第二章  物质和能量

       飘落至河流中的一片树叶，短时间观察，发现它时而下沉、时而上浮、时而向前、时而向后、时而向左、时而向右。总之，叶片的运动是杂乱无章的，没有特定的方向。如果长时间跟踪这片树叶，从大时空尺度上观察，发现它的运动方向又是特定的，即沿着河流从地势高的地方向地势低的地方运动。由此可见，基于短期观察或特定区域的观察所得到的结论很有可能是片面的，甚至是错误的。宋朝苏轼在其《题西林壁》中所言：不识庐山真面目，只缘身在此山中。该句所表达的也是此意。道理虽然简单，难点在于我们应该基于什么角度去探索观察对象才能得到相对更准确、更合理的认识？这个角度该如何去寻找？确立的依据又是什么？

       在世界的演化过程中，生命的起源和进化无疑是最让人感兴趣的话题之一。伟大的生物进化论奠基者—查理∙达尔文（1809-1882年）在其著名的科学论著《物种起源》中提出，任何生物生存繁衍后代都要遵循自然选择的规律，由于器官功能的分化和生存条件复杂化，生物在自然选择的长期作用下变异，让不同的遗传基因去适应新的环境。人类同其他生物一样，也是自然选择长期发展的产物。达尔文的生物进化论，为我们打开了一扇通往生命真相的大门，让我们重新发现物种进化的源起，不仅使人类在认识自己方面发生了质的飞跃，也让人们知道生命来自于大自然。然而，生命是如何从自然界中源起的？为什么会出现这一源起过程及随后的进化过程？自然选择的依据又是什么？……对于这一系列的问题，至今还没有得到令人满意的答案。

       生命体与非生命体的本质区别在于生命体具有行使生命活动（如遗传）的功能。物体的结构决定功能，要解析生命体的功能，首先需要了解生命体的构造。生命体是多层次、非线性、多侧面的复杂结构体系，而细胞是生命体结构与功能的基本单位，有了细胞才有完整的生命活动。一切生命的奥秘都要从细胞中寻求答案。因此，探求生命的起源和进化，首先需要揭开细胞起源和进化的面纱。根据古微生物的证据，原始细胞大约在35亿多年前就在地球上出现。构成生命的物质，只有当其以细胞形式出现时，才能表现出生命活动，并稳定地在地球上存在下去。然而，这个进程已成为历史，在现在的实验室条件下模拟30多亿年前的地球环境，借以研究细胞的起源过程几乎是不可能的。

       对于细胞的结构，在亚细胞水平上可以将其大致归纳为三大基本结构体系：由蛋白与核酸构建的遗传信息结构体系（包括染色体、核仁、核糖体）；由蛋白与脂质构建的膜的结构体系（包括细胞膜、核膜及各种细胞器膜等）；由蛋白与蛋白构成的细胞骨架结构体系。由这些基本结构体系形成的细胞器与各级结构在细胞内进行装配、去装配、重装配与重建等过程。对这些结构体系进一步分解，可知其又由多种多样的生物小分子（如氨基酸、嘌呤等）构成。细胞功能的稳定性，说明细胞的组装不是一个简单的、随机的过程，而是一个复杂的，高度有序的过程。那么，究竟是什么原因或者什么力量，导致这些生物分子逐级装配并最终形成生物赖以进行生命活动的细胞结构体系的呢？

       如果要切肉，就需要一把一侧开刃的刀，因为开刃的刀相对于未开刃的铁块更容易将肉切割；如果要缝衣服，就需要一根一头尖细的针，因为尖细的针相对于粗钝的铁丝更容易刺穿衣服。由此可见，材料的特性决定了其功能，其功能也反映了材料的特性。同理，生命体的功能也应该能够反映其构成组分的特性，包括组分的种类、组分的属性及组分之间的互作等。换言之，透过生命体的功能，应该可以明晰是什么原因或者什么力量，导致这些生物分子逐级装配并最终形成生物赖以进行生命活动的细胞结构体系的。既然生命来源于大自然，那么生命体的功能应该可以通过其在大自然中的作用体现。就好比一棵树之所以长叶子，是因为叶片能够提供树自身生命维持及延续所需要的能量。那么生命体在自然界中所行使的功能是什么呢？

       世界是物质的，物质是相互联系的，联系是普遍存在的，这就决定了我们在认识一个物体时，不应只看到构成这个物体的物质组成，还应看到这些组成物质之间，以及与这个物体相关的环境中的其它物体之间的关系。因此，要想探求生命体在自然界中所行使的功能，首先需要明白与生命体相关的环境中的其它物质有哪些？存在什么样的关系？

       从哲学的角度看，运动和物质是不可分割的，运动是物质存在的形式。宇宙间的任何物体都在永不停息地运动着。位置的移动、元素的衰变、生命体的成长和衰老、生命的诞生和进化等都是是运动世界的组成部分，揭示了要认识物质世界，首先应该认识物质世界的运动。

       物质是能量集中体现的特殊形态，是能量的一种特殊存在。物质的多样性体现的是能量存在形式的多样性，即物质统一于能量。因而，世界是物质的，更是能量的。既然物质的多样性，限值了我们对世界的相对更客观的认识，那么从能量的角度去探索世界的发展规律，将可以一定程度上摒除因物质多样性所产生的片面的甚至错误的认识。

       物质的结构决定其功能，单一物质往往具有多种功能，物质之间的组合体有时还会产生新的功能。因此，物质功能的多样性要远远多于物质种类的多样性，世界是所有功能统一性的呈现。无处不在的元素组成了世界上所有的物质，如果将任何一个物体分解至其最小的组成单元，就会发现，它们都是化学元素。至今总共发现了100多种元素，大多数物质都是由其中几种元素组成。例如，纸张由碳、氢、氧构成，而人体则由25种元素组成。从天上的太阳到浩瀚无际的宇宙，元素凌驾于任何物质至上。能量的表现形式可多种多样，其中热和功是能量的两种主要形式。热与功是一个体系的状态在发生变化时，与环境交换能量的两种形式。热是由于温差而产生的能量传递方式。热的传递总是伴随着质点的无序运动。功是体系与环境间另外一种能量交换方式。例如，体积变化以对抗外界压力、表面积变化以对抗表面张力等等都是做功。任何一种功都伴随着体系质点的定向移动。这是一种有序的运动。综上所述，可发现：物质功能的多样性>物质种类的多样性>构成物质化学元素种类的多样性>原子结构的多样性>能量的多样性。既然组分种类越多，组分之间的联系就越复杂，就越难以明晰组分所组成系统的发展规律，本书便从所含种类最少的，能量的角度去解析生命的起源与进化。

       例如，对于人喷洒农药以消灭侵染作物的病原菌这一事件，虽然所涉及的对象只有人、作物、病原菌和农药四个，但这件事包含的关系却非常的多，包括人与作物之间的关系、病原菌与作物之间的关系、农药与病原菌的关系、农药与作物的关系、农药与人的关系、农药与生态环境的关系等等。要弄清这些关系，就要明白当地人的耕作习惯、作物的种植方式、病原菌的侵染习性、农药的主要成份、当地的天气状况、病原菌的致病机理、作物的抗病机理、农药的研发等问题。

        针对这个些问题，全世界数百个实验室，数千名研究人员，数十年努力也没有得到一个完整的答案，充分表明了这件事的复杂性。从哲学的角度看，究其原因在于物质的多样性决定了物质之间相互联系的多样性和复杂性，预示着如果盲目的探究物质之间联系的角度，探寻世界的发展规律，包括生命体的源起和进化，必将是一件宏伟的工程，所期望的结果也变成遥不可及。

       如果把上述描述反过来讲，即研究人、作物、病原菌和农药四个组成之间的关系虽然是件异常困难和复杂的事，然而，实际上所有的努力只是为了一个目的，即人更有效的消灭侵染作物的病原菌，进而获得足够的食物以维持自己生命的延续。虽然在整个研究过程中，还有其它的研究目的，例如，通过这些研究，可以提高研究者个人的地位、名誉、财富，利于洞察和解析生命的奥秘等等。实际上，这些目的均是朝着最终目的前进过程中所衍生出来的产物而已，都不能代表围绕这四部分开展研究的最终目的。

       由此可见，如果明白了生命源起及进化的目的，就能获悉生命起源与进化的规律，也就能更好的认识生命和尊重生命。