关于生命

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楼主 2018-07-15 08:03:17
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生命科学与其他自然科学,例如天文学、地学等不间,许多基本问题并未解决。这些问题涉及哲学、数学以及系统科学等领域,也涉及生物物理、生物化学等交叉学科。从历史上看,其他领域的科学家对生命科学的关注往往有助于它的进展,从这个意义上讲,探讨下面的一些基本问题也许是有益的。

一、生命是什么?



在60年前,伟大的物理学家、量子力学的奠基人之一薛定谔曾以此为题做了一系列旗讲,并在1944年出版了《生命是什么?》一书。薛定谔在书中集中讨论了两个主题:一是遗传的本性;二是生命系统的热力学。这本小书产生了国际影响,特别是克里克和沃森等人都承认这点,说它是分子生物学的催生婆也不为过。分子生物学只是阐明它的第一个主题“有序来自有序”,但第二个主题“有序从何而来?”或“有序来自无序”还是有待进一步探讨的问题。生命现象具有最大的复杂性,这种复杂性如何生成,如何“涌现”,至今仍是一个重要的基本问题。

与这个问题有关的是:生死界在哪里?用什么给生物和无生物画界?一种说法是生物个体有生、有死、有生命周期,但也可说物体、地球、天体甚至宇宙也有生命周期,只不过周期更长而已。这里面有语言学和逻辑上的困难。另一种说法是从结构上看,组成生物体的生物高分子如DNA及氨基酸都是高度不对称的,不是左旋,就是右旋,它是否是历史的产物呢?

20世纪一位伟大的生物学家霍尔丹(Haldane J B S)也写了一本题为《生命是什么?》的书。他是20世纪上半世纪三位最伟大的群体遗传学家之一。他在书中讲:“我不能回答这个问题。事实上,我怀疑是否可能给这个问题以完全的解答。”但他说,这个问题绝不是愚蠢的问题。他的书出版于1949年,也就是分子生物学之前,因此,他只能满足于说:“所有生命的共同之处是化学事件。”他强调蛋白质的重要,但受时代的局限不能得出更为具体而深刻的见解。不久,克里克和沃森就带领人们走出了化学的迷宫。

难道核酸和蛋白质(特别是酶〉就是生命的“化学事件”的全部吗?显然不是。

二、染色体数目和基因数量的含义是什么?



回顾历史,在双螺旋模型发现的时候,人们普遍认为,人的染色体有24对、48条,只是稍后才确认只有23对。20世纪末,人们还认为,人大约有10万个基因,现在一般认为只有3万~4万个基因。虽然病毒的基因数量很少,但低等动物的基因数量不能说相差甚远。从染色体数目和基因数量来说,人不是最多的,更不是最少的。因此,这两个数字有什么意义呢?难道它只是历史偶然遗留下来的结果吗?不同的染色体在某种意义下有独立性吗?

三、细胞到底有多少种类?



我们只考虑真核细胞以上的生物。每一物种,例如人类,到底有多少种不同类型的细胞,这个看来很基本的问题,似乎还没有标准的答案。20世纪末,考夫曼(Kauffman)说有300种左右。当然,这里面有一个分类的标准问题。两种细胞可能是同一细胞不同的态或不同的时期(phase)。由于克隆技术的发展以及干细胞研究成为热门课题,这个基本的问题变得更为重要。

四、基因完成任务的机制



3万或4万个基因不能算少,但比起它们可控制的性状来讲,似乎就少得可怜了。生物体的特点是多样性:多种多样的化合物,各种不同的细胞,各有不同的数量及大小形成不同的组织,胚胎发育过程中时间和空间的分布,在适当时候启动或关闭某个基因,对各种外来入侵者的免疫识别,这些都十分精确地得到基因控制。基因组虽然是天书,但整个生物体运行的方式恐怕是千万倍的天书,它如何指导后者的运行呢?

五、生命起源和进化有没有并行途径



法国著名生物学家莫诺(Monod J)认为,生命起源是偶然的,这十分可能。化学进化可能在多种环境下进行,但形成一个细胞,就是十分复杂的工作。单细胞变成不同的品种,以及多种细胞组成多细胞生命体都是不很清楚的。以人类为例,比较多的人赞成人类起源单中心说,也有人赞成多中心说。通常担起源与进化用进化树表示,因此,这种多阶段进化过程是一株树还是多株树还是个问题。每阶段进化树的分支状况以及演化速度也是一个重要问题。这个问题涉及地外生命,特别是地外智能生命的搜寻。从某种意义上讲,进化过程是否最优?

六、智能的分类



美国数学家斯梅尔(SmaleS)在2000年提出18个数学问题,最后一个问题“智能的极限,不管是自然的还是人工的。”这个问题与基本问题“智能是什么?”、“智能的起源”等有关,也与智能的分类有关。在进行人工智能的研究中,当然应该明确模拟或发展的是哪一种智能。智能最简单的分类(gardiner)有7类:如逻辑一数学智能、音乐智能、空间智能等等;多的则有几百类、上千类。另外,许多心理现象是否是智能也有问题。与生命现象对比,智能似乎更难于界定和分类,但从其“物质基础”上看,生命现象远为复杂。脑的结构远为简单,而且其中的化学递质只有很少几种,很自然产生如下问题:

(1)大脑是如何加工不同信息、储存不同信息的?典型的是图像信息与语言、逻辑信息如此不同,加工它们的大脑结构并没有显示它们有原则不同,就像心、肝、肺、肾的差异那样?

(2)自然智能与人工智能有某种倒易现象,儿童容易掌握的认知(母亲)与自然语言,机器极难学会:而机器易“学会”的逻辑和计算,儿童很难学会,为什么会有这种现象呢?

七、语言与生命



1993年9月,在都柏林召开一个跨学科的国际会议,纪念薛定i号提出的《生命是什么?》出版50周年。其后,出版文集《生命是什么?下一个50年))(What Is Life?TheNext50元ars),其中一篇论文是Smith J Maynard等写的“语言与生命”。他本人是位著名的进化生物学家,但他提出的这个问题却是涉及多个学科的重要问题。

他们在论文中讲生物体的两种语言:一种是基于核酸复制的遗传语言:一种是通常的语言。前者是生物进化的基础,后者是文化变迁的基础。尽管他们的研究是初步的,但正如他们的文章最后指出:“……在经历长期互相不信任之后,语言学家和遗传学家的合作前景是非常令人激动的。”

实际上,这个问题涉及语言学、信息科学、生命科学、神经科学、行为科学、心理科学、认知科学、人工智能乃至数学和系统科学等诸多领域,也从根本上触及分子进化和智能起源等基本问题。另外,这个问题对于下一代关键技术问题的解决也有一定的作用。

计算机未来发展的重要一步是开发具有“初级”智能的计算机,也就是它能像小孩一样进行自然语言交流和模式识别。而这对大人和机器来讲,反雨是十分困难的事,尤其是学习外语,特别是全面的听、说、读、写,总达不到小孩能达到的境界。

语言和脑的关系虽然已研究近200年,可是除了大脑主管语言之外,其他方面的问题均有很大争议。近年来,由于其他科学的发展,我们有可能从交叉科学的角度来提一些问题。

(1)语言在大脑中是如何编码和译码的?



语言或言语可以说是一个复杂系统,它的元件有音素、词素、义素等,然后形成词、词组、熟语、句子乃至高级的结构。它有昕觉语和书面语的不同,在表达与理解上也有差异。很早就知道,布罗卡区管口语表达、Wernicke区管语言感受和理解,角回区是阅读中枢;后来知道,Exner区为言语书写中枢等。但是,对于语言功能的定位问题仍有较大的争议。

(2)语言的结构与大脑的结构之间是否有某种相适应的关系?

更进一步,大脑经长期演化到达人脑的地步,是否到顶,不得而知。但是,由大脑产生的“知识”或语言,其形式却还没有看到尽头。这是人脑与动物脑明显不同之处,而其基础则是人脑有一个天生的产生语言和理解语言的结构。按照Chomsky的观点,这是由遗传而得,但大脑的结构人种间差异不大,而发展出来的语言差异却大得惊人,特别是汉语、日语和印欧语言之间从某种意义上来讲,简直是不可通约的。

(3)不同语言的理解和使用是否有不同的神经机制?

与此问题有关的是一个敏感的问题:语言的优势。汉语无疑有很大的优越性,特别是用词的经济和数字计算的方便。但是,它的一个最大的不方便之处是录入的困难,也就是难以机器编码,与其相关的是汉语和日语的同音字太多,易引起含混和多义性。多语成为未来世界交流和教育的主要问题之一。

从信息论的角度看,无论生物学还是语言学都涉及内外的信息传输问题,而信息传输则归结为一对“矛盾”:传输效率与精确性。生物的演化和语言的演化都提供了不同的解。它们在所有可能的解中,提供了某种意义下优化的解。现在的问题是,我们如何从这个角度来考虑。

(4)分化与谱系树的形成。



这个问题与另一个基本问题多少有些关系,关于人类的祖先是一源还是多源,存在着争议。语言也有同样的问题,是否有一种原始语言(proto-language)?不管如何,人类是有迁徙的。似乎人类在迁徙过程中应该有原始的语言交流,而不是在定居之后才发展出一种语言。

(5)无论是生物体还是个人言语都存在个体特异性问题。个体特异性来源为何?

(6)语言与智力的关系。人的智能和人工智能的极限。

八、是否存在不同种类的遗传信息?




分子生物学,特别是双螺旋模型和中心法则为我们提供了一个漂亮的理论,所有的信息都记录在一串字符上。只要解读这本天书,我们就可以掌握足够的生物信息。而其最原始的形式,就是“一个基因,一个酶”这种简单的语言翻译。当然,这种模式很适于科学研究,但生物体终究是个复杂系统,基因组所提供的信息远不止此,它应该还有:

(1)空间信息和时间信息。例如,在基因指导下,合成血红蛋白。那么,蛋白质是自动形成其三维结构,还是在基因指导下完成的?更重要的是,在细胞分化过程中,分化细胞的位置和时间是如何在基因上编码的?

(2)语法信息和语义信息。基因组是一串字符,这些字符当然不是无组织的,其中包含许多相关信息、组织信息、控制信息,它们是如何经济地编码在一串符号上?它们有多少层次?这种结构是如何形成和演化的?

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