第四章 生命的演化机制
这里要说些感谢的话，感谢上天创造了宇宙，让宇宙中有了色彩、有了声音、有了各种形态的物质存在、有了一个不断变化的世界……，不然，哪里有生命，哪里有今天智慧的人类。
想一想精巧的生物结构，再想一想复杂的生态体系，自然的造化让人觉得一切都是那么不可思议，冥冥之中一切是否早已注定。
当我们从睡梦中醒来，我们能听到鸟的叫声、风吹树叶的声音，人们的说话声；当我们睁开眼睛，周围的景象就进入我们的眼睛，见到各种色彩、各种形状、运动的和静止的物体；……。世界就是我们听到、看到的样子，我们在感觉这个世界，一切都自然而然发生，理所应当，但很少有人会问，我们为什么能感觉这个世界。
生命在地球上出现之后，它就开始了演化过程。原始生物的结构以及生存方式相对简单，随着演化的进行，生物结构和功能逐渐复杂和增多，生存内容不断丰富。看一下今天的动物，有运动系统、感官系统、血液系统、消化系统、神经系统、免疫系统、思维系统等等，所有这些因生存的需要而产生，它们经过长期的演化和不断完善。
生命是一种非常奇特的现象，环境中有什么，生存中需要什么，生物体上就有与之相对应的结构，复杂生命表象的背后暗含着某种秩序。
我们来看一下生物的性状和结构与环境中各种存在之间的关系。
视觉——色彩或光
听觉、发生器官——声音
嗅觉——物质的化学成分
触觉——与其他物体的接触
……
那么，思维对应于什么？思维对应于物质存在状态、物质之间的关系、以及运行规律。
自然界中可见的，不可见的，只要对生存有影响的，有生存的需要，都有与之相对应的生物结构及功能，这是不是很神奇？！
生物性状对应于环境是生物界普遍存在的现象，生物的功能和组织结构的每个细节都具有针对性。一种生物功能或结构的形成，总是与生物所处的环境相关。
生物体从其组成的分子、细胞、组织、器官和系统的各个层次上都是高度有序的、复杂的、组织化的。各个层次的结构对应于一定的功能，结构与功能在总体上适应于该生物在一定环境条件下生存。生物进化是一个关于生物体通过遗传变异来修正自己，改善自身适应性的故事。
大家要问了，为什么是这样？这个问题有解答吗？难道生物结构对应环境的现象是上天的安排，抑或是机遇巧合？
各种复杂的生物组织结构，它们是如何形成的？
生物以怎样的方式进化，是个非常有争议的话题。长期以来人们对生物进化的原因和机制有不同的解读和看法，实际上对于生物进化的原因、机制、驱动因素、方向以及适应的起源等直到今天仍然没有弄清楚，生物进化的研究是当今最复杂、最困难的事情之一。
从细胞到各种生物组织，精密并且有序。如何能保证变异恰好向着适应环境的方向变化，还要保证所有相关变异的一致性和协调性。像眼睛、大脑这样复杂的生物组织，它们的形成需要无数微变异的累积，并且这些变异还要按照一定的顺序不断发生，期间任何一个环节还不能发生差错，一切需要在精确的操作下完成，生物是如何做到的？
早期的进化论相对来说比较粗浅，在解释复杂生物结构的形成方面存在问题，不能给出令人信服的解答。随着生物学研究的深入，人们开始在生物分子领域里寻找进化的原因、规律和机制。
现代生物学告诉我们，生物细胞内的分子结构是规则的和有序的，它们的相互关系遵循着某种规则。也就是，一定的“因”，会产生相应的“果”。如今，人们对生物体的认识已经进入到微观领域，开始在核酸和蛋白的层面上研究生物性状的变化，生物究竟如何进化最终需要在生物分子学的基础上进行解释。
那么，在复杂生物结构形成的问题上，现代分子生物学研究会带给我们什么样的启示。
前面讲到，生物分子中有两种非常神奇的分子序列：核苷酸序列；氨基酸序列。这样的分子序列的存在告诉我们，自然似乎并不是在随意地进行着创造，它有自己的表达方式和逻辑。通过现代生物学我们可以知道，一些化学结构和性质相近的有机分子，它们能够通过化学键组成不同的分子序列，而不同的分子序列与千变万化的生命现象之间有着千丝万缕的联系。
核苷酸序列有DNA和RNA，它们是构成生命体系的重要成员，具有信息接受、存储、传输、表达的功能。
DNA是非常大的有机分子，但构成DNA的基本化学单位为4种核苷酸（碱基）。它们分别是：A（腺嘌呤）、T（胸腺嘧啶）、G（鸟嘌呤）、C（胞嘧啶）。4种核苷酸有各自的生化属性，它们数以亿计地存在于DNA分子结构中。任何三个碱基相邻排列在DNA分子中，就形成一个三联体密码，4种碱基排列组合有64种可能的三联体，除TAA、TAG和 TGA三种（它们被称为无意义密码子或终止密码子）外，其余61种都参加氨基酸的编码，一系列的三联体密码构成基因密码。DNA结构中碱基对的排列千变万化，碱基对特定的排列顺序包含了特定生命信息，或者是对各种生物功能及环境状况进行描述的分子语言。
尽管DNA只有4个要素构成，这种简单的物质结构里却隐含着非常复杂的信息，能够表达生物与环境之间的各种关系。4种核苷酸相互排列构成的不同序列有不同的生化属性，环境信息通过一系列化学过程被传导，由核苷酸序列这样的化学组合进行记录和储存。对于不同的自然现象，如光、声音、冷暖、压力、气味等等，有着特定的碱基序列及组合表达与之对应。DNA这种序列的表达方式让我们想到今天计算机的工作原理，即使是只有0和1这两个简单的数字，我们可以计算机编程，用来表达无限复杂的信息。DNA代码好比是精妙绝伦的超级复杂逻辑功能块，是一种结构性、协调性、关联性的逻辑复杂。
如果只是DNA、RNA的核苷酸序列还不足以组成生命单元，巧合的是，正好有一种与核苷酸相对应的大分子——氨基酸。氨基酸是组成蛋白质的基本元件，氨基酸有20种，能够与千变万化核苷酸序列相对应。氨基酸能按照DNA传递的密码子指令信息进行对象性地排列，并在各种因素的调节下进行表达。不同物种千变万化的由核苷酸排列的遗传信息，可形成相应的各种类型的由氨基酸千差万别排列组合的蛋白质。蛋白质是由氨基酸以“脱水缩合”的方式组成的多肽链经过盘曲折叠形成的具有一定空间结构的物质。组成蛋白质20种不同的氨基酸，有不同的亲水性和疏水性，不同的氨基酸被拉到不同的位置，氨基酸分子之间环环相扣，各自承担相应的职能。不同的氨基酸之间有不同的关系，它们能组成不同的空间形态，从形态得到功能，通过特定形态与其他蛋白质或结构结合。
蛋白质是构成生物组织器官的支架和主要物质，在生命活动中起着重要作用。生物体内的一些生理活性物质如胺类、神经递质、多肽类激素、抗体、酶、核蛋白以及细胞膜上、血液中起“载体”作用的蛋白都与蛋白质有关，蛋白质它对调节生理功能，维持新陈代谢起着极其重要的作用。
酶是最奇特的蛋白质，它是生物分子系统中的一种重要物质，酶的功能是催化反应，酶推动反应的发生，术语就是降低反应的活化能，让一些难以发生反应的物质之间产生化学反应。酶还有编辑的功能，它能对基因进行的剪切、连接，控制基因的转录和表达，甚至还能修改基因。
生命的运行必须有DNA、RNA及蛋白质等物质同时存在，蛋白质的合成，必须要有DNA；而DNA的合成，必须要有不同种类的酶参与，缺一不可。DNA、RNA及蛋白质这些生物分子的完美结合，构成一个可运行的、可应对环境变化的物质系统。
生物分子系统的运行极其复杂，仅仅一个细胞的工作就需要多种蛋白成分加上不同的酶的配合，一个细胞的形成有上千的化学反应，并且有上千的酶参与反应的过程。一个完整的生命由数以亿计的细胞和上千种蛋白质组成，它们之间的连接和配合需要极高的精确度。
生物体的原材料有碳水化合物、脂肪、蛋白质和无机盐等，这些原材料根据DNA的指令，按一定的比例结合在一起。在细胞核内，通过一个一个基因的转录，一段DNA会转录成一种RNA，然后这个RNA通过翻译，进入细胞质里，把氨基酸组成多肽或蛋白质，一部分多肽组成结构蛋白质。大部分多肽一般是作为酶，酶就像组装机器一样，可以分解、建造和组合碳水化合物，脂类和蛋白质。DNA、RNA和蛋白质构成的复杂系统，以不可思议的精确度关闭、打开。
自然的创造力令人惊叹。自然为什么会创造出一些神奇的物质，这些物质能够储存和传递信息，能够构建各种生物组织结构，能够产生对应生命存在需要的变化，这一切发生的背后原因是什么？
像是DNA的结构，它由磷酸和核糖构成骨架，碱基以序列的方式排列，以及它的双螺旋结构。同样，还有由20种氨基酸的不同排列，以及有着不同的空间结构的蛋白质。最最神奇的是核苷酸序列与氨基酸序列这样的分子序列表达方式，以及它们之间的复杂而又神秘的关系。
DNA、RNA和蛋白质的结构，以及它们之间的关系，一直困扰着生物学的研究者们。对应于特定环境，有相应的氨基酸序列构成的蛋白质，蛋白质序列又与核酸的序列有关。如果将核酸序列理解为一种描述环境的语言，那么核酸序列与环境之间的关联是如何形成的，它们之间是不是存在信息的传输通道，并通过某种媒介实现相互间的信息沟通。
生物体有各种各样的功能组织，这些功能组织和核酸序列与氨基酸序列的构成有紧密联系。核酸序列与氨基酸序列对应性的组合构成了一种特殊的功能结构，通过各种各样相互交织的化学反应，这种功能结构具有了能对千差万别的信息进行吸收、贮存和加工的能力，不仅能识别信息，而且能通过对信息的加工达到遗传和进化的目的。
现代分子生物学研究表明，遗传性状的改变不是基因变异那么简单，而是受到更加复杂因素的影响。生物体在与环境的互动过程中，蛋白质性状的改变，基因的结构及表达方式会产生改变，表现为机体对环境的更好的适应，这样的适应性可能会向下一代传递。
有生物学家认为, 各种生物组织的形成必定受到某种机制的驱动，这种机制远比基因本身更重要, 生物的进化绝不仅仅是在执行基因的指令，生物并不是在适应一个事先就存在的环境，而是通过一个体系在不断地与环境进行互动，并且在与环境的互动过程中实现改变。
我们不妨将各种生物分子组成的系统看作是一台计算机，生物分子相互之间构成了一套复杂的化学反应网络，这个网络在一定的化学反应机制及程序的控制下运行，并且在运行过程中不断增加其复杂性。
“程序”这种东西，其实并不是人类创造出来的所谓高科技，它原本就存在于自然之中，演化“程序”在生命诞生的那一刻就被植入生物体内，生命的演化就依据这个“程序”来展开。
在生物体内，化学网络像计算机一样通过程序来运行，一种按照物理化学规则自然形成的演化程序，具体说就是生物分子体系之于环境变化的对应机制。生物分子系统具有接受外界信息、运算处理、信息储存、修改、增减和发布等功能，各种生物组织和功能就在这样的程序控制下被打造出来。
程序的运行需要有指令，指令是来自外界各种因素对生物体的作用，这些因素有不同的作用方式、不一样的作用强度，像是光、声音、化学物质、接触等；甚至是一些抽象的东西，如喜怒哀乐、意识思维等，这些东西会影响生物体内激素的分泌。当生物体所处外界因素改变时，会引发生物分子的化学反应性的改变，生物分子内的化学反应是一种系统的反应，或联动反应（类似计算机的网络运算），不同外界信息的输入会得到不同的运算结果。运算结果就是指令，决定哪些功能需要增加和加强，哪些要减弱或缄默。
单个分子或序列并不能表达完整的生命属性，它们只是单词，是具有不同个性的化学分子，但这些词却可以通过生化方式结合起来，不同单词组成的句子表达着不同含义。虽然生物分子序列不同于文字，但它们在表达机理上是相通的。像由文字组成的人类语言，由数字组成的计算机语言，而生物系统是由生物分子序列组成的语言，不同的生物分子序列有着不同的表达含义，它们通过由分子序列组成句子和段落来对不同的环境进行描述。
指令的执行对象是蛋白质，由不同的氨基酸序列、肽链不同的折叠进行性状的表达，于是就有了各种生物结构和功能，像支撑身体的骨骼、作为身体保护层的皮肤、能感应光线的眼睛、能听见声音的耳朵、消化系统、血液系统、免疫系统、神经系统，包括动物的大脑，等等。各种自然现象、只要对生物的生存有影响，生物分子都会以某种方式进行表达，我们能想象到的，甚至不可想象的，涉及到所有的生存细节。
核酸序列与氨基酸序列构成的神奇组合，这种组合可以容纳和表达无限的信息，可以诠释千变万化的世界。
随着现代生物学的发展，生物学研究方面取得了一些重要进展，特别是在分子生物学及遗传学的研究方面，生物分子层面上精密复杂的结构逐渐被人们认识。现代生物学已不再将基因视为一切变化的起始点，而是将整个生物分子体系与环境结合来研究生物性状的变化，过去的一些生物学观念正在发生改变。
基因为什么会产生与环境相关的变异，生物体与环境之间是否存在某种信息的传输途径。即，生命体从环境中提取信息的自我调控机制。像视觉、听觉、嗅觉等所有生物功能结构的形成都经过合理的选材，精心的搭配，需要通过将环境中的温度、压力的变化，接触到的光、电磁波、声音、气味等在生物体内转换为化学信号，对生物分子的序列以及基因的表达进行调控，如此实现基因变异与环境的相关。
以视觉为例。人的眼睛由极其精巧的光学组件组成，大量的感光细胞和视神经，以及与大脑神经的精密匹配。视觉是对光或色彩的反映，光是电磁辐射的一种。物体有不同的颜色，实际上是由物体对光的吸收程度来决定，不同颜色的光的波长不一样。人的眼睛可以分辨不同的颜色，实际上是对不同波长的光的反应，这种反应会转化为化学语言，对视觉功能进行调控，这要求生物分子体系有非常精细的分辨能力和异常强大的处理能力。
某种身体组织、器官以及一些生物特性的形成，如果是由一长串彼此孤立的偶然事件结合起来，这是一件令人难以想象的事情。像人的大脑所具有的逻辑思维、抽象思维能力，这些与人类特有的文化环境相关联，实际上人类智力的进化受到人类文化的影响。器官和性状发育过程中正常的变异，都是对应于外界环境条件以及生存的需要，适应性变化是推动生物进化最主要因素。
生物的生存环境是多样和变化的，像温度、压力的变化，光、电磁波、声音、气味等外界环境因素，它们在生物体内会被转换为生化学信号，对基因进行调控。生物在适应环境过程中，生理和心理受到各种环境影响，这些引发体内微观物质构成的变化。生物受欲望驱使产生的各种行为，对于环境及变化的感受，受到的外界刺激等，这些都可能以某种方式对基因的表达产生影响。
同时，我们也看到，生物功能的完善过程不是单一功能的完善，而是配套完善，也就是与之相关功能的协调完善。就像大脑的进化，它与视觉、听觉、触觉等感官的进化协同进行，人成熟的脑细胞有多达二万余条线路与其他的细胞相联系，脑细胞之间还存在逻辑关联，如此精妙的配合也不可能通过“机率”加“巧合”来实现，必须由生物分子体系与环境之间的对应变化机制来完成。可以这样说，没有这样的对应变化机制的存在，就不能实现生命对于自然的感知和认知。
生物性状的改变受多因素的影响，并且变化是一系列的关联变化，要掌握其变化规律目前看来还有些困难，生物与环境之间在微观领域隐秘的关联方式还有待发现，这涉及到对变化过程的观察，复杂数据的处理，但这只是能力问题，并不是不可能的事情。就像过去人们认为天气的变化难以预测，但现在有了气象卫星，有了强大的数据处理能力，已经能做到比较精确的预报天气。
从生物分子系统与环境的关系来看生命的存在，生物解读环境的能力是无限的，就是说，生物具有强大的可塑性，只要环境发生改变，生物也会随之发生改变，以适应新的环境。生物性状与环境相对应这种现象，可看作整个生物分子体系与环境之间存在应答的关系，生物分子系统具有“解读”环境的功能，就是所谓的定向变异，定向变异就是生物性状产生了对应于环境的表述。不断地使机体适应环境，是生命的根本性质之一。
有学者指出，生物演化实际上是自然环境演化的一部分，环境本身不能被作为背景。新的基因研究告诉我们，生物性状的变化不只是受基因控制，同时还有蛋白质（酶）的作用，基因、蛋白质（酶）与环境之间有着微妙的关系，它们共同构成了一套复杂的系统。总之，生物演化是由不同生物分子构成的机制在起作用，而不是靠单一的某类物质，更不是靠偶然性变异的叠加或在误打误撞中实现的。
如果要回答生命是什么，生命是一种物质结构，是一种物质关系机制，这种结构和机制是对环境的对应、描述和表达，它不仅能够反映色彩、声音、气味、温度、质感等，还能反映事物属性、关系和运行规律，它就是一种诠释宇宙存在的存在。
