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阅读 9937 次 历史版本 2个 创建者:看好中文百科 (2010/3/11 3:20:29)  最新编辑:看好中文百科 (2010/3/11 3:34:04)
生命
拼音:shēng mìng
英文:life
  生命,泛指有机物构成的一个或多个细胞组成的一类具有稳定的物质和能量代谢现象(能够稳定地从外界获取物质和能量并将体内产生的废物和多余的热量排放到外界)、能回应刺激、能进行自我复制繁殖)的半开放物质系统。具有以上特征的个体均被视为生物,不过并非所有对生命的定义都以上述条件为标准。例如新陈代谢和自我复制的能力有时被视判断生命的根本条件,我们称之为生命现象病毒在有寄主可寄生的时候,会表现出生命现象;但在没有寄主可寄生的时候,不会表现生命现象,所以病毒是介于生命与无生命之间的一种奇妙的生物。

  生命个体通常都要经历出生成长死亡。生命种群则在一代代个体的更替中经过自然选择发生进化以适应环境。

概述


生命历程
  生命没有公认定义。不同的科学家提出过各种定义,但如何以明确的词汇定义生命对科学家来说仍然是一个难题。

  生命是生物体所显现的种种现象的总的抽象概念。从古至今随着人们对这些现象的逐步理解,生命的概念也在不断地改变。现代常用的定义即生命是生物体所表现的自身繁殖、生长发育、新陈代谢(与环境进行物质和能量交换)、遗传变异以及对刺激的反应等的复合现象。但这些复合现象中任一单一现象都不是生物所特有的。从“物质和能量交换”来说,非生命的火焰不断把燃料变成其他物质,进行着剧烈的物质和能量交换,在有足够燃料供应的情况下,它也会“繁殖”,但人们并不认为它有生命。相反在适当条件下保存着的种子(如古莲子)在一个长时间内可以没有物质和能量交换,但仍然具有生命,因为环境适宜它就会萌发。“生长”也是一样,无机的晶体在形成的时候(如水结冰),就有一个生长的过程;相反,有些生命体并不总在生长,有的一旦形成,大小就不变了。“繁殖”也不是生命体独具的特征,凡是有自催化过程的反应系统都有繁殖现象,如一些核反应;而有些生命体由于生殖系统的先天缺陷也不能繁殖(如骡子)。至于说到外界刺激会引起反应这一点,自从有了机器,特别如计算机以后,那也就不能认为是生命所特有的性质了。

  科学家经常认为只有生物体会展现以下全部现象:

  1.体内平衡:能够调节体内环境以维持身体处于一个相对恒定的状态,例如恒温动物能发汗来降低过热的体温,也能靠发抖来产生额外的热量以保持体温。
  2.组织性:由一个或以上的生物基本单位──细胞所组成。
  3.新陈代谢:能够转换非生物为细胞成分(组成代谢)以及分解有机物(分解代谢)来获取和转化能量。生物体需要能量来维持体内平衡及产生其他生命现象。
  4.生长:使组成代谢的速率高于分解代谢的速率来让细胞体积增大,并在细胞分裂后使细胞成长。一个生长中的有机体增加其细胞的数量和体积,而不止是将得到的物质积存起来。某些物种的个体可以长得很巨大,例如蓝鲸。
  5.适应:对环境变化作出反应的能力,与生物当前的身体构造、生活习性及遗传有关。这种能力对生存是很重要的。生物可以通过进化适应环境。
  6.对刺激作出反应:反应可以以很多方式进行,从单细胞变形虫被触碰时的收缩到高等生物在不同情况下的复杂反射。最常见的反应是运动,例如植物的叶片转向太阳以及动物追捕其猎物。
  7.繁殖:能够产生新的个体。包括只需一个亲本的无性生殖和需要至少两个亲本的有性生殖。

  大部分科学家称这样的现象为生命的表现方式。通常必须具备全部七个特征才能当作为生命。

生命
  但是,这个定义也有局限性。例如:有些生物体不能繁殖,因为它们是正常物种中自然形成的生殖器官发育不全的类型(例如工蚁、工蜂),或者它们的生殖器官受到了破坏(比如宦官),或者它们是种间杂种而不能产生后代(例如骡、狮虎兽)。这些生物体仍是生命。有些人说生命的特性是可遗传的;因此,这些不能繁殖的有机体也还是有生命的,它们仍可以通过亲属选择等机理来产生新个体。

  有些人认为病毒和朊毒体(能够进行自我复制的蛋白质)是可以自行复制的毒素而不是生命体,因为它们不能在没有其他细胞的情况下表现出生命现象。但是,立克次体和衣原体等有类似细菌的细胞结构的生物也不能独立执行很多重要的生化过程,它们也要进入真核生物宿主细胞的细胞质内进行生长和自我复制。另外,几乎所有的生命都倚赖其他物种提供食物,并且归根结底需要地球上某些细胞的特殊化学作用来提供能量源,如光合作用和海底热泉细菌的硫化作用。

  具系统性的生命定义是,生物是自我组织并自我制造的。这些物质不与耗散结构混淆(如:火)。

  这个定义变种包括了Stuart Kauffman定义生命为能够复制自己或他人的一种autonomous agent或一种multi-agent system,并最少完成一次热力学循环。

    其他定义包括:

  生命是具自我组织,自相残杀的系统的特征,而其中包含了可以突变的族群。这定义不包括某些哲学定义为有生命的火焰,但包括了工蚁、病毒和骡。自我复制以及能量消耗只是系统要保持延续的方法之一。这解释了为何蜂有生命但又会为了保护蜂巢而自杀。在这个个案中整个群体运作的方式与生物无异。

  一种制造不同且可变复杂性的互动物质组织,透过利用物质和能量复制“接近完美”的个体。这个定义中的“接近完美”便是复制中有利于使生物适应环境的突变。

生命的哲学定义


生命之河
  在哲学上,生命是生物的组成部分,是生物具有的生存发展性质和能力,是生物的生长、繁殖、代谢、应激、进化、运动、行为表现出来的生存发展意识,是人类通过认识实践活动从生物中发现、界定、彰显、抽取出来的具体事物和抽象事物。

生命的本质


  生命是条件产物,从出生到成长,到衰老,死亡, 整个过程的完成都时时伴随着各种条件,有些条件具备延续生命则为福,有些条件具备结束生命则为祸。生命于自然,社会中就处于自我选择,自然选择,社会选择。

  生物是具有生命、生存意识、生存性能的自然物体。生命和生物既相互对立又相互统一,生命、生存发展性能、生存发展意识是生物具有的本质、属性、规定和规律,是生物的组成部分和组成元素。

  生物是非生物长期运动变化产生的结果。自然事物普遍具有相互作用相互影响的性质和能力,当一个非生物经过长期复杂的相互作用、相互影响的过程,逐步形成了自主的生存发展性质和能力,形成了自主的生存发展意识的时候,一个具有生命的生物就产生了。

  生命、自主生存性能、自主生存意识是特殊形式的自然规律和自然意识。意识是自然事物具有的存在、运动、变化的性能、趋势和规律。生物是自然规律、自然意识和物组成的统一体,是包含存在、运动、变化性能、趋势、规律,包含生存意识的自然事物。

  生物的生长、发育、繁殖、代谢、应激、运动、行为是生命、生存发展性能、生存意识的表现形式。我们通过观察一个自然物体的存在和表现形式,就可以判断出这个物体是否具有生命,是否具有自主的生存发展性质和能力,是否具有自主的生存发展意识,是生物还是非生物。

生命是具体事物和抽象事物组成的对立统一体


  生命是生物的组成部分和组成元素,是人通过认识实践活动从一般生物和个别生物中发现、界定和抽取出来的,包含两个对立组成部分的抽象事物。

  生命首先是人通过认识实践活动从各种生物中的发现、界定、彰显、抽取出来的共性规定。生命其次是人通过认识实践活动从个别生物中的发现、界定、彰显、抽取出来的个性规定。

  经验告诉我们,虽然不同的生物个体都具有共同的自主生存性质和生存意识,但是不同生物个体所具有的自主生存能力是不同的,不同生物所具有的生命活力、不同生物个体所具有的生命都具有特殊性。

  世界上既不存在两个完全相同或完全不同的事物、两片完全相同或完全不同的雪花,也不存在两个完全相同或完全不同的生命。

  生命是生物共同具有的生存发展性质和分别具有的生存发展能力综合组成的事物,是普遍性规定和特殊性规定组成的对立统一体。

  生命既是依存在生物中作为生物组成部分或元素存在的抽象事物,也是有自身多种规定组成的独立整体,是有别于生物及其它事物、相对独立存在的具体事物。

  时间、空间、价值是一切事物具有的一般规定和内容,也是生命具有的一般规定和内容。任何事物都是处在一定时空之中的事物,都具有相互作用相互影响的性能,都是对人类的生存发展具有价值的事物。任何生命都是处在一定时空之中的生命,都是对人类生存发展具有一定价值、一定意义的生命。

  个人生命的价值和意义是有差别的,一个人只要努力奋斗、顽强拼搏就能充分发挥和展现自己生命的价值和意义。

  生命是一个事物,是一个对立统一体或矛盾体。生命是生物的组成部分和组成元素,是世界大家庭里的一个成员,是具体事物和抽象事物、特殊性规定和普遍性规定、时间和空间、正价值和负价值组成的对立统一体或矛盾体。

恩格斯关于生命的定义


  恩格斯在《反杜林论》中给生命下了一个定义:生命是蛋白体的存在形式,这个存在形式的基本因素在于和它周围外部自然界不断地新陈代谢,而且这种新陈代谢一旦停止,生命就随之停止,结果便是蛋白质的分解。

  恩格斯的这个定义是在批判杜林的生命定义的基础上提出来的。杜林曾把生命定义为细胞的新陈代谢活动。恩格斯认为,高级的生物确是由简单的类型“细胞”组成的,但有低于细胞的生物,它们和高级的生物相联系,只是因为它们的基本组成部分是蛋白质,从而它们执行着蛋白质的职能——生和死。

  恩格斯的生命定义是和他关于物质的运动形式的思想是统一的。恩格斯认为自然界存在五种运动形式:即机械运动、物理运动、化学运动、生命运动和社会运动。这五种运动形式从历史的角度看,反映了自然界演化发展的顺序,每一种后面的运动形式都是由前面的运动形式演化来的。不同的运动形式有不同的物质承担者,有不同的运动规律,高级的运动形式包含低级的运动形式。生命运动是一种高级的运动,它是由化学运动发展而来的,它的物质承担者及其运动规律都不同于化学运动,但生命运动包含化学运动。恩格斯当时非常强调自然界的连续性。如果把生命定义为细胞结构之上的活动,就难以解释生命的起源问题。恩格斯特别重视从无机界到有机界的辩证发展过程,所以恩格斯选择了蛋白体作为生命活动的物质。

  恩格斯所理解的蛋白体和现在所说的蛋白质是不同的。他说:“在这里,蛋白体是按照现代化学的意义来理解的,现代化学把构造上类似普通蛋白或者也称为蛋白质的一切东西都包含在蛋白体这一概念之内,这个名称是不恰当的,因为普通蛋白在一切和它相近的物质中,是最没有生命的,起着最被动的作用,它和蛋类一起仅仅是胚胎发育的养料,但是在蛋白体的化学构造还一点也不清楚的时候,这个名称总比一切其它名称好些,因为它比较一般。可见,恩格斯所指的蛋白体是广义的,它甚至不是现化意义上的一种高分子,而是一个物质系统。恩格斯在不同场合用这个词,他有时甚至把细胞 也叫“蛋白质小块”。比如他说:“一切有机体,除了最低级的以外,都是由细胞构成的,都由很小的,只有经过高度放大才能看到的,内部具有细胞核的蛋白质小块构成的。 总之,恩格斯把生命和蛋白体等价。生命是“蛋白质所固有的,生来具备的,没有这种过程,蛋白质就不能存在。 20世纪前半叶,随着生物化学的研究进展,人们对蛋白质的结构和功能有了越来越清楚地了解,蛋白质形态复杂,功能各异,在生命活动过程中的作用异常重要。所有这些使得很多人更加坚信生命的分子基础就是蛋白质。

  恩格斯说的“蛋白体”就是指核酸和蛋白质。也就是说没有蛋白质就没有生命。由此从根本上否定了上帝造人的神创说。恩格斯的生命定义在一定程度上揭示了生命的物质基础,即具有新陈代谢功能的蛋白体。100年来,这个定义一直指导人们认识生命的思想武器。

  恩格斯并且大胆地提出,既然生命是物质运动的高级形式,那么只要条件合适,生命之花当然也可以在别的星球上开放。现代天文学家肯定了这种说法。

生命的生物学定义


  生命是生物体所表现出来的自身繁殖、生长发育、新陈代谢、遗传变异以及对刺激产生反应等复合现象。

  物理学家普里高津的耗散结构学说从物理角度为探索生命本质给予新的启示:生命是一个耗散结构,任何生命都要与外界环境不断地交换物质和能量,否则生命就会导致死亡。生物微观层次上的一些变化,比如遗传基因的合成、糖的代谢等,都与耗散结构理论相吻合并可用此理论进行解释。

  生命是由高分子的核酸蛋白体和其他物质组成的生物体所具有的特有现象。与非生物不同,生物能利用外界的物质形成自己的身体和繁殖后代,按照遗传的特点生长、发育运动,在环境变化时常表现出适应环境的能力。

生命的分子生物学定义


  生命是有核酸和蛋白质等物质组成的分子体系,它具有不断繁殖后代以及对外界产生反应的能力。可以通过列举生物的一些变化和特征来认识生命:

化学成分的同一性


  从元素成分来看,在已经发现的一百一十余种化学元素中,各类生物体所必需的元素差不多都是特定的一二十种,其中C、H、O、N、P、S、Ca、Mg、K占了绝对多数。

  从分子成分来看,生物体的重要特征在于,它们基本都含有被称作生物分子的蛋白质、核酸、脂质、糖、维生素等有机物,这些有机分子在各种生物中有着相同的结构模式和功能。如一切生物的遗传物质都是DNA和RNA,生命体内其催化作用酶都是各种蛋白质,各种生物都利用高能化合物(ATP、NADH...)等,都说明生物界在化学成分上存在高度同一性。

严整有序的结构


  生物体的各种化学成分在体内不是随机堆砌在一起的,而是严整有序的。生命的基本单位是细胞(病毒、类病毒、朊病毒等是否属于生命范畴至今存在争论,但它们都需要在细胞结构内才能正常完成生命活动)。细胞内的各结构单元都有特定的结构和功能。生物大分子,无论多复杂,还不是生命,只有当大分子组成一定的结构,或形成细胞这样一个有序的系统,才能表现生命。失去有序性,如将细胞打成匀浆,生命也就完结了。

  生物界是一个多层次的有序结构。细胞之上还有组织、器官、系统、个体、种群、群落、生态系统等层次。每一个层次中的各个结构单元,如人体九大系统中的各器官,都有它们各自特定的结构和功能,它们的协调活动构成了复杂的生命系统。

新陈代谢


  生物体是开放系统,生物体和周围环境不断进行着物质的交换和能量的流动。一些物质被生物体吸收后,在其中发生一系列变化,成为最终产物而被排出体外,这被称作新陈代谢。新陈代谢是严整有序的过程,是一系列酶促化学反应所组成的反应网络。如果代谢过程的有序性被破坏,如某些环节被阻断,全部代谢过程就可能被打乱,生命就会受到威胁,甚至可以导致生命终结。

应激性


  生物能接受外界刺激而发生反应。包括感受刺激和反应两个过程。反应的结果是使生物“趋利避害”。在一滴草履虫悬液中滴一小滴醋酸,草履虫就纷纷游开;一块腐肉可以招来苍蝇;植物茎尖向光生长,这都是应激性。应激性是生物的普遍特性。但动物的应激性表现及较明显,更富有多样性。动物的感觉器官和运动器官是应激性高度发展的产物。

稳态


  100多年前,贝尔纳(C. Bernard)发现,尽管外界环境波动很大,哺乳动物总有某些机制使其内环境维持不变,后来坎农(W. B. Cannon)把这一概念加以发展名为稳态。后来发现,不仅仅哺乳动物,所有的生物体,细胞,群落以至生态系统,在没有激烈的外界因素的影响下,也都是稳定的,他们各有自己特定的机制来保证自身动态的稳定。

生长发育


  生物都能通过代谢而生长发育。一粒种子可以成为大树,一只蝌蚪可以成为青蛙。虽然环境条件可以影响生物的生长发育,但每种生物的生长发育都是按照一定尺寸范围、一定的模式和稳定的程序进行的。

遗传变异和进化


  任何一个生物个体都不能长期存在,他们通过生殖产生子代使生命得以延续。子代与亲代之间在形态构造、生理机能上的相似便是遗传的结果。而亲子之间的差异现象由变异导致。而生物从约38亿年前至今,由简单到复杂,由低级到高级的演变过程便是进化的结果。

适应


  每一种生物都有自己特有的生活环境,特定的结构和功能总是适合于在这种环境条件下的生存和延续。例如,鱼腮的结构适合鱼在水中呼吸,陆地脊椎动物的肺结构则适应陆地呼吸作用。适应是生命特有的现象。

  任何一种生物对所处环境的适应总是相对的。同种个体由于遗传和表型上的差异,对环境的适应也总是存在程度上的差别。只要存在这种差别,哪怕是很轻微的,自然选择就会发生作用,推动群体向更适应环境的方向进化。

生命观


  古希腊的哲学家倾向于把一切尚不了解的产生运动的原因称之为“力”。以后的学者们就借用了这个“力”的概念,研究了各种运动,如物理学中的“引力”、“电磁力”,化学中的“亲和力”等。他们的研究取得了很多成果,但是至今还没有弄清楚古希腊哲学家很早就提出的所谓“活力”或“生命力”是什么。中国古代的哲学家倾向于把尚不了解的产生运动的原因归之为“气”。生命被看做是“气”的活动。例如,“人之生也,气之聚也,聚则为生,散则为死。……故曰通天下一气耳”。“气”也是不明确的概念,不同的学者有很不同的解释。其中与现代科学比较接近、有唯物主义倾向的解释如:“人之生,其犹冰也,水凝而为冰,气积而为人。”这里把生命的形成比做水结冰的过程,这种观点与现代科学近似之处在于它强调了生命的有序性。也有把生命比做火的,如:“人含气而生,精尽而死,死犹澌,灭也。譬如光焉,薪尽而火灭,则无光矣。故灭火之余,无遗炎矣;人死之后,无遗魂矣。”这种观点则强调生命是一个物质代谢过程。正因为如此,所以中国古代哲学家把生命看做一个物质运动过程,常把生与死联系起来讨论,这也是中国哲学思想的特点,例如“有血脉之类,无有不生,无生不死,以其生,故知其死也”把生命看作是与死亡对立的。

  现代科学出现后,人们就对自然现象分门别类地研究,各门学科从不同的角度来研究生命,因此看法也不尽相同。20世纪50年代以前,人们从所有生命形态的共同表面特征归纳出一个“生命”的定义认为:生命是一个具有与环境进行物质和能量交换(即新陈代谢)、生长繁殖、遗传变异和对刺激作出反应的特性的物质系统。这种类型的定义,描述了生命活动的一般特征,具有一定的认识价值。但是随着科学的发展,愈来愈觉得这种定义有很大的局限性。因为所有这些特征都可以有一些例外。
  
  根据分子生物学的研究,人们对构成生命活动的基本物质有了比较详细的了解。生命体的形状、大小和结构可以千差万别,但它们都是由脱氧核糖核酸(DNA)、核糖核酸(RNA)和蛋白质等大分子为骨架构成的。

  DNA是由4种不同的叫做脱氧核苷酸的小分子(单体),按一定的排列次序组成的一条非常长的分子链。例如大肠杆菌的 DNA就是由约两千万个脱氧核糖核苷酸分子组成的长链。在各种不同形式的生命体中,DNA相当于同样字母写出的长短不同、排列次序不同、因而意义也不同的书。RNA也是由4种不同的叫做核糖核苷酸的单体连接而成的分子链。其情况与DNA相似,但链较短。各种不同形式的生命体中有着各式各样长短不一的 RNA。蛋白质是由20种不同的氨基酸单体按照一定次序连接起来的长链分子。各种不同形式的生命体中具有各式各样的单体排列次序的长短不同的蛋白质链,链的折叠、卷曲形状也各不相同。总之各种生物的DNA、RNA和蛋白质都分别由4种脱氧核苷酸、4种核糖核苷酸和20种氨基酸单体组成,也就是说它们都是由通用的“元件”组成的。这些核酸、蛋白质在各种生物的生命活动中所起的作用也基本相同。

  由于DNA可以自身复制,因而使生命物质具有繁殖和遗传的能力;由于DNA能通过转录和翻译决定RNA及蛋白质的结构,从而控制了生物的形态结构和生理功能;而复制、转录及翻译这些过程又都需有蛋白质酶及 RNA参与。这样,就有了一个分子生物学的生命定义:生命是由核酸和蛋白质特别是酶的相互作用产生的、可以不断繁殖的物质反馈循环系统。这种说法是对生命物质的微观结构及其运动过程的描述。它概括了分子生物学的一些重要的理论突破,但仍然有一些界限不清楚的地方。自然界有一类东西称为病毒,病毒是由核酸链和蛋白质外壳构成的,单独存在时,好象是一种纯粹的化学物质,并可结晶;但一旦进入了活的特定的宿主细胞中,就可利用宿主细胞内的单体和能量的供应,以及复制、转录和翻译的“机器”自我繁殖。近来又发现一些被称为质粒的物质。它更为简单,只是一些裸露的环状核酸,但可进出于活细胞之间,利用活细胞内的复制“机器”自我繁殖。此外,类病毒也有类似的情况。这些物质是否具有生命,目前还有争论。有人认为,只要能够控制自身繁殖和遗传变异并对进化力量独立作出反应的都应称之为生命。如果这样讲,那么病毒、噬菌体、质粒和类病毒之类的东西就都可为划生命物质。也有人认为,生命体必须能够独立自主地复制、转录、翻译和提供单体及所需的能源,而病毒、类病毒和质粒之类的东西是一种不完整的生命形态,它们都是寄生的,不能独立存在。但后一种观点也不能成为明确的生命定义的划分界限。因为生命体从来就不是一个孤立的存在物,它与周围环境以及与其他生命都有着不可分割的联系。这就使得什么是独立生活、什么是寄生生活失去了明确的意义。因此还需要从宏观的角度、也就是从生态学去研究生命观。

生态学的生命观

 
  就已知的事实看,在太阳系内,生命活动只见于地球的生物圈──由高约离地表20公里的大气层(当然不包括航天器中的生命),直至离地表十几公里的深处,这一相对说来不厚的空间构成。在生物圈内有的生命体具有叶绿素,可进行光合作用,称为自养生物,大部分植物、蓝藻和部分细菌属于这类生命体。还有一些生物没有叶绿素、不进行光合作用,必须依靠摄取自养生物或其他生物为食而生存,称为异养生物。真菌、动物(包括人在内),以及大部分细菌属于这类生命体。生物圈中的无机物质,通过了自养生物的光合作用,进入了生物体,以后部分通过自养生物自身的代谢活动而回到无机世界;部分为异养生物所摄取,通过代谢活动(包括呼吸、排泄等)又回到无机世界。而大部分植物秸秆和动物尸体最后都经腐生生物(异养生物)的降解作用而返回无机世界。这样就形成了生物圈内的物质运动循环。这种循环运动都是单方向进行,不可逆转。在这个循环运动中少了哪一环或哪一环不通畅,都会影响到整个生物界。没有自养生物或自养生物不足,异养生物当然难以生存;但只有自养生物,没有异养生物,大量有机物质积累后不能降解,也会阻塞自养生物继续生存的道路。

  从物质的简单形式来看,例如在大气中的以二氧化碳形式存在的碳元素,经过自养生物的光合作用,与水化合成糖类进入生命体内,部分经过自养生物自身的呼吸作用,重新成为二氧化碳回到大气中。其他部分又被各种异养生物所利用,通过它们的呼吸作用,回到无机世界。这样就形成了一个碳元素的循环。这个碳元素循环在生命体中还必须与其他很多元素(如氢、氧、氮、磷、硫等)的循环通过化学反应耦合起来,同时也推动了这些元素在空间进行循环运动。在生物圈内元素的循环运动网络中,有很多交点,这些交点所代表的生物个体的总和就是生物量。这种周而复始的循环运动,不仅在宏观的生物圈中存在,同时在生物体的微观运动中也是存在的。生态学把生命看作是上述生物圈中种种不可逆物质循环过程的中心环节。但它仅描述了生命的外部条件及其所处的地位,却未指明生命本身的质的特点。

生物物理学的生命观

 
  着重从物质运动的一般规律上指明生命特征。

有序和熵

 
  物质和能量是守恒的,地球与外界没有物质交换只有从太阳辐射得到能量,而又反射和辐射到太空之中。太阳辐射到地球上的能量与地球反射和辐射到太空中的能量相等。尽管地球的物质和能量都没有显著变化,但地球上各种元素由于与太阳辐射发生不同反应就可产生不同程度和不同方式的运动,即产生了上述的各种循环运动。这些运动导致了地球上物质的不均匀分布。因太阳辐射所造成的能量流动对地球的影响在一个长时期内是稳定的、有节奏的和有规律的。所以,地球上物质分布的不均匀性也是有节奏的和有规律的。这就产生了地球上物质分布和运动的有序状态。

活的生命体是个开放系统

 
  它与外界不仅有能量变换,而且有物质交换。生命体实际上是从环境中取得以食物形式存在的低熵状态的物质和能量,把它们转化为高熵状态并把废物排出体外,从而保持自身的熵处于比环境更低的水平,也就是维持着自身的有序状态。生命体的有序性从分子水平看就很明显。它们的大分子如核酸、蛋白质在各种细胞中都有一定的排列顺序,以至一个生态系统都有一定的空间结构。有序性不但表现在空间的分布上,也表现在生命体活动的规律上。它们都有一定的特性:生长、发育、生殖、衰老、死亡以及对外界刺激作出有规律的反应等。从热力学的观点看来,这些现象都出自太阳辐射的推动,但是太阳辐射仅仅是生命现象出现的外部条件。因为太阳系还有其他行星,它们都具备这个条件,但只有地球上有生命活动。生命的出现必然还有它自身的因素。

机械论与生机论

 
  对生命的起源与自主性问题即生命的本质问题,长期以来存在着争论。机械论有时也被称为还原论;认为生命现象可以用物理科学的规律加以阐明,高级复杂的规律可以还原为比较简单、更为基本的规律。机械论把生命看作是一种机器,并且在不同时期采取不同的表达形式。16、17世纪钟表机械很时髦,有人就认为生物无非是像钟表那样的机器;19世纪发明了蒸汽机,又有人认为生物不过是个热机。现在则有很多人认为生物是个分子机器。生机论在生物学思想发展的各个历史时期也有不同的表达方式,但从本质上讲,都是以反对机械论的形式出现的。生机论总是在两个困难问题上责难机械论:

  1.如果生命是个机器,那么这个机器是怎样设计和产生出来的呢?谁是生命的设计者和制造者呢?如果没有设计者,生命体会自发地形成吗?
  2.如果生命是个机器,那么谁是司机?因为现在所有的机器,包括那些高度自动化的机械如机器人之类,归根结底都是受人类的指挥和控制的。如果没有司机,这架机器是不会启动并进行有目的的运转的。这两个问题的实质就是生命的起源与自主性的问题。

  20世纪40年代,奥地利物理学家E.薛定谔,在《什么是生命》一书中提出了“负熵”的概念。他认为生命的特征就在于生命体可以不断地从周围环境中取得“负熵”以对抗生命活动中不可避免的熵的增长。有些物理学家认为他的看法可能是解决“生命之谜”的线索;但另外一些物理学家则认为生命现象与已知的物理学规律是不相容的,至少以下两个方面就很难用已知的物理学规律阐明:
  
  1.生命体从受精卵发育为成熟的个体,它的结构和活动规律由简单变为复杂;从进化的角度看,生物体也经历了从低级形态变为高级形态的漫长过程。这两种过程都与热力学第二定律相违背。
  2.生命活动总表现出目的性,即在将来实现的事件对现在的运动有约束性。例如鸟现在筑巢,是为了几星期之后产卵的需要;一条虫爬上树,是为了去吃树叶;某些噬菌体长出几条尾丝,是为了把自己的DNA注射到宿主体内去等等。人类的活动更是充满了复杂的目的性。这种现象从表面上看来,是与已知的物理学规律完全相反的。物理学的规律服从因果律,即事物的运动是由初始条件决定的,现在的条件决定着将来运动的情况,而不是倒转过来。从这一点来看,已知的物理学规律似乎不能用来阐明生命现象。上述两点,正好与生物学中生机论用来责难机械论的两个论点相对应。只不过用了物理学的语言来表达罢了。

非线性动力学的生命观

 
  根据近30年来物理学、数学以及其他领域的研究进展,发现过去由牛顿力学为哲学背景建立起来的自然科学的思想基础(包括量子力学在内)都是有一定局限性的,是以线性叠加原理成立为前题的。但是自然界的各种现象中很多都是非线性的。在过去不论从数学上或物理学中都是认为这类非线性问题很困难而是无法解决的难题。由于近年来计算技术的发展和数学物理中的突破,出现了一大类的研究非线性问题的理论和方法,如“突变论”、“耗散结构”、“协同论”,分岔理论以及混沌现象等等。这些理论虽然问题提法,解决方法都不相同但是它们都是由于动力系统的非线性而产生。可以统称为非线性问题。简单地讲就是一个系统的性质不同于它的组成部分性质的叠加就是一个非线性系统。生物学中长期的争论如还原论和整体论、机械论与生机论,可从这个领域的发展中找到解决的方案。

  当一个系统的变化是非线性时,它的控制参数超越过了某个临界值,就会出现“对称性的破缺”。一个均匀的、对称的系统就变为不均匀的和不对称的系统,物质在空间中出现了不均匀的分布也就意味着出现了结构。这种结构的形成和维持是由于系统中各个组分以及与外界相互作用的非线性的性质才能实现。一旦各组分以及与外界的相互作用发生变化它们就可能解体,消失。所以有人称它为“耗散结构”因为它们的相互作用不断地耗散能量和物质。生命现象是一个典型的非线性动力系统,因此这方面的研究对生命的理解将有重要的贡献。

  生命现象是一个不断地对称性破缺的过程。从分子水平上看所有的核苷酸、绝大部分的氨基酸以及很多脂肪酸和其他分子都是“光学活性”分子即只有手性分子的镜像的一面,它的镜像异构分子在生物体中却不存在。这个特性从百多年前L.巴斯德发现以来直到现在是唯一的有无生命活动的经验判据。这也可能是宇宙不守恒的对称性破缺的结果。这些分子的相互作用构成了一系列的对称性破缺从而生成了有复制能力的对称性破缺的反应系统,从而导致生命现象的出现。

生命的起源


  尽管不能准确地找到确实时间,但有证据表现地球上的生命已存在了大约37亿年。

  虽然没有标准表示生命起源的模型,但现时最为公认的科学模型建立于一个或以上下面的发现之上,可以粗略地列出有以下假设:

  模拟真实的史前生物环境以制造形成生命的基本细小分子。这已由米勒-尤里实验以及Sidney W. Fox的工作所证明。
  磷脂自发地形成脂双层,而脂双层是细胞膜的基本结构。
  制造随机核糖核酸分子的过程可能制造出核酶,而可以在非常特殊的环境下制造更多核糖核酸。

  很多不同的假说认为早期地球上的简单有机分子能够转变为原始细胞并进行新陈代谢。很多模型可分为“先有基因”或“先有新陈代谢”两类,但最近流行的混合模型并不属于任何一类。现时所推测的生命历史还有很多疑点,生命的起源对科学家而言仍是一个很大的谜团。

生命的基本功能


自我调节


  自我调节是生命的一个本质属性。任何生命在其存在的每一瞬间,都在不断地调节自己内部的各种机能的状况,调整自身与外界环境的关系。高等生物的自我调节是多层次的,其中包括分子的、细胞的、整体的调节。即使是原核生物也有自我调节,而且它也是通过多种途径实现的。例如,细菌有能力合成许多自身所需要的分子,可是某一分子是否合成,合成的速度如何,则随自身内部状态与环境的不同而不同。细菌内部所需要的分子,既不过多地产生,也不感到缺乏,而是靠自身的调节机制完成的。某一分子合成途径中的第一个酶的结构基因兼有调节的功能,即第一个酶既有酶的功能,又起着阻遏蛋白的作用。在遗传学和生物化学中,这种功能被称为自我调节系统。这种调节系统最初是在沙门氏杆菌组氨酸生物合成中发现的,随后在噬菌体、霉菌、哺乳动物中也同样发现其存在。实际上,反馈抑制和诱导系统与阻遏系统的调节也可视为生物自我调节的方式。因为在反馈抑制中,生物合成途径中的第一个酶通过与代谢的终产物相结合而发生可逆性失活,使许多化合物的合成速率得到调节。在诱导系统和阻遏系统中,甚至酶本身的产生都受到调节。其间的差别在于:在诱导系统中,只有当底物存在时,才产生出为该底物所需要的酶,其方式是底物与阻遏物相结合并使阻遏物失活,从而打开结构基因,以诱导基因活性;在阻遏系统中,终产物抑制着酶的产生,其方式则是阻遏物与终产物相结合而被活化,然后与操纵基因相结合,从而关闭结构基因,以阻遏酶的产生。生物的许多调节系统都比较复杂,它们往往同时具有正向与反向的调节作用。机体的调节机制是自我完成的过程,而调节程序或指令是遗传下来的、本身固有的,因而这类自我调节系统为生命所独有。

自我复制


  自我复制是生命系统不同于化学系统的特征。狭义地说,自我复制是指DNA分子的解旋、两链分开,各自合成互补链,从而形成两个新的然而又相同的分子。广义地说,包括细胞分裂、繁殖在内。就根据而言,分裂、繁殖也是在分子复制基础上进行的;就结果来说,所形成的是两个相同的个体。由于生物繁殖有周期性,同时也由于疾病、杂交等原因会造成某些生物失去繁殖力,所以繁殖难以作为生命的基本属性。但自我复制则不同,只要不是处于解体状态下的生命,总存在自我复制。因此,它是贯串生命过程始终的属性。在离体实验中,细胞的裂解产物在一定条件下仍然维持 DNA的合成,某些单链 DNA在人为的条件下也可以转变为双链形式。然而,非生命系统自身却不能实现 DNA复制,尽管在人工条件下给予各种必要的核苷酸和解旋酶、聚合酶、连接酶等,DNA也能复制,但其造成的过程是短暂的。自我复制这种功能是生命系统固有的特点。

选择性反应


  对体内外环境的选择性反应是生命系统的又一重要特征。反应是非生命物质与生命物质都具有的属性。不同的是,发生于非生命物质中的物理的、化学的反应,都不是自我完成的过程。只有生物有机体才独立地发生反应,而且这种独立的反应是有选择性的,它受着有机体自身的控制,并随体内外环境条件的不同而不同。细胞与外界进行物质交换,固然也存在扩散与渗透作用,但是细胞膜吸收什么,排除什么,却有高度的选择性。一个明显的实例是,在细胞膜的主动运输中,物质逆浓度梯度而运转。又如,大肠杆菌既可利用葡萄糖,也可利用乳糖作为碳源。当环境中既有葡萄糖又有乳糖时,大肠杆菌的代谢反应首先利用的是葡萄糖而不是乳糖,这时只有组成酶系在起作用,而诱导酶系则是无关的。生物的选择性反应也是几个系统协调活动的结果。简单原核生物的反应是如此,高等生物的选择性反应更是如此。因为,高等生物体内存在各种不同的酶系,这些酶不仅以其高效率的催化为无机催化剂所不可比拟,而且具有严格的选择性。同时,生物体内酶的活性受到多方面因素的调节和控制,酶与酶之间、酶和别的蛋白质之间存在的相互作用,都会影响酶的活性,而且一个酶的产物对另一个酶的活性也有正的或负的影响。在外部行为上,生物的选择性反应表现得更为明显。例如,饱食状态下的动物对食物不发生反应;新奇的动因最初能引起动物的注意,但久而久之,其反应就变得很弱,等等。事实上任何生物对环境的反应都是有所反应,有所不反应,或者同一动因有时以这种反应形式,有时又以另一反应形式出现。

  自我调节、自我复制和独立的选择性反应是生命区别于非生命的特征。生命系统的这些特征,就其基础而言,无疑是物理化学过程,服从物理化学规律。可是,这些物理化学变化的结果,却转化为生命的东西,成为生命所特有的属性。虽然这三个基本属性的某一个,或某个属性的某些侧面,在无机界也可能存在,但只有在生命中这三个属性才有可能联系并相互结合在一个系统中。

生命的终结


  即死亡。以人类为例,呼吸及心脏跳动停止和脑部停止活动为判定死亡的标准。

  生命体的死亡可以是因为细胞分裂的次数达到极限而衰亡,也可以是被毒素、自然灾害或其他生物杀死。

  任何一个个体的死亡并不会威胁物种的存在,反而是维持物种延续的重要环节。如果年老的个体永远不死,新的个体会失去生存空间和生存必需的资源。但个体大量死亡至难以维持繁殖时,物种就可能灭绝。

  已经死亡的细胞不能重建生命活动。已经死亡的生物个体不能复活。这是生命的基本特征之一。

外星生命


    地球是人类在宇宙中唯一已知有生命存在的星球。德雷克公式可以估算其他地方出现生命的机率,但科学家不同意很多公式中变量的值(严格地说,德雷克公式计算的是处于银河系中且我们可能接触的外星生物的数量,而不是有生命的机率)。取决于不同的值,方程式可以暗示生命的形成是频繁或稀少的。德雷克计算我们在任何时间可能接触的外星生命只有1个。

  有关地球生命的起源,胚种论和exogenesis认为生命来自宇宙,通过陨石、彗星或宇宙尘等天体到达地球。但是这些理论对解释外星生命的起源没有帮助。

美国宇航局宣布,火星的冰层下很可能存在生命,它们释放出的甲烷气体在火星表面形成了一层薄雾















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