生命是什么

如果说上个世纪有关科普的名著里面有什么必读之作, 薛定谔的“生命是什么”必是排在前列的作品,也许没有之一。 这本书是基于二战期间薛定谔在英国做的一系列演讲,最早于1944年编著出版, 后来又加上了1958年系列讲座中讨论意识和物质的内容,以及薛定谔本人的自传, 作为一个合集出版。就算是最晚的合集版本, 到今天已经过了半个世纪, 相关生物学科作为科学前沿取得了巨大的进展。然而这本书中基本思想并不过时。特别是这本作为给普通人写的科普小品,在当年甚至启发了有关DNA和复杂理论等一系列科学发现,可见其深邃。 今天就借这本书的思路, 谈一谈生命是什么这个大话题,话题本身很重要,而更重要的是思维方式。

作者在开篇的序言里就提到, 自己是作为一个物理学家在谈生物这个问题。 而作为一个科学家通常不会就自己不精通的论题著书立说,这样可能不负责任。 他之所以愿意谈谈这个话题, 是因为自己对所谓普遍性的理解,现代科学的复杂程度让每个人都只能掌握自己一小块领域的知识, 然而构成科学的全部知识应该是一个“普遍”的整体。这本身是两难, 除非有人肯做一些总结和整合的工作。这是他写书的原因。 薛定谔应当是过谦了, 他本人实际上属于通才, 对各个领域的知识有广泛的了解, 对生物也不能说是外行, 同时在哲学层面,他也有自己的相当深入和全面的认识。 而在当时, 物理学应当已经算是搭建好了框架,有了普遍接受的研究范式。而生物科学正在早期混乱和含糊的阶段, 非常需要有人定义明晰基本概念,提出正确的研究问题。由物理学家定义生物问题看似转行,其实相当自然。  这也是这本小书能在随后启发生物领域和系统科学领域若干发现的主要原因。

书的开篇就提到, 对生物学所面临的各种复杂问题, 当时的物理和化学看似无能为力,然而这不是否定物理和化学在生物中起作用的理由。两者之间的主要差别是生物物质中的结构和传统物理和化学研究的内容有很大的差别, 不能简单的把在物理化学已经取得的规律平移过去。比如对当时的物理学家来说, 晶体(有明显的周期性)已经是足够复杂和有趣的了。 而细胞中的染色体, 所谓非周期的结构又远比晶体复杂,这样当然不能简单应用在晶体研究中的物理规律。

这个问题直到今天仍然是如此, 物理学家倾向于研究微观极小基本粒子的规律和性质,以及宏观巨大的宇宙和星体的性质,也都可以总结出比较清晰严谨的规律,而对于中间尺度的生命特别是与人的各种现象, 传统的方法并没有那么有效。

薛定谔有远见的提出, 正是这种尺度上的差别, 才能让生命在分子的无序运动中,基于统计形成了某种有序结构。而统计特性要稳定存在, 必须要一定量的基本粒子的支持。 这里有所谓的sqrt(n)律, 对数目n的分子集合, 统计特性的偏差在 sqrt(n)量级,而相对误差是 sqrt(n)/ n  =  1/ sqrt(n) 。 大量的分子存在, 才可以构成某种稳定。 这是为什么生命出现在远大于基本粒子尺度的根本原因。

在随后的讨论中, 薛定谔又指出光讨论统计结论的想法过于简略了, 生物中有很多大于分子而又远小于生命本身的结构。 其中最重要的就是染色体。当时dna的结构还没有被发现,但是有关生物遗传的研究已经了解到了染色体的分裂,复制, 结合, 交换是影响遗传的关键。 特别是对应着生物各种千奇百怪不同的特性, 作为表征基因的概念, 已经被明确的提出来(还不知道基因的载体是什么)。书中仅从生物进化所需要的复杂程度,和初步观察结果, 从逻辑就可以推断出所谓的基因在染色体上应当是多大的结构(当时的推断是不超过几百个原子尺度, 这和后来的基因片段基本相符)

因为基本粒子的随机性,染色体能够非常精确的复制已经是让人惊奇的事实,毕竟可以按照统计和尺度在解释这种稳定性。  而在遗传过程中又存在着突变更加让人奇怪。突变是能够遗传继承的变异。在薛定谔的时代,不知道突变的分子机制,  通过使用x射线照射麦种, 通过改变射线强度观察对麦种性态改变的统计规律, 书中估算出引起突变的尺度“不超过10个原子距离” , 今天知道这个猜想也是正确的,对应着一对碱基。

薛定谔认为导致遗传物质的稳定性和突变现象两种矛盾同时存在就不能依靠传统的统计物理了。 合理解释应当是统计叠加量子效应,因为量子不连续, 存在着量子跃迁。因此由不同能级的原子可能构成不同稳定形态的分子。而分子的稳定性又和温度相关, 由量子效应可以导致非常复杂的化学变化。 这种提法在今天看来也对也不对, 从量子效应特别是电子能级影响任何分子化学键的角度来说, 量子效应在分子化学中起着基本作用。然而主要的生物化学反应比如三羟酸循环类似一种冷燃烧, 与一般化学反应没有什么不同,这里不需要考虑量子效应。而一些特定反应, 比如自由基, 荧光性, 或者叶绿素的光合作用,量子效应起着核心作用。 另外一个引起广泛争议的话题是量子效应是否与意识相关, 按照薛定谔有关尺度的讨论, 个人倾向于比较保守的看法,意识仍然是电化学反应, 而不是直接利用量子的不确定性。

在讨论过遗传物质可能的尺度和工作机制后。 薛定谔突出的强调了遗传物质的非周期性, 也就是所谓编码, 这在今天差不多已经是常识了。 而在成书的时刻,还只是一种假说, 因此书里小心翼翼的从各种层面, 量子效应, 统计特性, x射线的诱发突变率来反复讨论是否存在类似编码的东西, 这是涉及到具体的科学理论时应有的态度。 理论和逻辑推出的东西, 总需要事实验证, 再没有经过明确检验之前,应尽量小心。 而对应理论的实验,在现代科学中通常涉及到非常高端的技术, 专业领域的大量知识,和辛苦的重复试验过程收集数据。这是科学和民科的关键区别。 所谓造谣一张嘴,辟谣跑断腿。 科学工作者工作很辛苦,但往往拙于把自己的工作对等的呈现出来。给爱耍嘴皮子的民科留下了大量空间。 于是世间总有各路科学“骗子”, 对普通人来说, 又极难分辨。

遗传和生命过程的“有序”,在书中引发了更一般的思考: 这种有序是如何出现的?因为热力学第二定律的存在, 孤立系统总是趋向于所谓热平衡的无序状态,为解决这个问题, 薛定谔观察到生命体的新陈代谢, 所谓以负熵为生, 通过从外界获取能量来维系自身的有序。 这应当说是这本书中遗传编码思想之外另一重大贡献。 配合所谓负熵的概念, 达尔文提出的生存竞争可以被最大流原理来解释。 在生物进化中, 能够最高效率利用负熵的种群胜出。 这个原理直到今天人类社会都是成立的。 谁能消耗最多负熵或者能量, 谁就是进化出来的高级形态。 站在全局来看, 其实没有违反热力学第二定律。生命的存在局部有序竞争, 会加快整体达到热平衡的过程。 如果把平衡定义为死的话,生也是死的一部分。

更进一步的解释中, 薛定谔认为无序中产生有序需要在现有的物理规律基础上定义出新的原理才能更加清晰的给出有序产生的条件和发展过程模型。 薛定谔已经意识到了生命的存在远离平衡态, 他把这个归结为动力学。并且举例说明一个时钟变冷时还是能工作的,而受热就融化了。 类似的思路应当启发了普利高津等人后来提出的耗散结构。

在有关生命讨论的最后, 薛定谔认为生命应当不受所谓量子测不准的影响,“ 就算不是拉普拉斯决定论,也是统计意义上决定论的”。 这大概是作为一个物理学家的唯物倾向。 合编在书后一部分的意识和物质相关章节中有进一步的讨论。 这里就不展开了。

薛定谔的自传中提到他曾经非常沉迷于植物学,特别是达尔文的物种起源, 这也是他作为一个进化论的支持者能够洞见到遗传选择和远离平衡的负熵代谢这两大构成生命的关键机制的一个原因。而更重要的则是他作为物理学家的科学思辨过程, 大胆假设, 小心求证。 对应到生命的过程, 在今天还没有一个完整的科学理论, 仍有各种各样的伪科学流传。掌握思路,才能辨析真伪, 这是再次复习这本科普著作的现实意义。

如果给以上冗长的文章做一个总结的话, 掌握科学方法论不仅对科学研究,而且对现实生活存在重要的指导意义。这一目标不能通过看完一篇文章就达成,十篇,一百篇也不行,  需要持久的修炼。

 

 

 

 

 

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