第1章　世界不是一台机器

自从笛卡尔、牛顿、拉普拉斯的胜利和经典物理学的诞生以来，我们总会诉诸物理，来回答“现实是什么”这种问题。这种求索方式中，我们已然把世界看作一台巨大的机器。狭义和广义相对论扩展了牛顿的基本架构，量子力学和量子场论改变了经典物理中关乎确定性的那部分基本内容，但依然把现实看作巨型“机器”。

我这本书的主旨就是，说起演化着的生物圈——我们所身处的以及宇宙中所有的生物圈，这个“机器”的论调是错的。演化着的生命并不是机器。要阐释清楚个中道理，需要我们慢下性子，全心投入。这里所提出的世界观中，变化的结果是无法预料的，不过我希望，其中至少包含这一点：要认识到，我们只是这个其自身变化具有不可言喻创造力的生命世界的成员。除此以外，我也希望这带来极大的快乐——认知的扩展、欣赏的提高，和对这个生命世界更深的责任感。时间会证明一切。

C.P.斯诺（Charles Percy Snow）的著作《两种文化》中，驳斥了科学世界和人文世界的二分法。这种分割方式的一部分就是区分“静态”物质和人类想象力。但这两者之间，便是演化着的具有生命的世界——包括无意识的和具有广泛意识的世界。我希望你们能看到，和有着主宰一切的定律的物理学不同，根本没有定律可以限制生物圈究竟会如何变化。随着生物圈以一种我们不能提前说出的方式演化、塑造其未来，没有一个人知道，也没有一个人可以知道将会怎样。它们是“不可预知的”。这种没有章法的、偶然但并非随机的事件发生，表明了其居于静态物质和莎士比亚之间的位置。生命本身，就是跨越了物理和人文之间。

请和我一起探索这些上面蜻蜓点水提到的主题。这里要做的有很多，比这本书可以期待实现的要多，不过我力求让大家有一个好的开始。

原子水平之上“非遍历”的宇宙

宇宙是不是已经制造出了所有可能的稳定原子之类型？是的。玻色子和费米子——这两种物理学已知的广泛粒子——以每种能想到的组合形式拼合在一起，产生了一百多种元素，组成物质。但宇宙会不会制造出所有可能的复杂的事物？不，完全不会。大部分的复杂事物根本不可能有机会存在。

原因不难理解：蛋白质是20种氨基酸的线性序列——丙氨酸、苯丙氨酸、赖氨酸、色氨酸，等等。一个特定蛋白质“主链”上这20种氨基酸以肽键相连的特定序列，决定了该蛋白质的初级序列，然后这个蛋白质以复杂的方式折叠，实现其在细胞中的功能。

人体一个典型的蛋白质是大约300多个氨基酸的线性序列。一些蛋白质可长达上千个氨基酸。

仅仅是200个氨基酸的长度，可能的蛋白质有多少种呢？每个位子都有20个选择，所以长度为200个氨基酸的蛋白质链总共可能有20200种之多，这相当于10的260次方。这是一个超级天文数字。

接下来就来看看：宇宙自大爆炸以来，制造出的蛋白质不过是这所有可能的蛋白质中很小的一部分。

我们最乐观地估算，宇宙年龄大约是137亿年，大约是10的17次方秒。已知宇宙中估计有10的80次方个粒子。量子力学告诉我们，宇宙中容许任何事情可能发生的最短的时间限度是普朗克时间：10的-43次方秒。

所以如果10的80次方个粒子从大爆炸以来别的什么事都不做，每一个普朗克时间区间内都在并行地制造蛋白质，那要制造出所有可能的长度为200的氨基酸序列，也得花去宇宙真实年龄——137亿年——的1039倍，这其中每个序列还只制造一次！（相比之下，要制造出所有20种的氨基酸，则只需要几十亿年。）

宇宙，说到底，最多也就制造了所有可能的包含200个氨基酸的蛋白质种类中的极小一部分——最多1039分之一。

历史，正是在可能的余地远大于实际发生的时刻开始的。比如，生命本身的演化是一个漫长的历史过程，空间化学和复杂大分子的形成也是如此。因此，宇宙在原子水平之上的演变是一个历史过程。

物理学家描述这种历史过程，用的是“非遍历（nonergodic）”一词。“遍历”意思是，大致上，这个系统在合理的时间范围内尝试过了所有可能的状态。最具代表性的例子就是平衡态统计力学中，一升气体迅速进入平衡态。瓶中快速运动的气体的粒子可以假定尝试过所有可能的分布形式，最后处于最稳定的状态。但是“非遍历”意思就是一个系统没有尝试过所有可能的状态，比如氨基酸就算经历过137亿年历史的天文数字倍的时间长度，也不会制造出所有可能的蛋白质。

如果我们问，宇宙是不是创造出了所有的稳定原子，答案是“是”。所以，宇宙从原子的角度说大体上是遍历的，但是从复杂大分子的角度说不是遍历的。分子的种类越是复杂，那么自大爆炸以来可以尝试过的样本量就越稀疏。假设一个蛋白质的长度是N=1，2，3，4……N+1个氨基酸。随着N增大，宇宙采取过的可能的序列样本数占总的可能性的比例就越低。宇宙在复杂程度上无限地探索并向上发展。从这个意义上讲，似乎有一个复杂程度高不可测的无限“深井”。宇宙可以无止境地探索巨大的领域。

第二定律之外

热力学第二定律说，混乱度趋于增大。混乱度的指标是熵。经典的热力学封闭系统的例子，依然是气体分子在一升的容器中尝试所有可能的分布后进入平衡态。气体已经到达了分布概率最大的“宏观状态”——熵最大的状态。第二定律断言，随着体系从一个概率较小的宏观状态滑向概率较大的宏观状态——就好像一杯滚烫的咖啡降温到微温随后冷却，或一块冰融化为一滩水——时，熵趋于增大。

但如果所有事物都会不可避免地滑向熵最大的状态，那宇宙——特别是生物圈——是怎么会如此极为复杂的呢？我们真的不知道。部分原因是，宇宙本身依然处在朝平衡态演变的过程中（平衡态则是天文学家称之为“热寂”的同质化混沌状态），而且生物圈也不是一个封闭系统：阳光照耀在我们身上，提供了制造复杂度的能量，遏制——尽管是暂时地——熵的增大。

更深层的一部分原因是，也许宇宙无法耗尽复杂度。从空间化学的复杂度和生物圈多样性日益增加的角度讲，所进行着的是无止境地向上深入复杂度的无限可能性。于是，我们必须要问，这无止境复杂度的“深井”会对宇宙既已出现的复杂度造成什么影响。具体而言，生物圈自从其37亿年前在地球上诞生以来，由于其丰富的多样性而变得复杂。宇宙中的其他生物圈也可以认为如此。在具有生命的生物圈中，有一些东西朝着多元和复杂的方向“突飞猛进”。但是，这如何发生，为何发生？

我希望能让你们看到，这种突飞猛进的至少部分来源：一个伴随着著名的第二定律的、非平衡态的规律，一个能帮助解释为什么今天的生物圈会比40亿年前复杂得多的原理。空间化学表明了复杂度的突飞猛进。在宇宙大爆炸之后，稳定的元素产生了。形成于大约50亿年前的默奇森陨石（Murchison meteorite）有多达14000类的有机分子——由碳、氢、氮、氧、磷、硫元素组合而成。演化着的生物圈体现了复杂度，从37亿年前的原初细胞体到如今的百万物种，猛烈上升。我们要探索的完全就是要去了解这种有序度从何而来。有序度是历史上的偶然，但不是完全随机的。随着生命探索达尔文所说的“呈现最美”的巨大多样性，更高等的物种之间的有序度也随之而来。

生物圈简直是在构建自身，并以此构建一个多样性不断增加的生物圈。再问一次，这如何发生，为何发生？值得一提的是，回答也许是“因为有生命的世界可以变得更加多元、复杂，并且正在不断地创造自身得以这样的潜力”。这需要利用所释放的能量来建构有序度，并且要比有序度被热力学第二定律破坏的速率更快。我们将会看到，蒙特维尔和莫西奥漂亮的“约束闭合体系”理论和热力学功周期在我们的故事中达到了完美的结合。

人的心脏为什么存在？

宇宙在复杂度上一骑绝尘的一个例子，就是人的心脏。宇宙自始至终也只能产生所有可能的蛋白质中极小的一部分，至于由这些蛋白质组成的、最后反过来构成我们叫作“心脏”这器官的组织，就是更小的一部分。那么问题来了：在这个原子水平之上非遍历的宇宙中，人的心脏究竟为什么真实地存在？

大体而言，人的心脏存在，是因为它们能够泵血，从而在脊椎动物祖先中具有选择优势，于是便被我们继承了下来。

简单说，达尔文给出了部分答案：心脏帮助我们生存，所以被选择了下来。但是达尔文并没有意识到，他需要佐证一个更深层次的问题，即心脏究竟是怎么存在的：基于现有的、演化着的、具有繁殖能力和可遗传变异能力的生命，如果这个生物的体积大过了可以让氧气通过简单扩散到达每一个细胞的程度，那么若出现了一个具有即便是微弱泵血功能的器官，这个“美丽的意外”就能被选择下来。简而言之，在这个原子水平之上非遍历的宇宙中，心脏存在，凭借的就是它帮助了演化着的、有这个心脏的生物体的存活能力。

随着生物体的繁殖，生物体也传播着其运作的组织形式——即机体所有部分适配并协同工作的方式。各个器官就是这个组织的各个部分，它们既因整体而存在，也为整体而存在。换言之，心脏存在是因为生命的存在。除此以外，我们也会看到，生命还创造了更广阔的空间，提供了它在这个原子水平之上非遍历宇宙中演化的更多可能性。

这就是这本书第一个最主要的结论：在这个原子水平之上非遍历的宇宙，对于复杂的事物而言，其出现本身就需要一番解释，回答虽简单，却深奥。心脏存在，凭借的是其维持拥有这个心脏的有生命物体之存在和其未来演化的功能。生物在原子水平之上传播开时，它们维系功能的器官也传播开来。心脏在原子水平上非遍历的宇宙中存在，是因为生物需要拥有这种功能的心脏来生存、繁殖。作为一个“康德整体”，生物会带着维持它们的部分。有心脏的生物存在，心脏就存在。

为什么眼睛存在、鼻子存在、肾脏存在、带着吸盘的触手存在、性存在、抚育幼崽行为存在、长颈鹿的长脖子存在？答案是一致的：完全是因为这些器官或过程的作用，帮助了拥有这些器官或特征的演化着、生活着的生物体的生存。它们都是因整体而在，也为整体而在。

我们宇宙中，上述说的这些都存在于这个唯一的蓝色行星上。如果宇宙中的1022个太阳系中充满了生命，那将会有如何海量的复杂事物——可以预测的和也许无法想到的——栖息在复杂度在原子之上无限遥远的地方呢？

生物体是什么？

远早于达尔文，伊曼纽尔·康德就理解了：“一个有组织的生命存在，便具有这个特征：其部分因这个整体、也为这个整体而存在。”这叫做“康德整体（Kantian whole）”。心脏的存在，既是因为、也是为了这个让其发挥功能的完整生物体的存在。人，就是康德整体。

图1.1体现了一个康德整体的简单例子。这是一个假想的、我称之为“共同自催化集体（collectively autocatalytic set）”的例子。它包含若干多聚体，比如叫作“肽”的小蛋白质。这个系统是我们这本书的核心考察对象。这个系统从简单的“食物分子”——我们称之为A和B——开始，它们类似建筑物的一砖一石（单体）；有四种可能的二聚体：AA、AB、BA和BB，这些都是由外界补给的。然后就是长的多聚体，比如ABBA和BAB，通过摄取各种单体并以首尾相接组合成更长的多聚体，或者长多聚体一分为二断开所形成。但这里有一个重要的思想：形成这些长的多聚产物的反应，也需要由组成这个系统的特定的多聚体来催化。这个系统是共同自催化（collectively autocatalytic）的。

（一个简单的例子，包含有两个小的多聚体，AB和BA，每个分别是由一个连接A和B的反应产生：AB催化反应产生BA，BA催化反应产生AB。这么一个集体，就是“共同自催化”的。）

在一个诸如图1.1的集体中，没有一个多聚物是催化自己所形成的；而是，这个系统作为一个整体，催化其整个的形成。如果你把催化一个反应看作一个催化任务，那么所有的任务合在一起，看作一种“催化任务的封闭系统”。这样一个系统是一个“整体”，比各个部分的总和要多。任何局部单独看，都不是彼此催化的封闭体系。但放在一起，整个封闭体系有这个“共同自催化”特征。

这个系统简直能够构建自身并自我复制！它是一个康德整体，其部分是为了整体、也因为整体而存在。这将是我关于生命起源甚至生命特征的核心模型。

共同自催化集体是在足够多样的化学物质的混合物中自发产生的。这样的系统存在，由肽、RNA、DNA组合而成。我认为，这样的系统也许对生命的起源是至关重要的，我们之后会详细讨论这点。

两位智利的科学家，温贝托·马图拉纳（Humberto Maturana）和弗朗西斯科·瓦雷拉（FranciscoVarela），引入了“自创生（autopoiesis）”的概念——一个自己制造自己的系统。一个共同自催化集体，就是一个自创生系统的例子。

所有自由的有生命的系统都是自创生的、共同自催化的系统。如果它们能继承某些变异，那么这样的系统就能经历自然选择，形成演化着的生物圈。

我们不是孤立生活的。我们一起构建了这生命世界。没有一个个体是单独活着的。我们都联系在一起，作为一个整体，和生物圈一同演化、出现、扩张。我们是他者存在的条件。这样，我们都得以在这个原子水平之上非遍历的宇宙中，长期存在。我们的生物圈自37亿年前就稳定地传播着。

这些议题都带领我们走出我们基于物理学的世界观。杰出的物理学家斯蒂芬·温伯格（Stephen Weinberg）说出了物理学家的想法：1.解释的箭头总是向下指，从社会系统到人、到器官、到细胞、到生物化学、到化学，最后到达物理；2.我们所知道的关于宇宙的越多，他写道，那看上去就越发没有意义。

是的，但是我们对这些说法大声说“不”。我们在这本书中开始看到，得以在这个原子水平之上非遍历的生物圈中存在的事物（心脏、视觉、嗅觉），其存在凭借的是这些系统和亚系统所起到的功能作用，帮助了它们所从属的生物体的生存和进一步演化。听觉的产生，是因为接纳了早期鱼类对震动敏感的颚骨的演化，后者成为了我们中耳中的砧骨、锤骨、镫骨。没有人能在30亿年前就说会演化出听觉。我们无法预先说出会演化出什么。但是中耳骨现在在这个原子水平之上非遍历的宇宙中存在，靠的是因为它们对有听觉的生物体的生存和演化产生了功能。解释的箭头不是指向下的——朝听觉指向物理，相反，是朝上的——指向对听觉有用的器官的选择。随着听觉的演化，选择作用在整个生物体的水平上。这就是为什么这样的器官在宇宙中存在，为什么温伯格就是错的。

我之后还会回头讲讲我们不能预知听觉的出现，因为从这点就得说到，没有任何规则可以限定生物圈的演化，还有还原论——温伯格所谓终极理论的梦想——是错的。

世界若像一台机器

在笛卡尔和牛顿之前，西方的思维方式看宇宙是一个有机的整体，我们是其中的成员。这就是基督教的观点。在笛卡尔的“思维物（res cogitans）”中，“心智”是人特有的。世界的其余部分，包括我们的身体和所有的动植物，都是“广延物”（res extensa），延伸的东西、机理。由于牛顿的《原理》，亚里士多德的“四因说”——形式因、目的因、动力因和质料因——矮化到以数学的形式表达“动力因”：牛顿的微积分，正如他在三大运动定律和万有引力定律中所都用到的那样。拉普拉斯的恶魔，即获悉宇宙中所有微粒的确切位置和动量，可以计算其整个过去和未来。在经典物理学中，世界变成一个巨大的机器，在忠实的轨道中运作。现代的还原论诞生了。有神论的上帝退位给了一个自然神论的上帝，后者布置了宇宙、选择了原初的状态，然后便把一切交给牛顿的定律。这个上帝便不再管这个世界，不再创造奇迹。科学和宗教之间的斗争有了成果，接着有了浪漫主义的爆发。这就是“科学的规则和准线”——济慈冷冷地写道。

温伯格就是这套路数。科学世界就是一台机器，基本上没啥意义：莎士比亚没啥意义，你的絮絮叨叨也没啥意义。

这真的太粗糙了！这里的议题必须是要包括意识、能动性这样很关键的问题的，但在这幅全是机器的图景中，都没有。这真的太粗糙了。

根据物理学，有一个东西在世界上缺失了：能动性这一重要想法。我们之后的章节里会讨论这点。有了能动性，宇宙中就存在意义，不以温伯格而亡。我们都是操纵我们复杂体的能动者，互相之间玩着这个游戏。岩石没有玩这个游戏。一个系统如果要成为一个能动者，它必须是什么样的呢？系统必须怎样才能演化出复杂的彼此交缠的生命游戏？个中的复杂，是宇宙复杂度的一部分。

不过现在暂时把意识这个严肃的话题搁置一边。就算生物圈只是没有意识的生物体，演化也绝对不是一个世界机器。在原子水平之上非遍历的宇宙中，生物世界的迅猛发展远超出我们的语言，超出拉普拉斯式的等式和计算，超出济慈懊恼的“规则和准线”，产生了自身创造的爆炸式增长的邻近可能性。演化着的生物圈被“卷入”了一个独特的机遇，探索前所未有的复杂度，充满了史无前例的物质和能量的组织：生命演化。生物圈的演化是一个有机的“整体”。它的成员共同创造了独特的路径，沿着这条路径，生物圈作为一个整体，从过去那神秘程度丝毫不逊色的曲折中诞生，变成将来的样子。这个有生命的世界，正是我们从笛卡尔那时就忘记的六合八荒。

我们需要用接下来的整一本书，来兑现这几段里给出的承诺。