了必要特征，就像一家汽車制造廠要遵循一定的規(guī)定。事實(shí)證明，這種機(jī)器必須遵循一個(gè)“配方”——一個(gè)基本指令的順序——來執(zhí)行任務(wù)，并糾正中途出現(xiàn)的任何錯(cuò)誤。這些指令很簡單，在執(zhí)行過程中不需要任何特殊的設(shè)計(jì)，它們是一種轉(zhuǎn)化，與非設(shè)計(jì)物理定律完全兼容。

事實(shí)上，汽車制造廠有詳細(xì)的步驟說明，“配方”是工廠的一部分，即使它沒被寫入非設(shè)計(jì)物理定律。持續(xù)了數(shù)百萬年的高精度構(gòu)造者，“配方”也一定被復(fù)制了很多次。因此，對(duì)這些構(gòu)造者來說，“配方”上的信息必須是數(shù)字化的，復(fù)制后有可靠的誤差修正機(jī)制（如果不是數(shù)字化的，就會(huì)在檢測錯(cuò)誤方面存在基本的限制，這將增加對(duì)準(zhǔn)確性和可實(shí)現(xiàn)彈性的錯(cuò)誤和限制）。

一個(gè)自生細(xì)胞也必須做到這些。親細(xì)胞包含一個(gè)DNA“配方”，所有指令用來構(gòu)造新細(xì)胞。這意味著發(fā)生準(zhǔn)確的自生需要兩個(gè)步驟：利用逐字母復(fù)制和誤差修正，親細(xì)胞可以把“配方”的高保真副本植入新細(xì)胞中;然后根據(jù)“配方”，在其余的細(xì)胞上構(gòu)造復(fù)制機(jī)制。20世紀(jì)40年代，匈牙利物理學(xué)家約翰·馮·諾依曼最先發(fā)現(xiàn)了這一邏輯，當(dāng)時(shí)他正在研究細(xì)胞自動(dòng)機(jī)，以便用于離散計(jì)算模型。構(gòu)造理論表明，這是精準(zhǔn)的自生和非設(shè)計(jì)定律之間唯一可能存在的邏輯。

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

此外，根據(jù)必要的“知識(shí)”，任何不被物理定律禁止的轉(zhuǎn)化都可以實(shí)現(xiàn)，是構(gòu)造理論的一個(gè)基本觀點(diǎn)。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(jìn)化的另一方面。根據(jù)相關(guān)“知識(shí)”和數(shù)字化“配方”的實(shí)例，在不受限制的情況下，甚至可以產(chǎn)生更優(yōu)良的構(gòu)造者。

從構(gòu)造理論的角度看，早先的進(jìn)化歷史就是一個(gè)漫長的、不準(zhǔn)確的、非目的性的建造，最終從沒有任何內(nèi)在的基本事物中產(chǎn)生了承載“知識(shí)”的方法。這些基本事物是簡單的化學(xué)物質(zhì)，如短核糖核酸鏈，只能執(zhí)行低保真度的復(fù)制，不承擔(dān)外觀設(shè)計(jì)，因此允許由非設(shè)計(jì)物理定律控制的前生物環(huán)境存在。

因此，生命的構(gòu)造理論明確表明，自然選擇不需要假定任何包括“知識(shí)”在內(nèi)的初始“配方”的存在。這表明，無論我們在生物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)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(chǎn)生于基本的初始元件，而只需要物理定律允許數(shù)字化信息的存在，再加上足夠的時(shí)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(xiàn)象和物理的可行性增加了另一個(gè)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(chuàng)造了多少“知識(shí)”。這一切統(tǒng)統(tǒng)取決于我們自己。