已经有很多书探讨过生命能做什么了，但本书想要探讨生命是什么。是什么创造了生物？是什么使得生物能够做出如此令人惊讶的事情，而这些事情却是非生物做不了的？生物与非生物的区别来自哪里？哪怕一个低级的细菌也能完成如此美妙、如此神奇的事情，却没有任何一位工程师能够制造出与生物相媲美的东西。这些问题让我十分着迷。生命看上去就像一种魔法，它的秘密隐藏在令人费解的复杂性之中。过去几十年来，生物学取得的巨大进展只不过强化了这种神秘感。

    生命是什么？
    1943年，诺贝尔奖获得者、量子力学的重要奠基人薛定谔提出了这个划时代的问题，他指出：我们需要新物理学来给出答案。
    这本书从这个经典问题出发，结合香农的信息论、达尔文的进化论和诸多领域的前沿研究，将量子力学应用于生物学、计算科学等领域，超越各个学科的界限，用全新视角探究生命的本质。书中提出了一个突破性的观点：生命=物质+信息，分子结构是生命的“硬件”，信息结构则是生命的“软件”。生物体中含有大量高效的微型机器，它们聪明地处理和控制着信息，像变魔术一样从混沌中获得秩序。进化让这张隐形的信息网络不断升级。
    保罗·戴维斯将生物学、物理学、数学、化学、信息科学、医学和哲学等领域融为一体，引领了极具洞见的全新交叉学科。这种新科学涉及信息引擎、生物电路、癌症基因、量子计算机等众多前沿科学领域，用信息的观点重新解读生命之谜。
    这是一本探索生命起源及内在逻辑的生物物理学普及读物，也是一次让人大开眼界的跨学科前沿探索之旅。
    让智力探险，思想旅行，一起寻找生命秩序的隐秘动力！

    超越边界之作……戴维斯表明，信息的观点有助于更好地理解生命的定义特征……这种生命视角是宏大的。
    ——《自然》
    精彩，生动……理解生物体中的信息流，可能正是我们的科学拼图中缺失的部分。这是个伟大的想法。
    ——《卫报》
    这本书适合所有喜欢打破认知界限的人。戴维斯用轻松有趣的笔触来呈现他的探索，即使是非常深奥的科学，也被阐释得十分清楚。
    ——丹尼斯·诺布尔，系统生物学先驱，牛津大学医学部名誉教授
    从物理学到生物学，从进化论到神经科学，保罗?戴维斯在这本写作风格鲜明、引人入胜的书中，为如下核心观点提供了强有力的例证：生命与信息流息息相关。这本书中有很多值得深思的东西。强烈推荐。
    ——乔治·F.R.埃利斯，宇宙学家、数学家，开普敦大学教授
    如果你想要理解生命概念是如何演变的，就一定要读这本书。
    ——安德鲁·布里格斯，纳米材料科学家，牛津大学教授
    一次探索生命相关科学的精彩绝伦之旅。
    ——戴维·多伊奇，量子物理学家，牛津大学教授，2018年度“墨子量子奖”得主

    保罗·戴维斯（Paul Davies），理论物理学家、宇宙学家和天体生物学家，美国亚利桑那州立大学科学基本概念超越中心主任，“地外智慧生物搜寻”（SETI）计划侦测后任务小组负责人。有一颗小行星以他的名字命名。
    戴维斯是当代知名科学作家，写过多部畅销科普作品，包括《上帝与新物理学》《宇宙的最后三分钟》《关于时间：爱因斯坦未完成的革命》等。他曾因科学成就及向大众传播科学知识的卓越贡献获得尤里卡奖、英国物理学会开尔文奖和英国皇家学会法拉第奖等。《华盛顿时报》称他为“大西洋两岸最好的科学作家”。

前言
第1章  生命是什么？
第2章  走近麦克斯韦妖
第3章  生命的逻辑
第4章  达尔文主义2.0
第5章  鬼魅般的量子和生命
第6章  生命的起源
第7章  机器中的幽灵
结语
延伸阅读
注释
索引

    已经有很多书探讨过生命能做什么了，但本书想要探讨生命是什么。是什么创造了生物？是什么使得生物能够做出如此令人惊讶的事情，而这些事情却是非生物做不了的？生物与非生物的区别来自哪里？哪怕一个低级的细菌也能完成如此美妙、如此神奇的事情，却没有任何一位工程师能够制造出与生物相媲美的东西。这些问题让我十分着迷。生命看上去就像一种魔法，它的秘密隐藏在令人费解的复杂性之中。过去几十年来，生物学取得的巨大进展只不过强化了这种神秘感。是什么让生物产生了神秘的魅力，既非凡又独特，完全不同于其他物理系统？所有这些独特性一开始来自哪里？
    我们可以提出很多类似的问题，它们也是非常重要的问题。在我的职业生涯中，我常常痴迷于这些问题。由于我不是一位生物学家，而是一位物理学家和宇宙学家，所以，在处理这些重要问题时，我将避开大多数技术细节，而主要关注基本原理。这就是我将在本书中做的事情。我会专注于真正重要的难题和概念，以试图回答那个非常热门的问题：生命是什么？我绝不是第一个提出这一问题的物理学家。距离伟大的量子物理学家埃尔温·薛定谔发表著名的系列演讲《生命是什么？》已经过去了三代人的时间，我将以此作为出发点。在这些演讲中，薛定谔提出了达尔文逃避的问题。然而，我认为我们现在正处于回答这个问题的临界点上，相关的答案将会引领一个全新的科学时代。
    如果不引入全新的基本概念，物理学与生物学之间的巨大鸿沟——原子和分子领域与生物体领域之间的鸿沟——就将无法弥合。生物体有其目标和使命，这是几十亿年来进化的产物，而原子和分子只盲目遵从物理规律。但是，生物体必定是以某种方式从原子和分子中产生的。尽管科学界已经广泛接受“我们需要将生命重构为一种物理现象”这一观点，但事实证明，科学家还是常常低估了全面理解生命起源和生命本质的难度。
    试图寻找非生命与生命之间存在的“缺失的连接”，并在单一理论框架下将两者连接起来的研究，已经产生了一个全新的跨界科学领域，它融合了生物学、物理学、计算机科学和数学。该领域不仅旨在对生命做出终极解释，还希望开启新的应用场景，为纳米技术带来变革，引导医学研究取得巨大进步。这一变革背后的统一概念就是信息。它不是指日常意义上的信息，而是一种类似于能量的抽象概念，能让物质形成生命。从字面上理解，信息流模式可以表现出它们自己的生命特征，比如在细胞间穿梭翻涌，在大脑中飞旋，在生态系统和社会中交互并呈现出它们自己的系统动力机制。正是在这种丰富而复杂的信息流动过程中，行为主体概念产生了，这一概念又与意识、自由意志和其他令人困惑的难题有关。生物系统正是通过将信息整合成有序模式的方式，在分子领域的混沌中形成了生命的独特秩序。
    科学家才刚开始将信息的力量理解为一种“因”，它能真正让世界变得不同。最近，结合了信息、能量、热和功的自然规律已经被应用于生物体，从DNA（脱氧核糖核酸）层面到分子机制，再到神经科学和社会组织，甚至延伸到行星尺度。从信息理论的视角看，生命产生的画面非常不同于传统的生物学解释，后者着重强调了解剖学和生理学的变化。
    很多人帮助我整合了本书的内容。我在书中提出的很多观点都源自我的同事、美国亚利桑那州立大学科学基本概念超越中心副主任萨拉·沃克（Sara Walker）。在过去5年多的时间里，她对我的思想产生了巨大影响。萨拉与我一样，对围绕信息概念构建物理学和生物学的大统一理论抱有极大热忱。“生命是物理学的下一个重大前沿领域!”她宣称。我也与我们研究团队中的亚利桑那州立大学学生和博士后进行了讨论，并受益良多。此外，我还要特别感谢阿莉莎·亚当斯（Alyssa Adams）、金贤珠（Hyuniu Kim）和科尔·马蒂斯（Cole Matthis）。在我的那些杰出的亚利桑那州立大学的同事中，雅典娜·阿克提皮斯（Athena Aktipis）、阿里尔·安巴尔（Ariel Anbar）、曼弗雷德-劳比奇勒（Manfred Laubichler）、斯图尔特·林赛（Stuart Lindsay）、迈克尔·林奇（Michael Lynch）、卡洛·梅利（carlo Maley）、蒂莫西·纽曼（Timothea Newman，现就职于英国邓迪大学）和特德-帕夫利克（Ted Pavlic）为我提供了特别有用的帮助。此外，我十分感谢这些年来与我交流过的如下学者：美国密歇根州立大学的克里斯托夫·阿达米（Christoph Adami）、巴西里约热内卢联邦大学的格雷戈里·蔡廷（Gregorv Chaitin）、美国加利福利亚大学戴维斯分校的詹姆斯·克拉奇菲尔德（James Cmtchfield）、英国牛津大学的安德鲁·布里格斯（Andrew Briggs）、美国纽约大学的戴维·查尔默斯（David Chalmers）、英国格拉斯哥大学的李·克罗宁（Lee Cronin）、美国麻省理丁学院的马克斯·泰格马克（Max Tegmark）、美国应用分子进化基金会的史蒂文·本纳（Steven Benner）、英国布里斯托大学的迈克尔·贝里（Michael Berry）、南非开普敦大学的乔治·埃利斯（George Ellis）、日本东京地球生命科学研究所和美国普林斯顿高等研究院的皮特·胡特（Piet Hut）、美国系统生物学研究所的斯图尔特·考夫曼（Stuart Kauffman）、澳大利亚国立大学的查尔斯．莱恩威弗（Charles Lineweaver，他开玩笑说不同意我说的和我写的几乎所有东西），还有美国国家航空航天局（NASA）埃姆斯研究中心的克里斯托弗·麦凯（Christopher McKay）。
    在澳大利亚，阿德莱德大学的德里克·阿博特（Derek Abbott）为我阐明了生物物理学的几个方面；悉尼加文医学研究所主任、寓有远见的约翰·马蒂克（John Mattick）告诉我，遗传学和微牛物学中的很多问题都还没有定论。悉尼大学的保罗·格里菲思（Paul Griffiths）为我提供了关于进化论和表观遗传学本质的深刻洞见，同时悉尼大学的米哈伊尔·普罗科片科（Mikhail Prokopenko）和约瑟夫·利齐耶（Joseph Lizier）帮我形成了对网络理论的思考，并提供了一些批判性的反馈。英国萨里大学的约翰乔伊·麦克法登（Johnjoe McFadden）和吉姆·艾尔一哈利利（Jim A1一Khalili）、美国加利福尼亚大学伯克利分校的比吉塔-惠利（Birgitta Whaley）和科普作家菲利普·鲍尔（Philip Ball）为本书第5章提供了有价值的建议。美国韦恩州立大学的彼得·霍夫曼（Peter Hoffmann）善意地澄清了某些关于棘轮的细节问题。美国威斯康星大学麦迪逊分校的朱利奥·托诺尼（Giulio Tononi）及其同事拉丽莎·阿尔巴塔基斯（Larissa Albantakis）和埃里克·赫尔（Erik Hoel，现在哥伦比亚大学工作），耐心地帮我梳理了我对集成信息理论的混乱想法。美国圣菲研究所也为我提供了启发，戴维·克拉考尔（David Krukauer）和戴维·沃尔珀特（David Wolpert）的博学令我钦佩。美国塔夫茨大学的迈克尔·莱文（Michael Levin）是一位非常棒的合作伙伴，也是我认识的最具开拓精神的生物学家。我还与计算机工程师、商业咨询师佩里·马歇尔（Perry Marshall）进行了热烈讨论，受益匪浅。
    我对癌症研究的初步涉猎让我接触到一大批优秀又聪明的专家，他们帮助我理解了癌症和一般意义上的生命是怎么回事。在亚利桑那州立大学，我与金伯莉·伯西（Kimberly Bussey）和路易斯-西斯内罗斯（Luis Cisneros）就与癌症相关的项目展开紧密合作，并得到了加拿大西安大略大学的马克·文森特（Mark Vincent）和美国普林斯顿大学的罗伯特·奥斯汀（Robert Austin）的重要帮助。通过与位于墨尔本的彼得·麦卡勒姆癌症中心的戴维·古德（David Goode）和安娜·特里格斯（Anna Trigos）以及芝加哥大学的詹姆斯·夏皮罗（JamesShapiro）交流，我对癌症遗传学的认知有了极大的进步。我还受到明娜·比斯尔（Mina Bissell）、布伦登·考文垂（Brendon Coventry）和西娅-特尔斯蒂（Thea Tlsty）的著作的影响。当然，其他很多人的著作也影响了我，在此无法一一列举。我还要感谢美国国家癌症研究所慷慨地给予了我5年的授权，让我能够获得大量癌症研究报告；感谢南特沃克斯公司（NantWorks）对我研究的持续支持。美国国家癌症研究所前副主任、现在我在亚利桑那州立大学的同事安娜·巴克（Anna Barker）极富远见，她鼓励我进入癌症研究领域。
    我还要感谢企鹅出版集团——我忠实的出版商，尤其要感谢汤姆·佩恩（Tom Penn）、克洛艾·柯伦斯（Chloe Currens）和萨拉·戴（Sarah Day），他们出色地编辑了本书英文版。
    最后，我要感谢保利娜·戴维斯（Pauline Davies），她完整和仔细地阅渎了本书三个版本的初稿，每次都会做出修改，并附上大量注释。过去一年中，我们每天都会在一起探讨本书的诸多细节。在她的帮助之下，本书内容有丫很大改善。没有她对我写作计划的持续支持，没有她坚持不懈的“哄骗”，没有她敏锐的智识，本书的写作绝不会网满完成。
    保罗·戴维斯
    悉尼和凤凰城，2017年12月

    当与生物打交道时，人们就能深刻地感受到物理学有多么原始。
    ——阿尔伯特·爱因斯坦
    薛定谔在1943年发表都柏林演讲时发起的挑战，至今仍能引起人们的共鸣。生命能用物理学来解释吗，还是说它是一个永恒的谜题？如果物理学能解释生命，那么现有的物理学能胜任这项任务吗，还是说我们可能需要全新的物理学——新概念甚至是新定律？
    在过去几年中，有一个现象越来越明显，那就是信息在物理学与生物学之间架起了一座有力的桥梁。直到最近，信息、能量和熵之间的相互作用才被阐明，而这距离麦克斯韦提出他那令人印象深刻的麦克斯韦妖的概念已过去了150多年。纳米技术的进步使科学家可以开展精巧得令人难以置信的实验，去验证涉及物理学、化学、生物学和计算等交叉领域的基本问题。尽管这些进展已经提供了有用的线索，但到目前为止，信息物理学在生物系统中的应用还很零散，也不成体系。我们缺少一套全面的原则，用于在统一的理论框架内解释生命的神奇迷箱中的所有谜题。
    尽管生物信息的确是在物质中实体化的，但它并非物质固有的。零散的信息在生物体中留下了自己的行踪，在这一过程巾，它们并没有违背物理定律，但也不能被这些定律解释，即我们不可能从已知的物理定律中得到信息定律。为了恰当地将生命与物理学融合起来，我们需要构建新的物理学。考虑到物理学和生物学之间的概念鸿沟如此之深，而且现有的物理定律已经为构成生物体的个体原子和分子提供了相当令人满意的解释，因此，对生命的充分解释显然涉及总体上更深刻的东西，至少需要对物理定律本身的性质做出修正。
    自牛顿时代以来，物理学家对定律的理解一直非常狭隘。我们熟悉的物理学是在17世纪的欧洲发展起来的，而它一直受到天主教教义的束缚。尽管伽利略、牛顿及其同时代的科学家受到了古希腊思想的影响，但他们对物理定律的看法大多受到一神论的影响。根据一神论，有一个全能的神以一种理性且明白易懂的方式指挥宇宙的运行。早期的科学家将物理定律视为神的思想。古典基督教神学坚持认为上帝是完美、永恒和不变的存在，超越了时空；上帝创造了随时间改变的物质世界，但上帝保持不变。因此，造物主和被造之物间的关系是不对等的：世界的持续存在完全取决于上帝，但上帝则不依存于世界。既然人们认为宇宙法则反映了神性，那么，法则必定也是不变的。1630年，笛卡儿非常清晰地表达了这一观点：
    正是上帝创造了自然规律，就像一个国王为自己的王国制定了律法……你将被告知，如果上帝已经创造了这些真理，那么他也能像国王改变律法一样改变他创造的规律。对于这个问题，我们可以肯定地说：是的，要是他愿意改变的话。但我认为它们是永恒不变的。我认定上帝同样如此。
    出于这些本质上是神学的理由，300多年前建立的物理学呼应了固定的法则与变化的世界之间的非对称性。这一观念已经影响我们太长时间，以至于我们很少注意到它是一个巨大的假设。但我们没有逻辑方面的理由认为它必定如此，也不能通过具有说服力的论证证明法则本身绝对不变。事实上，我已经探讨过一个基础物理学中的著名例子，它表明法则确实会随环境发生变化，那就是量子力学中的测量行为。测量或观测一个量子系统会引发其行为的巨变，这通常被称为波函数坍缩。我们可以对该现象做一下简要回顾：当不受其他因素干扰时，一个量子系统（比如，一个原子）会根据薛定谔提供的精确的数学法则演化。但当该系统与一个测量设备结合起来，并对某个量（比如，一个原子的能量）进行测量时，原子的状态就会突然跃迁（坍缩）。重要的是，前一种演化是可逆的，而后一种是不可逆的。所以，对量子系统而言，有两种完全不同的法则：当系统不受干扰时是一种，当系统被观测时则是另一种。注意，这里有一个与信息有关的线索。通过对量子系统进行测量，实验者会获得关于系统的信息（比如，一个原子处于哪个能级），但被测量系统的熵会发生跃迁。测量之后我们对系统先前状态的了解比测量之前更少，因为坍缩是不可逆的。所以，实验者获得了一些信息，也失去了一些信息。 …… 如果你认为这些晦涩的思考只对少数科学家、哲学家和数学家来说很重要，那就大错特错了。它们不仅对于解释生命很重要，还对了解人类存在的本质和我们在宇宙中的位置而言意义重大。在达尔文之前，人们普遍认为是上帝创造了生命。今天，大多数人都接受生命是自然起源的。尽管科学家的确还不能对生命如何从非生命转变而来做出完备的解释，但转而支持生命是一次性的奇迹的说法，则又掉进了“上帝鸿沟”的陷阱，这意味着存在一个宇宙魔术师，他偶尔会按照自己的意志移动分子，但大多数时候都会让分子遵从同定的物理定律。然而，在“自然主义”的宽泛范畴中，存在着非常不同的哲学（甚至神学）意蕴。关于生命的起源，有两种对比鲜明的观点：一种是雅克·莫诺捍卫的偶然性假说，另一种是克里斯蒂安．德迪夫的“宇宙之必然”观念。莫诺诉诸生命的偶然性来支撑他的虚无主义哲学观。“古代的圣约已经成了遗迹，”他悲观地写道，“（人类的）命运无从知晓．人类的责任同样如此。是上天堂还是下地狱，这完全是个人的选择……宇宙并未孕育生命，也不是为了人类而形成生物圈。”在回应莫诺的消极信念时，德迪夫写道，“你错了，宇宙并非如此”，并继续发展他所谓的“有意义的宇宙”的观点。归根结底，问题是：生命能否融入物理定律？那些定律能否神奇地把生物将要成为的样子嵌入自身？没有证据显示已知的物理定律有利于生命出现，它们“对生命视而不见”。但是，如果存在我设想的那种新的状态相依性信息规律呢？我的预感是，它们并不具有预示生命起源的特殊性，但它们可能会有利于形成广泛的复杂信息管理系统，我们知道生命就是这种系统的典型代表。通过这种普遍性方式，宇宙的定律也许本就是生物友好的，这绝对是一个令人振奋的想法。 这些猜测性的观点远不同于认为“创造奇迹的神能从尘土中创造出生命”的观点。但如果生命（也许还有心灵）的涌现被视为自然界巾注定会发生的事，这就会使我们作为活生生的、会思考的存在，拥有一种宁宙层面上的意义。 那样的话，我们就会在宇宙中真正获得家的感觉。