生命是什么？圖靈測(cè)試或許會(huì)給予答案

當(dāng)前，科學(xué)家們對(duì)生命的定義并沒(méi)有真正達(dá)成一致。在大多數(shù)時(shí)候，我們可能會(huì)覺(jué)得生命無(wú)非就是活著的生物，但每當(dāng)試圖用一定的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)定義生命時(shí)，總會(huì)有特例蹦出來(lái)破壞我們的定義。然而，如果對(duì)生命沒(méi)有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)，我們真的可以在其他星球上尋找生命，或者了解這個(gè)星球上生命的最早階段嗎？

康奈爾大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)教授Steven Strogatz在其發(fā)布的合集“The Joy of Why”中，就當(dāng)今重大的科學(xué)問(wèn)題與相關(guān)的研究人員進(jìn)行了探討。在“What is Life？”這一主題下，Strogatz采訪了加拿大艾伯塔大學(xué)（University of Alberta）的化學(xué)教授 Sheref Mansy，后者的視角或許會(huì)幫助我們思考這個(gè)問(wèn)題。

采訪、撰文 | Steven Strogatz

編譯 | XZ

左：Steven Strogatz；右：Sheref Mansy

Q：很高興你能接受我們的采訪。當(dāng)前對(duì)生命的看法存在著諸多矛盾，你怎么看待？

A：在我所處的領(lǐng)域中，我周圍的一些同事有時(shí)會(huì)說(shuō)一些比較極端的話語(yǔ)，比如有人說(shuō)，生命是一個(gè)只屬于詩(shī)人的術(shù)語(yǔ)，科學(xué)家們沒(méi)有使用它的資格。對(duì)于這一點(diǎn)，我是非常不贊同的。當(dāng)前，世界各地的科學(xué)家們都在試圖建造一些東西，但我們甚至不能說(shuō)我們正在試圖建造的是什么，在這種情況下，科學(xué)怎么能有進(jìn)展呢？

此外，我認(rèn)為最大的問(wèn)題是，每當(dāng)有人提出生命的定義時(shí)，總會(huì)有人跳出來(lái)舉個(gè)例子來(lái)反對(duì)。有些東西被認(rèn)為有生命，但不符合定義，而有些東西似乎符合定義，卻被認(rèn)為是無(wú)生命的。比方說(shuō)為什么辦公桌沒(méi)有生命？答案一般是桌子沒(méi)有繁殖能力，因此不具備生命；但我們常見(jiàn)的騾子呢？它也不具備繁殖能力，為什么被認(rèn)定是有生命的？

又或者可以從反方向來(lái)舉例，比如常見(jiàn)的食鹽晶體。在晶體學(xué)領(lǐng)域中，大多數(shù)晶體學(xué)家獲取晶體的主要方式是將晶體粉碎，之后利用晶體的小碎片來(lái)生長(zhǎng)出更多的新晶體。這種現(xiàn)象似乎也可稱之為繁殖，但沒(méi)有人會(huì)將食鹽與生命聯(lián)系在一起。

Q：這么說(shuō)，給生命界定一個(gè)必要充分條件或者設(shè)置一個(gè)清晰的邊界似乎不是很有用，因?yàn)榭偸悄懿粩嗾业嚼狻５?，從另一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，如果我們想在其他星球上尋找生命的痕跡，又必須對(duì)生命有一個(gè)定義。對(duì)此你怎么看？

A：其實(shí)，所有的事物最終都將趨向于無(wú)序狀態(tài)。生物本身就是一種不平衡的化學(xué)系統(tǒng)，這也類似于熱力學(xué)的第二定律（系統(tǒng)不可能從單一熱庫(kù)吸收熱量并全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣Γ划a(chǎn)生其它影響）。所以，如果生物喪失生命力，就會(huì)在某種程度上衰變回到它們無(wú)序的組成部分，這也就是我們所說(shuō)的死亡。生物是否可以永久保持高度有序的狀態(tài)呢？答案當(dāng)然是不能了，生命總會(huì)迎來(lái)死亡，回歸無(wú)序狀態(tài)。

與無(wú)生命的東西相比，有生命的物質(zhì)能夠長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)做一些事情，如移動(dòng)、與周圍環(huán)境進(jìn)行信息交流等。一個(gè)有機(jī)體之所以能夠長(zhǎng)時(shí)間存活，正是由于它避免了快速衰變到喪失活力的無(wú)序狀態(tài)。那活著的有機(jī)體是如何避免這種衰變的呢？有些人可能想到用“新陳代謝”這個(gè)詞來(lái)回答，也就是分子A轉(zhuǎn)化為分子B，然后再轉(zhuǎn)化為分子C。但他們?cè)谑褂眠@個(gè)詞的時(shí)候，似乎并沒(méi)有真正去思考生物究竟是用什么樣的技巧來(lái)使自己遠(yuǎn)離無(wú)序狀態(tài)，并在時(shí)間的流逝中保持這種高度有序的狀態(tài)。

Q：聽說(shuō)你最近在做細(xì)胞圖靈測(cè)試的研究工作，這和生命的定義有什么聯(lián)系呢？可以介紹一下嗎？

A：當(dāng)然可以。圖靈測(cè)試最開始是用于人工智能領(lǐng)域，即被測(cè)試者（機(jī)器或人）回答一系列由人類測(cè)試者提出的問(wèn)題，如果人類測(cè)試者無(wú)法分辨回答的是人還是機(jī)器，那么該機(jī)器就具備人工智能了。而在給生命下定義的時(shí)候，我們可以照葫蘆畫瓢，想象一下，你正在玩手機(jī)，和朋友聊天或者發(fā)短信，你的朋友被一個(gè)電腦程序取代了，你是否能察覺(jué)出異常？如果你不能區(qū)分你朋友和代替你朋友的計(jì)算機(jī)程序，那么機(jī)器或程序就已經(jīng)通過(guò)了測(cè)試，具備了潛在的生命。因此，圖靈測(cè)試可以是一種間接定義生命的方式。

相反，如果測(cè)試失敗了，不管失敗的原因是什么，你總能察覺(jué)到程序與你朋友的不同，那么你必須回到開發(fā)界面，研發(fā)一個(gè)更好的程序或更好的機(jī)器。

因此，對(duì)我而言，圖靈測(cè)試給予了我靈感：能不能構(gòu)建一個(gè)人造細(xì)胞，可以誘騙活細(xì)胞“認(rèn)為”它正在與另一個(gè)天然活細(xì)胞對(duì)話，而不是將其視為“仿品”。

Q：讓活細(xì)胞被人造細(xì)胞忽悠，真的是一個(gè)很有意思的想法。目前你在這個(gè)方向做了哪些工作？

A：我們是從簡(jiǎn)單的生物——細(xì)菌開始著手。在細(xì)菌中，高絲氨酸內(nèi)酯（acyl-homoserine lactones）是其參與信號(hào)交流的重要分子。于是研究人員在人造細(xì)菌中設(shè)計(jì)出相同類型的信號(hào)分子途徑，使其分泌高絲氨酸內(nèi)酯，與那些天然存在的細(xì)菌進(jìn)行交流。因此，我們的基本目標(biāo)是利用類似的方法在人造細(xì)胞中重建同樣的東西。

事實(shí)證明，科學(xué)總是比我們預(yù)期的更具挑戰(zhàn)性。雖然我們能在人造細(xì)胞中合成并釋放某種信號(hào)分子，但釋放的信號(hào)分子卻很難讓其它天然的細(xì)胞產(chǎn)生響應(yīng)。至于為什么無(wú)法響應(yīng)，我也沒(méi)有一個(gè)很好的答案。

當(dāng)前，我們?cè)谌嗽旒?xì)胞中重建的最成功的系統(tǒng)是費(fèi)氏弧菌（Vibrio fischeri，一種自然發(fā)光的海洋生物，當(dāng)其密度達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)自然發(fā)光）中的發(fā)光信號(hào)通路。我們對(duì)這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試：首先將基因表達(dá)元件放入脂質(zhì)囊泡中，以在某種程度上模仿細(xì)胞中的信號(hào)通路；之后將這種細(xì)菌培養(yǎng)到發(fā)光所需密度的一半，再加入我們的人造細(xì)胞，以彌補(bǔ)缺失的一半天然細(xì)胞，結(jié)果這些天然細(xì)胞都發(fā)光了。這是我們做過(guò)最令人滿意的實(shí)驗(yàn)，因?yàn)橹辽僭谝曈X(jué)上我們得到了期待的效果。

Q：也就是說(shuō)，當(dāng)這些細(xì)菌的密度足夠高時(shí)，人造細(xì)胞可以充當(dāng)細(xì)菌的替代品，“誘導(dǎo)”細(xì)菌將其視為同類，讓它們認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到了發(fā)光所需密度，因此天然的細(xì)菌就會(huì)發(fā)光。是否能談?wù)勅嗽旒?xì)胞的更多信息，比如脂質(zhì)囊泡里面包含了什么？

A：在這個(gè)囊泡里面，我們放入了我們構(gòu)建的DNA片段，這些DNA可以編碼信號(hào)通路中的各種分子；此外，還放入了轉(zhuǎn)錄和翻譯所必需的元件，可以促使 DNA轉(zhuǎn)錄為RNA，再翻譯成蛋白質(zhì)，從而發(fā)揮作用。在細(xì)胞圖靈測(cè)試的部分實(shí)驗(yàn)中，我們使用了來(lái)自大腸桿菌提取物中的轉(zhuǎn)錄和翻譯元件進(jìn)行基因表達(dá)。

Q：在細(xì)胞圖靈測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，可以看到細(xì)胞間信息交流的重要性，是否可以將其視為生命的一個(gè)重要特征？

A：我們所制造的人造細(xì)胞無(wú)法分裂和增殖，它所能做的基本上就是釋放和接收“信息”，從而與周圍細(xì)胞進(jìn)行交流。這種信息交流能力雖然在生命的定義中并不經(jīng)常出現(xiàn)，但我認(rèn)為這是有機(jī)生命體中的一個(gè)重要特征。生命體往往不會(huì)單獨(dú)出現(xiàn)，它們大多數(shù)都以群體形式存在，這類似于人類中的社區(qū)，在社區(qū)中，一個(gè)人就是一個(gè)生命體，這些生命體互相交流以維持社區(qū)的穩(wěn)定。因此，如果在另一個(gè)星球上發(fā)現(xiàn)了生命，我們不會(huì)只找到一個(gè)有機(jī)體或一個(gè)細(xì)胞，至少?gòu)纳飳W(xué)角度看不是這樣的。

Q：你剛剛說(shuō)人造細(xì)胞不能分裂和增殖，那它們是否能長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)作呢？

A：很遺憾，我們所制造的細(xì)胞可以用“一次性”來(lái)形容，它們只能與天然細(xì)胞交流一次，無(wú)法進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間的“對(duì)話”。這在很大程度上也反映了我之前所說(shuō)的，生命是在時(shí)間流逝中持續(xù)存在的。人造細(xì)胞無(wú)法通過(guò)新陳代謝來(lái)長(zhǎng)時(shí)間維持這種“社交”活動(dòng)，這是令我非常沮喪的。如果人造細(xì)胞想更好地模仿生命體，那么就必須堅(jiān)持更長(zhǎng)的時(shí)間。

Q：這些人造細(xì)胞是否能與神經(jīng)元進(jìn)行“互動(dòng)”呢？

A：這點(diǎn)我們?cè)谧黾?xì)胞圖靈測(cè)試的時(shí)候就考慮到了，并且我認(rèn)為這是可能實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)前，像帕金森病這樣的神經(jīng)退行性疾病，患者的多巴胺產(chǎn)量會(huì)隨著年齡的增長(zhǎng)而逐步減少。如果能夠制造一種可感知多巴胺濃度的細(xì)胞，當(dāng)機(jī)體內(nèi)的多巴胺濃度過(guò)低時(shí)，這些人造細(xì)胞就會(huì)合成多巴胺，這似乎是一種不錯(cuò)的療法，但要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)還有很多工作要做。

Q：如果人造細(xì)胞能夠長(zhǎng)時(shí)間存在，并做一些“智慧”的事情，比如感知癌細(xì)胞的存在，當(dāng)細(xì)胞發(fā)生癌變時(shí)，這些人造細(xì)胞就會(huì)合成相應(yīng)的抗癌藥物去清除癌細(xì)胞，這是一種美好的愿景，對(duì)嗎？

A：是的，我們也做過(guò)類似的實(shí)驗(yàn)。我們構(gòu)建了一種可以合成并釋放腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的人造細(xì)胞，顧名思義，這是一種神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子，可以影響神經(jīng)元從不成熟到成熟的分化。我們將不成熟的神經(jīng)元與人造細(xì)胞一起培養(yǎng)，之后加入細(xì)菌分泌的信號(hào)分子。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些人造細(xì)胞可以感知這種信號(hào)分子，并做出反應(yīng)，合成和釋放某些物質(zhì)，在某種意義上引導(dǎo)神經(jīng)干細(xì)胞的分化。這看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但實(shí)際上，這花了四五年的時(shí)間才看到效果。

誠(chéng)然，生命是自然界中最復(fù)雜的現(xiàn)象之一，也呈現(xiàn)出不同的特征，如生長(zhǎng)與繁殖、遺傳與進(jìn)化、信息交流、新陳代謝以及死亡的必然性等，似乎沒(méi)有一種單一的屬性能夠定義生命。要么賦予生命的屬性過(guò)于寬泛，以致于許多非生命系統(tǒng)也具有這類特征；要么過(guò)于具體，以致于總能找到一些不滿足這類具體特征的反例，從直覺(jué)上能判斷這個(gè)反例是活的東西。因此，對(duì)于生命的解讀仍然是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題。

本文節(jié)選編譯自：

https://www.quantamagazine.org/what-is-life-20220615/

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