自我复制比永生更重要

你好，我是王立铭，欢迎来到生命科学50讲。

今天我们要进入构成生命的第三个要素——自我复制。通俗点说，就是繁殖，生孩子，传宗接代。

假如把生命比喻成一栋大厦，物质就像是砖头瓦块，能量就像是建筑工人。那么，是不是有了物质和能量，就可以开工制造生命了呢？

理论上是的。我们可以猜想，也许远古地球上最开始形成的第一批生命就是这样的，甚至在我们身边，这样的生命也存在出现的可能。

但是，这种物质+能量构成的生命有个巨大的缺陷，那就是它们没有办法传续自己的生命。可能几秒钟、几分钟、几个小时就死亡消失了。

所以，今天我们能够在这里讨论生命，一个很重要的前提是：生命具备自我复制的能力，能够代代相传，直到有了今天的你和我。

你可能会继续问，为啥生命这座大厦就不能建造得坚固点？生命只要不死，岂不就不需要繁殖了吗？

有一部法国科幻电影叫《无姓之人》，里面就假想出有一天人类掌握了永生技术，随之而来的是丧失了性欲和繁殖能力，同一批人就这么一直活下去。

《无姓之人》剧照

能够永葆青春的生命，还真的不是只在科幻电影里才有。在现实世界里，生物学家真的找到了疑似不会衰老的物种。

一类叫做水螅的动物就是如此，他们的身体可以不断地自我更新和修复。在实验室环境里，生物学家还没有发现它们会随着寿命增加而衰老。这就有意思了，是不是永生的生物就不需要繁殖了呢？

出芽生殖时期的水螅

我要告诉你一个可能反常识的答案，不是的。

对于生命来说，繁殖，也就是自我复制，比永生更重要。这节课我就来告诉你这是为什么。

地球生命存在两个缺陷

这个问题的答案，可以用一句话来概括：生命大厦再坚固，也经不住地球母亲的翻脸无情。

这是什么意思呢？从理论上说，有足够的原材料和持续的能量输入，在原始地球的环境中出现生命可能并不困难。但是这样的生命形态会有两个非常重大的缺陷。

第一个缺陷，就是抵抗意外的能力非常弱。

就像一个真正的大厦，万一来场地震或者火灾，把它毁了怎么办？大厦地下被蚂蚁啃松了，或者来一场台风，把大厦的顶层卷走了怎么办？

当然，你可能会说这些都是非常小概率的事件。但是别忘了，任何小概率的事件，乘以三四十亿年的时间，出现的概率可能就高到几乎是必然会发生了。

换句话说，如果能量驱动真的构造过可以永生的生命大厦，而且它还真的在远古地球出现过，而我们今天之所以见不到它们的原因，一定是因为已经毁于意外事故了。

这个缺陷还不是最严重的。

第二个，也是最致命的缺陷是，地球环境不是永恒不变的。

当然，我们每个人在区区几十年的生命里，还是可以安心生活的，因为在这么短的时间里，地球环境应该不至于出现特别剧烈的变化。

但是，如果把时间尺度放大一点，放大到生命演化的尺度，我们就能发现，地球环境的变化，远比沧海桑田更加剧烈。

举一个例子，大气中的氧气。

人类和大多数生命的生存都需要氧气，最重要的原因是能量货币ATP的产生过程严重依赖氧气。之前的课程中我们讲过：

• 1个葡萄糖分子，分解成2个乳酸分子，或者2个酒精分子，只能产生2个ATP；
• 而如果葡萄糖彻底分解成二氧化碳和水，就有可能产生28-38个ATP，与此同时，葡萄糖彻底分解是需要氧气分子参与的。

这就是为什么对今天的地球生命、今天的人类来说，大气层中的氧气非常重要。

而实际上，人体对氧气含量的适应区间是非常狭窄的。

• 在海拔四五千米的青藏高原，氧气浓度会下降到10%多一点，只有正常水平的一半，这时候人体就会出现缺氧的症状；
• 相反，如果呼吸的氧气浓度过大，人体也会出现所谓的“氧中毒”，结果就是神经系统、肺和眼球都会受到严重的损伤。

如果我们回看地球自然历史，就会意识到一个事实：今天大气层的氧气，含量绝对不是专门给人类准备好的。

在地球历史上，大气层中氧气的含量最高曾经达到过百分之三十几。

这个还不是最极端的情况。实际上在二十多亿年之前，大气层中根本没有氧气。当时地球生命基本都是所谓的厌氧生物，它们可以在没有氧气的环境里生活。

地球历史上大气中氧气含量变化

就在那个时候，地球发生了一次非常重大的环境变化，也就是所谓的大氧化事件，大量出现的氧气导致了生物大灭绝。

因为对于当时绝大多数地球生命来说，氧气不光不能支持生命，反而是有毒的。而在大氧化事件之后，逐渐演化出来的生物，才开始学着利用氧气，才能在氧气中安全地生活。

所以，就以氧气为例，假设在大氧化事件之前，就算依靠生物材料和能量输入，生物大厦已经被构建出来了，那么这座大厦也完全没办法在灾难性的大氧化事件中存活下来，我们今天仍然不可能见到它的身影。

而氧气仅仅是一个例子，实际上在几十亿年的地球生命史中，几乎所有环境指标都发生过剧烈的变化。

温度、气压、太阳光强度、大气组成、土壤的化学成分、水的成分、食物、天敌等等。而这些环境变化，也曾经至少五次大规模地扫荡了地球生物圈。

不精确的自我复制让生命延续

既然生命抵抗意外的能力很弱，地球环境又不断变化，那么，一个显而易见的悖论出现了。

诞生于远古地球的祖先们，那些由能量这个天才建筑师建立的生命大厦，到底是怎样一直活到今天，而且还逃开了各种意外事故和难以抗拒的环境巨变的呢？

这个问题的答案就是，自我复制。因为，自我复制能弥补生命形式的两个“缺陷”。

第一个缺陷，抵抗意外的能力弱。这个比较容易理解，因为自我复制能不停地制造出越来越多的子孙后代。这样，即便其中一些个体因为意外事故死去，还能保证有足够的个体存活下来，延续香火。

对于生命的第二个“缺陷”，自我复制怎么帮助生命适应变化多端的地球环境呢？它的方法就是不够精确的自我复制。

其中的巧妙之处在于，每个生命个体的后代，都或多或少和他们的父母有些差别。这种差别大多数时候难以察觉，像是生命大厦悄悄更换了天井的绿植或是大堂的灯饰，有些时候也可以惊天动地，比如把整座大厦的楼高或者主干结构更换一新。

但是无论如何，自我复制过程中发生的变化，总是比地球环境的变化快，后者的尺度动辄以千万年计数。也正因为这样，地球上的生命来了又走，样貌也千变万化。

科学家们估计，在这颗星球上，可能已经有超过50亿个物种诞生过，而今天地球上仅存的可能只有其中的百分之一。物种们诞生、繁盛、变化、死亡，用这种方式，它们才能在地球上顽强地走过40亿年的漫漫长路。

我要强调一句，自我复制中出现的变化，本身没有什么对错，也没有什么方向性可言。不够精确的自我复制，其实是提供了大量在地球环境中“试错”的生物样品。

谁能活下来，谁能继续完成自我复制的新一轮循环，谁就是胜利者。是地球环境的缓慢变迁，决定了不同时刻的胜利者，也因此最终塑造了生物演化的路径。

自我复制的两个特点虽然看起来自相矛盾，但这恰恰保证了地球生命的永续。

对自身的不断复制保证了生命不会因一场意外而突然毁灭，而自我复制过程中出现的错误，则帮助生命适应了地球环境的变化。

现在你应该理解了，为什么自我复制比永生更重要吧。即使像水螅这样，几乎逃避了衰老和死亡的生物，它仍然需要自我复制，仍然要面临进化的竞争和意外的侵袭，需要想办法持续适应多变的地球环境。

地球并不是一位溺爱子女的母亲，她用冷酷残忍的手段训练着自己的孩子学会独立生存，而自我复制就是孩子们找到的最佳生存方案。

从物种的长期生存来看，繁殖的意义远远大于永生。

说到这儿，我们应该反过来理解一开始的问题。并不是说生命就必须自我复制，而是只有那些具备自我复制能力的生命，而且还是那种不太精确的自我复制能力的生命，才真的有可能逃脱自然历史上的意外和环境变迁，生存到今天，被你我看见。

这节课我们说到了自我复制，知道了它对于生命有多重要，那么，自我复制又是怎么发生的呢？下一讲，我们将进入基因的神秘世界。

地球并不是一位溺爱子女的母亲，她用冷酷残忍的手段训练自己的孩子学会独立生存，而自我复制，就是孩子们找到的最佳生存方案。