What is life? / 生命是什么？

讲述者简介

我的名字是保罗·纳斯（Paul Nurse）。我是一名遗传学家和细胞生物学家，在伦敦负责运营一个名为弗朗西斯·克里克研究所（Francis Crick Institute）的生物医学研究机构。我刚刚写了一本书，这是我的第一本书，书名是《生命是什么？》。

第一章：生命是什么？

我将这本书命名为《生命是什么？》，因为它触及了生物学中的根本问题。生物学家研究生命体，对我们而言，一个关键的问题是理解有生命与无生命之物的区别。你可能会认为这是一个相当简单的问题，但实际上，它并不容易回答。如果你在维基百科或词典中查找，往往会得到相当复杂的答案。我希望能够探讨这个问题，利用我多年的生物学背景和思考经验，尝试回答这个我认为是生物学领域最核心的问题之一。

必须说明的是，我绝不是第一个思考这个问题的人。我的工作建立在许多前人的基础之上，尤其是一本同样名为《生命是什么？》的著名书籍，由伟大的物理学家薛定谔（Schrödinger）于 1940 年代撰写。关于生命，其实并没有一个非常好的定义。我在这本书中采用的方法是，选取生物学中五个伟大的思想——这些思想得到了大多数科学家的认同，其中一些甚至已经存在了数个世纪。我深入探讨了这五个思想：细胞的概念、基因的概念、自然选择进化论、从化学角度理解生命，以及第五个思想，从信息角度理解生命。

所有这些思想都已被广泛接受，尽管最后一个，即“生命即信息”，或许不像其他几个那样被完全接受。通过探索这五个思想，解释它们的起源——这本身就非常有趣——然后从中提炼出原则，我试图定义生命是什么。这就是我决定采用的方法。

第二章：细胞，生命的起点

细胞，在我对生命概念的理解中，是一个至关重要的概念。为什么这么说？因为它是一个可以被明确无误地认定为具有生命的最简单实体。对于其他一些生命形式，比如病毒，还存在一些争议，我们或许可以稍后讨论。但所有人都同意，细胞是生命的基本单位。它不仅是生命的基本结构单位——这在学校里经常被提及——它也是生命的基本功能单位。我的意思是，它是展现生命特征的最简单的物体。它能够生长、分裂和繁殖。

单细胞生物，即仅由一个细胞构成的生命体，同样具备其他生命形式的所有特征；它们只是更为简单。因此，我有时会将细胞视为“生命的原子”，就像物理学家在 20 世纪初谈论原子一样。细胞是等同的概念；它是生命的原子。

我们通常不怎么阅读关于细胞的内容，尽管近年来随着干细胞及其在替换受损组织、器官等医学应用方面的讨论增多，情况有所改变。但我希望将重点放在细胞作为生命之根本的这个层面上。因为所有的生命体——我自己、一株植物、一只昆虫，我们周围所有有生命的东西——要么是单个细胞，要么是由协同工作的细胞群构成。这就是它至关重要的原因。

我们人类有时可能会忘记，我们所有人都曾是一个单细胞。我们曾是母亲体内的受精卵——一个单细胞。如果我们都始于一个单细胞，这难道不是我们应该深感兴趣的事情吗？这是不是我们尚未完全领会的事实？对我而言，我相信是的，我希望能阐明这一点。所以，你最好对细胞感兴趣，因为你也曾是一个细胞。如果我们理解了细胞，我们就能更好地理解我们自己以及这个星球上的所有其他生命体。

我第一次看到细胞是在上学的时候，我忘了具体是几岁，大概是 12 或 13 岁。我有一位富有启发性的生物老师，他叫基思·尼尔（Keith Neal），我至今仍称他为尼尔先生。他向我们解释，如果我们取一小段洋葱根尖，将其压扁，然后在显微镜下观察，我们就能看到构成根尖的细胞。事实的确如此。它们就在那里。我通过显微镜看到了这些排列成行的盒状结构，那就是细胞。我觉得这真是太奇妙了。

作为一个学生，通过显微镜看到那些细胞，对我来说是一次启示，但对于第一个看到细胞的人来说，那更是一次伟大的启示。那个人是罗伯特·胡克（Robert Hooke）。在 1660 年代，他在我现在居住的牛津工作，用一个非常简单的显微镜观察了一片薄薄的植物切片，看到了细胞。他在 1665 年一本非常著名的书《显微图谱》（Micrographia）中公布了他的发现。那些图像和我数个世纪后在显微镜下看到的几乎一模一样。看到这些事物真是太美妙了，因为作为一名科学家，我们观察周围的世界，当我们使用像显微镜这样的仪器去探索时，我们能发现更多。我在 12、13 岁时发现的事物之一就是细胞本身。它一定给我留下了深刻的印象，因为 50 多年后的今天，我仍旧在研究它。

第三章：酵母与人类的古老联系

细胞的一个重要特征是它们通过分裂自我繁殖，由一变二。当然，繁殖是所有生命的特征，是所有生命体都会做的基本事情之一。在细胞分裂中，你可以看到它最简单的形式。这一点尤其让我着迷，因为在我二十多岁寻找研究课题时——那已经是很久以前了——我想研究一个基本过程。对我来说，细胞繁殖正是如此，因为所有生命体都会繁殖，而我们在细胞中看到了它最简单的形式。我想，如果我们能理解细胞如何控制其繁殖，我们就能触及生命的核心奥秘之一。因此，我将自己的一生都投入到了研究这个重要问题上。

在考虑如何研究细胞繁殖时，我决定采用一个简单的系统，一个我们能轻松操作的系统，一个可以进行各种实验——细胞生物学、生物化学、遗传学实验——的系统，这样我们就可以利用生物学家的所有工具来理解其内在机制。我决定研究酵母。大多数人对酵母并不感到兴奋，但我必须说，我对此非常兴奋。他们可能认为酵母只是用来酿造啤酒、葡萄酒和制作面包的，但实际上，它的意义远不止于此。它是一个非常好的模型，可以用来研究其他细胞，包括像我们这样更复杂的生命体中的细胞。

从酵母到人类的细胞都称为“真核细胞”（eukaryotes）。这是一个技术术语，意味着它们的染色体，即 DNA，被包裹在细胞核内。我的想法是，如果我能理解酵母细胞的繁殖过程，或许就能揭示我们自身细胞是如何控制分裂的。事实证明，这是正确的。在我职业生涯的后期，经过多年对酵母的研究，我和我的同事们发现了控制整个细胞分裂过程的分子，并进一步证明了完全相同的过程也同样在人体内运作。

坦率地说，那是我一生中最激动人心的发现之一，因为它具有深远的意义。如果控制酵母细胞繁殖的过程与控制人类细胞的完全相同，那么这个控制机制必定极为古老。酵母和人类的进化分歧至少发生在十亿年前，很可能是一百五十亿年前。这意味着这个控制过程是在一百五十亿年前——即 15 亿年前——就已形成。为了让大家有个概念，恐龙灭绝仅仅在 6500 万年前，而这个时间要长得多得多。我们回溯到了远古的深处，这个机制在当时就已建立，并且至今在酵母和人类中保持不变。

这个过程是如此相似，以至于我和我的实验室通过以下方式证明了这一点：我们在人类中识别出相应的基因，将其植入酵母细胞，并发现它能完全替代酵母自身的基因。换句话说，经过 15 亿年的演化，这个过程仍然如此相似，以至于它们可以完全互换。这就像从一辆玛莎拉蒂的汽车发动机中取出一个活塞，然后装入一辆福特汽车中，只不过福特和玛莎拉蒂之间的进化差距长达 15 亿年。然而，它仍然能够工作。

酵母的另一个巨大优势是它非常适合遗传学研究。杂交不同的酵母菌株、追踪基因在杂交过程中的传递、以及通过突变或损伤基因来观察其对酵母细胞功能的影响，都非常容易。这是一个绝佳的系统，尤其适合研究我们尚不了解的领域。我对细胞如何控制其分裂，即从一个细胞诞生、经历生长再到分裂的过程非常感兴趣。为了研究这一点，我寻找了无法完成这一过程的突变酵母细胞。它们仍然可以生长，但无法繁殖。这意味着这些细胞只会变得越来越大，因为虽然它们的生长不受影响，但它们无法分裂。

因此，作为一名博士后研究员，我寻找那些只会不断变大而从不分裂的突变酵母细胞。通过这种方法，我得以确定一些对整个细胞繁殖过程至关重要的基因。这个从细胞诞生到分裂的过程，我们称之为“细胞周期”（cell cycle）。我将这些基因命名为“细胞分裂周期基因”（cell division cycle genes），简称 CDC 基因。实际上，我是在追随我的朋友利·哈特韦尔（Lee Hartwell）的工作，他比我早几年研究了另一种酵母，也将其基因命名为 CDC 基因。就这样，我们在两种相当不同的酵母中，揭示了一些编码细胞由一变二所需组分的基因。这便是我们探索该过程控制机制的开端。

第四章：基因、DNA 与进化

我提到细胞是在 17 世纪被发现的。而首次揭示基因本质的研究则源于 19 世纪，由一位名叫格雷戈尔·孟德尔（Gregor Mendel）的修士完成。他在奥匈帝国一个名为布尔诺（Brno）的小镇工作，该地现属捷克共和国。他所属的修会不仅在当地学校任教，还积极鼓励科学研究。孟德尔对豌豆的遗传学非常感兴趣。他将具有不同性状的豌豆进行杂交，例如高茎与矮茎、不同颜色花朵或不同形状种子的豌豆，并研究这些杂交后代的性状表现。

他曾接受过物理学训练，并且是一位业余天文学家，绘制过月球地图，还作为气象学家研究天气。有趣的是，我自己也是一位业余气象学家和天文学家，因此我对孟德尔感到一种特别的亲近感。我提及这一点，是因为他与当时大多数生物学家不同，他非常注重定量分析。他会计数。当时的生物学家倾向于描述事物，而非计数，而物理学家则倾向于测量和计数。他统计了这些豌豆杂交后产生的不同类型后代的数量，并开始注意到一些非常清晰的比例，即著名的三比一，以及九比三比三比一的比例。

作为一名物理学家，他意识到这些都是非常简单的组合。他提出了一个想法：负责遗传高茎或矮茎性状的，可以被描述为一种影响该过程的“基因”——一种可以从一代传递到下一代的单位粒子。他的理解并非完全准确，这需要再过三四十年，当其他人重新发现他的工作并更清晰地解释后才得以完善。但这是第一个证据，表明存在一种我们现在称之为“基因”的颗粒状物质。这个发现的起源难道不有趣吗？它源于一位谦逊的修士在欧洲中部一个不起眼的小镇上，对一种普通的豌豆植物所做的研究。而这，最终催生了整个遗传学学科。

不幸的是，当时没有人注意到孟德尔的工作，完全没有。他的论文已经发表，甚至查尔斯·达尔文也收到了一份。我注意到，十到十五年后，《大英百科全书》中也提到了它，但没有人关注他的解释。直到 1900 年代初，三位不同的植物学家进行了类似的实验，得到了相同的结果，但他们随后不得不承认，这一切都早在 35 年前就被那位园艺修士描述过了。因此，他在生前没有因其发现而获得任何荣誉，但现在，遗传学的一个核心部分以他的名字命名，称为孟德尔遗传学，以示敬意。

在 20 世纪的很长一段时间里，基因一直被研究，但它们仍然是一个相当抽象的概念，没有人知道它们到底是什么。后来，纽约的洛克菲勒大学进行了一项非常著名的实验。我对这个实验情有独钟，因为我曾担任洛克菲勒大学的校长，并在纽约生活了近十年。这个实验证明了基因是由 DNA，即脱氧核糖核酸构成的。这项工作由一位名叫艾弗里（Avery）的科学家完成。他研究一种名为肺炎球菌的细菌，这种细菌可以形成光滑或粗糙的菌落。他发现，如果从光滑菌落中提取化学物质，并将其添加到粗糙菌落中，有时粗糙菌落会转变为光滑菌落。他接着探究是哪种化学物质导致了这种转变，并发现 DNA 是其原因。

然而，就像孟德尔的遭遇一样，这个发现再次被基本忽视了。它也引发了争议，因为 DNA 并非一个特别复杂的分子。当时许多科学家认为，它不够精巧或复杂，无法编码基因必须携带的全部信息。但事实上，艾弗里是完全正确的。DNA 负责遗传，它就是构成基因的物质。

这一点在另一组同样精彩的实验中得到了进一步证实，这次是在大西洋的另一边，由剑桥和伦敦的多位科学家共同完成：沃森（Watson）和克里克（Crick）在剑桥工作，威尔金斯（Wilkins）和富兰克林（Franklin）在伦敦工作。罗莎琳德·富兰克林拍摄了一些非常漂亮的 DNA 的 X 射线衍射图片，威尔金斯在此之前也参与了这项工作。这些图片揭示了一个非常有趣的衍射图像，如果能被正确解读，就能揭示分子的结构。而这正是克里克和沃森所做的工作。他们解读了这些衍射斑点，并揭示出，只有当 DNA 的结构是双螺旋时，才能解释这些图像。

什么是双螺旋结构？我喜欢把它比作一个带梯级的梯子。每个梯级由两个碱基组成，一个来自梯子的一侧，另一个来自另一侧。碱基有四种类型，但以字母'A'开头的碱基总是与以'T'开头的碱基配对，另一对是'G'和'C'。这意味着梯子的一侧是由 A、G、C、T 等字母组成的序列，而其互补序列则在另一侧。这个梯子随后被扭曲成螺旋状，这便是 DNA 的构成。

关于这一点，有两个非常令人兴奋的特征。首先，它传递信息，而信息是通过构成梯子侧链的碱基顺序——即 A、G、C、T 的排列顺序——来传递的。这基本上是一个数字信息存储设备。这是一种非常经济的信息存储方式。书籍由字母构成，这是数字信息；我们使用的计算机由字节构成，这也是数字信息。我们总以为这是我们人类的发明，但实际上，生命可能在 35 亿年前就已经发明了它。这就是 DNA 的信息存储功能。

但它的精妙之处远不止于此，因为其结构意味着它极易被精确复制。如果你将这个梯子拆开，每一侧都会有半个梯级，即一个碱基，如 A、T、G 或 C，而另一侧则有其互补的碱基。现在，你可以复制梯子的每一侧，从而精确地制造出副本，最终产生两个而非一个双螺旋结构。这便是遗传的基础。一个特定的实验——在伦敦发现的美丽的 X 射线结构，以及在剑桥对其的解读——能够同时解释遗传的本质、信息编码的方式以及信息如何被精确复制，这是非常罕见的。这是一个无比美妙的实验。

DNA 对于理解细胞周期和细胞繁殖至关重要。因为每当一个细胞繁殖时，它都必须复制其 DNA，并将其分配到两个新分裂的子细胞中。否则，子细胞将缺乏基因和遗传物质，无法存活。这意味着这个复制过程——发生在每个细胞周期的 S 期（DNA 合成期）——必须以极高的精度复制基因组中的每一个碱基对。如果出现错误，基因就会受损，细胞就无法正常工作。因此，复制过程非常精确，但偶尔也会发生一些微小的损伤，而这对于进化来说，却至关重要，我们稍后会讨论这一点。

自然选择进化论，对我来说，可能是生物学中最美的思想。这里需要考虑两件事：一是进化本身——动植物会进化吗？二是，进化的机制是什么？动植物可能进化的想法其实相当古老，甚至亚里士多德也曾有过一些思考。特别是在 18 世纪，许多人在观察化石等证据后推测，动植物是随时间演变的。但直到 19 世纪中叶，查尔斯·达尔文才提出了一个机制：自然选择进化论。

他得出这一结论，源于他乘坐一艘名为“小猎犬号”（Beagle）的皇家海军小船进行的为期五年的环球航行。他收集了动植物和鸟类标本，研究地质，并进行了大量的自然历史观察。这最终在 1840 年代促成了他的思想，尽管他直到 1859 年才发表。它提供了一个动植物可以进化的机制，本质上是在没有设计者的情况下实现了“设计”。这怎么可能呢？这是一个非常巧妙的想法，其基础正是我已经谈到的基因和细胞。

他推测，所有生命体都拥有遗传物质。他当时并不知道基因，但他推测，如果这种遗传物质存在变异，导致生命体产生差异，那么就有可能产生生长更快或繁殖更多的动植物。这意味着在下一代中，这种特定变体的数量会更多。如果这种变体在其所处环境中具有优势，它最终将主导整个种群。这样，一种类型的生物就演变成了另一种略有不同的生物。

我有时会用一个非常简单的模型来解释这一点。想象一个单细胞生物，其细胞外要么是红色外壳，要么是黄色外壳。假设红色外壳的生物被其他生物吃掉了。那么，如果发生了一个突变，导致红色外壳变成了黄色外壳，那么黄色外壳的细胞就会比红色外壳的生存得更好。结果，它们将主导整个种群。这只是自然选择进化论的一个非常简单的例子，但它建立在我一直在讨论的思想之上。它建立在基因的概念以及基因决定细胞特性的事实