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生命是什么 薛定谔
生命是什么 薛定谔
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生命是什么 薛定谔

《生命是什么?活细胞的物理观》埃尔温·薛定谔。 诺贝尔奖得主、奥地利物理学家薛定谔在其1944年的著作《生命是什么?》中,提出了一个更加具体但同书名一样发人深省的问题:“是什么让生命系统似乎与已知的物理学定律相悖?”薛定谔当时给出的答案现在看来颇具预见性。他指出,生命的特征在于“密码本”,这个密码本不但可以指导细胞组织和遗传,还能让有机体摆脱热力学第二定律。 薛定谔的这些观点对于公众和一些杰出的科学家来说具有很大的启示意义,但也让另一些人感到非常不满。虽然这些原理并非原创,但这一出色的构想启发了克里克(Francis Crick)和沃森(James Watson)在1953年发现DNA双螺旋是如何编码基因的。克里克同年致信薛定谔,称他和沃森“都受到了您的那本短篇著作的影响”。

生命是什么 薛定谔
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生命是什么 薛定谔

《生命是什么》是奥地利物理学家埃尔温·薛定谔创作的生物学著作,于1944年首次出版。薛定谔通过热力学和量子力学理论来解释生命的本质,引入非周期性晶体、负熵、遗传密码、量子跃迁式突变等概念来说明有机体物质结构、生命的维持和延续、遗传和变异等现象,从而推动了分子生物学的诞生。
《生命是什么》因出诺贝尔物理学奖获得者薛定谔之手,在物理学阵营中有较强的号召力,吸引了一大批物理学家投身于分子生物学研究。它直接启发了DNA双螺旋结构模型和基因调控的操纵子学说的提出,以及后来对遗传密码的解读。青年时期的薛定谔就对生物学感兴趣,并常常在业余时间关注着生物学领域的发展。20世纪中期,以德尔布吕克为代表的一批物理学家在生物学领域的研究成果深深印刻在他的头脑之中,并开始形成了他对生命哲学的认识。1943年,他在爱尔兰都柏林三一学院题为“生命是什么”系列讲座中,阐述了他对生命本质现象等问题的思考。1944年,他将这些观点和论断整合出版成书。

《生命是什么》:用薛定谔的视角理解世界
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《生命是什么》:用薛定谔的视角理解世界

一、一切,都要从原子说起。

我们接触到的每一块物质,都含有大量原子;或者说,物质是由大量原子组成的。

在原子物理学里它的单位是Å(埃),1Å等于0.0000000001米,原子的直径在1Å至2Å间。

有这样一个著名的比喻:我们给一杯水中的分子标注记号后,倒入海洋,经过充分而彻底的搅拌,再随便从海洋的任何一处舀一瓢水,里面大概会有100个我们所标注的分子。

说原子很小,是因为我们在用日常眼光审视它,若蚂蚁有足够的智慧,它不会认为自己小,而会觉得恐龙为何那么庞大,这都是基于日常经验的判断。用绝对理性的视角来评判,可以理解为,“Å”和我们日常所用的“米”属于不同概念的度量单位。

活体生命内的原子排列与一个非活体生命状态下的原子排列,有着本质差别。例如此时我们体内的原子排列,和市场上鲜猪肉的原子排列是截然不同的。后者的原子排列状态,就是大多科学家们研究所用的细胞标本,称作周期性晶体,前者则是非周期性晶体。

薛定谔做出了一个生动的比喻:周期性晶体是一张普通壁纸,非周期性晶则是一条精致的拉斐尔毛毯。

我们体内正在工作的细胞,就是非周期性晶体。

按照我们的常规经验,我们对世界的感知来源于大脑,其他器官躯干的功能是辅助大脑。这种思维方式有助于我们了解与世界和自我的关系。

而用纯物理的视角来审视,思想和大脑能够如此密切地运作,其中必然遵循着高精度的物理排列规律(所以医学界常感慨大脑是神秘的),外界那些给我们造成物理印象的同类,也遵循着同样的排列规律。我们互相交流,作为彼此的知觉和经验,这也是一种严格有效的物理秩序。这其中的元概念,可能超越了人类目前的认知。

我们此时的念头,此时正在使用的器官,由无数原子组成,这无数原子根据精确的物理定律,支撑着有机体的运作,但这种构成状态无法直接观察,我们也感觉不到单个原子的得失。

如果极少量的原子就能影响我们,那么这种原子排列,就不能奏出我们此时的状态,此时拥有的具有高度秩序性的思想。再想一想,如果我们的感应器官,若能时刻察觉到单个原子碰撞,那是一种多可有趣而可怕的体验。

原子本身是不稳定的,无时无刻都在做完全无序的热运动。原子越少,规律就越乱,只有大量原子为实验对象时,统计学定律才会生效,从而获得原子的有效特征。

这个理论有些晦涩,薛定谔用了三个例子来阐述,我们选取其中一个曾学过的例子(布朗运动)来理解:

在玻璃管内装一些雾气,随着时间的流逝,雾气会逐渐下降,但若用显微镜观察一个雾粒,就会发现它在做着极不规则的运动,再回归到整体视角,雾气的整体仍在下降,表现出整体的规律。

因此在统计学定律中,数量越多,就越精准,越有效,单个或少数原子不足以满足统计学定律所需。

二、量子跃迁

我们需要了解一个名词,四维模式。

四维模式是指:有机体以自身的结构和功能,随着时间而发育的全过程。

可以具象地理解为,在有机体下面加一个进度条,我们随着进度条能够明确观察有机体的生长。自然类的纪录片里经常采用这种镜头。

接下里让我们用四维模式,来理解下面的文字。

我们初中都学过,有机体的源头是受精卵,即两个染色体的有序融合。

精卵的形成过程,叫做减数分裂,即在有机体性成熟时通过两组染色体进入两个细胞。因为是一个细胞只有一组染色体,所以被称作“单倍体”。

精子和卵子都属于单倍体,合二为一就是二倍体的受精卵。人类有46条染色体,一半来源于父亲,一半来源于母亲。

若通过显微镜观察,染色体的形状是“一种轴状骨架纤维”,通过这些结构特征,我们便能预测染色体之后的发展方向,能预测这个染色体是一只小狗,还是一个人类婴儿。

那么,一个受精卵是如何长成真正的生命呢?

任何有机体,都是通过细胞分裂而进行生长的。这种分裂与减数分裂不同在于,一个细胞分裂成4个细胞,接着是8个、16个……一个成年人的细胞需要分裂50—60次,人类一生则需要分裂分裂500次—600次,具体的细胞数是天文数字。可以理解为,年老时的细胞,都是初期细胞的后代。这种分裂,叫做有丝分裂。

但染色体并不是全部遗传下去的。在减数分裂的过程中,两个不同的染色体会交换特征,特征来源于生物体的双亲,待配子成功后,跟配偶的染色体融合,再以50:50的几率遗传到下一代。我们所说的隔代遗传,就是如此过程。

而在细胞的运作中,会有小概率发生一些意外,一些“微小但跳跃式”的意外。

歌德说过:在变幻无常的现象中徘徊的东西,用永恒的思想将其固定。

薛定谔将此通俗地翻译为:没有一个规律没有例外。

这种意外,是植物学家德弗里斯在月见草的实验观察中发现的现象,称之为:突变。

过程是,一组紧密靠拢的原子,构成了一个稳定的分子,当外界提供相应阈值的能量差,基因分子便会突变(这种突变不具有连续性)。

基因突变也会遗传给后代,但分为隐性和显性。

隐性突变是潜在的,因为基因突变,影响到的只是一条染色体中的一部分,当配偶没有隐形突变,那么这种突变就不会产生实质性的伤害,但仍会由后代将这种隐形突变传递下去。

隐形突变变成显性突变的最佳例证,就是近亲繁衍。若都遗传有隐形突变的同胞兄妹交媾,那么他们后代的突变几率,将大幅提升。

薛定谔则从突变过程发现,这与量子论高度吻合,于是他大胆地将基因突变现象与量子论联系在一起,他认为:突变是由基因分子中的量子跃迁引起的。

所谓量子跃迁就是“从一种构形转变为另一种构形”,发生在基因分子上,就是原子改变了分子的排列,因而造成了相同位点上的等位基因不符。这便是《生命是什么》中的主要论点和阐述方向。

三、生命物质走向何处

生命物质,最终要走向何处呢?

在这之前,先考虑另一个问题:“生”的特征是什么?

从物理学的层面而言,生命的主要特征,就是某种持续与环境交换物质的过程,运动、思考、呼吸、哭泣、微笑……这都是“生”的特征。

“死”的特征,可以用一块无悲无喜的铁举例,“电势与化学势的差别消失,温度与热传导而变得均一,整个系统逐渐衰退成一块死寂的、惰性的物质,达到一种持久不变的状态,可观察的事件不再出现。物理学家把这种状态称为热力学平衡,或最大熵(原文)。”

从理论层面而言,铁块的状态还不是真正的最大熵,它还在缓慢地向更惰性、更冷寂的状态前进,这需要更长久的时间,整个过程已与生命无关。

熵,热力学第二定律。从高到底,从热到冷,从有序到无序(永动机因违背热力学第二定律而被称为第二类永动机),听来抽象,实则是可测量的物理量度。

薛定谔根据熵对于有机体提出了一个惊人理论,也是《生命是什么》这本书中最精彩,最令人震撼的论点,即:有机体以负熵为生。

每个人都知道新陈代谢,那是一个消耗能量和补充能量的过程。但大多数人仅考虑到了这一步,没有深入去想。理性而单面地审视新陈代谢,会感觉新陈代谢是荒谬的,外界的氮原子、氧原子和体内的氮原子、氧原子是同样的物质,同样的原子结构,为何要替换?这样做的意义何在?

薛定谔的看法是,自然界中的一切,都在趋于熵的最大值,也就是热寂。有机体身上同样存在熵值,不停地趋于惰性、平衡、死寂。而有机体避免向熵的最大值靠拢的方法,就是新陈代谢。

我们从环境、物质中不断汲取能量,目的就是:以此降低自身的熵值。

进一步而言,熵究竟是什么呢?

简而言之,熵,是分子的无序。

分子的运动越剧烈,热能就越高,反之,运动越平缓,热能就越低。当热能达到最低处,分子彻底无序,直到“绝对零度”。

绝对零度是理论意义上而言,是熵的最大值,为零下273.15摄氏度。当大自然到达了绝对零度,分子的无序对物理事件不再产生影响,也就意味着,就代表着这空间内没有了任何生命迹象。这便是热力学第三定律。

但零下273.15摄氏度是下限值。薛定谔指出,就算在正常室温下,熵也在起着微弱的作用,具体情形中,有不同标准的零度。

薛定谔还浅尝辄止地探讨了生命有序的两个来源机制:

一、有序来自有序。成年哺乳动物有10的14次方的基因副本,凝聚起来只有一滴水滴的大小,这些来自上一代人的基因副本恰如其分地分布在全身的每一个细胞之中,这种有机体内的基因分子结构,自然是有序的。

二、有序来自无序。这是从第一章节讲的统计学定律层面而言。薛定谔更肯定这种物理向的机制。

到了这里,我们可以做出回答,无论如何,生命物质终将走向无序,也就是死亡。

正如上面铁块的例子,有机体死后,序也不会立即消失,而是随着时间慢慢地趋于更大的熵值。可以用四维模式想想尸体腐烂融入泥土的样子……

四 、“我”是什么

我做梦时梦到的人,都是“我”在同时扮演的各种角色,相当于自己与自己对话。

我不同的身心状态,也给我的意识创造了不同的“我”。

“我”将自身经验和记忆混合,行程了与他人迥异的统一体。

更直白地说,“我”是画布上由记忆和经验制成的颜料。

由此,人们对“我”的认知轻松地过渡到了“意识是可以被重复”的宗教性理念,这也正是“灵魂”说的来源。

而薛定谔对此强烈反对,他强调:意识从来不以复数被经验,而知一单数被经验。

薛定谔还在结语中,推出一个结论,彻底阐述了“我”的概念:

“我”是按照自然定律控制“原子运动”的人。

进而,他又进一步引用了《奥义书》中古老而精深的哲学理念:

个人的自我等于无所不在、不所不包的永恒自我。

这个理论与同样汲取吠檀多学派精髓的叔本华高度一致,他在《作为意志和表象的世界》开头的一段话对“我”的定义也相当有别样的启发性:

他不认识什么太阳,什么地球,而永远只是眼睛,是眼睛看见太阳;永远只是手,是手感触着地球;就会明白围绕着他的这世界只是作为表象而存在着的,也就是说这世界的存在完全只是就它对一个其他事物的,一个进行“表象者”的关系来说的。

至此,我对《生命是什么》的“复述”完毕了。

这本不到一百页的小书,囊括了太多的信息,它源于1943年薛定谔在都柏林三一学院的演讲文稿,次年由剑桥大学出版,其主体是想用物理学和化学来表达有机体在时空内发生的有序事件。在商务印书馆的版本上,也保留了原有的副标题:《活细胞的物理观》。

这本书距今已有76年了,在这76年中,世界仍在进步,但我本人绝非时代前沿者,我只是用更通俗或者说更简陋的语言和文体框架,把这本书照猫画虎地阐述下来。

所以说这篇文章绝非书评,而是一篇读书笔记,我无力给一本专业的学术类书籍写书评,其中的概念全部来源自薛定谔的这本书(我甚至引用了一些原文)。

但为了尽量完整文章的正确性,最后,我要再恬不知耻地引用译者张卜天的一段文字:

虽然从现在的观点来看,书中有些观念并非完全正确或完善,例如,就遗传现象来看,后世发展的分子遗传学的研究表明,遗传稳定性远不是量子稳定性所解释的,不过,考虑到生命现象的极端复杂性,迄今为止人们对于生命现象的认识仍然处于“盲人摸象”的水平,因此上述种种并不有损于这本书的意义。