本文發表在《大眾科學》的前部落格網路中，反映了作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點
從孩提時代起，我就對生物著迷。在北加州長大，我花了很多時間在戶外與植物和動物玩耍。我和一些朋友會偷偷靠近正在為花朵授粉的蜜蜂，把它們裝進保鮮袋裡，這樣我們就可以仔細觀察它們黑曜石般的眼睛和金色的絨毛，然後再把這些昆蟲放回它們日常的活動中。有時，我會用後院的灌木製作粗糙的弓箭，用剝皮的樹皮做弦，用樹葉做箭羽。在去海灘的家庭旅行中，我學會了如何透過觀察最近一次海浪退去後沙灘上的氣泡，快速地把甲殼類動物和節肢動物從它們的藏身之處挖出來。我還清楚地記得小學時去聖克魯茲的一個桉樹林實地考察，在那裡，成千上萬的遷徙帝王蝶停下來休息。它們成群結隊地緊緊抓住樹枝，像死去的樹葉一樣——直到一隻動了動，露出了翅膀內側火紅的橙色。
像這樣的時刻——以及許多大衛·艾登堡的電視特別節目——加劇了我對地球生物的痴迷。我的弟弟痴迷於他的 K’Nex 套裝，一絲不苟地建造複雜的過山車，而我卻想了解我們的貓是如何“運作”的。它是如何看待世界的？它為什麼會發出咕嚕聲？毛皮、爪子和鬍鬚是什麼做的？有一年聖誕節，我要求要一本動物百科全書。撕開一本大概有我一半體重的大書的包裝紙後，我坐在樹旁看了幾個小時。因此，我最終以撰寫關於自然和科學的文章為生，也就不足為奇了。
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然而，最近我突然頓悟，這迫使我重新思考我為什麼如此熱愛生物，並重新審視生命到底是什麼。只要人們研究生命，他們就一直在努力定義它。即使在今天，科學家們對生命也沒有令人滿意或普遍接受的定義。在思考這個問題時，我想起了我弟弟對 K’Nex 過山車的熱愛，以及我對家裡貓的好奇。為什麼我們認為前者是無生命的，而後者是活著的？歸根結底，它們不都是機器嗎？誠然，貓是一種極其複雜的機器，能夠做出 K’Nex 套裝可能永遠無法模仿的驚人行為。但是，在最基本的層面上，無生命的機器和活的機器之間有什麼區別？人、貓、植物和其他生物是否屬於一類，而 K’Nex、計算機、恆星和岩石屬於另一類？我的結論是：不。事實上，我決定，生命實際上並不存在。
請允許我詳細說明。
對生命進行精確定義的正式嘗試可以追溯到至少古希臘哲學家時代。亞里士多德認為，與無生命的物體不同，所有生物都擁有三種靈魂之一：植物靈魂、動物靈魂和理性靈魂，最後一種靈魂專屬於人類。希臘解剖學家蓋倫提出了類似的基於器官的“生命之氣”系統，分佈在肺部、血液和神經系統中。在 17 世紀，德國化學家喬治·恩斯特·斯塔爾和其他研究人員開始描述一種最終被稱為活力論的學說。活力論者認為，“生物體與無生命實體根本不同，因為它們包含一些非物理元素，或者受與無生命事物不同的原理支配”，並且有機物（包含碳和氫並由生物產生的分子）不可能來自無機物（主要來自地質過程的缺乏碳的分子）。隨後的實驗表明，活力論是完全不正確的——無機物可以在實驗室內外轉化為有機物。
其他科學家沒有賦予生物體“某種非物理元素”，而是試圖確定一套特定的物理特性，以區分生物和非生物。今天，在沒有對生命做出簡潔定義的情況下，坎貝爾和許多其他廣泛使用的生物學教科書都包含一個相當臃腫的列表，列出了此類區分特徵，例如：秩序（許多生物要麼由具有不同隔室和細胞器的單個細胞組成，要麼由高度結構化的細胞群組成）；生長和發育（以可預測的方式改變大小和形狀）；穩態（維持與外部環境不同的內部環境，例如細胞調節其 pH 值和鹽濃度的方式）；新陳代謝（消耗能量以生長和延緩衰變）；對刺激的反應（改變對光、溫度、化學物質或環境其他方面的行為）；繁殖（克隆或交配以產生新的生物並將遺傳資訊從一代傳遞到下一代）；以及進化（種群的遺傳構成隨時間的變化）。
要粉碎這些列表的邏輯幾乎太容易了。沒有人能夠編纂一套物理特性，將所有生物聯絡起來，並排除我們標記為無生命的一切。總是有例外情況。例如，大多數人不認為晶體是活的，但它們組織性很高並且會生長。火也會消耗能量並變大。相反，細菌、緩步動物甚至一些甲殼類動物可以進入長期休眠期，在此期間它們不會生長、新陳代謝或發生任何變化，但從技術上講它們並沒有死亡。我們如何對一片從樹上掉下來的葉子進行分類？大多數人會同意，當一片葉子附著在樹上時，它是活著的：它的許多細胞不知疲倦地工作，將陽光、二氧化碳和水轉化為食物，以及其他職責。當一片葉子從樹上脫落時，它的細胞不會立即停止活動。它是在掉到地上的過程中死亡嗎？還是在碰到地面時死亡？還是當它所有的細胞最終都消亡時死亡？如果你從植物上摘下一片葉子，並將其細胞儲存在實驗室中，使其得到營養和快樂，這算是生命嗎？
這種困境困擾著幾乎每一個提出的生命特徵。對環境做出反應並非生物獨有的天賦——我們已經設計了無數的機器來做到這一點。即使是繁殖也不能定義生物。許多單獨的動物無法自行繁殖。那麼，兩隻貓在一起能夠創造新的貓，所以它們是活著的嗎？但一隻貓不能自行繁殖它的基因，所以它不是活著的嗎？再考慮一下不尋常的燈塔水母（Turritopsis nutricula），這種不朽的水母可以在成年形態和幼年形態之間無限期地交替。以這種方式搖擺不定的水母不會產生後代，不會克隆自身，甚至不會以典型的方式衰老——但大多數人會承認它仍然活著。
但是進化呢？在 DNA 和 RNA 等分子中儲存資訊、將此資訊傳遞給後代以及透過改變遺傳資訊來適應不斷變化的環境的能力——這些才能肯定是生物獨有的。許多生物學家都將進化視為生命的根本區別特徵。在 20 世紀 90 年代初，斯克裡普斯研究所的傑拉爾德·喬伊斯是當時美國宇航局外生物學專案經理約翰·拉梅爾的諮詢小組的成員。在討論如何在其他星球上找到生命時，喬伊斯和他的小組成員提出了一個被廣泛引用的生命工作定義：一個能夠進行達爾文進化的自我維持系統。它清晰、簡潔且全面。但是它有效嗎？
讓我們看看這個定義如何處理病毒，病毒比其他任何實體都更復雜地定義了生命的定義。病毒本質上是包裝在蛋白質外殼內的 DNA 或 RNA 鏈；它們沒有細胞或新陳代謝，但它們有基因，並且可以進化。然而，喬伊斯解釋說，為了成為一個“自我維持的系統”，生物體必須包含繁殖和進行達爾文進化所需的所有資訊。由於這種限制，他認為病毒不符合工作定義。畢竟，病毒必須入侵併劫持細胞才能複製自身。“病毒基因組僅在宿主細胞的環境中進化，”喬伊斯在最近的一次採訪中說。
但仔細想想，美國宇航局（NASA）對生命的定義，並不能比其他任何已提出的定義更好地容納病毒的模糊性。一種寄生在人體腸道內的蠕蟲——被廣泛認為是令人厭惡但非常真實的一種生命形式——它擁有所有繁殖所需的遺傳資訊，但如果沒有人體腸道內的細胞和分子為其提供生存所需的能量，它永遠無法繁殖。同樣，病毒擁有複製自身所需的所有遺傳資訊，但卻沒有所有必需的細胞機制。聲稱蠕蟲的情況與病毒的情況截然不同，這種論點是站不住腳的。蠕蟲和病毒都只能在宿主的“背景下”繁殖和進化。事實上，病毒的繁殖效率比蠕蟲高得多。病毒直接進入正題，只需要細胞核內的一些蛋白質就能大規模啟動複製，而寄生蠕蟲的繁殖則需要利用另一動物的整個器官，並且只有當蠕蟲存活足夠長時間以攝食、生長和產卵時才能成功。因此，如果我們使用美國宇航局的工作定義將病毒排除在生命領域之外，那麼我們必須進一步排除所有型別的更大的寄生蟲，包括蠕蟲、真菌和植物。
將生命定義為能夠進行達爾文進化的自我維持系統，也迫使我們承認某些計算機程式是活的。例如，遺傳演算法模擬自然選擇來找到問題的最優解：它們是編碼特徵的位陣列，會進化，會相互競爭以繁殖，甚至會交換資訊。同樣，像 Avida 這樣的軟體平臺會建立“數字生物”，這些“數字生物由可以像 DNA 一樣突變的數字位組成”。換句話說，它們也會進化。密歇根州立大學的 羅伯特·潘諾克在《發現》雜誌上告訴卡爾·齊默，“Avida 不是對進化的模擬，而是進化的一個例項”。“達爾文過程的所有核心部分都在那裡。這些東西會複製，會突變，它們會相互競爭。自然選擇的過程正在那裡發生。如果這對於生命的定義至關重要，那麼這些東西也算數。”
我認為喬伊斯自己的實驗室對美國宇航局的生命定義提出了又一次毀滅性的打擊。他和許多其他科學家都傾向於一種稱為 RNA 世界假說的生命起源故事。地球上所有的生命都依賴於 DNA 和 RNA。在現代生物體中，DNA 儲存著構建蛋白質和分子機器所需的資訊，這些蛋白質和分子機器共同形成一個繁忙的細胞。起初，科學家們認為只有被稱為酶的蛋白質才能催化構建這種細胞機制所需的化學反應。然而，在 20 世紀 80 年代，托馬斯·切赫和西德尼·奧爾特曼發現，在各種蛋白質酶的合作下，許多不同種類的 RNA 酶（或核酶）讀取 DNA 中編碼的資訊，並逐個構建細胞的不同部分。RNA 世界假說認為，地球上最早的生物體僅依賴 RNA 來執行所有這些任務——既儲存又使用遺傳資訊——而無需 DNA 或蛋白質酶的隨從的幫助。
以下是它可能發生的方式：大約 40 億年前，在地球的原始湯中，自由漂浮的核苷酸——RNA 和 DNA 的組成部分——連線成越來越長的鏈，最終產生足夠大和足夠複雜的核酶，可以複製自身，因此比無法複製的 RNA 有更大的生存機會。簡單的自組裝膜包裹著這些早期的核酶，形成了最早的細胞。除了製造更多的 RNA 之外，核酶可能還將核苷酸連線成 DNA 鏈；核苷酸也可能自發形成 DNA。無論如何，DNA 取代了 RNA，成為主要的儲存資訊分子，因為它更穩定。蛋白質承擔了許多催化作用，因為它們用途廣泛且種類繁多。但現代生物體的細胞仍然包含可能是原始 RNA 世界的殘餘物。例如，核糖體——一種由 RNA 和蛋白質組成的束，一次構建一個氨基酸的蛋白質——是一種核酶。還有一組病毒使用 RNA 作為它們的主要遺傳物質。
為了檢驗 RNA 世界假說，喬伊斯和其他研究人員試圖創造可能曾經存在於地球原始湯中的那種自我複製的核酶。在 2000 年代中期，喬伊斯和特蕾西·林肯在實驗室中構建了數萬億個隨機的自由漂浮 RNA 序列，類似於數十億年前可能相互競爭的早期 RNA，並分離出偶然能夠結合其他兩個 RNA 片段的序列。透過讓這些序列相互競爭，這對搭檔最終產生了兩種核酶，只要為它們提供足夠的核苷酸，它們就可以無限期地相互複製。這些裸露的 RNA 分子不僅可以複製，還可以突變和進化。例如，核酶已經改變了它們遺傳密碼的小部分，以適應波動的環境條件。
“它們符合生命的定義，”喬伊斯說。“這是自我維持的達爾文進化。”但他猶豫地說核酶是真正活著的。在他變成弗蘭肯斯坦博士之前，他希望看到他的創造發明一種全新的行為，而不僅僅是修改它已經能做的事情。“我認為缺少的是它需要有創造力，需要提出新的解決方案，”他說。
但我認為喬伊斯沒有給予核酶足夠的肯定。進化是基因隨著時間推移而發生的變化；一個人不需要目睹豬長出翅膀或 RNA 組裝成字母來看到進化在起作用。藍色眼睛顏色在 6,000 到 10,000 年前出現——只是虹膜色素的另一種變體——就像第一隻長羽毛的恐龍一樣是進化的一個合法例子。如果我們把生命定義為“能夠進行達爾文進化的自我維持系統”，我看不出有任何正當理由拒絕自我複製的核酶或病毒被稱為生命。但我確實看到了一個放棄這種工作定義以及所有其他生命定義的理由。
為什麼定義生命如此令人沮喪地困難？為什麼幾個世紀以來，科學家和哲學家未能找到一種特定的物理性質或一組物理性質，可以清楚地將生物與無生物區分開來？因為這種性質不存在。生命是我們發明的概念。從最根本的層面來說，所有存在的物質都是原子及其組成粒子的排列。這些排列落在一個巨大的複雜性譜上，從單個氫原子到像大腦一樣複雜的東西。在試圖定義生命時，我們在任意的複雜性水平上劃了一條線，並宣佈高於該邊界的一切都是活的，而低於該邊界的一切都不是活的。事實上，這種劃分並不存在於思想之外。沒有任何一個閾值，一組原子突然變得有生命，生物和無生物之間沒有明確的區分，沒有弗蘭肯斯坦式的火花。我們未能定義生命，因為根本沒有什麼需要定義的東西。
我透過電話緊張地向喬伊斯解釋了這些想法，預計他會嘲笑我，並說它們是荒謬的。畢竟，他是幫助美國宇航局定義生命的人。但喬伊斯說生命是一種概念的論點是“完美的”。他同意定義生命的使命在某些方面是徒勞的。工作定義實際上只是一種語言上的便利。“我們試圖幫助美國宇航局找到外星生命，”他說。“我們不能在每一段都使用‘生命’這個詞而不定義它。”
科羅拉多大學博爾德分校的哲學家 卡羅爾·克萊蘭，她多年來一直在研究試圖界定生命的嘗試，她也認為精確定義生命的本能是誤導性的——但她還沒有準備好否認生命的物理現實。“得出生命沒有內在本質的結論與定義生命一樣為時過早，”她說。“我認為最好的態度是將通常被認為是生命明確標準的標準視為暫定標準。”
這張照片是用電子掃描顯微鏡拍攝的 ALH 84001 隕石，據說它是在 40 億年前在火星上形成的，後來最終到達地球。少數科學家認為照片中的鏈狀結構是石化的火星奈米細菌，但大多數研究人員持懷疑態度（圖片來源：美國宇航局，透過維基共享資源）
克萊蘭寫道，我們真正需要的是“一個經過充分證實、充分概括的生命理論”。她將類比到 16 世紀的化學家。在科學家們瞭解空氣、灰塵、酸和所有化學物質都是由分子組成之前，他們一直在努力定義水。他們可以列出它的特性——它是溼的、透明的、無味的、可凍結的，並且可以溶解許多其他物質——但直到研究人員發現水是兩個氫原子與一個氧原子鍵合時，他們才能夠準確地描述它。無論是鹹的、泥濘的、染色的、液體的還是冰凍的，水始終是 H20；它可能混有其他元素，但構成我們稱為水的物質的三部分分子始終存在。硝酸可能類似於水，但它不是水，因為這兩種物質具有不同的分子結構。克萊蘭說，為生命建立相當於分子理論的理論，需要更大的樣本量。她認為，到目前為止，我們只有一個生命的例子——地球上基於 DNA 和 RNA 的生命。想象一下，只觀察斑馬來嘗試建立一個關於哺乳動物的理論。克萊蘭總結說，這就是我們在試圖確定是什麼使生命成為生命時所處的情況。
我不同意。在其他行星上發現外星生命的例子無疑會擴充套件我們對我們稱之為生物體的物質如何運作以及它們最初如何進化的理解，但這些發現可能不會幫助我們制定革命性的新生命理論。16 世紀的化學家無法精確指出是什麼將水與其他物質區分開來，因為他們不瞭解它的基本性質：他們不知道每種物質都是由特定的分子排列組成的。相比之下，現代科學家確切地知道我們星球上的生物是由什麼組成的——細胞、蛋白質、DNA 和 RNA。將水、岩石和銀器的分子與貓、人和其��生物區分開來的不是“生命”，而是複雜性。科學家們已經擁有足夠的知識來解釋為什麼我們稱之為生物體的物質通常可以做我們稱之為無生物的大部分物質無法做到的事情——解釋細菌如何複製自身並迅速適應其環境，以及為什麼岩石不能——而無需宣稱生命是這個，非生命是那個，兩者永遠不會相遇。
將生命視為一種概念絕不會剝奪我們稱之為生命的輝煌。這並不是說生物和無生物之間沒有物質上的差異；相反，我們永遠不會找到兩者之間清晰的界限，因為生命和非生命作為不同類別的概念正是如此——一種概念，而不是現實。小時候讓我著迷的關於生物的一切，現在仍然讓我感到同樣的驚奇，即使我對生命有了新的理解。我認為真正將我們說活著的物質結合在一起的，不是這些物質本身固有的任何特性；相反，是我們對它們的感知，我們對它們的愛，以及——坦率地說——我們的傲慢和自戀。
首先，我們宣佈地球上的一切都可以分為兩類——有生命的和無生命的——我們認為哪一類更優越，這已不是秘密。然後，我們不僅把自己歸入了第一類，還進一步堅持用我們自己來衡量地球上所有其他的生命形式。某事物與我們越相似——它越能移動、說話、感覺、思考——對我們來說它就越有生命，即使構成人類的特定屬性顯然不是成為“活物”的唯一方式（或者，從進化角度來說，甚至不是最成功的方式）。
事實上，我們稱之為生命的東西，如果沒有我們視為無生命的東西，是不可能存在的，也是不可分割的。如果我們能夠以某種方式看到我們星球的潛在現實——同時理解其從微觀到宏觀的各個尺度的結構——我們就會看到世界是由無數粒沙子組成，一個巨大的顫動的原子球。正如人們可以在海灘上將數千粒幾乎相同的沙子塑造成城堡、美人魚或任何可以想象的東西一樣，組成地球上一切事物的無數原子不斷聚集和分解自身，創造出一種不斷變化的物質萬花筒。其中一些粒子群就是我們命名的山脈、海洋和雲；另一些是樹木、魚類和鳥類。一些會相對惰性；另一些會以令人難以置信的速度和令人費解的複雜方式變化。一些會是過山車，另一些會是貓。