薛丁格:物理學和化學理論上能詮釋生命現象。如今兩者都已經實現

2020-09-05 不正經業餘讀書愛好者

薛丁格物理版的《生命是什麼?》

在1943年,諾貝爾物理學獎得主,20世紀最偉大的物理學家之一,埃德溫薛丁格,在都柏林的聖三一學院進行了一場關於物理學與生命的演講,並且他將演講的內容整理成書,將其命名為生命是什麼,在1945年予以出版。在這本書中,他用通俗易懂的物理學概念對生命進行解析,闡明物理學和生命之間關係,試圖回答「是什麼讓生命系統與已知的物理學定律相悖?」,並且嘗試建立物理學與生命的大一統,換句話說,也就是建立了物理學與生物學大一統思想。

薛丁格先生在書中提出了一系列天才般的想法和大膽的猜測。如他在書中說到「物理學和化學原則上可以詮釋生命現象」,他自身就已經完成了大部分的物理學對生命現象的詮釋;他還提出「基因是一種非周期性的晶體或固體,以及突變是基因分子中的量子躍遷引起的,突變論是物理學中的量子論,基因的持久性和遺傳模式長期穩定的可能性能用量子論加以說明」等等思想。在這些思想感召下,一大批物理學者轉身投向了生物學的研究,使得生物學在20世紀下半個世紀取得了巨大的發展,1962年,因發現核酸分子結構和生物中信息傳遞的意義而獲得諾貝爾生理學獎或醫學獎的克裡克和沃森,曾在1953致信給薛丁格,稱他們二人都是深受此書的啟發。

生命的物理學定義

對於我們普通大眾來說,這些都不是最重要的。最為重要的是薛丁格先生在對生命的探索過程中,對那個問題的回答以及關於生命的物理學定義。他在書中指出,生命的特徵在於「密碼本」,這個密碼本不但可以指導細胞組織和遺傳,還能讓有機體擺脫熱力學第二定律。因為在1943年,DNA還沒有被發現,因此薛丁格並不是知道那個「密碼本」其實就是DNA。藉由熱力學第二定律,薛丁格推導出生命的定義,生命以負熵為生,是從環境中提取序來維持自身系統的組織。提到這個定義,就不得不說到薛丁格發現的那個生命為何能夠擺脫熱力學第二定律的大秘密,那就是生命與熱力學第二定律是相違背的。在熱力學中,用熵這個概念來表述系統的混亂程度,如果一個系統從有序狀態向無序狀態發展,稱之為熵增,反之,則為熵減。熱力學第二定律告訴我們任何一個系統都是會自動的從有序狀態向無序狀態發展,既是熵增過程,也就是說我們人類生存的地球宇宙都是向混亂無序狀態發展,並且熱力學第二定律還預言了宇宙最終會歸於熱寂,這也是我們在上一分鐘收拾好的書桌在下一分鐘就變得雜亂無章的根本原因所在。

而,生命正好與此相反,它是呈無序狀態向有序狀態發展,既是熵減過程,並且一直維持在有序狀態中。但生命自身不會生產序,反而每時每刻都在生產著無序,因此生命為了維持自身的有序狀態,抵消熱力學第二定律帶來的熵增效果,就不得不從外界環境中獲得序,來避免自身向無序狀態的發展。所以,生命是以負熵為生,並且從環境中提取序來維持自身系統的組織。也許這本生命是什麼不及薛丁格先生的波函數以及那只能夠在多個時空生存的貓著名,但是他用這本石破天驚的書,為我們打開了一扇新大門,通往生命終極奧秘的大門。

化學版本的《生命是什麼?》

20世紀下半個世紀,生物學取得了重大的突破,這其中一部分研究的成功是源自於薛丁格物理版的《生命是什麼?》的啟發,除此之外,還是更多的是在化學上的成就,如分子生物學的研究發展,深入到每一個細胞當中去發現生物的行為是如何發生的,以及生命構成的本質什麼。這無疑使得化學對生命現象的詮釋逐漸從可能變成了現實。

隨著對基因的研究和破解,我們發現生命形成完全是一個化學過程,依靠著各種化學反應生成需要的物質,在逐步的組成生命的個體。正如多年前流行過的一句話,生命是由一堆分子按照有序的結構組成的,而這個有序的結構正是依靠化學反應來搭建的。新版化學的《生命是什麼》就是在這樣的背景下誕生,它由以色列學者埃迪·普羅斯於2018年出版。

作者從生命的特性出發,充分討論了生命的有序複雜性、目的性、動態性、多樣性、遠離熱力學平衡態的特性以及手性特徵與化學的關係;再揭露出生命的起源過程其實也是一個化學過程的秘密,將非生命到簡單生命的前生命階段納入到化學過程中;進而全面解釋了生物的化學特性,將生物學納入到化學當中,且將化學定義為一門化學的分支科學,將其命名為「複製化學」;在最後,作者回答了生命是什麼這個問題,對生命進行了嚴格的化學定義。

作者之所以將本書命名為《生命是什麼?》,是在致敬76年前,薛丁格的物理版《生命是什麼?》。並且新版的《生命是什麼?》接棒舊版的理念,實現了薛丁格在舊版中提出的「物理學和化學理論上詮釋生命現象」。

生命的化學定義

新版的《生命是什麼?》將生命化學定義為是通過複製反應得到的一個自我維持動力學穩定的動態反應系統。對於這個定義的理解,首先得要解開複製反應、動力學穩定、動態及網絡等幾個詞的定義。

  • 複製反應

顯然,定義中的複製反應是指基因的複製過程。表面上看,基因的複製過程就像是母雞下蛋一樣,有一個基因生成第二個基因,但實際上,它是由一系列化學反應的物質生成過程,這些反應的最終生成物質就是一條新的基因。簡單來說,首先,基因會分裂成兩條基因鏈,並且兩條基因鏈各自擁有一半暴露的鹼基;緊接著,這些基因鏈上的鹼基隨機吸附游離的核糖核苷酸,兩者以氫鍵結合;跟著,就是這些新結合的核糖核苷酸會連接到正在合成的mRNA分子上,也就是連結到新的基因鏈上;最後,合成的mRNA的新基因鏈會從DNA上釋放出來,形成新的基因。新基因生成後,就開發布生命構建命令,構建新的生命體。這個過程就是複製反應,因此,在化學上看來,生命是由複製反應得到的。

  • 動力學穩定

動力學是化學中專門用來研究反應速率的學科,那麼,動力學穩定,也就是指反應速率的穩定。在定義中,動力學穩定是指複製反應的速率保持穩定。之所以要複製反應保持穩定,是因為生命要抵抗熱力學第二定律帶來的熵增效果,否則生命將無法保持有序的狀態。在常規的化學世界,穩定是指不再發生化學反應,但是在複製的世界中,如果一個物質要保持穩定,它就必須要發生反應,要生成更多的自我備份。也就是說,一個物質越是擅長於自我複製,那麼該物質也就越穩定。那麼,生命要維持自身的穩定,抵抗熱力學第二定律,就必須要保持複製反應的穩定發生下去,複製更多的基因。

  • 動態

生命本身就是動態的,無論是從時間上來看,還是從空間上來看。而定義中的動態是基因競爭形成的動態。雖然基因都是會保持一個穩定的速率進行反應,但是由於競爭的關係,不同的生命物種的基因複製反應速率是不一樣的,例如人類和螞蟻。生命物種的競爭,實質上,就是基因反應速率的競爭,速率更快的物種,能夠在擁有更多的後代,最終實現對自然環境的適應最大化,獲得競爭的勝利,比如那些單細胞動物和細菌。因此,不僅生物學中,生命是動態,在化學中它也是動態的。

  • 網絡

儘管我們所看到的生命是一個又一個的生命個體,如一隻螞蟻、一頭大象、一隻飛鳥、一條遊魚、一個人等等,它們既是生命,又不全是生命。生命其實所有生命物種的集合,就像一座噴泉,如果我們僅看到那些水滴,根本無法判斷出這是不是一座噴泉,只有看到連續不斷的水滴噴湧而出,才能確定是否是一座噴泉,生命也是如此。我們都見到過一個以生命物種構成的進化樹,實質上,那是一種大網,為了更加形象的理解生命演化過程,才將其描繪成樹的形狀,所以,在生物學的普通概念上說,生命是一張網絡。如果放在化學中,這張網絡就不是由生命物種組成,而是由基因,這是一張由基因構成的生命網絡。

基因構建的生命網絡

如此,生命是通過複製反應得到的一個自我維持動力學穩定的動態反應網絡。

結語

新舊兩版的《生命是什麼?》合在一起就完成了薛丁格在舊版中提出「物理學和化學理論上詮釋生命現象」,形成的生命/生物學與物理學和化學的大一統。雖然新版的《生命是什麼?》比不上薛丁格版本的石破天驚似的開創力度,但是要做到化學和生物學兩門科學的融合亦是殊為不易的,新版的《生命是什麼?》仍然是一本不可錯過的科普書籍。

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    量子力學是現代物理學最大的成就之一,但它也存在著諸多問題。對此,最有潛力的解決方法之一就是德布羅意-玻姆理論,又稱玻姆力學。但是,這一理論一經提出就受到廣泛質疑,甚至德布羅意和玻姆本人都曾放棄過。另一個問題就是,量子力學中的波和物理學中其他的波(如電磁波)截然不同。這也是量子力學的一個奇異之處,物理學家也未必能意識到這點。經典體系的波在物理空間中傳播,這是一個三維空間,其中會發生各種物理現象。但是,我們無法將量子力學中的波函數視為某個發生在三維物理空間中的波,儘管雙縫實驗可能會讓人產生這樣的錯覺。
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    但是,這一理論一經提出就受到廣泛質疑,甚至德布羅意和玻姆本人都曾放棄過。如今,這一理論重新煥發了光彩,許多研究者試圖將它與廣義相對論和量子場論相統一,以完成「大一統理論」。本文選自《環球科學》2020年6月刊。閱讀完整文章及更多科學故事,點擊下方封面圖進入購買頁面。
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