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阅读 10276 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,泛指有機物構成的一個或多個細胞組成的一類具有穩定的物質和能量代謝現象(能夠穩定地從外界穫取物質和能量並將體内產生的廢物和多餘的熱量排放到外界)、能回應刺激、能進行自我複制繁殖)的半開放物質系統。具有以上特征的個體均被視爲生物,不過並非所有對生命的定義都以上述條件爲標准。例如新陳代謝和自我複制的能力有時被視判斷生命的根本條件,我們稱之爲生命現象病毒在有寄主可寄生的時候,會表現出生命現象;但在沒有寄主可寄生的時候,不會表現生命現象,所以病毒是介於生命與無生命之間的一種奇妙的生物。

  生命個體通常都要經歷出生成長死亡。生命種群則在一代代個體的更替中經過自然選擇發生進化以適應環境。

概述


生命曆程
  生命沒有公認定義。不同的科學家提出過各種定義,但如何以明確的詞匯定義生命對科學家來說仍然是一個難題。

  生命是生物體所顯現的種種現象的總的抽象概念。從古至今隨着人們對這些現象的逐步理解,生命的概念也在不斷地改變。現代常用的定義即生命是生物體所表現的自身繁殖、生長發育、新陳代謝(與環境進行物質和能量交換)、遺傳變異以及對刺激的反應等的複合現象。但這些複合現象中任一單一現象都不是生物所特有的。從“物質和能量交換”來說,非生命的火焰不斷把燃料變成其他物質,進行着劇烈的物質和能量交換,在有足夠燃料供應的情況下,它也會“繁殖”,但人們並不認爲它有生命。相反在適當條件下保存着的種子(如古蓮子)在一個長時間内可以沒有物質和能量交換,但仍然具有生命,因爲環境適宜它就會萌發。“生長”也是一樣,無機的晶體在形成的時候(如水結冰),就有一個生長的過程;相反,有些生命體並不總在生長,有的一旦形成,大小就不變了。“繁殖”也不是生命體獨具的特征,凡是有自催化過程的反應系統都有繁殖現象,如一些核反應;而有些生命體由於生殖系統的先天缺陷也不能繁殖(如騾子)。至於說到外界刺激會引起反應這一點,自從有了機器,特别如計算機以後,那也就不能認爲是生命所特有的性質了。

  科學家經常認爲隻有生物體會展現以下全部現象:

  1.體内平衡:能夠調節體内環境以維持身體處於一個相對恒定的狀態,例如恒溫動物能發汗來降低過熱的體溫,也能靠發抖來產生額外的熱量以保持體溫。
  2.組織性:由一個或以上的生物基本單位──細胞所組成。
  3.新陳代謝:能夠轉換非生物爲細胞成分(組成代謝)以及分解有機物(分解代謝)來穫取和轉化能量。生物體需要能量來維持體内平衡及產生其他生命現象。
  4.生長:使組成代謝的速率高於分解代謝的速率來讓細胞體積增大,並在細胞分裂後使細胞成長。一個生長中的有機體增加其細胞的數量和體積,而不止是將得到的物質積存起來。某些物種的個體可以長得很巨大,例如藍鯨。
  5.適應:對環境變化作出反應的能力,與生物當前的身體構造、生活習性及遺傳有關。這種能力對生存是很重要的。生物可以通過進化適應環境。
  6.對刺激作出反應:反應可以以很多方式進行,從單細胞變形蟲被觸碰時的收縮到高等生物在不同情況下的複雜反射。最常見的反應是運動,例如植物的葉片轉向太陽以及動物追捕其獵物。
  7.繁殖:能夠產生新的個體。包括隻需一個親本的無性生殖和需要至少兩個親本的有性生殖。

  大部分科學家稱這樣的現象爲生命的表現方式。通常必須具備全部七個特征才能當作爲生命。

生命
  但是,這個定義也有局限性。例如:有些生物體不能繁殖,因爲它們是正常物種中自然形成的生殖器官發育不全的類型(例如工蟻、工蜂),或者它們的生殖器官受到了破壞(比如宦官),或者它們是種間雜種而不能產生後代(例如騾、獅虎獸)。這些生物體仍是生命。有些人說生命的特性是可遺傳的;因此,這些不能繁殖的有機體也還是有生命的,它們仍可以通過親屬選擇等機理來產生新個體。

  有些人認爲病毒和朊毒體(能夠進行自我複制的蛋白質)是可以自行複制的毒素而不是生命體,因爲它們不能在沒有其他細胞的情況下表現出生命現象。但是,立克次體和衣原體等有類似細菌的細胞結構的生物也不能獨立執行很多重要的生化過程,它們也要進入真核生物宿主細胞的細胞質内進行生長和自我複制。另外,幾乎所有的生命都倚賴其他物種提供食物,並且歸根結底需要地球上某些細胞的特殊化學作用來提供能量源,如光合作用和海底熱泉細菌的硫化作用。

  具系統性的生命定義是,生物是自我組織並自我制造的。這些物質不與耗散結構混淆(如:火)。

  這個定義變種包括了Stuart Kauffman定義生命爲能夠複制自己或他人的一種autonomous agent或一種multi-agent system,並最少完成一次熱力學循環。

    其他定義包括:

  生命是具自我組織,自相殘殺的系統的特征,而其中包含了可以突變的族群。這定義不包括某些哲學定義爲有生命的火焰,但包括了工蟻、病毒和騾。自我複制以及能量消耗隻是系統要保持延續的方法之一。這解釋了爲何蜂有生命但又會爲了保護蜂巢而自殺。在這個個案中整個群體運作的方式與生物無異。

  一種制造不同且可變複雜性的互動物質組織,透過利用物質和能量複制“接近完美”的個體。這個定義中的“接近完美”便是複制中有利於使生物適應環境的突變。

生命的哲學定義


生命之河
  在哲學上,生命是生物的組成部分,是生物具有的生存發展性質和能力,是生物的生長、繁殖、代謝、應激、進化、運動、行爲表現出來的生存發展意識,是人類通過認識實踐活動從生物中發現、界定、彰顯、抽取出來的具體事物和抽象事物。

生命的本質


  生命是條件產物,從出生到成長,到衰老,死亡, 整個過程的完成都時時伴隨着各種條件,有些條件具備延續生命則爲福,有些條件具備結束生命則爲禍。生命於自然,社會中就處於自我選擇,自然選擇,社會選擇。

  生物是具有生命、生存意識、生存性能的自然物體。生命和生物既相互對立又相互統一,生命、生存發展性能、生存發展意識是生物具有的本質、屬性、規定和規律,是生物的組成部分和組成元素。

  生物是非生物長期運動變化產生的結果。自然事物普遍具有相互作用相互影響的性質和能力,當一個非生物經過長期複雜的相互作用、相互影響的過程,逐步形成了自主的生存發展性質和能力,形成了自主的生存發展意識的時候,一個具有生命的生物就產生了。

  生命、自主生存性能、自主生存意識是特殊形式的自然規律和自然意識。意識是自然事物具有的存在、運動、變化的性能、趨勢和規律。生物是自然規律、自然意識和物組成的統一體,是包含存在、運動、變化性能、趨勢、規律,包含生存意識的自然事物。

  生物的生長、發育、繁殖、代謝、應激、運動、行爲是生命、生存發展性能、生存意識的表現形式。我們通過觀察一個自然物體的存在和表現形式,就可以判斷出這個物體是否具有生命,是否具有自主的生存發展性質和能力,是否具有自主的生存發展意識,是生物還是非生物。

生命是具體事物和抽象事物組成的對立統一體


  生命是生物的組成部分和組成元素,是人通過認識實踐活動從一般生物和個别生物中發現、界定和抽取出來的,包含兩個對立組成部分的抽象事物。

  生命首先是人通過認識實踐活動從各種生物中的發現、界定、彰顯、抽取出來的共性規定。生命其次是人通過認識實踐活動從個别生物中的發現、界定、彰顯、抽取出來的個性規定。

  經驗告訴我們,雖然不同的生物個體都具有共同的自主生存性質和生存意識,但是不同生物個體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、不同生物個體所具有的生命都具有特殊性。

  世界上既不存在兩個完全相同或完全不同的事物、兩片完全相同或完全不同的雪花,也不存在兩個完全相同或完全不同的生命。

  生命是生物共同具有的生存發展性質和分别具有的生存發展能力綜合組成的事物,是普遍性規定和特殊性規定組成的對立統一體。

  生命既是依存在生物中作爲生物組成部分或元素存在的抽象事物,也是有自身多種規定組成的獨立整體,是有别於生物及其它事物、相對獨立存在的具體事物。

  時間、空間、價值是一切事物具有的一般規定和内容,也是生命具有的一般規定和内容。任何事物都是處在一定時空之中的事物,都具有相互作用相互影響的性能,都是對人類的生存發展具有價值的事物。任何生命都是處在一定時空之中的生命,都是對人類生存發展具有一定價值、一定意義的生命。

  個人生命的價值和意義是有差别的,一個人隻要努力奮鬥、頑強拼搏就能充分發揮和展現自己生命的價值和意義。

  生命是一個事物,是一個對立統一體或矛盾體。生命是生物的組成部分和組成元素,是世界大家庭里的一個成員,是具體事物和抽象事物、特殊性規定和普遍性規定、時間和空間、正價值和負價值組成的對立統一體或矛盾體。

恩格斯關於生命的定義


  恩格斯在《反杜林論》中給生命下了一個定義:生命是蛋白體的存在形式,這個存在形式的基本因素在於和它周圍外部自然界不斷地新陳代謝,而且這種新陳代謝一旦停止,生命就隨之停止,結果便是蛋白質的分解。

  恩格斯的這個定義是在批判杜林的生命定義的基礎上提出來的。杜林曾把生命定義爲細胞的新陳代謝活動。恩格斯認爲,高級的生物確是由簡單的類型“細胞”組成的,但有低於細胞的生物,它們和高級的生物相聯繫,隻是因爲它們的基本組成部分是蛋白質,從而它們執行着蛋白質的職能——生和死。

  恩格斯的生命定義是和他關於物質的運動形式的思想是統一的。恩格斯認爲自然界存在五種運動形式:即機械運動、物理運動、化學運動、生命運動和社會運動。這五種運動形式從歷史的角度看,反映了自然界演化發展的顺序,每一種後面的運動形式都是由前面的運動形式演化來的。不同的運動形式有不同的物質承擔者,有不同的運動規律,高級的運動形式包含低級的運動形式。生命運動是一種高級的運動,它是由化學運動發展而來的,它的物質承擔者及其運動規律都不同於化學運動,但生命運動包含化學運動。恩格斯當時非常強調自然界的連續性。如果把生命定義爲細胞結構之上的活動,就難以解釋生命的起源問題。恩格斯特别重視從無機界到有機界的辯證發展過程,所以恩格斯選擇了蛋白體作爲生命活動的物質。

  恩格斯所理解的蛋白體和現在所說的蛋白質是不同的。他說:“在這里,蛋白體是按照現代化學的意義來理解的,現代化學把構造上類似普通蛋白或者也稱爲蛋白質的一切東西都包含在蛋白體這一概念之内,這個名稱是不恰當的,因爲普通蛋白在一切和它相近的物質中,是最沒有生命的,起着最被動的作用,它和蛋類一起僅僅是胚胎發育的養料,但是在蛋白體的化學構造還一點也不清楚的時候,這個名稱總比一切其它名稱好些,因爲它比較一般。可見,恩格斯所指的蛋白體是廣義的,它甚至不是現化意義上的一種高分子,而是一個物質系統。恩格斯在不同場合用這個詞,他有時甚至把細胞 也叫“蛋白質小塊”。比如他說:“一切有機體,除了最低級的以外,都是由細胞構成的,都由很小的,隻有經過高度放大才能看到的,内部具有細胞核的蛋白質小塊構成的。 總之,恩格斯把生命和蛋白體等價。生命是“蛋白質所固有的,生來具備的,沒有這種過程,蛋白質就不能存在。 20世紀前半葉,隨着生物化學的研究進展,人們對蛋白質的結構和功能有了越來越清楚地了解,蛋白質形態複雜,功能各異,在生命活動過程中的作用異常重要。所有這些使得很多人更加堅信生命的分子基礎就是蛋白質。

  恩格斯說的“蛋白體”就是指核酸和蛋白質。也就是說沒有蛋白質就沒有生命。由此從根本上否定了上帝造人的神創說。恩格斯的生命定義在一定程度上揭示了生命的物質基礎,即具有新陳代謝功能的蛋白體。100年來,這個定義一直指導人們認識生命的思想武器。

  恩格斯並且大膽地提出,既然生命是物質運動的高級形式,那麼隻要條件合適,生命之花當然也可以在别的星球上開放。現代天文學家肯定了這種說法。

生命的生物學定義


  生命是生物體所表現出來的自身繁殖、生長發育、新陳代謝、遺傳變異以及對刺激產生反應等複合現象。

  物理學家普里高津的耗散結構學說從物理角度爲探索生命本質給予新的啟示:生命是一個耗散結構,任何生命都要與外界環境不斷地交換物質和能量,否則生命就會導致死亡。生物微觀層次上的一些變化,比如遺傳基因的合成、糖的代謝等,都與耗散結構理論相吻合並可用此理論進行解釋。

  生命是由高分子的核酸蛋白體和其他物質組成的生物體所具有的特有現象。與非生物不同,生物能利用外界的物質形成自己的身體和繁殖後代,按照遺傳的特點生長、發育運動,在環境變化時常表現出適應環境的能力。

生命的分子生物學定義


  生命是有核酸和蛋白質等物質組成的分子體系,它具有不斷繁殖後代以及對外界產生反應的能力。可以通過列擧生物的一些變化和特征來認識生命:

化學成分的同一性


  從元素成分來看,在已經發現的一百一十餘種化學元素中,各類生物體所必需的元素差不多都是特定的一二十種,其中C、H、O、N、P、S、Ca、Mg、K占了絕對多數。

  從分子成分來看,生物體的重要特征在於,它們基本都含有被稱作生物分子的蛋白質、核酸、脂質、糖、維生素等有機物,這些有機分子在各種生物中有着相同的結構模式和功能。如一切生物的遺傳物質都是DNA和RNA,生命體内其催化作用酶都是各種蛋白質,各種生物都利用高能化合物(ATP、NADH...)等,都說明生物界在化學成分上存在高度同一性。

嚴整有序的結構


  生物體的各種化學成分在體内不是隨機堆砌在一起的,而是嚴整有序的。生命的基本單位是細胞(病毒、類病毒、朊病毒等是否屬於生命範疇至今存在爭論,但它們都需要在細胞結構内才能正常完成生命活動)。細胞内的各結構單元都有特定的結構和功能。生物大分子,無論多複雜,還不是生命,隻有當大分子組成一定的結構,或形成細胞這樣一個有序的系統,才能表現生命。失去有序性,如將細胞打成勻漿,生命也就完結了。

  生物界是一個多層次的有序結構。細胞之上還有組織、器官、系統、個體、種群、群落、生態系統等層次。每一個層次中的各個結構單元,如人體九大系統中的各器官,都有它們各自特定的結構和功能,它們的協調活動構成了複雜的生命系統。

新陳代謝


  生物體是開放系統,生物體和周圍環境不斷進行着物質的交換和能量的流動。一些物質被生物體吸收後,在其中發生一系列變化,成爲最終產物而被排出體外,這被稱作新陳代謝。新陳代謝是嚴整有序的過程,是一系列酶促化學反應所組成的反應網絡。如果代謝過程的有序性被破壞,如某些環節被阻斷,全部代謝過程就可能被打亂,生命就會受到威脅,甚至可以導致生命終結。

應激性


  生物能接受外界刺激而發生反應。包括感受刺激和反應兩個過程。反應的結果是使生物“趨利避害”。在一滴草履蟲懸液中滴一小滴醋酸,草履蟲就紛紛游開;一塊腐肉可以招來蒼蠅;植物莖尖向光生長,這都是應激性。應激性是生物的普遍特性。但動物的應激性表現及較明顯,更富有多樣性。動物的感覺器官和運動器官是應激性高度發展的產物。

穩態


  100多年前,貝爾納(C. Bernard)發現,盡管外界環境波動很大,哺乳動物總有某些機制使其内環境維持不變,後來坎農(W. B. Cannon)把這一概念加以發展名爲穩態。後來發現,不僅僅哺乳動物,所有的生物體,細胞,群落以至生態系統,在沒有激烈的外界因素的影響下,也都是穩定的,他們各有自己特定的機制來保證自身動態的穩定。

生長發育


  生物都能通過代謝而生長發育。一粒種子可以成爲大樹,一隻蝌蚪可以成爲青蛙。雖然環境條件可以影響生物的生長發育,但每種生物的生長發育都是按照一定尺寸範圍、一定的模式和穩定的程序進行的。

遺傳變異和進化


  任何一個生物個體都不能長期存在,他們通過生殖產生子代使生命得以延續。子代與親代之間在形態構造、生理機能上的相似便是遺傳的結果。而親子之間的差異現象由變異導致。而生物從約38億年前至今,由簡單到複雜,由低級到高級的演變過程便是進化的結果。

適應


  每一種生物都有自己特有的生活環境,特定的結構和功能總是適合於在這種環境條件下的生存和延續。例如,魚腮的結構適合魚在水中呼吸,陸地脊椎動物的肺結構則適應陸地呼吸作用。適應是生命特有的現象。

  任何一種生物對所處環境的適應總是相對的。同種個體由於遺傳和表型上的差異,對環境的適應也總是存在程度上的差别。隻要存在這種差别,哪怕是很輕微的,自然選擇就會發生作用,推動群體向更適應環境的方向進化。

生命觀


  古希臘的哲學家傾向於把一切尚不了解的產生運動的原因稱之爲“力”。以後的學者們就借用了這個“力”的概念,研究了各種運動,如物理學中的“引力”、“電磁力”,化學中的“親和力”等。他們的研究取得了很多成果,但是至今還沒有弄清楚古希臘哲學家很早就提出的所謂“活力”或“生命力”是什麼。中國古代的哲學家傾向於把尚不了解的產生運動的原因歸之爲“氣”。生命被看做是“氣”的活動。例如,“人之生也,氣之聚也,聚則爲生,散則爲死。……故曰通天下一氣耳”。“氣”也是不明確的概念,不同的學者有很不同的解釋。其中與現代科學比較接近、有唯物主義傾向的解釋如:“人之生,其猶冰也,水凝而爲冰,氣積而爲人。”這里把生命的形成比做水結冰的過程,這種觀點與現代科學近似之處在於它強調了生命的有序性。也有把生命比做火的,如:“人含氣而生,精盡而死,死猶澌,滅也。譬如光焉,薪盡而火滅,則無光矣。故滅火之餘,無遺炎矣;人死之後,無遺魂矣。”這種觀點則強調生命是一個物質代謝過程。正因爲如此,所以中國古代哲學家把生命看做一個物質運動過程,常把生與死聯繫起來討論,這也是中國哲學思想的特點,例如“有血脈之類,無有不生,無生不死,以其生,故知其死也”把生命看作是與死亡對立的。

  現代科學出現後,人們就對自然現象分門别類地研究,各門學科從不同的角度來研究生命,因此看法也不盡相同。20世紀50年代以前,人們從所有生命形態的共同表面特征歸納出一個“生命”的定義認爲:生命是一個具有與環境進行物質和能量交換(即新陳代謝)、生長繁殖、遺傳變異和對刺激作出反應的特性的物質系統。這種類型的定義,描述了生命活動的一般特征,具有一定的認識價值。但是隨着科學的發展,愈來愈覺得這種定義有很大的局限性。因爲所有這些特征都可以有一些例外。
  
  根據分子生物學的研究,人們對構成生命活動的基本物質有了比較詳細的了解。生命體的形狀、大小和結構可以千差萬别,但它們都是由脱氧核糖核酸(DNA)、核糖核酸(RNA)和蛋白質等大分子爲骨架構成的。

  DNA是由4種不同的叫做脱氧核苷酸的小分子(單體),按一定的排列次序組成的一條非常長的分子鏈。例如大腸杆菌的 DNA就是由約兩千萬個脱氧核糖核苷酸分子組成的長鏈。在各種不同形式的生命體中,DNA相當於同樣字母寫出的長短不同、排列次序不同、因而意義也不同的書。RNA也是由4種不同的叫做核糖核苷酸的單體連接而成的分子鏈。其情況與DNA相似,但鏈較短。各種不同形式的生命體中有着各式各樣長短不一的 RNA。蛋白質是由20種不同的氨基酸單體按照一定次序連接起來的長鏈分子。各種不同形式的生命體中具有各式各樣的單體排列次序的長短不同的蛋白質鏈,鏈的摺叠、卷曲形狀也各不相同。總之各種生物的DNA、RNA和蛋白質都分别由4種脱氧核苷酸、4種核糖核苷酸和20種氨基酸單體組成,也就是說它們都是由通用的“元件”組成的。這些核酸、蛋白質在各種生物的生命活動中所起的作用也基本相同。

  由於DNA可以自身複制,因而使生命物質具有繁殖和遺傳的能力;由於DNA能通過轉錄和翻譯決定RNA及蛋白質的結構,從而控制了生物的形態結構和生理功能;而複制、轉錄及翻譯這些過程又都需有蛋白質酶及 RNA參與。這樣,就有了一個分子生物學的生命定義:生命是由核酸和蛋白質特别是酶的相互作用產生的、可以不斷繁殖的物質反饋循環系統。這種說法是對生命物質的微觀結構及其運動過程的描述。它概括了分子生物學的一些重要的理論突破,但仍然有一些界限不清楚的地方。自然界有一類東西稱爲病毒,病毒是由核酸鏈和蛋白質外殼構成的,單獨存在時,好象是一種純粹的化學物質,並可結晶;但一旦進入了活的特定的宿主細胞中,就可利用宿主細胞内的單體和能量的供應,以及複制、轉錄和翻譯的“機器”自我繁殖。近來又發現一些被稱爲質粒的物質。它更爲簡單,隻是一些裸露的環狀核酸,但可進出於活細胞之間,利用活細胞内的複制“機器”自我繁殖。此外,類病毒也有類似的情況。這些物質是否具有生命,目前還有爭論。有人認爲,隻要能夠控制自身繁殖和遺傳變異並對進化力量獨立作出反應的都應稱之爲生命。如果這樣講,那麼病毒、噬菌體、質粒和類病毒之類的東西就都可爲劃生命物質。也有人認爲,生命體必須能夠獨立自主地複制、轉錄、翻譯和提供單體及所需的能源,而病毒、類病毒和質粒之類的東西是一種不完整的生命形態,它們都是寄生的,不能獨立存在。但後一種觀點也不能成爲明確的生命定義的劃分界限。因爲生命體從來就不是一個孤立的存在物,它與周圍環境以及與其他生命都有着不可分割的聯繫。這就使得什麼是獨立生活、什麼是寄生生活失去了明確的意義。因此還需要從宏觀的角度、也就是從生態學去研究生命觀。

生態學的生命觀

 
  就已知的事實看,在太陽系内,生命活動隻見於地球的生物圈──由高約離地表20公里的大氣層(當然不包括航天器中的生命),直至離地表十幾公里的深處,這一相對說來不厚的空間構成。在生物圈内有的生命體具有葉綠素,可進行光合作用,稱爲自養生物,大部分植物、藍藻和部分細菌屬於這類生命體。還有一些生物沒有葉綠素、不進行光合作用,必須依靠攝取自養生物或其他生物爲食而生存,稱爲異養生物。真菌、動物(包括人在内),以及大部分細菌屬於這類生命體。生物圈中的無機物質,通過了自養生物的光合作用,進入了生物體,以後部分通過自養生物自身的代謝活動而回到無機世界;部分爲異養生物所攝取,通過代謝活動(包括呼吸、排泄等)又回到無機世界。而大部分植物秸稈和動物屍體最後都經腐生生物(異養生物)的降解作用而返回無機世界。這樣就形成了生物圈内的物質運動循環。這種循環運動都是單方向進行,不可逆轉。在這個循環運動中少了哪一環或哪一環不通暢,都會影響到整個生物界。沒有自養生物或自養生物不足,異養生物當然難以生存;但隻有自養生物,沒有異養生物,大量有機物質積累後不能降解,也會阻塞自養生物繼續生存的道路。

  從物質的簡單形式來看,例如在大氣中的以二氧化碳形式存在的碳元素,經過自養生物的光合作用,與水化合成糖類進入生命體内,部分經過自養生物自身的呼吸作用,重新成爲二氧化碳回到大氣中。其他部分又被各種異養生物所利用,通過它們的呼吸作用,回到無機世界。這樣就形成了一個碳元素的循環。這個碳元素循環在生命體中還必須與其他很多元素(如氫、氧、氮、磷、硫等)的循環通過化學反應耦合起來,同時也推動了這些元素在空間進行循環運動。在生物圈内元素的循環運動網絡中,有很多交點,這些交點所代表的生物個體的總和就是生物量。這種周而複始的循環運動,不僅在宏觀的生物圈中存在,同時在生物體的微觀運動中也是存在的。生態學把生命看作是上述生物圈中種種不可逆物質循環過程的中心環節。但它僅描述了生命的外部條件及其所處的地位,卻未指明生命本身的質的特點。

生物物理學的生命觀

 
  着重從物質運動的一般規律上指明生命特征。

有序和熵

 
  物質和能量是守恒的,地球與外界沒有物質交換隻有從太陽輻射得到能量,而又反射和輻射到太空之中。太陽輻射到地球上的能量與地球反射和輻射到太空中的能量相等。盡管地球的物質和能量都沒有顯著變化,但地球上各種元素由於與太陽輻射發生不同反應就可產生不同程度和不同方式的運動,即產生了上述的各種循環運動。這些運動導致了地球上物質的不均勻分布。因太陽輻射所造成的能量流動對地球的影響在一個長時期内是穩定的、有節奏的和有規律的。所以,地球上物質分布的不均勻性也是有節奏的和有規律的。這就產生了地球上物質分布和運動的有序狀態。

活的生命體是個開放系統

 
  它與外界不僅有能量變換,而且有物質交換。生命體實際上是從環境中取得以食物形式存在的低熵狀態的物質和能量,把它們轉化爲高熵狀態並把廢物排出體外,從而保持自身的熵處於比環境更低的水平,也就是維持着自身的有序狀態。生命體的有序性從分子水平看就很明顯。它們的大分子如核酸、蛋白質在各種細胞中都有一定的排列顺序,以至一個生態系統都有一定的空間結構。有序性不但表現在空間的分布上,也表現在生命體活動的規律上。它們都有一定的特性:生長、發育、生殖、衰老、死亡以及對外界刺激作出有規律的反應等。從熱力學的觀點看來,這些現象都出自太陽輻射的推動,但是太陽輻射僅僅是生命現象出現的外部條件。因爲太陽系還有其他行星,它們都具備這個條件,但隻有地球上有生命活動。生命的出現必然還有它自身的因素。

機械論與生機論

 
  對生命的起源與自主性問題即生命的本質問題,長期以來存在着爭論。機械論有時也被稱爲還原論;認爲生命現象可以用物理科學的規律加以闡明,高級複雜的規律可以還原爲比較簡單、更爲基本的規律。機械論把生命看作是一種機器,並且在不同時期采取不同的表達形式。16、17世紀鍾表機械很時髦,有人就認爲生物無非是像鍾表那樣的機器;19世紀發明了蒸汽機,又有人認爲生物不過是個熱機。現在則有很多人認爲生物是個分子機器。生機論在生物學思想發展的各個歷史時期也有不同的表達方式,但從本質上講,都是以反對機械論的形式出現的。生機論總是在兩個困難問題上責難機械論:

  1.如果生命是個機器,那麼這個機器是怎樣設計和產生出來的呢?誰是生命的設計者和制造者呢?如果沒有設計者,生命體會自發地形成嗎?
  2.如果生命是個機器,那麼誰是司機?因爲現在所有的機器,包括那些高度自動化的機械如機器人之類,歸根結底都是受人類的指揮和控制的。如果沒有司機,這架機器是不會啟動並進行有目的的運轉的。這兩個問題的實質就是生命的起源與自主性的問題。

  20世紀40年代,奧地利物理學家E.薛定諤,在《什麼是生命》一書中提出了“負熵”的概念。他認爲生命的特征就在於生命體可以不斷地從周圍環境中取得“負熵”以對抗生命活動中不可避免的熵的增長。有些物理學家認爲他的看法可能是解決“生命之謎”的線索;但另外一些物理學家則認爲生命現象與已知的物理學規律是不相容的,至少以下兩個方面就很難用已知的物理學規律闡明:
  
  1.生命體從受精卵發育爲成熟的個體,它的結構和活動規律由簡單變爲複雜;從進化的角度看,生物體也經歷了從低級形態變爲高級形態的漫長過程。這兩種過程都與熱力學第二定律相違背。
  2.生命活動總表現出目的性,即在將來實現的事件對現在的運動有約束性。例如鳥現在築巢,是爲了幾星期之後產卵的需要;一條蟲爬上樹,是爲了去吃樹葉;某些噬菌體長出幾條尾絲,是爲了把自己的DNA注射到宿主體内去等等。人類的活動更是充滿了複雜的目的性。這種現象從表面上看來,是與已知的物理學規律完全相反的。物理學的規律服從因果律,即事物的運動是由初始條件決定的,現在的條件決定着將來運動的情況,而不是倒轉過來。從這一點來看,已知的物理學規律似乎不能用來闡明生命現象。上述兩點,正好與生物學中生機論用來責難機械論的兩個論點相對應。隻不過用了物理學的語言來表達罷了。

非線性動力學的生命觀

 
  根據近30年來物理學、數學以及其他領域的研究進展,發現過去由牛頓力學爲哲學背景建立起來的自然科學的思想基礎(包括量子力學在内)都是有一定局限性的,是以線性叠加原理成立爲前題的。但是自然界的各種現象中很多都是非線性的。在過去不論從數學上或物理學中都是認爲這類非線性問題很困難而是無法解決的難題。由於近年來計算技術的發展和數學物理中的突破,出現了一大類的研究非線性問題的理論和方法,如“突變論”、“耗散結構”、“協同論”,分岔理論以及混沌現象等等。這些理論雖然問題提法,解決方法都不相同但是它們都是由於動力系統的非線性而產生。可以統稱爲非線性問題。簡單地講就是一個系統的性質不同於它的組成部分性質的叠加就是一個非線性系統。生物學中長期的爭論如還原論和整體論、機械論與生機論,可從這個領域的發展中找到解決的方案。

  當一個系統的變化是非線性時,它的控制參數超越過了某個臨界值,就會出現“對稱性的破缺”。一個均勻的、對稱的系統就變爲不均勻的和不對稱的系統,物質在空間中出現了不均勻的分布也就意味着出現了結構。這種結構的形成和維持是由於系統中各個組分以及與外界相互作用的非線性的性質才能實現。一旦各組分以及與外界的相互作用發生變化它們就可能解體,消失。所以有人稱它爲“耗散結構”因爲它們的相互作用不斷地耗散能量和物質。生命現象是一個典型的非線性動力系統,因此這方面的研究對生命的理解將有重要的貢獻。

  生命現象是一個不斷地對稱性破缺的過程。從分子水平上看所有的核苷酸、絕大部分的氨基酸以及很多脂肪酸和其他分子都是“光學活性”分子即隻有手性分子的鏡像的一面,它的鏡像異構分子在生物體中卻不存在。這個特性從百多年前L.巴斯德發現以來直到現在是唯一的有無生命活動的經驗判據。這也可能是宇宙不守恒的對稱性破缺的結果。這些分子的相互作用構成了一系列的對稱性破缺從而生成了有複制能力的對稱性破缺的反應系統,從而導致生命現象的出現。

生命的起源


  盡管不能准確地找到確實時間,但有證據表現地球上的生命已存在了大約37億年。

  雖然沒有標准表示生命起源的模型,但現時最爲公認的科學模型建立於一個或以上下面的發現之上,可以粗略地列出有以下假設:

  模擬真實的史前生物環境以制造形成生命的基本細小分子。這已由米勒-尤里實驗以及Sidney W. Fox的工作所證明。
  磷脂自發地形成脂雙層,而脂雙層是細胞膜的基本結構。
  制造隨機核糖核酸分子的過程可能制造出核酶,而可以在非常特殊的環境下制造更多核糖核酸。

  很多不同的假說認爲早期地球上的簡單有機分子能夠轉變爲原始細胞並進行新陳代謝。很多模型可分爲“先有基因”或“先有新陳代謝”兩類,但最近流行的混合模型並不屬於任何一類。現時所推測的生命歷史還有很多疑點,生命的起源對科學家而言仍是一個很大的謎團。

生命的基本功能


自我調節


  自我調節是生命的一個本質屬性。任何生命在其存在的每一瞬間,都在不斷地調節自己内部的各種機能的狀況,調整自身與外界環境的關係。高等生物的自我調節是多層次的,其中包括分子的、細胞的、整體的調節。即使是原核生物也有自我調節,而且它也是通過多種途徑實現的。例如,細菌有能力合成許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,則隨自身内部狀態與環境的不同而不同。細菌内部所需要的分子,既不過多地產生,也不感到缺乏,而是靠自身的調節機制完成的。某一分子合成途徑中的第一個酶的結構基因兼有調節的功能,即第一個酶既有酶的功能,又起着阻遏蛋白的作用。在遺傳學和生物化學中,這種功能被稱爲自我調節系統。這種調節系統最初是在沙門氏杆菌組氨酸生物合成中發現的,隨後在噬菌體、黴菌、哺乳動物中也同樣發現其存在。實際上,反饋抑制和誘導系統與阻遏系統的調節也可視爲生物自我調節的方式。因爲在反饋抑制中,生物合成途徑中的第一個酶通過與代謝的終產物相結合而發生可逆性失活,使許多化合物的合成速率得到調節。在誘導系統和阻遏系統中,甚至酶本身的產生都受到調節。其間的差别在於:在誘導系統中,隻有當底物存在時,才產生出爲該底物所需要的酶,其方式是底物與阻遏物相結合並使阻遏物失活,從而打開結構基因,以誘導基因活性;在阻遏系統中,終產物抑制着酶的產生,其方式則是阻遏物與終產物相結合而被活化,然後與操縱基因相結合,從而關閉結構基因,以阻遏酶的產生。生物的許多調節系統都比較複雜,它們往往同時具有正向與反向的調節作用。機體的調節機制是自我完成的過程,而調節程序或指令是遺傳下來的、本身固有的,因而這類自我調節系統爲生命所獨有。

自我複制


  自我複制是生命系統不同於化學系統的特征。狹義地說,自我複制是指DNA分子的解鏇、兩鏈分開,各自合成互補鏈,從而形成兩個新的然而又相同的分子。廣義地說,包括細胞分裂、繁殖在内。就根據而言,分裂、繁殖也是在分子複制基礎上進行的;就結果來說,所形成的是兩個相同的個體。由於生物繁殖有周期性,同時也由於疾病、雜交等原因會造成某些生物失去繁殖力,所以繁殖難以作爲生命的基本屬性。但自我複制則不同,隻要不是處於解體狀態下的生命,總存在自我複制。因此,它是貫串生命過程始終的屬性。在離體實驗中,細胞的裂解產物在一定條件下仍然維持 DNA的合成,某些單鏈 DNA在人爲的條件下也可以轉變爲雙鏈形式。然而,非生命系統自身卻不能實現 DNA複制,盡管在人工條件下給予各種必要的核苷酸和解鏇酶、聚合酶、連接酶等,DNA也能複制,但其造成的過程是短暫的。自我複制這種功能是生命系統固有的特點。

選擇性反應


  對體内外環境的選擇性反應是生命系統的又一重要特征。反應是非生命物質與生命物質都具有的屬性。不同的是,發生於非生命物質中的物理的、化學的反應,都不是自我完成的過程。隻有生物有機體才獨立地發生反應,而且這種獨立的反應是有選擇性的,它受着有機體自身的控制,並隨體内外環境條件的不同而不同。細胞與外界進行物質交換,固然也存在擴散與滲透作用,但是細胞膜吸收什麼,排除什麼,卻有高度的選擇性。一個明顯的實例是,在細胞膜的主動運輸中,物質逆濃度梯度而運轉。又如,大腸杆菌既可利用葡萄糖,也可利用乳糖作爲碳源。當環境中既有葡萄糖又有乳糖時,大腸杆菌的代謝反應首先利用的是葡萄糖而不是乳糖,這時隻有組成酶系在起作用,而誘導酶系則是無關的。生物的選擇性反應也是幾個系統協調活動的結果。簡單原核生物的反應是如此,高等生物的選擇性反應更是如此。因爲,高等生物體内存在各種不同的酶系,這些酶不僅以其高效率的催化爲無機催化劑所不可比擬,而且具有嚴格的選擇性。同時,生物體内酶的活性受到多方面因素的調節和控制,酶與酶之間、酶和别的蛋白質之間存在的相互作用,都會影響酶的活性,而且一個酶的產物對另一個酶的活性也有正的或負的影響。在外部行爲上,生物的選擇性反應表現得更爲明顯。例如,飽食狀態下的動物對食物不發生反應;新奇的動因最初能引起動物的注意,但久而久之,其反應就變得很弱,等等。事實上任何生物對環境的反應都是有所反應,有所不反應,或者同一動因有時以這種反應形式,有時又以另一反應形式出現。

  自我調節、自我複制和獨立的選擇性反應是生命區别於非生命的特征。生命系統的這些特征,就其基礎而言,無疑是物理化學過程,服從物理化學規律。可是,這些物理化學變化的結果,卻轉化爲生命的東西,成爲生命所特有的屬性。雖然這三個基本屬性的某一個,或某個屬性的某些側面,在無機界也可能存在,但隻有在生命中這三個屬性才有可能聯繫並相互結合在一個系統中。

生命的終結


  即死亡。以人類爲例,呼吸及心髒跳動停止和腦部停止活動爲判定死亡的標准。

  生命體的死亡可以是因爲細胞分裂的次數達到極限而衰亡,也可以是被毒素、自然災害或其他生物殺死。

  任何一個個體的死亡並不會威脅物種的存在,反而是維持物種延續的重要環節。如果年老的個體永遠不死,新的個體會失去生存空間和生存必需的資源。但個體大量死亡至難以維持繁殖時,物種就可能滅絕。

  已經死亡的細胞不能重建生命活動。已經死亡的生物個體不能複活。這是生命的基本特征之一。

外星生命


    地球是人類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現生命的機率,但科學家不同意很多公式中變量的值(嚴格地說,德雷克公式計算的是處於銀河系中且我們可能接觸的外星生物的數量,而不是有生命的機率)。取決於不同的值,方程式可以暗示生命的形成是頻繁或稀少的。德雷克計算我們在任何時間可能接觸的外星生命隻有1個。

  有關地球生命的起源,胚種論和exogenesis認爲生命來自宇宙,通過隕石、彗星或宇宙塵等天體到達地球。但是這些理論對解釋外星生命的起源沒有幫助。

美國宇航局宣布,火星的冰層下很可能存在生命,它們釋放出的甲烷氣體在火星表面形成了一層薄霧















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