科学家认为生命作为一个控制系统会控制构成自身的所有物质

在迈步运动中,微管是细胞骨架的主梁,它们常常具有内外方向,一端深入细胞,另一端穿透所有的内质网和高尔基体,直达细胞膜。所以在马达蛋白质的搬运下,各种囊泡就能非常直接地在细胞核、内质网、高尔基体和细胞膜这4种最重要的膜结构之间定向地运输了。

乍看起来,这个过程似乎与我们一开始在疯台球比喻中说的“势阱”很不一样——台球桌上引导运动的势阱是一条沟,微管却是一条绳索,两者的差距似乎有些大。

但是仔细想想,势阱的要义就是“陷进去”,在微观世界的三维运动中,我们不可能让任何物质因为重力而下陷,所以分子间的相互吸引才是这个世界里最主流的“陷入”。那么分子马达的两只“脚”被微管上的结合位点吸引而无法随意离开,也当然就是微观世界里名副其实的陷入了。

在之前的所有例子中,物质都是在做毫无规则的随机运动,只是因为种种势阱和势垒的限制,在结果上达到了规则明确,但马达蛋白质是“左一脚右一脚”,如此确定地沿着微管运动,整个过程看起来都是高度确定的,这就与疯台球比喻很不一样了。

但事情没有这么简单。马达蛋白质的“脚”每次在抬起来之后都不是决定性地迈出去,而是在激烈地“思想斗争”中“犹豫不决”,一会朝前一会儿朝后,究竟是向前走还是向后走,充满了随机性,恰似沟里的疯台球,不一定是前进还是后退。

然而,马达蛋白质之所以叫作“马达蛋白质”,就是因为它有动力:那两只“脚”上有ATP的结合位点,能够利用水解ATP的能量改变两只“脚”的三维关系,使每一“脚”都有更大的概率向前迈。

而经过线粒体持之以恒的工作,细胞内总有充沛的ATP,这才使马达蛋白质的两只“脚”虽然在这一过程中像醉汉似的犹豫不决,却在结果上表现成定向运动了。

在水溶液的微观世界里,虽然一切都在疯狂地随机运动,但在势阱和势垒的种种约束之下,各种物质总能最终发生恰当的生化反应,也总能最终运动到恰当的位置上去。

就这样,细胞,乃至复杂的多细胞生命,就在混沌中完成了世界上最精密、最复杂的计算。于是,对于开头的那个关键结论,我们已经解释了前一半:生命作为一台计算机,或者说一个控制系统,会控制构成自身的所有物质,使它们维持恰当的位置和状态。

只要生命的计算持续而准确,它自身就能一直存在;只要生命的控制功能足够准确,构成它的物质就不会陷入混沌,生命就会持续存在。“向周围耗散能量”就是“汲取负熵”,所以只要得到了这半个关键结论,“生命是怎样汲取了负熵”的具体答案。

但要理解计算精度与能量耗散的内在联系,哪怕只是感性的理解,我们也必须先弄明白热力学与计算机科学的深刻渊源,不得不讨论许多看起来和生命没什么关系的事情,踏上另一段艰险而陌生的旅途。

一切计算可以划分为两种,不可逆的计算和可逆的计算,前者会“擦除”一些信息,并因此造成不可避免的能量耗散,后者虽然没有这种不可避免的能量耗散,但要持续计算也必须额外耗散一些能量。

总而言之,任何计算机都无法避免能量耗散。到此为止,我们可以毫不夸张,也并无比喻地说,每一个细胞都是一台计算机,每一个多细胞的生命,都是一个计算机网络。

细胞作为计算机的潜力很可能不低于人类已经创造过的任何一种计算机,也就是说,凡是电子计算机能够完成的计算,细胞也同样能设法实现。比如我们可以设想把一个MP4文件还原成1和0,据此合成一条核酸序列,注入某个基因改造过的细胞。这个细胞会把它解码成另一条核酸序列,设法分泌出来。

我们拿到这条解码后的序列,把它还原成1和0,恰好就是那个MP4文件里视频的每一帧画面,以及音频的采样数据。但眼下,我们还是只关心它们深刻的差异:细胞作为计算机,其构型与人类发明过的所有计算机有着根本的不同。

计算机科学所谓的“构型”也是个挺复杂的概念,但在这则增章里,你可以把它简单地理解成“让计算元件实现计算功能的组织方法”。比如现行的电子计算机大多是“冯·诺依曼构型”,凭借运算器、存储器和控制器三者之间的数据交换实现计算。

人类还能通过输入设备给计算机提供数据,再借助输出设备获取计算的结果。除此之外,我们也在自然界和实验室里发现或者设计了许多种目前看来非常不实用,却在理论研究上很有趣的其他构型,比如元胞自动机、树自动机、随机存取机之类,这里我们都不展开讨论。

我们只关心细胞,它们作为计算机,采用的是一种非常独特的“布朗运动构型”。我们在20世纪80年代初从理论上提出这种构型以后从未真的造出一台这样的计算机,因为这样的计算机要求极高的加工精度,远超人类现在的工艺水平,只有细胞内的生命活动才天然地适合这种构型,并且历经40亿年的进化达到了不可思议的复杂程度。

而要理解这种布朗运动构型,我们还得从台球没有疯的时候说起。不论多么复杂的计算,都可以不断地分解、化简,最后变成几种基本逻辑计算,比如“非”“且”“或”三种基本逻辑,它们都只接受“1”和“0”两种输入,也只有“1”和“0”两种输出,全部变化规则只需3张很小的表格就能明确概括。

但是“三生万物”,只要层层递进地组合起来,它们可以满足几近无穷的计算需求。于是,人类用专门的电路元件实现了这样的基本逻辑计算,然后在方寸之间集成了几亿个甚至十几亿个这样的计算元件,就制成了电子计算机的中央处理器,也就是通称的“CPU”——你我眼前这个辉煌的计算机时代,全是这样计算出来的。

不过,这些基本计算元件也不是非得做成电路。计算原本就是这个世界的运行规律,“1”和“0”不是两个数字,而是两极对立。开和关、有和无、高和低、满和空、直和弯、大和小、软和硬,都是对立。所以飞花摘叶,原则上什么东西都能做成基本计算元件,台球这样外观标致的东西,当然也不例外。

1981年,两位美国计算机科学先驱爱德华·弗里德金和托马索·托夫里,提出了用刚体球制造基本计算元件的“台球构型”。我们暂时先不透露他们为什么会有这样的“奇思妙想”,先来看看这是怎样一种奇怪的设计。那是台球构型的“且计算”元件,一个形状很特殊的台球桌,设计了A和B两个入口,A和B两个出口,还有一个“且出口”。

台球就是输入的数据,它从哪个入口打进台球桌,哪个入口就是“1”;反过来,哪个入口空着,就是“0”。打上台球桌的台球会在桌沿上来回碰撞,也会彼此碰撞,最后从出出台球桌。如果“且出口”有台球打出来,计算的结果就是“1”,否则就是“0”。

你看,只有A入口和B入口同时有台球打入,且出口才会有台球打出。但是,“台球且计算”又与一般的且计算稍有不同:一般的且计算只有1位输出,只区分“且出口”是“1”还是“0”;而台球且计算还多了A出口和B出口,在且出口同样是“0”的三种情况下,这两个出口会有不同的输出。

也就是说,相比一般的且计算,台球的且计算可以逆推出所有的输入——它是完全可逆的。用这样的台球元件构造台球计算机,就只需要把许许多多的台球桌摆在一起,出入口对齐,然后把台球打进去到处碰撞,等着观察哪个出口有台球打出就可以了。

但问题是,台球桌和台球不可能绝对光滑,也不可能绝对坚硬,所以台球最初的动能很快就会在摩擦和形变中转化成热能,到时候所有的台球都会停住不动,计算也就终止了。在宏观世界里,这是一切接触运动的必然归宿,所以只有把整个计算元件做得极端小,小到微米以下的微观世界里,摩擦和形变带来的动能损耗才会渐渐消失。

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