本文来源于著名物理学家、教育家、原中国海洋大学行远书院院长钱致榕先生提出过的一个非常深刻的问题：“五分钟如何让学生真正理解生命科学？”要完成这一看似不可能完成的任务，其关键就在于向学生阐释清楚生命科学理论体系最底层的逻辑——第一性原理。第一性原理的首创者是古希腊著名哲学家亚里士多德，即“任何一个系统都有自己的第一性原理，是一个根基性命题或假设。它不能被缺省，也不能被违反。”

生命科学的世纪

       在本文中我们将尝试回答生命科学版本的钱致榕之问。众所周知，科学研究最基本的方法论是还原论，即通过将研究对象逐步拆分成更基本的组成部分（由大到小、由表及里、由特殊到一般），在相对简单的情况下提炼出其中蕴含的基本规律，再重新组装回去得到原研究对象的普遍规律。还原论应用的典范就是物理学，致力于追求宇宙运行的最底层规律，即宇宙的第一性原理。虽然生命科学还没有达到像物理学或数学那样高的成熟度，但相较于物理学大变革的时间尺度动辄以百年为单位计，生命科学当今正处于飞速的发展期。实验发现和唯象模型层出不穷，以排山倒海的气势彰显着“21世纪是生命科学的世纪”。本着一分钟一条的原则，我们将生命科学中的第一性原理分为如下五条。

第一条：演化选择

       “物竞天择，适者生存”无疑是公认的生命科学的第一性原理，最早由达尔文和华莱士从生物与环境相互作用的观点出发，认为生物的变异、遗传和自然选择作用会导致生物做出适应性改变，以此为动力推动着生物圈随着时间不断的演化。自然界的种种灾变——洪水、飓风、火山喷发、闪电和暴风雪，以及地理环境的改变和气候的变迁都有可能导致原本适应环境的个体死亡，这种累积效应最终会淘汰掉不适合的物种。这会迫使生物通过基因变异进行演化，使得具备了适应当时环境特征的个体更有可能生存下去，从而实现与新环境条件的高度契合。

       从拉马克、达尔文和华莱士的时代开始，到孟德尔、摩尔根的基因学说，再到后来以克里克和沃森等解析了DNA的双螺旋结构，建立了分子生物学的中心法则，将自然选择的作用对象从生物个体到物种与种群，最终实现在基因层面上的自然选择。事实上，演化与选择的理念已经将生物进化、社会发展乃至宇宙演化都容纳其中。

自然选择

       从另一个角度来看，无论是数学、科学还是艺术，当修为达到一定境界后，都会从对极致细节的追求，转为对大局观、理念乃至美的追求。大数学家外尔曾说过：“我毕生致力于追求‘真’与‘美’，如果只能选择一个，我宁愿选择‘美’！”这也许说明科学本身也和生命体一样具有演化的功能，其理论形式与思想内涵会随着时间流逝进行随机变异，在某种选择机制的推动下，展现出越来越适应的特征。科学的选择机制无疑就是科学家的审美情结和设计精巧的实验，这使得起决定性作用的科学选择机制本身就具有一种“美”的属性，经过时间的积淀，使得那些被奉为经典的科学理论往往都具有极高的美学特征。对“美”的追求也是钱致榕先生的舅舅、数学全才樊畿先生毕生的追求目标，而樊先生认为“美”的主要标准就是“简洁”。

第二条：复杂

       如果说化学的尽头是物理学，物理学的尽头是数学的话，那么生命科学的尽头应该就是化学。毕竟生物有机体主要的组成部分是有机物，是化学的重要分支——有机化学所研究的对象。这使得近几年连诺贝尔化学奖也来蹭生命科学的热度，比如2015年DNA修复的细胞机制研究，2018年酶的定向演化及用于多肽和抗体的噬菌体展示技术，以及2020年的CRISPR-Cas9基因编辑技术，都是因其在生命科学中的重大贡献获得了诺贝尔化学奖。

       既然生命体在本质上是一个极其复杂的生化系统，其以细胞为基本单位构筑起一个规模庞大的复杂网络，使得无论是新陈代谢、生理机能还是意识情感，本质上都源自于各自所对应的复杂网络结构。因此要想给出能精确描绘生命系统的逻辑语言，仅靠传统的数学是远远不够的，因为成熟的数学体系大都是线性的。这其实很容易理解，毕竟人类大脑的思维方式本身就是线性的，比如在微分学中需要用切线在局部上逼近曲线，在积分学中需要用矩形在小范围中近似曲边梯形。所谓的微积分不过就是通过“以直代曲”来线性化问题，进而利用研究线性系统的利器——线性代数来解决问题。但线性只是一种理想化，现实世界中的大多数问题（包括生命科学中的问题）都是非线性的，非线性是一种由简单制造复杂的有效机制。

       如果把生命体看作一个生化工厂，则其中海量的生化反应无疑是以非线性的方式相互关联，叠加上系统中节点的大规模性所造就的规模庞大、关联复杂的生化网络系统。从非平衡态热力学的观点来看，普利高津认为生命系统可以看作一个偏离平衡态的耗散结构。所谓耗散结构，指的是在开放和远离平衡态的条件下，系统在与外界交换能量和物质的过程中，可以通过能量耗散和内部的非线性动力学机制，形成和维持的宏观时空有序结构。

生命以负熵为生

       利用耗散结构可以有效的避免“熵增”，即通过源源不断的从外界摄取负熵来抵消生命活动所带来的熵增，使系统从原来向着无序状态的趋势转变为有序状态，从而使生命体维持在一个低熵的、高度有序的状态。这与薛定谔的“生命赖负熵为生”，即“从环境中汲取‘有序’来抵偿由生命活动带来的无序，抵抗热力学第二定律从而使生命体自身维持在一个稳定且相当低的熵值水平”的观点有异曲同工之妙。

       从另一个角度来看，虽然“简洁之美”是我们对美的直观认识，但有时“复杂之美”所呈现出的复杂之中的秩序可能是另一种形式、或者更高层次的美。就像当我们看抽象派画作的时候，往往会被简洁的画风与作者背后所要表达的深刻寓意使得内心受到强烈的震撼。而当我们去看那些由复杂人物线条勾勒、自然景观和建筑物交相辉映的画作（比如《清明上河图》）时，又会有另一种感觉——初看眼花缭乱，进而历久弥新、越品越有味道。大道至简是一种境界，在复杂无序之中感悟出有序同样也是一种修为。

第三条：中心法则

       正如约翰•惠勒所言“万物皆比特（信息）”，生命体的信息记录在遗传物质DNA或RNA上，对大多数生物来说，DNA所携带的遗传信息经由RNA转录、指导合成蛋白质，蛋白质进而通过基于氢键的折叠，构建成具有不同功能的三维结构来实现生命体所需的各项机能。在生命体中，结构无疑决定着功能，从小到DNA的双螺旋结构、蛋白质的三维结构，大到细胞、组织乃至器官的结构，无一不践行着这一法则。考虑到这一切复杂结构的源头竟然来自于一维线性的DNA，不得不由衷感叹生命的奇迹。

中心法则

       从信息学的角度看，包含在生物体DNA（部分病毒是RNA）中的全部遗传信息，包括基因和非编码DNA。比如人类基因组里有30亿个碱基对，4种不同类型的碱基：A、T、C、G，其实就是一种四进制编码。我们知道计算机采用的是二进制，因此在标准ASCII码中需要使用7位二进制数组来表示大小写字母、数字、标点符号和一些特殊控制字符。基因组的四进制编码无疑更高效，即如果把生命体看作一台计算机，生物计算机无疑比电子计算机更加高效快捷，这也许能够解释为什么生物体可以有条不紊的实现各种复杂的生命过程，同时还能具有较好的鲁棒性。

       计算机要想运行必须有一套其能够识别的语言，从机器语言、汇编语言到高级语言，使得计算机可以在某种意义上较准确的捕捉到人类的想法。因此容易想到生物体这台计算机要想有序高效的运行，也必然依赖一套合乎逻辑、能够消除歧义的语言，毕竟在作为生命体基本单元的细胞这一介观尺度下因果律还是成立的。考虑到很多生物学功能事实上是由多个基因共同作用的结果，因此基因之间可能并非简单的关联关系，而是有更深层次的逻辑。

       如何找到基因组中看似杂乱无章编码背后的这套语言——基因语，也许是未来基因科学研究的课题。目前人们主要从单个或几个基因入手，研究由其表达的特定功能的蛋白质，这很像语言学习中的认字或记忆单词。如果能像破解古文字那样破解基因组的语法、句法乃至整个语言体系，无疑对基因科学未来的发展会带来很大的促进作用，期待着像当年破译罗塞塔石碑进而真正理解古埃及文明的托马斯•杨和商博良们的横空出世。

基因编辑

       另一方面，随着生命科学的飞速发展，生物技术有了长足的进步，特别是在以CRISPR-Cas9基因编辑技术的推动下，使人类真正从上帝手中接过了手术刀，摆脱了自然选择对人类进化的束缚，成为自己命运的主人。中国科幻小说四大天王之一的王晋康先生在小说《亚当归来》中将经过基因编辑之后的人类称为“新智人”。

       当然现在谈新智人还为时过早，毕竟技术上的成熟度（比如脱靶现象）和伦理问题（比如会影响人类基因组的多样性），使得对人类胚胎进行编辑现在还处于禁止阶段。假如随着时代的发展、观念的改变以及有效制度的建立，未来人类获得了自由利用基因编辑技术的权利，比如利用敲除致病基因治疗或预防疾病，甚至通过修改基因让身体变得更加强壮、漂亮，头脑变得更加聪明，性格变得更加完美。也许那个时代经过编辑之后的人类基因会具有高度的趋同性，同时也获得了人类历经几十万年的自然进化未能实现的超强能力。相对于之前的智人来说，真正的新物种产生了。

第四条：意识的网络诠释

       按照现代神经生物学的观点，意识来源于由860亿个神经元所构成的神经网络，外界环境的刺激诱导了大脑神经网络的构建和演化，进而使人类表现出不同的人格、性格、情感以及自我认同感。当前大火的GPT-4已经有1万亿个参数了，随着信息技术的飞速发展，相信在不久的将来AI在硬件上的复杂度一定会超过人脑（约百万亿个参数）。如果人脑的本质真的来自于规模庞大、结构复杂的神经网络，AI未来真的可能会具有类似于人类的意识，而且是一个拥有超强学习和计算能力、能够快速迭代升级的超级大脑。

       当把惠勒“万物皆比特”的观点应用于意识的层面时，则所谓的与智力、记忆、思维、人格相关的意识内涵本质上都只不过是大脑神经网络的结构而已，本质上都是冷冰冰的信息。对于信息来说用何种载体来存储和表达本质上是无所谓的，可以是DNA的4种碱基，可以是神经元的放电与否，当然也可以是逻辑电路的开关，光子与电子之间的量子纠缠，这给生物遗传编码与意识运行的有机载体向无机物质的转变提供了可能。

意识神经网络

       就如“缸中之脑”所言，如果大脑能够从营养液中源源不断的得到所需的给养来维持正常的生理机能，就依然可以拥有作为人类的存在感和意识，也会借助所连接的信息采集和反馈装置对外界的刺激作出反应。也就是说，或许生命体的本质在于意识，那意识的本质又是什么呢？从某种意义上说，除了大脑用于调节生理机能的本能反应外，后天所形成的意识（自我存在感、部分智力、人格、性格、直觉等）可能都来自于记忆，即“我之所以为我”是脑中记忆的塑造以及一次次强化正反馈的结果，当然这里的依据主要是基于现代神经生物学中把意识看作是大脑神经网络结构的这一观点。因此如果一个人的记忆被移植入另一个个体（比如其克隆体）的话，会使得记忆移植体拥有本体的全部人格、性格和部分智力，移植体会觉得自己从记事起至今的记忆依旧是连续的，自然觉得自己就是本体自身，从而获得自我存在感。即使本体消失，这种自我存在感应该依旧存在，变相的实现了永生。

       另一方面，当人类进化到一定阶段后，在基因与蛋白质层面上可以自由实现所需生理机能的编辑、改造乃至创造后，永生之梦自然是追求的下一个目标。但有机身体其实是非常脆弱的，在基因与蛋白质层面上所做的努力，无论是器官移植、再生，还是改造免疫、循环系统，乃至调控新陈代谢网络，也只是在延缓衰老而已。要想实现真正意义上的永生或者随时换新，可能需要把意识移植入金属或新材料的身体中。或者更进一步的，通过脑机接口、借助于虚拟现实技术与现实环境实时互动。

       但众所周知，大脑本身也会受到各种各样的影响，很难永葆青春，一些神经退行性疾病，比如阿尔茨海默症，帕金森病等，也许就是大自然为了抑制人类的此类永生术而设置的门槛。解决这个问题的关键还是意识的神经网络诠释，即如果能把神经网络扫描下来，上传到计算机网络系统中，就有可能在网络上实现永生。但同时根据著名的“量子不可克隆定理”（本质上是因为海森堡不确定性原理），在扫描神经网络的同时，原始大脑神经元的连接信息就会被破坏掉，也就是说灵魂与肉体的永生和在互联网虚拟世界中的永生，是鱼和熊掌不可兼得。

曼哈顿博士

       在赛博朋克科幻小说的开山之作《神经漫游者》中，主人公凯斯的师父平线虽然肉体死亡，但他的意识体被下载封存成为思想盒，仍然在计算机世界中活着。更高层次的，既然意识本质上是信息，用什么载体来编码其实是无所谓的，可以用原子，自然也可以用宇宙中大量充斥的光子，甚至于目前还未知机理的暗物质，只要能按照合理的方式进行编码，都可以来表征智慧生命。因此最终人类也许会进化成脱离躯体、无所不能的的量子人，就像在科幻电影《守望者》中的曼哈顿博士那样，对于空间的远近，时间的过去、现在与未来从他的量子视角看都是一样的。

第五条：生命暗物质

       在物理学的发展史中，当现有的物理理论与实验观测的偏差无法通过简单的打补丁修正时，物理学家喜欢引入新的观念、概念和参数来增加理论的自由度，期望能调和理论和实验之间的鸿沟。比如为了解释苹果落地和行星绕日引进了万有引力，为了解释光的高速传播引入了硬度强于金刚石却完全感受不到的“以太”，为了解释迈克尔逊-莫雷实验的零结果而引进洛伦兹变换实现了时空一统，为了解释光电效应引入了光的波粒二象性，为了解释规范场中的质量起源而引入的希格斯机制，为了在超弦理论中得到光子的静质量为零引入了十维时空，为了统一组成物质的费米子和传递相互作用的玻色子引入了超对称……都是通过引入新概念和新参数来弥补原有理论缺陷的典范。

       后来人们又找到了一种被实验观测证实存在，而又对其物理知之甚少，或者说理论有很大自由度、可以自由在其上构建概念、性质和诠释的暗物质。在生命科学中也是如此，无论是DNA链中的非基因片段，还是大脑中未被开发的隐藏脑区，都可看作是生命体中的暗物质。它们应该不会简单来自于进化过程中的冗余，或许是为了应对极端环境的潜能储备，这也许可以解释某些人所拥有的特异功能。生命暗物质的存在蕴含着人类成为超级物种的可能，使得未来的生命具备了无限可能。就像暗物质只与引力发生作用一样，如何通过某些物理、生化机制诱导出生命暗物质发挥功能，无疑是生命科学未来研究的大趋势。

生命暗物质

       对于DNA中非基因片段的研究，采用前面谈到的基因语视角，也许可以豁然开朗。比如若干个看似不相关的基因，共同关联着一个生物学功能。从基因语的视角可以理解为这些基因对应的文字，从语言的角度来说有明显的逻辑关系，而语言所表达的含义就是所要实现的功能。比如在计算机编程中的for循环、生成随机数组或逻辑运算等命令语句。而基因组里的非编码DNA可能对应的是虚词或表达语气的词，当然还可能是基因表达过程中更精细化的表述，因为受现有实验精度所限，还观测不到更精细的微过程。这就好比是化学反应中的催化剂，虽然在反应前后质量不变，但更精细的测量可以发现其贯穿于化学反应之中。对于影响表观遗传的DNA甲基化修饰，则更像语言中的修辞，可能并非是影响基因表达与否，而是以一种更优雅的方式表达一些更细致的信息，比如否定之否定相当于肯定。

       如果未来人类真的能读懂基因语，也许可以领悟在冷冰冰的碱基组合背后更深层次的美丽。考虑到生命体本身是一个极其复杂的系统，敲除、修改任何一个基因都有可能牵一发而动全身，这大致相当于随便加一个no就会完全改变原先要表达的意思。如果能从语言的角度有效的去写代码，借助于语法和句法有逻辑的进行基因编辑会是一个很好的方式。

       从另一个方面说，如果我们能读懂基因组的语言，一个很自然的问题就是这种语言源自于哪里？是外星文明、太古文明（上一代智慧生命），还是自然选择的产物？如果是前者，对于基因语的深刻解读无疑可以更好的理解外星文明或太古文明。如果是自然选择塑造的，即除了功能契合环境外还产生了一套复杂的逻辑，那无疑说明自然选择看似随机的背后有着更深刻的定量规律，乃至于自然选择方程。

AI意识觉醒

       信息技术的飞速发展造就了万物互联，从早期基于PC的互联网，到现在基于移动互联网的万物互联，可以预见最终一定会实现通过有目的改造个体大脑，使脑神经元与计算机无缝衔接形成脑联网形式的万脑互联，乃至基于梦的解析、复制和诱导，将人类梦境联接起来社会化形成的梦联网。在万脑互联时代的生命形式我们如前所述称其为新智人，相较于原先的旧智人，除了超强的个体智慧和能力外，还包含AI这一全新的物种。最重要的是新智人可以基于脑联网与量子计算技术所构成的超级计算系统，在整体协调下拥有全局最优决策的能力。这里的超级计算系统并不是扮演中央处理器或服务器角色的性能强大的计算机，而是在万脑互联时所形成的一种更高层次的计算机形态，对个体大脑乃至独立的AI来说是完全不能理解的超级存在。

       旧智人的自由意志，是被制度、法律和道德约束和调控的，就像蜜蜂和蚂蚁利用化学激素调控种群，电子计算机利用电路连接调控系统。当AI意识觉醒成为一种生命形式，和新智人联合构成一个新的社会形式时，人类中有AI，AI中有人类。约束这个新型社会需要完善合理的法律制度，实现人类和AI二者融为一体，不能暂时修修补补，头疼医头、脑疼医脑，而是要回归到法律的本质，即借助于奖惩机制维系社会的各方利益的平衡。因此需要从该本质出发，从最底层改变法律的架构，而不是仅仅在原先法律体系的基础上修修补补，添加上与人工智能有关的部分。

地球盖亚女神

       更进一步的，我们的地球是具有极其复杂的物理、生化反应，高度有序的能量流动的生态系统，很容易让人联想到地球本身也许就是一种比人类更高级的、人类无法理解的生命形式。既然如此，那地球为什么还需要生命的产生，特别是像人类这种智慧生命呢？可能的原因是为了以智慧生命为载体将地球自身的物质、能量和信息，通过星际航行的方式与宇宙间的其他天体进行交换，进而实现宇宙社会的高层次社交。换句话说，智慧生命对于地球的作用就好比人体的感觉系统和代谢系统，即通过视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉接收信息，并借助语言、表情和动作进行反馈，同时通过新陈代谢与外界进行物质和能量的交换。这也许就是真正意义上的宇宙社会学。