生命是什么（王立铭，生命科学50讲）
王立铭在得道的公开课《生命科学50讲》，其实就是他在2018年出版的那本书《生命是什么》的讲座，章节一一对应。这本书很明显是对薛定谔的《生命是什么》的致敬。
本书共有10章，可以分为这三个方面：
- 生命的三要素：物质、能量、自我复制。
- 生命多样性的二个基础：细胞、分工。
- 智慧生物的五个元素：感觉、学习、社交、自我意识、自由意识。
下面就分章叙述一下。
一、物质 万物之源
二、能量：ATP与葡萄糖
ATP性质活跃，可以快速供能。没有反应废物。能量单位小，适和的应用场景化学反应多。这三个特点都是葡萄糖所不具备的，所以需要通过ATP来给生物体供能。
ATP在生物体内含量很少，但是ATP与ADP在生物体内的转化是十分迅速的。这样，ATP的总量总是能维持在一个相对稳定的动态平衡当中。
ATP的产生
ADP在转化成ATP的过程中需要的能量主要来自于呼吸作用和（植物的）光合作用：
光合作用
光合作用的总反应式：
光合作用的过程图解：
呼吸作用
呼吸作用包括有氧呼吸和无氧呼吸。其中，有氧呼吸过程如下：
有氧呼吸过程图解如下：
高等动物无氧呼吸过程如下：
高等植物无氧呼吸过程如下：
ATP的水电站式生产
关于一个葡萄糖分子完全分解释放的能量能产生多少个ATP分子，在科学界一直没有定论。后来发现，葡萄糖转化为ATP，是在细胞线粒体内通过ATP转化酶以“水电站”的形式转换，先消化葡萄糖制造氢离子浓度差来蓄能，再根据身体需要适时释放适量的能量将ADP转化ATP，所以葡糖糖转为ATP的具体数值不固定，这是20世纪的生物一大谜团。
三、自我复制：DNA RNA
复制的基础
DNA通过半保存的自我复制，实现了遗传信息的延续和扩张。通过ATCG四种碱基来存储蛋白质结构信息，3个碱基对应1个氨基酸，将空间3维的信息以1维线性方式来储存，降维打击。（这怎么能称得上降维打击呢？）
下面是DNA分子的结构模式图和DNA分子的复制示意图：
伟大的RNA世界假说
DNA分子结构上极其稳定，所以需要蛋白质酶来解开，但是蛋白质又需要DNA上面的遗传信息才能合成，这就产生先有鸡先有蛋的问题。
答案的关键就在于RNA，RNA具有遗传信息同时又有蛋白质推动生物反应的作用，所以又叫核酶。DNA通过复制给RNA，由RNA在核糖体内实现解码完成蛋白质的生产。所以RNA看似多余，是中介，实则隐藏了生命起源的秘密，这就是RNA世界假说，即生命起源于RNA，一个有遗传信息，又有蛋白质功能的生物分子，它既是鸡，又是蛋。只是随着时间的推移，RNA分别把这两项核心功能分配给了DNA和蛋白质，让他们成为生命的主体，更好的发挥他们各自的功能和作用，自己退居二线，只做桥梁，生命科学的逻辑真是精彩！
下面是DNA转录RNA图解和RNA指导蛋白质分子合成示意图：
RNA的余晖——病毒
RNA虽然在多数生物体内退居二线，却仍在世界中残留下来，这就是病毒。它通过RNA在生物细胞体内实现自我复制，RNA的不稳定性也导致了它的频繁突变性。
四、细胞
细胞的意义
细胞的出现让物质、能量、自我复制得以在封闭的空间进行，并因此产生了细胞内各种生物分子进行复杂协作，为进化的多样性提供了无穷多的可能性，生命的演化进入了快车道。
但是，关于细胞的产生。业界还没共识，只是存在一些假说。
下面是动物细胞结构和植物细胞结构：
细胞的成长天花板
细胞的生长受到立方/平方的规模限制，能量消耗与体积有关、能量产生与附着在面积上的ATP膜有关，因此细胞不能无限变大。
下面是细胞膜结构示意图：
多细胞的诞生
由于单细胞大小有天花板限制，这时多细胞就孕育而生，靠多细胞取得尺寸优势，可以吞噬单细胞生物，同时避免被其它多细胞生物吞噬。生物也在这种竞争中越变越大。
这种竞争，最后必然导致灭亡（恐龙），就像军备竞赛，最终也必然导致灭亡。
但单细胞的优势也还存在，比如快速复制繁殖、更加灵活、更好躲藏等。所以，生命的演化没有路径和方向，只要能活下来就是好的生存策略，多细胞只是其中的一种。进化不是往高级的方向走，而是适应的路上各显神通。这就叫繁荣！这就叫生态！
五、分工
分工的产生，潜能换功能
分工解决了一个细胞运动与繁殖的矛盾，使细胞能同时干2件事，并逐步细分。带来了专业、协作和产生新功能（如神经细胞）的优势。说白了就是潜能换功能。
细胞分工使得细胞的功能多样化、专一化了，同时，细胞的形态也出现了分化，以适应这种变化，不同形态的细胞也就组成了不同形态的组织。下图是不同的细胞组织形态，按照编号依次是：1）叶细胞，2）红细胞，3）肌细胞，4）骨细胞，5）神经细胞，6）分生组织，7）平滑肌组织，8）神经组织，9）叶的表皮，10）骨组织，11）上皮组织。
在分工的过程中，部分细胞丧失了繁殖权力，形成了生殖细胞和体细胞的阶级之分，但是，有些不应该不由繁殖能力的细胞不愿意放弃繁殖能力，这就出现了癌细胞。
分工的机制，随机智慧
通过细胞随机微小的波动和环境信号的不同，产生细微的化学信号差别，并随着细胞的活动放大信号，最终决定彼此的分工。又一次看到的随机的智慧，跟计算机上随机智慧异曲同工！
这个分工的机制和蜂后的形成过程一样，都是一个正反馈的过程。
大脑的产生，用进废退
大脑在出生后完成基本设计，并随着年龄的增长到青春期前后在细胞数量和连接数量上达到巅峰，之后逐步走下坡路。可见大脑完善的过程是用进废退，不是依靠加入新细胞和连接，而是删除不用的。这也足以见到年轻时要多学习、多接触不同事物、开拓眼界的重要性！
六、感觉
感觉是智慧的基础
因为它是信息的输入环节，但感觉不会一丝不苟的刻画外部世界，而只是为了方便、好用，它会对信息进行取舍、筛选、扭曲和整合，然后呈现出虚拟世界给大脑。
视觉是最主要、准确的感觉方式
视觉作为主要信息源有天然的优势，光作为电磁波优点：
- 不受环境约束，直线传播、光速、不依赖介质；
- 准确反映环境和变动，比如距离、物体的形状和大小等；
- 承载信息丰富；
丰富的视觉信息，一定程度上催生和锻炼了智慧的大脑。其他感觉或依赖于化学信号，局限非常明显，比如嗅觉、触觉。
七、学习
为什么要学习
生物一出生就会天生具有很多能力（本能反射）。本能反射的条件简单，反应也简单，（至少）只需要两个神经元即可完成功能。 为了适应环境，简单、快速、普遍的本能反射（刺激-反射，非条件反射）模式存在不足:
- 要写进遗传信息，容量有限，不能全部经验都写进去；
- 这种模式有盲目性，不懂随着环境而变通。
- 本能反射不能进行经验教训的总结。比如动物通过气味找到配偶，但是动物不会总结配偶出现的规律（比如哪些地方更容易出现配偶），每次只能通过气味进行寻找。
所以，只有底层的行为，关乎生存和繁殖的会写进遗传信息。很多复杂的行为还是要通过学习来掌握。
但是，本能反射的简单性也是优点：因为简单，所以稳定牢靠，不像后天学习那样复杂，而且每个个体的学习结果也可能不一样。也许正是因为这个原因，动物将最重要最基本的功能通过本能反射来控制，而不是学习。
学习是什么
学习，宏观上，是在不相关的事物之间建立联系，微观上，就是在相关神经细胞之间建立连接。赫布定律描述了这种联系的微观本质。
赫布定律：大脑两个神经细胞总是同时被激发，联系就会变强，传递更有效率。这种效率提升过程是，神经细胞膜上一种特殊蛋白质让两个细胞间的突触面积更大、数量更多，让突触更敏感。大脑海马体上神经细胞膜的这种特殊蛋白质（“裁判蛋白）的多少决定了一个大脑的聪明程度。
从微观层面上理解，虚拟记忆的创建和移植从理论上说都是可行的。
这里可以有很多科幻小说！
八、社交
繁衍与竞争的新策略
真社会性动物的出现（个体间分工、合作、部分个体丧失繁殖权力，2%的昆虫种类占50%重量）极大的挑战了达尔文进化论，他们自我牺牲、利他主义，都是达尔文所不能解释的。为此，科学界依次提出群体选择、亲属选择、基因选择理论，其实都证明了自然选择的对象是基因，是基因为了最大化自己遗传物质的传递。可以看到进化不只是简单的物种内的竞争，还有物种间的竞争，这导致了物种内的社会化合作和物种间的共生合作。比如费氏弧菌与乌贼，狗与人。
语法化的语言是人类独有的武器
语言不是人类独有，但语法化的语言是独有。它的产生是FOXP2基因，这个基因很多动物都有，差异不大，但人类因为一次突变获得了语法功能。作用：
- 它使人类能够更有效的沟通、合作，在物种间的竞争中胜出；
- 使我们站在巨人的肩膀上，学习能力变强，突破了基因进化、遗传在时间上的局限性。
从这个角度看，依旧显示社会协作的重要性！
多样性大于效率
两性繁殖在遗传物质传递的效果和时间的效率上都不如无性，看似麻烦，实则带来的多样性，这是它能长期存在的优势。
两性的核心差异是生殖细胞的大小和功能，这也是生物界定义两性的标准。一方负责量产，广撒网；一方负责营养，钓大鱼。这也导致了双方不同的生存和进化策略，比如雄性相斗，这就是性选择的进化学说，但其背后仍然是自然选择。
两性社交
- 精子多而少，和卵子大而少的差别决定了是雄性争斗，而不是雌性争斗。对繁殖子孙投入资源越多的一方，性选择越谨慎，投入少的就会通过竞争解决问题。自然界偶尔会出现雄性抚养，那竞争就会发现在雌性间。
- 竞争越激烈，导致两性身体上的差异会越大，从人类男女身体温和差异来看，性资源不紧缺，一夫一妻是天然的。为了应对竞争，暴力就有基因基础，但动物间的暴力都是温和的，一般都是虚张声势，不会致死。这个基因一旦出现异常，就会出现严重的暴力。严重暴力基因会被自然选择淘汰。
- 雄性送雌性一些华而不实的东西，是有生物学基础的。也有其它动物会做出这种行为。有一种鸟的雄性会搭建一个非常漂亮的房子用来吸引雌性，但是欢快结束，就弃之不用。
九、自我意识
自我意识，更复杂的功能和情感的基础
自我意识让人有羞耻感、责任感、成就感、好奇心等复杂的生命功能，让智慧生命第一次有了清晰的目的性！从这也能看到，在社会中找到自我的存在感和位置，也许是我们进化的要求，也是我们做为人而活的理由。地球上有十多种生物有自我意识，他们普遍都是比较“聪明”。
- 自我意识的基础是镜像神经元。它能同时检测自我状态和外部环境，但对它的研究还很浅。
- 自我意识很顽固，以至于完美复制“我”后，它仍然认为只有一个“我”。
- 自我意识也很灵活，随着人体自身的变化，自我意识仍然能够认识“我”。
- 同一个自我意识不能同时存在于多个人脑中，但是一个人脑中可以存在多个自我意识，这就是多重人格。
十，自由意志
自由意志，就是我决定我的思想和行为。自由意志对人的行为、道德会产生很大的影响，心理实验表明没有自由意志的人会消极、妥协、悲观。
人类的很多行为都是本能，都是受遗传物质影响的，而不是自由意志。比如吃饭、爱情，在这些行为上，自由意志作用不大。即使是高级的心智活动，比如价值观、政治倾向等，都有50%以上受遗传物质影响，这可以从双胞胎实验中得出。但环境的影响依旧很大，可见我们选择环境、朋友的重要性。
虽然真正的自由意志不一定存在，但是这种相信自己有自由意志的感觉确在进化过程中保存了下来，一定有它的意义所在。这其中可能的一个答案就是保护和奖励我们的好奇心和探索精神，赋予以上行为快感和成就感。如果没有自由意志，好奇、探索就是出于本能，没法对个体产生激励。比如，别人交给你的任务，做起来就没有那么多主观能动性，成功之后也不会非常兴奋。自己定的目标，做起来就非常兴奋，成功之后特别有成就感。