信息：秩序如何稳定传承？

读者，你好。欢迎来到《进化论 50 讲》，我是王立铭。

前面两讲，我们讨论了生命体存在所需的秩序是如何产生的。但是我也提醒了你，仅仅有秩序出现，还不足以成为生命，否则人类制造的机器就都是生命了。生命现象另一个本质性的特征是，这种秩序不光能产生，还能稳定地传承。

你可能已经意识到了，“秩序的传承”这个说法和达尔文说的“可遗传的变异”大体是一回事，用更通俗的方式表达就是，生孩子，生很多地方都和自己相似的孩子。

有些人可能会说，假设有这么一个生物，自身生命力极其强悍，能历经亿万年不死不灭，但就是不生孩子，这样的东西能叫生物吗？其实也可以。但现实是，不生孩子的生物就算曾经出现过，也大概率没有机会活到被我们发现。

这里的道理不难理解：

一方面，这个生物既然不生孩子，无法实现数量上的扩张，那它的数量一定极其稀少，即便曾经在进化历程中出现过，也很快会被其他持续繁殖后代的生物在数量和规模上超越，生存空间只会越来越狭窄。

另一方面，进化的红皇后效应决定了，生物体必须持续变化才能保留生存机会。如果一个生物个体不生孩子，只靠自身的变化，无论如何也应付不了周围环境中那些一代代持续进化的生物，也应付不了地球环境的剧烈变动，早就在生存竞争中被干趴下了。

所以现实是，我们自己以及我们能够观察和研究的生命现象，都必须兼具秩序和秩序传承两个最根本的特征。

DNA：秩序传承的载体

那么，接下来的问题当然是，生物体如何把秩序稳定的传递到后代中呢？

最直观的设想当然是依葫芦画瓢。比如，我们设想一种超级机器，能够对人体从头到脚、从外到内进行原子级别的扫描，然后按照扫描结果，用新的原子重新堆积一个人体。这就实现了秩序的复制和稳定传递。

但至少从当下人类的技术水平出发，这种超级机器的设想还是太过狂野了，在生命起源之初更是完全无法想象。因为从逻辑上说，这台机器的复杂程度还要远超它试图扫描和重建的对象，既然如此，它自己又是从何而来的呢？

其实，为了实现秩序的稳定传承，地球生命使用了一个简单得多也优雅得多的办法——使用一个信息载体，或者说得更具体一点，就是使用 DNA。

你已经知道，DNA 分子是地球生命通行的遗传物质，DNA 链条由四种碱基分子 A、T、G、C 按特定的顺序连接而成。

在 DNA 的化学结构中，记录信息的就是碱基分子的属性和排列顺序。简单来说，三个相邻的碱基被称为一个“密码子”，对应一个特定的氨基酸，比如 GAA 对应一个谷氨酸，而 ATG 对应一个甲硫氨酸。所以在理想情况下，1 段 300 个碱基长度的 DNA 链条能编码一个由 100个氨基酸组成的蛋白质分子。

但如果光是这么生硬的讨论，就完全丢掉了 DNA 作为遗传物质的真正优越性，也完全无法解释为什么 DNA 成了地球生命的通用信息载体。

其实在我看来，DNA 真正的优越性在于，它的化学结构能够非常好的记录信息，实现秩序在两个方向上的稳定传承。

秩序传承方向一

秩序的第一个传承方向，就是从上一代生物体到下一代生物体，从上一代细胞到下一代细胞。

不管是自己就可以一分为二、实现繁殖的细菌，还是需要找到另一半、交配后才能繁殖后代的人类，或者是人体中一个持续分裂、制造后代的干细胞，在这个秩序传承的方向上，实现的方法都是一样的，那就是 DNA 的自我复制。简单来说，就是把一条 DNA 链变成一模一样的两条，送给两个后代细胞分别保存和使用。

在这个过程里，DNA 特殊的化学结构起到了关键作用。

因为在 DNA 双螺旋里，最核心的性质就是，碱基之间一对一的配对是有严格限定的，A 只能和 T 配对，G 只能和 C 配对。于是我们可以想象，DNA 双螺旋的两条链虽然化学组成完全不同，比如一条是 ATG-GAA，另一条是 TTC-CAT（注意，两条链的方向相反），但携带的信息却是完全等价的。

这样一来，DNA 想要实现信息和秩序的无损传递就很容易了，只需要几步就可以做到：首先，解开 DNA 双螺旋；然后，分别以拆开的两条DNA 单链为模板，按照 AT 配对、GC 配对的原则，匹配上对应的碱基；最后，新生成的两套 DNA 双链再分别扭成两个独立的双螺旋。

在整个 DNA 复制的过程中，完全不需要知道这些碱基的排列顺序代表什么，只要忠实的完成碱基配对就可以了。

这个过程很像中国古代的雕版印刷技术。一本手写的书，直接誊抄的话，费时费力，还容易因为抄写员看错了字、理解错了意思而越抄越错。

于是一个好办法就是，干脆不管书上到底写的什么，直接把每个字当成一幅画、一组笔迹深浅的特征抄写到木板上，并且雕刻出痕迹，然后直接拿着模板蘸墨、一张张印过去。这就能实现文字信息的稳定传承。

秩序传承方向二

而秩序的第二个传承方向，是从单纯的信息载体到具体的生命活动。

生命活动是极其复杂多样的，我们可以粗略的认为，各种各样的蛋白质分子作为一个个微型分子机器，推动着各种生命活动的开展。

比如人的血红蛋白，这种在红细胞中负责运输氧气的蛋白质分子，结构已经算比较简单的了，一共含有大约 600 个氨基酸分子。但只有这600 个氨基酸分子按照特定的组合方式、像搭积木一样连接在一起，才能形成一个功能正常的血红蛋白分子。而这个血红蛋白分子，本身还会发生微小的结构变化，从而结合和释放氧气分子。

就像刚才说的，想要直接扫描和复制这种精度的生物结构，技术上是做不到的，所以生命体就借助 DNA 这种载体实现了“降维打击”。

所谓的降维打击，也是建立在 DNA 分子特殊的化学结构之上的。

DNA 分子当然也有复杂精巧的三维结构，但是从记录信息的角度看，它记录信息的方式其实是一维线性的，就是 ATCG 四种碱基分子的排列顺序而已。不管 DNA 分子是一根直线还是双螺旋，也不管碱基序列是抄写在笔记本上还是存在电脑里，信息载体在变，但信息本身没有变。

相比直接扫描和复制三维空间中的生命活动细节，抄写一份一维线性的信息的难度是很低的。这一点，在刚才讨论 DNA 复制过程时相信你也能感觉到。打个比方，两者的难度差别就像是，仿造一架飞机和拷贝一份飞机制造图纸的区别。

但是，光把三维的信息浓缩到一维还是不够的，DNA 分子蕴含的信息怎么才能重新变出三维空间内的生命活动呢？

这个过程特别有意思。我们已经知道，DNA 序列记录了氨基酸分子的排列信息，三个碱基形成一个密码子，对应一个特定的氨基酸。所以从逻辑上说，一段 300 个碱基的 DNA 链条所携带的信息，就能够指导生产一条含有 100 个特定氨基酸的蛋白质分子。

请注意，这条由 100 个氨基酸组成的蛋白质分子，在细胞水溶液中不会随意伸展、到处飘荡。相反，氨基酸分子带正电荷的部分和带负电荷的部分会相互吸引，氨基酸分子亲水的部分会暴露在外，把疏水部分保护起来，按照这些原则，蛋白质分子会快速扭曲折叠，形成一个特定的三维结构。

这个过程完全是在基本的物理化学定律的驱动下完成的。同样 100个氨基酸按照同样的顺序组成的蛋白质，不管有几个，在同样的细胞环境里就一定会折叠成同样的三维结构，并且执行同样的分子机器的职能。

也就是说，虽然 DNA 分子记录信息的方式是一维的，但它对应的氨基酸序列却天然自带三维空间结构的信息。不同的氨基酸序列按照不同的方式折叠成不同的三维结构，就组成了不同的蛋白质，也就有了各种各样的微型分子机器，从而为生命带来了各种各样的生命活动。

这样一来，DNA 分子就实现了秩序传承的第二个方向，从单纯的信息载体到具体的生命活动。

说到这里，我们就能理解为什么 DNA 会处于生命体秩序传承的核心位置了——

在前代和后代生物体之间，在前代和后代细胞之间，只要复制一套一维线性的 DNA 分子，生命活动的秩序信息就会大体被记录和传递。

而在后代需要重现生命活动的时候，只需要读取 DNA 上的一维信息，制造出三维的蛋白质分子机器，就能实现生命活动的重新展开。

下节预告

有了 DNA 这个背景信息，我们能更容易的理解达尔文所说的“可遗传的变异”，理解秩序传承中无处不在的微调是如何发生的。一言以蔽之，既然 DNA 序列是秩序稳定传承的载体，那么围绕 DNA 发生的各种变化都会影响秩序的稳定传承，从而产生可遗传的变异。

但是，一个更棘手的问题随之出现了：DNA 这种东西最初又是怎么来的呢？

哎，先有鸡还是先有蛋的问题又出现了。如果先有 DNA 后有生命，DNA 就完全无法发挥功能；如果先有生命后有 DNA，生命又无法记录和传递秩序。这个问题着实让生物学家们困惑了很长时间。

你发现没有，上一讲最后留下的化学渗透的问题和这一讲留下的DNA 的问题，本质上是同一个问题——为什么今天地球上生命用来产生和传承秩序的方式，程序都非常繁琐，看起来根本无法简单实现，以至于很难想象它们在生命形成之初是如何出现的？这个问题的答案，我们下一讲再说。

我是王立铭，我们下一讲再见。

划重点

1. 仅仅有秩序出现，还不足以成为生命。我们自己以及我们能够观察和研究的所有生命现象，都必须兼具秩序和秩序传承两个最根本的特征。
2. 为了实现秩序的稳定传承，地球生命不约而同的使用了一个信息载体，也就是DNA。
3. DNA 真正的优越性在于，它的化学结构能够非常好的记录和重现信息，从而实现秩序在从上一代生物到下一代生物、从单纯的信息载体到具体的生命活动两个方向上的稳定传承。