第1章 生命的无声指挥官
《生命的实验室》第1章 生命的无声指挥官,页面无弹窗的全文阅读!
只要在爱丁堡的梅多斯公园里走一走，大多数人都会确信地球上的生命简直是这个平淡无奇的世界里最独特的存在。成荫的绿树在风中沙沙作响；鸟儿在空中盘旋，古人震惊于这些比空气重的飞行机器是如此灵敏；地上有各种动物爬来爬去，小小的瓢虫落在游客的身上，宠物狗则在草地上追逐跳跃。
眼前的这幅景象让我不禁想起用最好的望远镜才能看到的天鹅绒般的黑色太空。星系发生碰撞，形成天体物理学尺度的暴力事件，而这些早已死去的星系所散发出的光芒几乎畅通无阻地穿越数十亿年的虚无，最终被我们采集成画面。在这个无限的巨大真空中，偶尔产生了一些恒星，它们的周围最终形成了行星。而在这样一颗行星上，游客们正在城堡外的草地上拍打着苍蝇。太阳不过是一颗在周围的稀薄空间里聚集了融合气体的球体，地球不过是它旁边的一颗行星，而地球上的拉布拉多犬却复杂到能够做出各种跳跃和奔跑动作。一边是掌管着星体旋转的简单物理学定律，一边是复杂的生命现象，还有什么比二者间的对比更加强烈的吗？
我曾经听一位杰出的天文学家说过，他很乐于研究恒星，因为恒星要比昆虫容易理解得多。[1]
望向外太空时，我们一定能从这种视角中找到价值和共鸣。即便大质量恒星的尺度令人望而生畏，我们也能从中感受到物理学定律的简洁性。恒星燃烧时会让气态元素发生聚变并释放能量，所以这些基本元素的原子质量会不断增长。氢是宇宙中最为丰富的元素，氢原子聚变就形成了氦。氦原子再形成碳原子，以此类推……[2]直到形成氧、氖、镁等电子层数依次增加的元素。元素的原子质量随着每一轮聚变产物的出现而增长。恒星的中心是铁元素，它无法再聚变成其他元素了。铁是原子聚变的最终阶段，这种相对简单的原子叠加过程形成了从恒星的表面到内核、一层比一层重的一系列元素。比铁更重的元素是通过其他方式形成的，比如恒星发生灾难性的能量爆炸过程，它预示着超新星的诞生。
恒星的元素就是以这种类似洋葱的形式排布的，其体积之庞大，直径可超过百万千米。与之相比，落在正在梅多斯公园里打瞌睡的游客的指甲盖上的瓢虫实在是小得可怜，体长只有区区7毫米。
这种小小的椭圆形瓢虫不过是栖息在地球上的众多昆虫中的一种。（我们目前尚不清楚地球上有多少种昆虫，其中已知的有100万种，尚未被发现的昆虫可能更多。）然而，这种低调的生物充满了复杂性。瓢虫由8个主要部分组成，其头部是独立的一部分，包含了它的口器；瓢虫用触角和眼睛来感知周围的世界，而触角也被看作是独立的一部分；它的头部后面一块坚硬的凸起叫前胸背板，可以保护头部免遭伤害；前胸背板后面就是胸部和腹部，也是翅膀和足所附着的身体部位；最后，这种复杂的机器还具有翅鞘，可以保护自己脆弱而精巧的飞行装置。
和恒星一样，瓢虫的每个特征也都是由物理学定律塑造出来的。翅膀所给予的飞行能力意味着瓢虫必须遵循空气动力学的定律，其他的飞行生物也是如此。说到腿，为什么瓢虫长的是腿而不是轮子呢？除了蛇和部分缺乏肢体的蜥蜴外，瓢虫与所有的陆地动物一样都演化出了腿，而不是轮子。这也是有其物理学原因的，毕竟腿在地球不甚规则的地形上还是有一定的行走优势的。而为了保护轻飘飘的翅膀，翅鞘必须具备坚硬材料所拥有的特征，比如耐磨性和柔韧性。
在瓢虫的所有体节中，我们都能发现物理学法则。瓢虫之所以看起来比恒星更加复杂，是因为它们体内包含了更多不同的法则，使其更适于生活。演化绝对是一种将不同法则组装成生命体的绝佳过程，我们可以用公式表示出这些法则。任何自然环境通常都会给生存带来多重挑战。如果一个物理学过程让一种生物发展出某个特征，并令其能够存活更长时间以繁衍后代（繁衍是衡量演化成功的标准），那么这种生物就会随着时间的推移发生演化，我们也可以将其看作是展现多种物理学法则的载体。
哪怕是在梅多斯公园里随意地漫步，你也能深刻地感受到生命的波澜壮阔，它随着时间的推移发展出各种各样的形式。如果借助科学家们最喜欢但不可能实现的玩具——时光机，我们就可以重新回到7 000万年前的梅多斯，那时生命的形式与如今截然不同。和现代鸟类一样，翼手龙这种爬行动物当时也精通空气动力学，有些翼手龙的翼展长达10米。[3]长有羽毛的恐龙和奇怪的昆虫在陆地上游荡，而体型细长的爬行动物则统治着池塘、湖泊等水上栖息地。如果再借助时光机回到4亿~3.5亿年前，我们会发现爱丁堡正处于庞大的火山活动中，到处都生长着厚厚的垫子般的微生物聚集体。在陆地的另一边，在火山锥之间，最早的陆地植物光蕨（Cooksonia）已占领新的栖息地。在光蕨那仅有几厘米高的短而多节的茎间，穿梭着早期的昆虫和现已灭绝的八腿甲虫般的蛛形纲动物。[4]只要再经历几千万年，你就能看到四条腿的彼得普斯螈（Pederpes）正笨拙地移动着自己长达一米的滑溜溜的身体穿过矮木丛，并用三角形的头部开辟出一条道路。[5]它正是现代陆地脊椎动物的祖先。
在这次时间旅行中，尽管我们会对观察到的所有奇妙生命啧啧称奇，但我们对这些生物却也有一种奇怪的熟悉感。这些生物尽管在形态和形式上有所不同，但从根本上来说，它们的生存法则与现代生物是相同的。这些相似之处不仅仅是演化的产物。早期植物的反重力生长、支撑起恐龙的骨骼大小、水生动物的光滑外表以及让翼手龙飞翔的翅膀特征，都是古生物面对同样的物理学法则，形成的与现代生物相似的演化形式。
生命在时空中的复杂性和多样性令所有人都相信，生命在本质上并不等同于物理学过程。在非生命的世界中，简单的原则可以塑造出可预测的结构，但生命形式的差异似乎已经超越了这些简单原则。
然而，物理学定律在各种组装层面上驱动并限制着生命的解决方案。结果并不总是可以预测的，但却一定是受限的。从亚原子尺度到种群规模，这些限制条件体现在各个层面上：结果是多种多样的，但不是无穷无尽的。
即使在最小的尺度上，我们也能发现狭窄的演化通道。以蛋白质分子为例，地球上的各种庞然大物都是由蛋白质组装而成的。但与更高层面的生命一样，蛋白质的功能是有限的。一些科学家在观察蛋白质（包括酶，即生物催化剂）折叠的有限方式时，认为这些构型反映了柏拉图所信奉的完美而恒久的事物形式。[6]对一些人来说，这种观点似乎与达尔文的生命观相悖，后者强调了自然选择可产生无限的多样性。
科学有时不可避免地会出现两极分化，当然，挑战达尔文学说的观点总是备受关注而富有争议的。在本书中，我所介绍的合成过程并没有违背达尔文的基本理论，即自然选择可以塑造出种类非常多的生物，甚至是蛋白质。但这个过程的产物的基本模式是有限的，这不仅仅体现在生物体的层面上，也体现在其所有组成部分上，从种群到蛋白质，再到原子水平皆是如此。我收集了许多令人印象深刻的研究证据，以说明物理学法则如何极大地缩小了生命结构的各个层次在演化过程中的自由度范围。
一个简单的命题可以证明我的观点。在演化的过程中，环境作为过滤器起到了选择有机物质单元的作用，使这些有机物质单元充分利用其中多种相互作用的物理学定律，以实现繁殖。在这种情况下，环境中包含各种各样的挑战，无论是暴风雨等天气现象还是捕食者的追捕，都可能会阻止生物体的繁殖。演化只是用遗传物质编码的物理学原理的相互作用，这些相互作用影响巨大、激动人心。[7]以方程式表示的物理学原理数量有限，这意味着演化过程的结局也会受到限制，且具有普遍性。[8]方程只是用数学符号表示物理学过程的一种手段，这些物理学过程描述了宇宙的各个方面，其中也包括生物的特征。“生命的方程式”表示的是从不同的层面上用物理学过程（通常表现为数学公式）来描述生命的能力。在本书中，我将介绍一些这样的方程式，但我并不要求各位读者理解其中的细节和微妙的差别，也不要求读者能使用这些公式。这些方程式只是为了说明，在很多情况下，支撑着演化过程的物理学法则可以用这些简单的数学形式来表达。
毋庸置疑，生命也受到物理学定律的限制。[9]梅多斯公园里的瓢虫在享受午后的阳光时，也并不能脱离于太阳形成的原理而存在。生命在很大程度上是宇宙的一部分：生命无法独立于宇宙规则而运转。然而，尽管这种说法是老生常谈，但我们总是很不愿意接受生命受到物理学定律严格约束的事实。在观察生物时，我们很容易忘记掌控其生命结构的原则已为其设下苛刻的边界；在粗心大意的观察者看来，生命的多样性似乎是无边无际的。
对我而言，探索不同尺度的生命结构的奇妙之处在于，随着我们了解的知识越来越多，这些生命要比我们此前的猜想更加符合物理学过程及其简单数学关系的描述，这些原理可在多种不同的层次水平中得以体现。这些观点也表明，生命的范围要比我们想象中的狭窄得多，随机事件和历史在其演化过程中的作用并没有一些人想象的那么大。因此，生命的结构要比有时假想中的更具有可预测性和潜在的普遍性。
生物确实在细微之处得到了无限的修饰。生命的细节之广泛可能导致了生物学和物理学在宇宙观上的分歧。然而，如果我们回归到“生物学遵从物理学定律而运作”这一浅显的结论，我们便能更全面地化解这种分歧。
几年前，我以天体生物学家的身份加入大学物理系，学校安排我教授一门叫作“物质性质”的本科物理学课程。对于生物化学和生物学背景出身的我来说，如果不加入一些生物学知识，这样上一学期课实在让人难以接受，所以我开始修改教案，用生物学案例来解释我教授的物理学定律和观点。融入生物学知识提高了我自己教课的积极性，我觉得这对上课的本科生来说也会十分有趣。
这些生物学案例并不难找。在分子水平上，分子之间的力叫作范德华力，这种力来自分子固有的极性，它使得分子像小磁铁棒一样互相吸引（即便是氖这种惰性气体，其分子间也存在这种力）。范德华力可以用壁虎的例子来演示。[10]这种敏捷的沙漠蜥蜴脚趾上有很多细小的刚毛，这些刚毛可以让四脚在范德华力的作用下牢牢地固定在竖直的表面上，从而轻松地爬上光滑的玻璃窗。
人类细胞以及其他所有细胞生命都是由DNA（脱氧核糖核酸）分子编码遗传信息的，它由两条链组成，形成我们熟悉的双螺旋结构。把两条链连接在一起的作用力叫氢键，它的强度刚刚好：可以稳定DNA双链并保持DNA分子的完整性，但是当细胞分裂、DNA进行复制时，这种力又弱到很容易地解开双链。[11]DNA的复制及其增殖的结构体系就可以通过原子间的作用力来理解。
在更高的结构层次上，用生物学来理解物理学原理的案例仍然存在。在解释相图（展示物质在给定压力、温度和体积下的状态的图表）时，我发现来自生物世界的一些插图很有帮助。在冬季冰冻的池塘里，躲在冰下相对温暖的水中以免受捕食者干扰的鱼群正是利用了相图中水的融化曲线的负梯度。简而言之，当水结冰后，其密度就会降低，因此冰会漂浮在水面上。[12]而在冬天仍然活跃的鱼已经在演化中适应了在冰下生存的环境——它们的行为演化受到了关于水的一些简单事实的限制，而这些关于水的事实就可以用相图来表示。
即使在宏观尺度上，物理学也能解释生物系统，同时限制生物系统的运行。在解释大型生物在水中移动的机制时，我们可能会问：鱼为什么没有螺旋桨？到底是什么物理学定律使得这些可以屈伸的身体[13]能够穿越海洋、逃离鲨鱼，甚至表现得比人类工程师制造出的螺旋桨更加出色？流体以及在流体中移动的物体的行为对于能够演化的生物体提出了非常严格的约束，同时也严格限制了生物体在约束中所能找到的解决方案的种类。
在教授完这门课程后，令我惊讶的并不是找到了这么多适用于物理学定律的生物学案例，而是即使是极其简单的物理规则，也深刻地影响了从电子到大象的各个生命层级的现象，并参与了生命特征的选择。我很清楚物理学是如何塑造整个生物体的，但我仍惊讶于物理学原理的广泛适用性，它就像触角一样，伸展到生命结构的各个角落。尽管在量子力学中围绕亚原子粒子的旋转仍有不确定性（这种不确定性足以令谨慎的物理学家合理地提出质疑：生物学和物理学之间有多大关系），但薛定谔的猫[14]的形状和化学成分，以及维尔纳·卡尔·海森堡本人的身高都具有高度的可预测性，这正是应用于生物学的物理学原理的趋同性。
有时，科学家会用海洋来类比演化过程。不同的动物象征着具有不同生物可能性的岛屿，在这些岛屿上，成功适应环境的解决方案受到了生理可能性和生物体既往演化过程（即历史）的约束。在这些岛屿之间，存在着无数不可能的解决方案，生命必须在这片巨大的海洋中寻找充满了可能性的新岛屿。生物体想方设法在这些岛屿上安家落户，它们似乎共同抵达了一个避风港，这就像一群在不同的风暴中分别遇难的海员发现自己被困在太平洋中央的一处荒凉的岩层一样——听起来很不寻常。为什么两种动物，比如蝙蝠和鸟，同时选择了飞行功能？由于它们的祖先都没有翅膀（从这两种生物截然不同的翅膀解剖结构就可以看出），所以这种趋同现象很难用共同的祖先来解释。然而，不同的生物体采用相同的解决方案并不稀奇。不可能的解决方案是完全不可能实现的，这意味着不可能的海洋根本不存在。
或许，演化从物理学角度看并不像岛屿，而是像一个棋盘。每个方格都代表着不同的环境，代表着生命必须适应的不同物理条件。当一个生命体在棋盘上移动时，它会发现自己身处另一空间，必须利用一系列明确定义的物理学定律来适应这一空间。例如，当一条鱼爬上陆地时，原本促使它形成某种形态的水动力学定律将被新规则取代。海洋居民来到陆地上后，由于失去浮力而突然变强的重力作用，以及决定蒸发速率（正午的太阳将无情地试图把生物晒干）的方程式就会成为塑造演化的关键因素。但是，这其中不存在不可能性的海洋，只有物理学原理以不同的组合和量级在不同的环境中共同运作。生命从一种环境条件转移到另一种环境条件中，那些一直在运行的定律从中选择了遵循物理学定律的生物，而环境或竞争对手则无情地淘汰了那些无法适应这些定律的需求，从而无法繁衍的失败者。
这里有一处区别值得注意。在思考生物体如何有效地适应环境时，用海洋来做类比会更加贴切。举一个极端的例子，一只天生缺少翅膀的昆虫在演化过程中很可能会遭遇失败。我们可以想象在一片广袤的地区中，占据了岛屿和山峰的生物最能适应其生存环境，而生活在其间的平原和海洋中的生物则适应环境的能力较差、成功概率较低，这也是适应性景观的基本概念。[15]然而，在面对环境的挑战时，生物体有能力找到类似的演化解决方案，这不足为奇。它们并没有多大的自由空间可供探索。生物只是从一处移动到另一处，当物理学法则出现在它们面前时，它们必须适应并繁衍。若非如此，我们就再也见不到这些生物了。而应对这些物理学定律的解决方案通常是类似的。
在这本书中，我并非想要各位读者为生物学和物理学的密不可分而震惊，或者惊讶于物理学是生命的无声指挥官。相反，我意在说明生命在从种群到原子结构的尺度上都有着奇妙的简单性。我还认为，这些定律如此根深蒂固地体现在从生命的原子结构到蚂蚁的社会行为上，如果宇宙中其他地方存在着生命，也会表现出类似的特征。
当然，我们可能也会说：“生命不可能只与物理学原理有关。比方说，猎豹对羚羊的追赶，就不仅仅体现了羚羊受到的物理学影响，也是一种真正的生物学相互作用。”猎豹奔驰在非洲大草原上，捕捉到倒霉的羚羊作为下一餐的食物，这对羚羊施加了选择的压力，而这种压力在生物反应层面上来讲是物理性的。如果羚羊能跑得过猎豹，它就能在这场追逐中存活下来。羚羊能否逃脱取决于它能以多快的速度将能量释放到肌肉中，或者在躲避迎面而来的掠食者时，它能以多快的速度转弯。这种能力本身就是羚羊膝盖所能承受的力和它的腿骨和肌肉在寻求自由时所能承受的扭力的产物。这些因素最终由肌肉和骨骼的结构以及视力的敏锐程度等因素决定。羚羊要么活下来，离可以繁殖的年龄更近一点点，要么就在追逐中死去。这种选择压力与猎豹是另一种生物体并没有关系。掠食者也可以是爱丁堡大学的物理学实验室所制造的一款能快速奔跑的机器人，它被设定为可以穿越非洲的大草原、拦截并猎杀羚羊。唯一重要的问题在于，羚羊的生理能力（最终归结到物理能力）是否能令其在猎豹的追逐下生存下来，以及羚羊的肌肉特性、骨骼强度和其他因素中有哪些适应性能令其后代成为优秀的继承者。
我上面的观点不仅适用于生物面对环境中的选择限制（例如捕食）时所发生的演化，还包括生物面对环境提供的大好机会（例如未开发的栖息地和食物资源）时所发生的演化。无论就短期而言还是最终反映在演化层面上，环境中许多生物体的此类变化都是由其他生物的迁移引起的。最终生物体生存下来或者学会了利用环境或其他生物体的变化，但这种适应性通常都被物理学原理限定在一个很窄的范围内。
当然，以上所有的适应性都受到生物体祖先的形态和形式或者其发育模式的限制。这些历史架构以及生物体的发展和成长所受到的限制，是由先前的演化选择所建立的，它们限制了一种生物体响应自己必须遵守的一整套物理学定律的方式，并进一步缩小了演化的范围。[16]
读者心中可能会问：“到底什么是生命？”毕竟，前面的讨论是以我们对生命有一致的定义为前提的。长久以来，生命的定义这个问题一直困扰着许多人。但就本书的目的而言，我并不想把这部分内容放在前面。为了简单起见，我在这本书中给出了一种关于生命的方便而实用的定义，即生命本质上是能够进行繁殖和演化的物质，这与生物化学家杰拉尔德·乔伊斯（Gerald Joyce）的定义一致，即生命是一种“经历达尔文式演化并进行自我维持的化学系统”。[17]演化（也就是达尔文式演化）能力是生命的特征，它使得生物随着时间的推移而改变，并更好地适应环境。从某种更容易理解的角度而言，在地球上，包括真核生物和原核生物在内的所有我们熟悉的生命形式都有这种能力，真核生物包括了动物、植物、真菌、藻类等多种生物，原核生物则包含细菌和古菌（单细胞生物的另一分支）等。
我们也可以说，生命这个词仅仅是人类做出的一种分类，生命永远不会受限于某种具体的定义。[18]生命可能只是有机化学的一个子集，有机化学是化学的一个分支，主要研究含碳化合物的各种复杂行为。当环境的力量作用于这种可繁殖的物质时，其繁殖能力便导致了演化的发生。生命在地球上的持续存在，正是这种可繁殖物质内遗传密码演化的产物。这种遗传密码可在多种复制单元中被修改或变化。在不同的环境中起作用的选择压力，从变异中选出最成功的遗传密码，这些最成功的遗传密码继而复制并分布到新的环境中。
然而，无论我们认为生命是什么，无论我们选择哪种定义或概念，生命都必须完全符合简单的物理学定律。诺贝尔物理学奖得主、奥地利物理学家埃尔温·薛定谔在其1944年出版的著作《生命是什么？》[19]中，曾用物理学术语描述说，生命具有从环境中提取“负熵”的属性。“负熵”这个短语用得不太合适，因为它在物理学上并没有正式的含义，但他选用的这个短语充分体现了生命对抗熵的本质。熵代表能量和物质分散并被消耗，直至达到热力学平衡状态的趋势。热力学第二定律表明，熵是物质和能量的基本属性，在许多情况下，这个属性等同于体系的混乱程度。在薛定谔看来，生命就是在与熵做斗争。
生命可以在最终趋向于无序的宇宙中创造有序，这种特性令薛定谔困惑不已，也让一代代的思想家捉摸不透。当一只幼狮长大并繁殖时，这只成年狮子及其后代所涉及的新物质都表现得更加有序，与幼狮还在母亲膝下玩耍时相比，成年狮子随机耗散的能量要减少许多。事实上，长久以来，生物学家和物理学家都在试图解释生命为何一直在做一些明显违反物理学定律的事情。然而，如果我们以另一种方式看待生命，而非将其看作一种与物理学定律相悖的异常物质，我们反而可以发现生命是一种加速宇宙无序的过程——这与描述宇宙的物理过程非常一致。解释这种观点的最好办法就是拿我的午餐三明治来举例。
我把三明治放在桌子上，如果不去动它，则三明治分子的能量需要很长时间才能释放出来。实际上，很可能直到遥远的将来，三明治在板块构造的地壳运动中落入地球深处，被加热至高温，糖和脂肪才会分解成二氧化碳气体，将分子的能量释放出来。然而，如果我吃了三明治，在一两个小时以内，三明治中的能量就会以热量的形式释放到我的身体里，一部分以二氧化碳的形式通过呼吸呼出，而另一部分则被用来制造新的分子。实际上，我大大加速了三明治的能量释放进程，提高了推动宇宙走向无序的热力学第二定律对三明治的作用速度。当然，如果我把三明治放在桌子上，它们就会发霉，被落在上面的细菌和真菌吃掉——这些生物只是抢先我一步，把三明治的能量耗散到宇宙的其他地方。数学模型表明，这种想法并不是异想天开，生命的过程以及种群的增长、扩大，甚至适应的趋势，都可以用热力学规则来描述。[20]
生物体表现出惊人的局部复杂性和组织性，但它们所参与的过程却加速了能量的耗散和宇宙的瓦解。要想产生这种损耗效应，生物体的局部复杂性是构建这种生物机器的必需部分。既然物质宇宙偏好于更快地耗散能量，那么生命实际上就是在促进第二定律的反应过程，而不是与之抗争。至少，这是看待生命现象的一种方式。从这个角度来看，我们就更容易理解生命为何如此成功。
当然，当最终没有更多的能量可以耗散时，或者几十亿年后，当更加明亮的太阳蒸发掉所有的海水，让环境变得不再适合生存时，这些一度违背热力学第二定律的复杂绿洲将再也无法存活下去。它们也终将被摧毁。
之所以要离题介绍生命的定义与热力学第二定律，正是因为它支撑着这样一种观点：生命在很大程度上是一种运行中的物理过程。生物是一系列分子的集合，其行为遵循着物理学定律。我们有理由认为，宇宙的其他地方也是如此。在加速能量耗散的过程中，生物本身也遵从着物理学定律。在这本书中，我不太关注关于生命的定义的无用的讨论，而更关注我们称之为生命的物质在繁殖和演化方面的共性。
我们在物理、化学和生物方面了解得越多，我们就越能体会到宇宙的运行规则有多简单而平凡。主流科学范式推翻了我们在宇宙中处在特殊位置的观点，这可以说是科学发展史上的一大主题。地球仅仅是一个围绕太阳旋转的行星，人类从猿演化而来，这是过去几百年来对人类世界观影响最大的两个观念。这些想法取代了人类位于宇宙中心的观念，其认为地球位于太阳系的中心，居住其中的人类独一无二且有别于其他动物。
生物学遵从物理学定律这个观点对生物学的广义普适性提出了一个基本问题：如果宇宙中的其他地方也存在生命，它会和地球上的生命一样吗？生命的结构和形式会不会也是普遍存在的？其他地方的生命在哪一结构层次上和地球生命是一样的呢？在另一个星系中，瓢虫腿部的元素构成和地球上的一样吗？原子聚集在一起形成的分子，即构成并塑造瓢虫腿部的分子是否相同？以及瓢虫本身呢？在另一个星系中是否存在其他类似瓢虫的生物呢？从各个层面来讲，瓢虫有没有可能是地球独有的品种？
如果物理学和生物学结合得如此紧密，那么地球以外的生命——如果存在的话——可能非常类似于地球上的生命，地球生命将不再是演化过程中形成的独一无二的形式，而更像是宇宙中大多数生命的模板。这就意味着生命形式是可预测的，而可预测性正是优秀科学理论的标志。
科幻作家们总是喜欢想象居住在其他星球上的生命形式是极其特殊的，认为凭借人类有限的想象力是无法做出合理预测的。
早在1894年，科幻作家H. G. 威尔斯就在《星期六评论》（Saturday Review）上发表了一篇有关外星生命的文章，讨论了人们此前认为硅酸盐（形成岩石和矿物的含硅材料）可能在高温下会发生的有趣的化学反应：“他被这样一个神奇的想法吓了一跳：会不会存在硅铝生物，甚至硅铝人呢？它们在硫组成的大气中漫游，在比鼓风炉温度高出几千度的液态铁形成的海洋岸边散步。”[21]
这并非个例。1986年，罗伊·格兰特（Roy Gallant）为美国国家地理学会撰写了他的著名作品《我们的宇宙地图》（Atlas of Our Universe），阐述了生命的无限可能。[22]这本书描绘了人们想象出的存在于太阳系中的各种生命形式。“哎哟袋”（一大袋气体）在金星表面昂首阔步，每次触碰到460℃的地表就痛得喊一声“哎哟”。火星上存在的生命叫“寻水者”，这种又细又长的生物就像是腿被拉长的鸵鸟，长着一对巨大的毛绒耳朵，它们在火星寒冷的夜晚和冬天里，会用耳朵把自己裹起来。“寻水者”头顶上方的巨大甲壳可以保护其免受紫外线辐射的伤害；它们长着长长的喙，可以深入火星地下寻找水源。作者的想象力并不局限于这两个星球。“冰纤维”是冥王星上的智能冰块（美国国家航空航天局的“新视野号”或许在它们的天空中短暂地闪过，并永久地改变了它们的文化），“炉肚子”是土卫六上的生命，它们体内的燃烧物质使其能够在–183℃的寒冷环境下保持体温；它们通过从尾部喷射出大量气体，来推动自己穿过土卫六富含碳氢化合物的大气层。
有趣的是，我们从未观测到格兰特笔下的任何生物。假设（这是一个很大胆的假设）在环境条件合适的情况下其他行星上会出现生命，那么这些全新的生物化学形式或生物没有出现在我们的太阳系中，并不是毫无理由的——生命形式必须适应这些星球上的不同条件。在大多数这些地方，条件都非常极端，根据我们对地球上生命极限的了解，我们可以预测在这些行星和卫星的表面均不存在复杂的多细胞生命。而实际观察结果正如我们所料。例如，我们在金星上看到的环境就与我们根据地球生命极限的认知所做出的预测相符，而这些生命极限都是由物理学定律确立的。[23]
我们至今仍无法用其他的生命案例来检验我们的生物圈是否独一无二。因此，许多观察者可能会说，类似地球上的生命是否代表着普遍规范这种问题只是一种猜测，就是那种在咖啡桌前聊天时天马行空的猜想而已。然而，这种说法是不准确的。物理学家提供给我们的原理揭示了生命可能性的基础。天体物理学家对宇宙的观测可以告诉我们哪些元素（如碳）和哪些分子（如水分子）在数量上占优势，帮助我们深入了解生命的化学组成部分在整个宇宙中究竟有多普遍。在化学实验室中，我们可以深入了解元素周期表中各种元素的反应活性，及其形成复杂结构的能力，从而知晓主宰生命的化学原理是不是普适的。
生物物理学家可以告诉我们各种分子是如何从地球上诸多生物体中独立演化而来的，我们据此可以探索细胞中的化学反应规则究竟有多普遍。微生物学家对极端生命的认知令我们了解到生命的物理边界，以及这些边界是否可能具有普遍性。古生物学家向我们展示了远古时代的生命形式。这些已经消失的古生物与如今仍然存在的生物有何相似或不同之处？行星科学家通过收集来自其他世界的信息，告诉我们是否能够通过相机及其他仪器来找到有可能支持生命存在的环境条件。我们也可以将这些世界中的生物状态与人类的猜测进行比较。
从这些学科中，我们可以收集大量可用来建立关于生命本质的假说的信息。在本书中，通过研究物理学与生命之间的联系，我也提出了生命在各个层次都有共性的这一观点。我并不是说所有层次的生命都是完全相同的。其他世界中的瓢虫可能和地球上的不一样，但生命系统在行星表面进行繁殖所采用的解决方案可能大致相似，无论是生命利用亚原子粒子（电子）收集能量的方式，还是整个生物种群的行为模式。如果我们最终找到了生命，我们就会知道它的存在，而且它一定和地球上的生命非常相似。
以查尔斯·达尔文来结束本书的第一章内容最恰当不过了。在《物种起源》的结尾，达尔文总结了自己的感受，宣称自己从生命演化的视角见证了某种伟大。[24]我们也可以说，生命有一种美丽的简洁性。正如物理学定律不屈不挠、坚定不移地贯穿于所有已灭绝和现存的生命形式之中，演化的产物也一样有着惊人的相似之处，而这种相似之处正是由130多亿年来塑造出宇宙的物理学定律创造的。
[1]I once heard a distinguished: This was an observation made by Martin Rees, Astronomer Royal, in a public lecture, but he also made a similar observation in print: “Even the smallest insect, with its intricate structure, is far more complex than either an atom or a star.” Rees M. (2012) The limits of science.New Statesman 141 (May), 35.
[2]Other helium atoms: Lequeux J. (2013) Birth, Evolution and Death of Stars. World Scientific, Paris.
[3]Like modern birds: Witton MP, Martill DM, Loveridge RF. (2010) Clipping the wings of giant pterosaurs: Comments on wingspan estimations and diversity. Acta Geoscientica Sinica 31 Supp.1, 79–81.
[4]Scurrying among their short knobbly: Edwards D, Feehan J. (1980) Records of Cooksonia-type sporangia from late Wenlock strata in Ireland. Nature 287, 41–42; and Garwood RJ, Dunlop JA. (2010) Fossils explained: Trigonotarbids. Geology Today 26, 34–37. Indeed, the type specimens of many early plants and invertebrates were found first in Scotland.
[5]Return just a few: Pederpes: Clack JA. (2002) An early tetrapod from“Romer's Gap.” Nature 418, 72–76.
[6]Rather, in observing: For folding of proteins, see Denton MJ, Marshall CJ, Legge M. (2002) The protein folds as Platonic forms: New support for the pre-Darwinian conception of evolution by natural law. Journal of Theoretical Biolog 219, 325–342. Working out how proteins fold is not a simple matter, a point raised with great clarity in Lesk AM.(2000) The unreasonable effectiveness of mathematics in molecula biology. Mathematical Intelligencer 22, 28–37.
[7]Evolution is just: This simple observation is compatible with the iportant role of natural selection in shaping life, but also with many factors that shape organisms that are not linked directly to primary selective effects. The multifarious ways in which organisms are elutionarily shaped, explored for example by Gould and Lewontin,are entirely compatible with those same mechanisms being narrowly circumscribed and limited by physical principles. See Gould SJ,Lewontin RC. (1979) The spandrels of San Marco and the Panglossian paradigm: A critique of the adaptationist programme. Proceedings of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences 205, 581–598.Some of those factors, particularly many “architectural” ones, are fundamentally physical constraints. For instance, Gould and Lewontin's spandrels are the physical consequence of joining two arches.
[8]The limited number For a remarkable discussion on the limitations and effectiveness of mathematics in describing physical processes, see Wigner E. (1960) The unreasonable effectiveness of mathematics i the natural sciences. Communications in Pure and Applied Mathematics 13, 1–14. See Lesk (2000), above, for a more modern take on this classic essay.
[9]That the laws of physics A wonderful technical summary of some of the physical principles that are instantiated into life at the level of the whole organism is Vogel S. (1988) Life's Devices: The Physical World of Animals and Plants. Princeton University Press, Princeton, NJ. Steven Vogel also wrote a range of interesting papers examining fluid mchanics in life and other observations. The bibliography of his book,although dated, contains several excellent papers about physical measurements in organisms. A more popular exposition (although replete with detail and beautiful comparisons with human technology) is to be found in Vogel S. (1999) Cats' Paws and Catapults: Mechanical Worlds of Nature and People. Penguin Books, Ltd., London.
[10]At the molecular level: Autumn K et al. (2002) Evidence for van der Waals adhesion in gecko setae. Proceedings of the National Academy of Sciences 99, 12,252–12,256.
[11]The forces involved Alberts B et al. (2002) Molecular Biology of the Cell(4th ed.). Garland Science, New York.
[12]Put simply, when water is frozen: Smith R. (2004) Conquering Chemistry (4th ed.) McGraw-Hill, Sydney.
[13]When clarifying how large: Not all fish flex their bodies. Electric fi depend on keeping their bodies rigid so that they can generate stable electric fields with which to sense the world. These fish have evolv a long, continuous fin along their body; the fin uses wavelike osciltions to drive the fish forward.
[14]And despite the inherent uncertainty: Schrödinger's cat is a thought experiment in quantum mechanics elaborated by Erwin Schrödinger in 1935. The scenario involves a cat that may be simultaneously both alive and dead, made possible by a state known as a quantum superposition. It results from the cat's life being linked to a random subatomic event that may or may not occur. Werner Karl Heisenberg was a German theoretical physicist and one of the pioneers of quantum mechanics.
[15]The idea of organisms Or “fitness” landscapes. An elegant exposition of this concept, first developed by Sewall Wright, can be found in McGhee G. (2007) The Geometry of Evolution Cambridge University Press, Cambridge.
[16]All these adaptations: I am not dismissing the role of developmental constraints in evolution. See, for example, Smith JM. et al. (1985) Developmental constraints and evolution. The Quarterly Review of Bioogy 60, 263–287; or Jacob F. (1977) Evolution and tinkering. Science 196, 1161–1166. Indeed, very complex interactions can exist between physiology and evolution. See Laland KN et al. (2011) Cause and effect in biology revisited: Is Mayr's proximate-ultimate dichotomy still useful? Science 33, 1512–1516. However, as will become apparent throughout this book, life seems to have more flexibility to overcome these prior historical quirks and “fixed accidents” than is typically asumed, whether they be in the genetic code or in macroscopic forms of creatures. That is not to say that we cannot find plentiful evidenc of history in animals—such as the four legs of land-dwelling animals derived from pectoral and pelvic fins of fishes. This history maystrict the options open to life within what are the dominant physical principles that shape it.
[17]For simplicity's sake: The reader might claim a certain degree of tautoogy here. Whether evolution is a characteristic of life rather raises the question of how we define life. We can indulge in fantastical ideas of life forms that adapt to their environment and read these adaptations back into their genetic code in a Lamarckian form of evolution. If such a system were powerful enough, the Linnaean system of classification we associate with the hierarchical nature of the phylogeny of life on Earth would not emerge. However, along with Dawkins R.(1992) Universal biology. Nature 360, 25–26, I am going to start with an assumption that evolution in a Darwinian sense is universal in natural things that replicate with a code. Indeed, here I will simply take it as a working assumption of my book that systems of matter that reproduce and exhibit Darwinian evolution are the things that concern my discussion. Even if the reader refutes this universality and can describe a reproducing system that adapts to its environment quite differently, most of the conclusions I draw in this book, partiularly regarding the restricting effects of physical processes, are likely to hold. A real example might be very early cells on Earth when life first arose in which genetic information may have passed more fidly between them just as horizontal gene transfer occurs in microbes today such as discussed in Goldenfeld N, Biancalani T, Jafarpour F.(2017) Universal biology and the statistical mechanics of early life.Philosophical Transactions A 375, 20160341. Some people have argued that such a community of cells has non-Darwinian properties(in that genetic material is added into a primitive genome in a quasiLamarckian way). However we situate these ideas in a description of the evolutionary process (even the products of horizontal gene transfer are still subject to environmental selection), the processes are narrowly circumscribed by physics. Dawkins puts a compelling case that Darwinism is not merely part of the definition of life as we know it,but a universal characteristic of replicating things that have adaptive complexity: Dawkins R. (1983) Universal Darwinism. In Evolution from Molecules to Men, edited by DS Bendall, Cambridge University Press, Cambridge, 403–425. For Joyce quote, see Joyce GF. (1994) In Origins of Life: The Central Concept, edited by DW Deamer and GR Fleischaker, Jones and Bartlett, Boston, xi–xii. Joyce points out informally on the internet that the definition was developed during panel meetings of NASA's Exobiology Discipline Working Group in the early 1990s.
[18]We could argue that the word life: A problem explored by Cleland CE,Chyba CF. (2002) Defining “life.”Origins of Life and Evolution of Biospheres 32, 387–393.
[19]In his engaging 1944 book: Schrödinger E. (1944) What Is Life? Cambridge University Press, Cambridge.
[20]Mathematical models: Discussed by Baverstock K. (2013) Life as physics and chemistry: A system view of biology. Progress in Biophysics and Molecular Biology 111, 108–115.
[21]As early as 1894: Wells HG. (1894) Another basis for life. Saturday Review, 676.
[22]In 1986, Roy Gallant: Gallant R. (1986) Atlas of Our Universe. National Geographic Society, Washington DC.
[23]What we see on Venus: To emphasize the caveat I make in the main text, someone imaginative could argue that these planets just lacked an origin of life or that an origin of life is very rare. However, if life had originated on these planets, we would indeed see these very creatures. It is difficult, in the absence of any probabilities on the origin o life or a certainty about the conditions required for it, to argue against this position. However, as I will discuss in later chapters about the limits to life, there are more-fundamental limits to the possibility of life in hell-like worlds such as Venus, regardless of whether an origin of life could have (or even did) occur there.
[24]It is apposite: Darwin C. (1859) On the Origin of Species by Means of Natural Selection, or the Preservation of Favoured Races in the Struggle for Life. John Murray, London.