生命系统

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由生命物质所组成的系统叫做生命系统，是自然系统的最高形式。其典型特征是能独立与其所处的环境进行物质与能量交换，并在此基础上实现内部的有序性、发展与繁殖。从时空尺度上包括生态圈、生态系统、群落、种群、个体等，从对象性质上可分为植物系统、动物系统、微生物系统等。生命系统是由非生命系统发展而来的，它是物质世界由简单到复杂、由低级到高级发展的产物。类生命系统是指具备真实生命系统的部分或全部特征的非生命系统，例如人工生命系统或者合成生命系统


生命系统是一个开放系统，它接受太阳能流的辐射，不断地与外界进行物质和能量的交换并且通过食物链所构成的营养结构在系统内部作定向、有规律的传输、转化，一部分被系统吸收用以形成和维持特定的结构与功能，另一部分从系统输出，实现新陈代谢、自我更新。
因此，生命系统作为典型的自组织系统，展现出从简单到复杂、有低级到高级的演化进程，在结构和功能上都更加有序。


生命系统是自然系统中最先进的形式。 它指的是能够独立于其所处环境交换物质和能量的系统，并在此基础上实现内部秩序，发展和再生产，以及能够独立完成生命活动的系统。

生命系统与人造系统相比究竟有多复杂？
生命系统有两大特征，影响因素的无限多且可动态变换，生命现象的可涌现性。这些都是人造系统很难完全具备的。最最重要的是应用在人造系统上的工具和科学方法往往不能用在生命系统的研究上！因为后者的逻辑关系是多因对应多果，前者几乎只有单因对应单果，最多是线性关系下的多因对应单果。

生命的复杂性

　　2002年5月，德国一个研究小组在英国《自然》周刊上宣布，他们在冰岛北部海下120米深处发现了一种迄今所知最小的生命。这种被称为“Nanoarchaeum equitans”的微生物属于古细菌的一种，其基因组的DNA碱基对仅有50万左右。哪怕是最小、最简单的生物体，也是由许多执行不同功能的组分构成的。因此，生命复杂性的第一个特征是，生命是一种复合体，不可能由一个成分（一种基因或蛋白质）构成。　　作为复合体的生命，其组成成分并非简单的堆积，而是彼此间有着广泛的相互作用。芽殖酵母的基因组拥有6000种左右的蛋白质，但到目前为止人们已经知道的酵母蛋白质与蛋白质相互作用联系种类，就已接近1万。据保守的估计，在酵母细胞里至少存在着3万种蛋白质与蛋白质相互作用。随着各种物种基因组全序列分析的完成，人们看到，生命的复杂程度并不与基因数目成正相关。如水稻基因组可能编码蛋白质的“开放阅读框”（open reading frame，ORF）大约是4.6万到5.5万，而人的ORF数目则低于4万。显然，在生命从低级到高级的进化过程中，有可能是蛋白质之间的相互作用在起主导作用，越是高级的生命，其相互作用越广泛。由此可以概括出生命复杂性的第二个特征——组分之间有着广泛的相互作用。换言之，生命的本质是由组成元素之间的关系所决定，而非组成的物质本身。
　　生命组成成分的相互作用很早就被人们所认识，但是最初的观点，是把这些相互作用看成一些线性的联系，即甲因子作用于乙因子，乙因子再作用于丙因子，依次递推。比如过去的教科书里，生化代谢途径或者信号传导过程常常被描述成直线式的作用图。但近年来，科学家已承认，生命内的这些相互作用不是直线式的，而是交错编织形成的网络。这种广泛存在的相互作用网络引出了生命复杂性的第三个特征：次序和层次。由于生命中各组成成分有着稳定的相互作用，从而形成了有序的结构，也就是人们常提到的“自组织”。生命自诞生那天起，就是一个与外部环境相对独立的系统，并且通过与外界交流物质和能量维持其有序性。随着生命的逐渐演化，次序发展出了层次：各种生物大分子相互作用并形成了不同的功能区域（细胞器等），这些功能区域组合成细胞，各种执行不同功能的细胞又汇聚成组织，组织与组织的结合又产生器官，最终形成了多细胞的生物体。
　　生物体的每一个层次都拥有特定的行为或性质。这类行为或性质不存在于构成它的组成成分里，而是由组成成分间的相互作用所形成。因此，生命复杂性的第四个特征是，整体比它的部分之和更大。研究复杂性系统的科学家把这种现象称为“涌现”（emergence）。生命系统的涌现是属于非线性的，即不能通过简单地叠加构成成分的行为推导出系统的行为。
　这种“整体大于部分之和”和“涌现”性质，是生命诞生及其进化的主要动因，生命通过改变自身以适应变化着的外部环境。这种特性使得地球上形成如此繁多的生物物种，使得人类这样高级的生命形态能够从原始的细菌进化而成。在这个意义上，美国科学家霍兰（J. H. Holland）提出，“适应性造就复杂性”。因此，生命复杂性的第五个特征是，系统具有开放性，可以在过程中不断地演化。生命不是一种简单的“自稳态”系统——通过负反馈的调节控制来稳定自身的状态，从而适应外界的变化；而是一种远离平衡状态的开放系统——通过不断地形成新性质或新功能来适应外界的挑战或改变。

　生命科学的发展历史表明，生命科学理论充满了例外。DNA双螺旋发现以后，人们曾经一度认为，遗传信息是从DNA传递到RNA，再到蛋白质的。但随后的研究表明，遗传信息也可以从RNA传递到DNA。起初大家公认具有催化功能的生物大分子都是蛋白质（酶），但很快又发现，某些RNA也是具有催化活性的。过去认为组成蛋白质的天然氨基酸只有20种，但在1986年发现了第21种——硒胱氨酸，2002年又发现了第22种——吡咯赖氨酸。此类事例不胜枚举。需要强调的是，这些例外只是补充和丰富了原有的理论，并没有“证伪”和抛弃原有的理论。