《生命是什么》读书笔记

柔情只为你懂 2022-04-01 12:12 222阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  目录
 *   *  主线：生命演化简史
     *  支线
     *   *  1 人类对生命认识的发展历程+生命物质的来源问题
         *  2 自我复制能力的产生
         *  3 细胞膜的产生问题
         *  4 生命活动的能量来源问题
         *  5 多细胞生物的产生
         *  6 感觉的产生
         *  5 自由意志问题
     *  其它重要知识点

# 目录 #

## 主线：生命演化简史 ##

*  46亿年前，炽热的宇宙尘埃形成了原始的地球，随后外层逐渐冷却形成了坚硬的外壳，但地底深处的岩浆还是不断冲破地壳，浓烟笼罩着大地。彗星为地球带来了最早的水。此时的地球表面被沸腾的海洋覆盖，终日电闪雷鸣，饱受火山喷发和陨石摧残。此时环境虽然恶劣，但要自发产生氨基酸或核苷酸之类的生物小分子却不是很难，详见支线1.1的米勒·尤里实验。
 *  46-40亿年前，在这段漫长的岁月里，原始地球上的核糖核苷酸在外界能量的作用下，数不清的RNA分子被没有缘由地生产出来、飘散、分解，每个RNA分子都是一堆核糖核苷酸分子的随机组合，直到有一天，有这样一种组合，恰好(就像买彩票中奖一样!)产生了自我复制的催化能力，于是它苏醒了，无数和它相同序列的“后代”被制造出来。这种能够自我复制的RNA还不能被叫做生命，因为它仍然需要外来的能量来进行自我复制，但它照亮了生命诞生前最后的黑夜。关于自我复制能力，详见支线2：自我复制能力的产生。
 *  46-40亿年前，原始地球上的脂类分子自发地形成空心球状的薄膜，这其实也不是件难事。详见支线3：细胞膜的产生问题。
 *  40多亿年前，在大西洋中部深海的热泉口，出现了一种蛋白质分子(ATP合成酶)，它通过利用热泉口氢离子浓度差产生的能量制造ATP，而ATP提供的能量是后来所有生物生命活动的基础。详见支线4：生命活动的能量来源问题。
 *  40亿年前，上面四种因素聚集在大西洋中部深海的热泉口时，在某一时刻，产生了地球上的第一个细胞，这个细胞可以认为是最初的生命，它包含了生命的四大要素：生命物质(核苷酸等)+能量(ATP)+自我复制能力+细胞膜，四个要素分别对应了我们后面的前四条支线。整个流程串起来就是：原始地球产生了大量的核苷酸和氨基酸等生物小分子->核苷酸在外界环境中的能量的作用下随机合成各种各样的RNA->突然有一天(像买彩票中奖的概率一样)出现了一条能够自我复制的RNA->RNA虽然能够自我复制，但出错率很高，由此变异产生了各种各样能自我复制的RNA变种->突然有一天(同样像买彩票中奖一样)出现了一条能够产生ATP合成酶的RNA分子->突然有一天这个RNA分子进入了细胞膜形成了第一个细胞。
 *  35亿年前，出现了细菌，有化石证据证明。
 *  大概21亿年前，多细胞生物产生。详见支线5：多细胞生物的产生
 *  10-20万年前，人类特有的FOXP2基因出现，这是个和语言息息相关的基因。

## 支线 ##

### 1 人类对生命认识的发展历程+生命物质的来源问题 ###

1.  公元前4世纪，亚里士多德把生命现象称为灵魂，在他看来，灵魂这种东西看不见摸不着，却能够赋予生命体各种各样神奇的属性。亚里士多德的灵魂论有一个令人不安的特点：灵魂这种东西并不是具体的、看得见摸得着、可以对此开展观察和研究的实在物质。
2.  18世纪，现代化学诞生。拉瓦锡通过燃烧实验证明火焰实质上只是物质和氧气的化学反应，并提出了元素学说，认为世间万物都是由不同元素组成的。
3.  1803年，英国科学家道尔顿提出了原子论，认为化学物质是不同化学元素的原子组合而成，而化学反应的本质就是这些原子的重新排列组合。在元素学说和原子论的光芒照耀下，人们自然而然地想到，也许生命现象的本质就是某种特殊的化学物质或者化学反应。
4.  19世纪初，瑞典化学大师贝采里乌斯提出了“活力论”，认为生物体内存在某些特殊的化学物质以及化学反应，这些化学物质和化学反应只存在于生物体内，绝不会再自然界自然出现，贝采里乌斯将这些物质称为“活力”物质。这些特殊的“活力”物质和活力反应，正是生命现象的物质基础。虽然后来“活力论”被证明是错误的，但和亚里士多德的灵魂论不同，活力论是可以接受科学实验检验的，由此迈出了人类真正认识生命的第一步。
5.  1828年，德国化学家Friedrich Wohler在实验室中合成了尿素这种之前被认为是只可能由生物体合成的“活力”物质，开始动摇了活力论的地位。
6.  1844年，德国化学家Hermann Kolbe合成了第二种“活力”物质：醋酸。之后越来越多“活力”物质在实验室里制造出来。人们开始思考，既然“活力”物质和产生它的“活力”化学反应不是生物特有的，那是否可以假设生命现象本质上和自然界发生的物理化学反应现象并没有本质的区别？
7.  1952年，美国芝加哥大学的博士新生斯坦利·米勒和他的导师哈罗德·尤里设计了著名的米勒·尤里实验，根据当时人们对原始地球环境的猜测，在大烧瓶里装上水并用酒精灯不断加热，模拟沸腾的海洋；在装置里通进氢气、甲烷和氨气，模拟上古时代的地球大气；在烧瓶里不断点燃电火花，模拟远古地球大气的闪电。一周之后，烧瓶里出现了许多全新的化学物质，甚至包括5种氨基酸分子。该实验验证了在远古地球环境中，各种“活力”物质是可能自发出现的，而且实际上活力物质的合成并不难，由此彻底推翻了活力论。

### 2 自我复制能力的产生 ###

*  毋庸置疑，自我复制能力是生命的必要条件，否则即使生命在某一时刻神奇地在地球上产生，不久之后也会消失得无影无踪。
 *  从今天地球上的生命来看，DNA保存了生命的遗传信息，是生命自我复制的基础。
 *  20世纪50年代，沃森和克里克建立了DNA双螺旋结构，并准确猜测出DNA的复制机制，即“半保留复制”机制：通过解开双螺旋形成两条单链，两条单链再分别和核苷酸分子配对形成新的双链。但DNA是一种非常稳定的分子，不可能自动解开双螺旋结构进行复制，需要各种各样的蛋白质(酶)的参与，这些蛋白质的信息保存在DNA的遗传信息中，通过DNA指导合成。
 *  但是DNA和蛋白质形成了一种类似鸡和蛋的悖论：如果没有蛋白质，DNA根本不可能实现自我复制；如果没有DNA，蛋白质的信息根本无处保存，也自然无法被合成。如果要让这套机制生效，必须让鸡和蛋在同一地点同时产生，这几乎是不可能的。
 *  20世纪中叶，“中心法则”提出，地球上绝大多数生命的遗传信息的具体传递流向是：DNA->RNA->蛋白质。很多人开始有疑问，为什么不通过DNA直接合成蛋白质，而要在中间加上RNA这么个东西？
 *  1968年，克里克提出猜想：也许“中心法则”中看起来多余的RNA才是最早的生命形态。
 *  1982年，生物化学家汤姆·切赫在利用嗜热四膜虫研究“RNA剪接”时，发现RNA居然可以对自身进行切割和缝合，相当于身兼DNA和蛋白质的双重功能：即可以像DNA一样存储信息，也可以像蛋白质一样催化生物化学反应！这个发现让他获得了1989年诺贝尔化学奖。
 *  2001年，美国麻省理工学院的科学家成功“制造”出一种叫做R18的RNA分子，它具有自我复制功能，虽然仅仅能够复制自身不到10%的序列。在不久以后，人工合成的RNA分子以及能够复制自身102%的长度，理论上已经具备自我复制的能力。这些发现让我们没有理由怀疑RNA才是最早生命形态这个猜想的可能性。
 *  也许在RNA出现甚至统治世界之后，DNA和蛋白质才慢慢出现。由于DNA更稳定，自我复制过程中出错率更低，相比RNA是更好的遗传信息载体；而蛋白质是由20种氨基酸组成的蛋白质分子，并且具有更复杂的三维结构，比起RNA可以推动更复杂的生物化学反应，于是DNA就慢慢地替代RNA成为主要的遗传物质，而蛋白质则慢慢地替代RNA成为主要是生物化学反应催化剂。

### 3 细胞膜的产生问题 ###

*  1925年，荷兰莱顿大学的科学家提出细胞膜的磷脂双分子层模型。
 *  1985年，美国人大卫·蒂莫证明，从莫奇森陨石提取出来的脂类分子可以自发形成类似于细胞膜的结构。
 *  但RNA分子和蛋白质分子不可能自由穿过细胞膜进入到里面，目前的一种解释是，在细胞最初形成的时候，细胞膜的封闭性还没有那么好，RNA和蛋白质还能自由穿过，在生命产生以后，自然选择的力量才逐渐改变细胞膜的化学组成。这种解释得到了莫奇森陨石的支持，蒂莫的研究发现，陨石上的脂类分子形成的膜和今天生物的细胞膜相比，具有不同的通透性。

### 4 生命活动的能量来源问题 ###

*  由支线1.1的米勒·尤里实验我们可以知道，在远古地球环境，自发出现诸如氨基酸和核苷酸这样的有机小分子并不是很难。
 *  但让氨基酸和核苷酸分子组织在一起变成蛋白质和DNA是一件非常困难的事。因为蛋白质和DNA都是由20种氨基酸或4种核苷酸分子排列而成的有序的长链，要让一堆核苷酸分子自发地排列成一条有序的DNA长链，概率大概就像随便排列几个数字形成彩票的号码，结果中了大奖一样，即使偶尔中了一次，也不可能一种中。依据热力学第二定律，任何一个孤立系统的混乱程度(熵)总是在增大，要让系统变得有序，必须输入能量。那么是什么能量驱动生命组装出复杂的蛋白质和DNA分子，或者说生命是如何利用环境中的能量来完成蛋白质和DNA分子的组装的呢？
 *  20世纪初，生物学家发现葡萄糖转化为乳酸的反应过程似乎能够释放出生物体可以利用的能量。
 *  20世纪40年代，人们发现地球上的所有生物都是通过将生物体内化学反应释放的能量去合成一种叫做三磷酸腺苷(ATP)的分子，再用ATP分子去驱动各式各样的化学反应。通俗地说，ATP就是地球生命通用的能量货币。
 *  1961年，米切尔在《自然》杂志发表化学渗透理论，认为葡萄糖燃烧产生的能量并不直接合成ATP，而是先驱动带正电的氢离子穿过细胞膜积蓄起来，积累起电化学能，之后在生命活动需要能量的时候，高浓度的氢离子再通过细胞膜上的蛋白质机器反方向流出，驱动其产生ATP。这个过程类似于水电站先把抽水蓄能，再开闸放水发电，细胞膜上的蛋白质机器(ATP合成酶)充当了水力发电机的作用。随后人们在动物细胞的能量工厂线粒体中确实发现了其细胞膜内外存在极高的浓度差，支持了米切尔的理论。
 *  1994年，英国科学家约翰·沃克利用X射线衍射技术看清了ATP合成酶的真实结构，证实了米切尔的理论。  
    疑问是：其实燃烧葡萄糖的化学反应是可以直接产生ATP的，那为什么今天地球上的生命还要不约而同地选择借助氢离子浓度差来产生ATP呢？目前的一种观点认为，这种看起来异常精巧方式可能本来就是地球生命最早最原始的能量来源，相反利用燃烧葡萄糖等化学反应直接产生ATP的方式是后面才出现的。
 *  2000年，科学家在大西洋中部的海底山脉偶然发现了一片密集的热泉口，它不断喷出40-90摄氏度的富含甲烷和氢气的碱性液体，这些碱性热泉可以提供永不衰竭的氢离子浓度差！也许在远古地球上，正是这个碱性热泉口的氢离子浓度差为生命的出现提供了最早的生物能源，我们的祖先正是利用这样的能源组装蛋白质和DNA分子。
 *  2016年，德国科学家威廉·马丁分析了现存地球生物的600多万个基因的DNA序列，从中确认了有355个基因广泛存在于全部主要的生物门类中。根据这项研究马丁推测这355个基因应该同样存在于现在地球生物的最后共同祖先体内。这355个基因里面就包含了利用氢离子浓度差制造ATP的ATP合成酶基因，而其它ATP合成途径的酶并不在里面。

### 5 多细胞生物的产生 ###

*  随着生命的演化，生命活动逐渐变得复杂，要支持越来越复杂生命活动，只有两种选择：一是让细胞变得更大，二是增加生物体细胞的数量。
 *  细胞体积的变大是有上限的，主要有两个原因：一是体积越大，细胞膜面积占比就相应减小，物质交换压力增长；二是体积越大，需要的蛋白质越多，而制造蛋白质的DNA就那么固定一套，压力就会有点大。
 *  从技术上看，单细胞生物变成多细胞生物是一件很简单的事，只需要让细胞分裂以后不要分开，粘在一起就可以了。实验室里通过改变一种单细胞生物DNA上的一个核苷酸，就可以让其变成一种雪花状的多细胞生物。
 *  为什么要进化成多细胞呢？因为只要被捕食者进化成多细胞变得比捕食者更大时，捕食者就吃不下它们了(例子:小球菌)。而捕食者也同样需要进化成多细胞，才能把那些多细胞的大块头吃掉(例子:鞭毛虫)。这也许就是地球生命进化成多细胞生命的初衷。
 *  进化到多细胞以后，下一步很自然地就会进化出分工。因为如果一个多细胞生物身上有一部分专门负责运动，另一部分专门负责生殖，比起一堆细胞都一模一样无疑效率会更高。
 *  多细胞生物产生分工的第一步就是生物体组成单元被永久地分成专门负责产生后代和专门负责维持生存两种细胞(例子:团藻)。
 *  但是每个细胞都想分裂产生后代，否则细胞死亡后遗传物质就此消失，所以负责维持生存的体细胞也可能不安分又重新进行分裂，从而导致整个生物体奔溃(癌细胞)。
 *  多细胞生物要面对一个永恒的难题：如何预防、压制和严惩那些不愿意接受既定分工、特别希望重新拥有繁殖能力的细胞？大多数多细胞生物演化到今天已经发展出了极强的纠正和惩罚这些不听话细胞的能力。
 *  和单个细胞顽强的生存和繁衍的意志之间的斗争，是所有复杂生命必须承担的代价，但细胞分工的好处的大到无法舍弃的，分工为地球生命更复杂的功能分化提供了基础。

### 6 感觉的产生 ###

### 5 自由意志问题 ###

*  自由意志问题：一个人是否能够自主决定自己的思想和行为，或者换种说法，人-类的所有思想和行为，到底是每个人类个体的自由抉择，还是在此时此刻之前所发生的所有事件导致的必然结果。
 *  感知需求的本能不是自由的：2005年，华盛顿大学的研究者发现，如果杀死小老鼠体内的下丘脑弓状核的某些神经细胞，小老鼠根本不会感觉到饿，但很快就会饿死；2011年，美国珍妮莉亚农场研究所的研究者证明，如果激活同样的一群神经细胞，那么小老鼠哪怕是吃饱了，也会立刻重新进入胡吃海喝的模式。
 *  满足本能需求的行为也不是完全自由的：小老鼠体内如果缺少这种物质，即使小老鼠感到非常饥饿，并且食物已经送到面前，它们也不大会去吃。
 *  遗传是人类的高级认知功能最大的影响因素：通过对同卵双胞胎的研究，发现人类的心智指标，从智商到记忆力，从幸福感到自信心，甚至是政治倾向和宗教信仰，遗传都是最大的影响因素，大部分指标的遗传贡献率都在50%-70%。但还没有发现一种心智指标是100%由遗传因素决定的。
 *  每一个个具体的决定，实际上大脑也会在我们尚不知晓的时候悄悄做出。1985年，美国科学家本杰明·里贝特的研究表明，在我们做决定之前，大脑神经活动已经清楚地显示出这个决定了，我们以为自己在自由地做决定时，其实只是在按照大脑为我们准备好的决定行事而已，人的认知活动与其说是指导者，不如说是个观察者和记录者，它只是把神经活动指导我们身体进行的行动加以总结提炼，然后呈现在我们的思维当中而已。这项研究从根本上动摇的自由意志的基础。
 *  我们直观认为意志的纯粹自由大概率是不存在的，它既受遗传蓝图的规范指引，也会受到一生生活环境和阅历的牵制调节，最后它还不得不在意识之下的大脑活动中逐渐成形。
 *  2013年，德国神经科学家约翰-杜兰·海因斯的实验表明，在人们有意识得做出决定前，人脑的活动已经呈现出了某种程度上的区别，这个时间差可以长达四秒！但海因斯在后来的研究中证明，即便到最后一刻，人脑仍然可以强行否决之前准备好的行动方案。
 *  也许我们可以这样理解自由意志：不管是遗传因素，还是过往经历，还是几秒前的大脑神经活动，都在为最后一刻的决定绘制蓝图，准备草案，它们共同为我们最后的决定提供了一种倾向性，尽管这种倾向性有时候非常强烈，但我们的心智仍然有机会为自己的言行做最终的决定。
 *  总结：我们的每个一个决定的影响因素：数十亿年来的遗传经验积累，数十年的人生经验，数秒的神经活动，最终的心智决定。时间跨度由长到短，直接效果由弱到强。

## 其它重要知识点 ##