0引 言

　　多彩壮观的生命现象是生命科学的研究对象, 它归根结底是以物理学原理为基础的。

　　当前科学的协同作用及相互激励作用逐渐被人们所认识, 生命科学与物理学的交叉更日益受到人们的关注。以比利时布鲁塞尔学派领导人普利高津(I·Prigogine)教授发展的一套耗散结构热力学理论为探索生物进化, 从无序到有序的生命现象带来了曙光[ 1] 。另一方面, 东方的传统、整体、模糊的太极思维、统一物场理论所描绘的“ 细胞生命电磁球”也为破译生命之迷开阔了思路。本文试图从生命起源及个体发育过程中生命的开始这一侧面  用东西方两种思维方式从不同的角度对生命现象提出作者的一些粗浅看法,   以求起到抛砖引玉的作用。

1生命起源研究中的问题

1 .1    从混沌到有序—熵与生命

　　热力学第二定律告诉我们, 任何自发过程总是朝着使体系越来越混乱 、越无秩序的方向变化。可是生命却是最有组织的 、高度有序的。生物进化是以无序到有序, 从简单到复杂的过程。生物进化规律与物理学上的进化规律截然相反,   到底物质世界朝哪个方向发展呢?

　　耗散结构理论提出, 一个远离平衡的开放系统(力学的 、物理的、化学的 、生物的 、乃至社会的经济的系统), 通过不断地与外界交换物质和能量, 在外界条件的变化达到一定的阈值时, 可能从原有的混浊无序的混乱状态, 转变为一种在时间 、空间上或功能上的有序状态, 这种在远离平衡情况下所形成的新的有序结构, 普利高津把它命名为“ 耗散结构” 。耗散结构理论就是研究耗散结构的性质以及它的形成 、稳定和演变规律的科学[ 2] 。通俗一点说, 平衡结构是“ 死”的有序结构, 而耗散结构是“活”的有序化结构, 非平衡是有序之源。

　　因此, 活的生物体—生命, 它能生长 、发育、繁殖和新陈代谢 , 它是一个不断地与外界环境进行物质和能量交换的开放系统。生物体是远离热力学平衡的,   生物体中大量的过程是不可逆的。因而生物才能生存和进化, 而且是有序的。

1 .2 对称性破缺与手性的起源

　　生命是一个高度组织化并且有高度秩序的体系。为了生成这样高度有序体系,   就要求有一种对映体作为形成生物分子的空间结构。在地球上的生物中,   组成蛋白质的氨基酸只是L 构型, 而组成核酸的核糖和脱氧核糖分子都是D 构型。氨基酸和核糖分子的手性是生命具有高度有序性和组织化的基础。以上称作生物现象的手性对称性破缺。地球 上手性分子系统建立是生命诞生的标志,   是至今在死的化学和活的化学间唯一明确的分界线。

　　在解释手性起源众多假说中最突出的是李-杨弱相互作用宇称不守恒和弱电统一理论, 故自然界手性的起源是受宇宙不对称性支配的。

1.3 遗传密码的起源

　　在化学进化与生命进化之间还有一个重要环节—遗传密码的起源。

　　[ 3]Cech 和Alumna 对核苷酸的发现表明,  生命起源早期,  在蛋白质酶的生命系统之前存在一种基于RNA  的自复制系统。原则上讲, 集催化、信息于一身的 RNA  可能催化自身的复制, 且核酸酶不会仅限于用自身或自身互补链作模板;丹麦化学家 Nielson 发现了一种可干扰和制约肿瘤基因的物质—含肽核酸, 它是双螺旋结构类似于DNA , 但不需要酶,且不会遭到其它分子的攻击;从1986 年在英国首次发现疯牛病(Bovine Spongiform Enceph-[ 5]alopathy , BSE) 后, 在欧洲大陆及其他国家也相继发现, 且发病率逐年上升。加州大学的S .B .Prusiner 于 1983 年将感染因子命名为Prion(Proteinaceous infectious Particle), 它实际上为一种抗蛋白酶的糖蛋白(Protease -resistent -protein , PrP)。它与病毒区别在于比病毒更小, 不含核酸, 不会在患者病体中诱发产生抗体, 曾建议 BSE 是由一种叫 PrPsc(PrP  for-Scrape)的糖蛋白引起的 PrPsc是正常细胞PrPc(PrP for PrPccell)的突变异构体。这种特殊的自我复制模式甚至引发出这样的联想, Prion 感染蛋白是否是一种神秘的生物形式, 是否需对生命重新定义, Prion 感染蛋白可能是分子和微生物间在进化过程中的一个桥梁, 是研究生命起源和化学进化的科学家的极感兴趣的问题 ;另外还涉及到蛋白质是否具信息载体功能的问题。

　　因此, 蛋白质、核酸这两类分子的关联涉及到遗传密码的起源, 但到目前为止, 仍不能给出肯定的回答。

2统一物场的细胞观

　　从以上分析可以看出, 现代分子生物学关于遗传物质, 遗传密码、中心法则等概念并不能很好地解释“ 活”细胞的生命现象。如果我们用东方传统、整体、模糊的太极思维对西方现代、严谨科学的知识进行联想 、推测 、领悟 …, 也许会出现“ 茅塞顿开”的科学思路。

　　爱因斯坦终身坚信:宇宙中存在一种最终的简单性和美 , 即“ 简单性=真” 。他企图建立一个统一物场。在他见到中国“ 太极八卦”后, 给友人斯威策的信中写到:“ 西方科学的发展是以两个伟大的成就为基础, 那就是希腊哲学家发明形式逻辑体系(在欧几里德几何中)以及通过系统的实验发现可能找出因果关系(在文艺复兴时期)。在我看来 , 中国的贤哲没有走上这两步, 那是用不着惊奇的, 令人惊奇的倒是, 这些发现(在中国)全部做出来了。”他要找的“ 统一物场”就在中国的“ 太极八卦”之中。“ 太极八卦”正是我们的贤哲为我们留下的传世瑰宝。

2 .1    太极八卦图

　　普天万物, 大千世界都在随银河转啊, 转…, 现在我们用运转起来的思维将它们抽象再抽象, 提炼再提炼便化作“ 太极八卦图” 。

　　大至宇宙, 小至人体, 微至粒子……都是一个个太极, 每个太极的外形都是球形, 都在进行圆周运动… , 表现在图上则是太极图中的外圆圈;中间“S”线表示太极的中轴 , 太极球在绕自己中轴进行自转的同时还在绕其母球进行公转;S 轴的上端为正N 极, 下端为负S极, 两极是太极的生命所在;S 线把太极球分为阴阳两半;黑白两点孕育着新太极的发生 。八卦周边“ —”“ - -”深刻地反映出太极的内部结构及其特性 。“ —” 为阳, “ - -”为阴, 一个太极分八个部分, 故曰八卦;乾 、坤 、坎、离、巽、震、艮、兑 , 在不同的太极中它们有着不同的内涵, 如在地球太极中它们分别代表天 、地 、水、火、风 、雪 、山、泽 。它们相互依存、相互制约, 从而保证太极平衡运转。八卦还刻画出一个太极, 由混沌 ※太极 ※两仪※ 四象 ※八卦※…64 卦的进程。太极八卦中的哲理远远不止这些…

2 .2    64 卦与遗传密码表

　　德国著名医学家Schoberger 曾将《易经》的思想置于现代科学的角度来研究生物遗传工程, 根据量子生物学原理对嘌呤基与嘧啶基N 电子共振能研究后[ 8] 把两个嘌呤基与两个阳性符号对应, 而把嘧啶基与两个阴性符号对应, 最终破绎出与 64 卦对应的遗传密码表[ 9] 。此表不仅整体上表现出十分严整的顺序、周期性 , 还发现原密码的缺陷, 对于高等生物密码变异情况, 全都可以给出解释。

2 .3    地球磁场与太极图

　　太极周围是场运行的场所, 正粒子由正极出发, 在正极斥之负极吸之下迅速穿过中轴直达负极, 在强大负极作用下, 转为负粒子, 在负极斥之正极吸之下, 沿周边达正极…周而复始…, 场的规范运行带来了太极的自动运转, 就像磁场带来电子运动一样。太极的运转是有方向的, 顺地球转为正转, 正转为聚兴, 反转为裂衰。那么, 正负极由何而来? 由母太极来;比如 , 地球的两极源于太阳, 是太阳, 拨动着地球, 是阳光, 拨动着地球上的芸芸众生! 阴与阳正是东方人用混浊思想去包容一切的思维。

2.4    超导螺旋DNA

　　以往对生物体的研究着重构成生命的物, 而忽略了生命的场。那么, 活生命体的场在哪里呢? 在于每个细胞场中, 其源头很可能就在遗传信息的载体DNA 超螺旋结构中 :比较一下超导螺线管, 用于反应堆里的托卡马克装置与染色体包装的骨架--放射环结构模型, 它们有很多相似之处, 直观看上去是电生磁 、磁生电, 必将产生更强大的电磁场。

　　当无生命的分子在统一物场的作用下排列组合成DNA   双螺旋体时, 便具有了超导的性能, 可产生强大磁场, 从而来了一个质的飞跃, 跨进了生命的王国。细胞尤如太阳系:DNA 如太阳, RNA 、内质网、高尔基体 , 线粒体, 中心体圆绕太阳周转[ 10] …

3个体发育中生命的启动

　　在生命周期中, 生命是连续的, 难以精确确定生命的起点, 然而, 受精和死亡是每个生物体都有的两个分界点。精子细胞和卵子都不具备独立发育成个体的能力,  只有当精子和卵融合形成合子时, 他们才具备发育成为一个新个体或新一代的潜能。

3 .1    卵子的激活

　　精子顶体微丝与卵黄膜的接触触发了卵膜电性的去极化, 去极化波从精子进入点开始以动作电位形式传播至卵膜面, 启动磷脂酰肌醇(PIP2 )信号传导通路 , 导致钙离子从内质网中释放到胞浆中, 钙波引起皮质颗粒大量胞吐, 其内含物(游离的 、膨胀的 、凝胶状物质)释放到卵细胞膜和卵黄膜之间的空隙中 。同时Ca++ 信号刺激卵子的新陈代谢活动,最后导致DNA 复制的启动, 紧接着第一次卵裂开始[ 11] 。

3 .2    液晶态与胚胎发育

　　1977 年武汉大学吴熙载、何海平两位教授 , 在解剖孵化第 2 天的鸡蛋卵黄中发现一些颗粒, 这些颗粒逐渐增多, 穿过血管和脐带进入小鸡胚胎, 分别在不同位置聚集。后来, 卵黄颗粒聚集的地方就形成了各种器官, 而它们自己被吸收。利用当时的实验条件, 科学家们已证明这些颗粒为液晶态。液晶态是一种介于液体和固体之间的物理状态, 被称为物质第四态, 它既像液体那样可以流动, 又像固态的晶体那样拥有有序的内部结构[ 12] 。

我们知道, 生物膜是由膜脂和镶嵌其中的膜蛋白所组成, 膜脂是由含亲水性的头部和疏水性烃链的尾部两亲性分子组成的双分子层, 由于其分子本身特性所致, 它们在水相中能自发地形成脂质双分子层。另外, 在不同的介质组分及 pH 情况下也可能出现微团 、六角形HⅡ 相等其它构相。

　　Lee 于 1977 年提出了一个相变结构模型:当温度接近于相变温度时 , 在固相脂质晶格中那些较为无序的, 有一定旋转自由度的脂质结构缺陷处, 开始形成流动相脂质的小区域, 于是在一个温度范围内, 流动相和固相的脂质共存。这些小区域的大小随温度的上升而扩大, 一旦彼此聚合后, 即完成了流动相与固相之间的相变。

　　随着研究的深入, 新方法的引进, 发现非双分子层结构(即微团 、六角形等其他构相)也有可能在生物膜中存在。经研究发现 :卵黄 PE 组成的脂质体在低于 25 ℃时呈 L 相,[ 13]40 ℃时则 100 为HⅡ 相 。由此我们对液晶态的卵黄颗粒在胚胎发育初期的作用也许可做如下理解:固相的卵黄颗粒在孵化温度刺激下形成含蛋白酶或钙离子等的脂质体(H Ⅱ 相)。由于持续的相变温度(Tc)的作用, 这种液晶态能在一段较长时间保持, 使之顺利穿越血管、脐带后进入胚胎组织 , 并把携带的膜蛋白或钙离子等镶入或带进质膜内, 造成各细胞质膜的组成上有所差异, 以便接受不同信号分子的作用, 来诱导细胞进行分化, 脂质体本身也可作为能源被吸收。

　　在胚胎发育中我们看到, 受精 、孵化温度为两个阶段刺激点 , 加上钙波的涨落影响, 新的耗散结构—液晶态便出现了, 在整个过程中胚胎与环境进行了物质与能量交换。在这里, 生命从无序到有序转变的过渡阶段被用慢镜头较为明显地显示出来。

3.3 受精卵的宇宙

　　一个卵子与一个精子结合形成的受精卵即是一个太极, 它们正极就是植物极, 负极就是动物极。一个太极, 必有阴阳两半, 一个受精卵继承了父母各半的DNA , 一旦阴阳两半DNA 合二为一时便以箭发不可收之势, 阳在不知不觉中被阴所吸收, 阴也被阳吞掉, 双方相互吸纳, 产生永无止境的流动漩涡。受精卵坐落在胎盘之上,  盘内千万根螺旋的动脉中奔腾着的血液产生巨大的场, 构成一座巨型的生命反应堆;胎盘又坐落在子宫宇宙中 , 子宫又坐在母体宇宙中…, 正是在这层层叠叠宇宙之中, 受精卵转出了生物个体的宇宙, 个体的宇宙又孕育着一个新的受精卵的诞生。

4对生命形成的新认识

4 .1 生命的形成是一个从无序到有序, 从无机界到有机界, 从量变到质变的渐变过程, 其中充满了中间体或过程态

　　恩格斯在《自然辩证法》的书稿中说过:一切差异都在中间阶段融合, 一切对立都经过中间环节而互相过渡。又说:辩证法不知道什么绝对分明和固定不变的界线, 不知道什么无条件的、普通有效的“ 非此即彼” , 它使固定的形而上学的差异互相过渡, 除了“ 非此即彼” , 又在适当地方, 承认“ 亦此亦彼” , 并且使对立互为中介。一切都是互为中介, 连成一体, 通过转化而联系的。要真正认识事物, 就必须把握研究它的一切方面, 一切联系和中介。纵观生命形成的历史,  横看现存地球的各种生物及对个体发育中生命启动的微观分析, 都不难看到物质有机界的两极与两界的辩证关系。

从无机物到细胞的形成, 生命起源经历了约 15 亿年的时间, 这是一个何等漫长的时间跨度, 其过程主要经历了如下几个阶段:无机物※单体分子(脂肪酸、糖 、核酸、氨基酸)※多聚体(多核苷酸、脂类、较小蛋白质分子)※RNA 世界※DNA 世界 ※异养型的原始细胞※产甲烷的古细菌 ※能光和作用的蓝绿藻 ※自养型细胞※真核细胞在现存地球上的物种来看, 从分子生物(寄生型、异养)到细胞生物(自养)中也看到了过渡生物的特点: 另外从对胚胎发育中的卵黄颗粒液晶态中,   也可看到这种介于固态与液态之间的过渡态在诱导早期胚胎分化等方面所起的作用。

4 .2 地球上的生命史表现了在更高分化程度上的自组织宏观系统和微观系统的共同进化

　　如臭氧层的产生就是一例。紫外辐射对前生物阶段发挥了积极作用, 它促进了碳水化合物、核酸、氨基酸 、蛋白质分子的合成, 这种合成为细胞的形成奠定了基础, 而细胞出现后紫外辐射却成为生命进一步进化的障碍。蓝绿藻的光和作用使空气中有了游离的氧  气, 最终的积累形成了臭氧层, 这种空气的屏蔽作用保护了细胞, 创造了更利于细胞生存进化的环境条件, 由此我们可以认识到关于地球大宇宙和小宇宙(生物圈)共同进化的一个令人印象深刻的例子。[ 14]如果说生命的微观进化以强调确立性(遗传、稳定性)为开端 , 那么宏观进化则强调另一端即以新奇性(变异、非稳定性)为起点 , 也就是说生命进化的有序性(熵减小), 宏观进化的无序性(熵增大)为特点, 两方面不断走向均衡。均衡实用信息的最优结果可以称之为生命领域中大宇宙和小宇宙共同进化原则的真实体现。

4 .3  耗散结构和超循环可能在前生命的自组织中起重要作用

　　在探讨蛋白质和核苷酸的共同进化方面, 曼弗雷德·艾根和舒斯特尔在 1977 年和[ 15]1978 年提出的二级自复制催化超循环模型 可称得上为上乘之作, 此模型认为:多核苷酸(信息载体), 既携带着它自身自复制的信息, 也携带着生产酶(一个蛋白质分子)的信息, 由于此双重功能, 此循环被称为二级超循环。这种超循环的前体比较简单, 只有两个多核苷酸(鸟嘌呤和腺嘧啶)和两个携带信息的蛋白质 , 只有当每个蛋白质都愿意催化另一个多核苷酸时, 这个超循环才能进行, 也就是说, 只有相互增强胜过自我增强时才能进化。在这个阶段, 利他主义已经表现为基本的进化原则。

在借助模板进行复制中, 新的物质可以从“ 复制误差”中产生出来, 以这种方式, 在系统中引入新的非线性,  从而推动系统越过不稳定性而进入一种新的秩序。这种过程可以多次重复出现, 而在两种秩序的转变过程中熵产生可以增大几个数量级(最大熵产生原则)。当系统获得了相对于涨落和它自己的误差的最佳稳定时, 最小熵产生的原则就开始作用(对稳定态的作用), 这种发展的历史存贮在核酸分子的信息中, 可以把它看作遗传密码的前体。

4.4    中心法则与统一物场及基因的异时性

　　20 世纪中, 随着生物化学、电子计算机 、信息论的发展, 氢链、信息概念引入生物学 , 以氢键为联系的DNA 双螺旋结构的发现, 遗传密码(实际上是氨基酸密码)的破译 , 中心法则的提出(即 DNA ※RNA ※蛋白质), 使物理学家 、化学家惊喜地发现生命原来如此的单纯!但从DNA 双螺旋结构诞生至今已经 40 余年, 基因工程并没有能随意地制造新的生命, 延续至今转化为蛋白质工程。自70 年开始, 随着反转录酶的发现, 掀起了对分子生物学多年以来最大的一个浪头。到80  年代, 不连续转录 、非翻译序列、伴刀豆球蛋白A  肽链一级结构的重排 、RNA Alterntive splicing 、RNA 编辑等现象的发现, 以及以蛋白质为模版多肽抗生素等肽链的合成, 朊病毒(prion)的披露 , 使中心法则处于惊涛骇浪之中[ 16]  。因此本人试着从分子生物学、细胞统一物场   、耗散结构理论的角度对中心法则提出一些粗浅的看法 :从分子生物学角度来看 , DNA 不是遗传信息的唯一源泉, 它的复制与转录将受到其蛋白质产物、环境因子、细胞方位、激素等诸因素通过细胞通讯的途径进行信息转换 , 最后以诱导酶的形式对DNA  进行反馈调节。既使在DNA  到蛋白质的单程途中, 也还受到其它调节基因控制的酶 、DNA    片断等的编辑、选择 。这些调节基因很可能通过与中间纤维网架直接伸到细胞膜, 当外界信号与膜受体作用时, 启动了Ca2 + 内流, 导致钙调蛋白激活, 中间纤维蛋白的N 端被水解, 其大分子产物失去装配成纤维的能力并进入细胞核内, 通过与组蛋白和DNA 的作用或与核骨架相联来调节复制和转录。因为核骨架上含有多种酶、蛋白质, 如DNA 拓扑异构酶 、聚腺苷二磷酸核糖基聚合酶 、DNA 甲基化酶等的改变及含量的消长来调节DNA 的拓扑构象。另外, 多肽链的折叠过程可能受到已存在的蛋白质构型的影响, 如朊病毒对PrPsc 的蛋白质进行的同化和改造, 使与它近似的蛋白质变成与它完全相同的蛋白质, 因此, 大分子构型也是一种遗传信息, 即蛋白质模板[ 15] 可能是折叠密码的一种。

　　从细胞的统一物场的角度来看, 无生命细胞与有生命细胞之别在于场, 也就是说以往研究的只注重构成生命事物, 而忽略了生命的场。生命细胞之场来自超导螺旋DNA , DNA 牵制着中心体,  中心体牵制着微管, 微管连着细胞骨架体系。中心体位于细胞太极球的负S 极, 其动力来自H , 而H 来自O , O 来自太阳, 太阳是生命之球运转的原动力, 如把线粒体置于N 极, 即正极所在处, 吸引着大量的电子滚滚而来, 使之氧磷酸化, 这是生命反应堆之巅。这样细胞太极球便运转起来;DNA 如太阳, RNA 、粗面内质网 、滑面内质网 、高尔基体 、分泌泡等如金、木 、水、火、土围绕地球周转 , 因为它有电性, 可吸引、包裹、消化吸收周边之物, 于是便有了新陈代谢。

　　另一方面, 每一轮循环都处在不可逆的时间坐标中, 即处在不可能完全一样的环境系统中, 基因的异时性是差异产生的基础。但需要强调的是从DNA  到蛋白质的中心法则是主线, 遗传与稳定是矛盾的主流, 变异与进化是矛盾的次要方面, 即接近平衡态的物质以“ 重复”的方式动作的。一个物种由线性近平衡区经过分支点以后进入非线性区, 然后通过涨落发生突变, 形成一个新的稳定的有序结构, 即耗散结构, 新的物种才有可能产生, 如生命起源的宇宙环境所提供的一个巨大涨落的突变条件。这就是渐变与突变的辩证关  系。因此,“ 历史”因素在生物演化中非常重要。

5结 论

　　生命好像是要用某种方式表达我们生物界赖以安身的那些条件,   其中考虑到所有的化学反应的非线性和太阳辐射给予生物界的远离平衡的条件。生命不像是要与物理学的   “ 正规”定律相对立, 而要和这些定律进行斗争, 以避免其衰亡的正常命运。不可逆性可能是有序的源泉, 相干的源泉、组织的源泉 。也许我们最终有可能把强调定量描述的西方传统和着眼于自发组织世界描述的中国传统结合起来, 以求揭示生命形成的从无序到有序过程之谜。

＊ ＊ ＊

本文在写作过程中受到中国科技大学自然辩证法教授栾玉广老师的指导,   在此表示感谢。

参考文献:

[ 1] Prigogine , I Structure .Dissipation  and  Life .Theoretical  Physical  and Biology , Versailles[ M] .Amster- dam:North Holland Publ C, 1967.

[ 2] 湛垦华, 沈小峰, 等.普利高津与耗散结构理论[ M] .西安:陕西科学技术出版社, 1998. [ 3] Cech T R Proc Natl Acad Sci[ J] .UAS, 1986, 83 :4360-4364 .

[ 4] Nielson P E.Program  &Abstracts[ J] .Barcelona , 1993 , 93:61 .

[ 5] Blowey R W .”Bovine Spongiform  Encephalopathy” , Arizona Daily Newsletter[ M] .Bsc , Bvsc MRCVS; Gloucester , England March , 1991.

[ 6] Caughey B, Raymond G J J Biol Chem[ J] .1991 , 266 :18127-18223 .
[ 7] Franklyn C, Shimmel P .Proc Natl Acad Sci  USA[ J] .1990, 87 :655.

[ 8] 逻辽复.物理学家看生命[ M] .长沙:湖南教育出版社, 1995 , 66-61 , 76-77.
[ 9] 王文清, 著.生命科学[ M] .北京:北京工业大学出版社, 1998.

[ 10] 边静.破译生命之迷[ M] .北京:经济日报出版社, 1996 .

[ 11] Miiller , WA .发育生物学[ M] .黄秀英, 等译.北京:高等教育出版社, 1998, 114 -116.

[ 12] 陈光.武汉科学家寻觅`物质第四态' [ N] .长江日报, 1998.7-18. [ 13] 张志鸿, 刘子龙.膜生物物理学[ M] .北京:高教出版社, 1987.

[ 14] 李玉成, 葛宏华, 周忠译, 等.再建气候环境演化历史的碳同位素技术, 安徽大学学报(自然科学版), 2001.25(3):73-78.

[ 15] 埃里克·詹奇著.自然宇宙观[ M] .曾国屏, 等译 .北京:中国社会科学出版社, 1992.115-116. [ 16] 李振刚.中心法则导论[ J] .生物学杂志增刊, 1994.