認識生命—從靈魂到科學 | 進化的歷史003

2020-09-10 透明的思想

生命 Photo by freestocks.org from Pexels

摘要：我們對生命的認識是一個不斷變化的過程。從「靈魂說」到「活力論」，再到科學地證明生命同樣符合一般自然規律。薛丁格的《生命是什麼》給了我們極大的啟發，他構建起了從微觀世界物理法則到宏觀的生命之間橋梁。

認識生命——從靈魂到科學

從古至今人們一直認為生命是非常神秘的。過去人們對生命現象有著各種猜測。亞里斯多德就曾提出過「靈魂說」。他認為植物有一種靈魂，這種靈魂促使植物不斷地生長繁殖。動物比植物多了一種靈魂，這種靈魂負責感知和運動。而我們人類比植物、動物又多了一種靈魂負責理性思考。「靈魂說」影響深遠而且普遍存在於世界各地的文化之中。

後來西方科學逐漸發展起來，有人提出了「活力論」。認為構成生命的是某些特殊的化學物質和化學反應。它們只存在於活的生物體體內。這種理論比靈魂說向前邁進了一大步，因為它至少給了科學檢驗的機會。

1944年一位大物理學家薛丁格出版了一本書——《生命是什麼》。他站在物理學的角度來闡釋物理學定律與生命現象之間的關係。試圖解答生命現象不是超然於自然之外的，它也是符合物理學定律的。如果我們將生命放在無生命的物質世界背景前觀察，我們至少會遇到三個問題：

  1. 空間尺度
  2. 時間跨度
  3. 複雜性

首先從空間尺度上看即便只是我們這個星球上，生命也存在於一個廣闊的範圍內。

  • 10^−9米（納米）：這是病毒出現的尺度。最小的病毒是小於20納米，最大的300納米。病毒不能獨立生存,準確說不是獨立的生物體。如果病毒也算是生命的一種形式的話，那麼生命出現的尺度就是納米層級。
  • 10^−6米（微米）：生命的開始的尺寸，最小的細菌都是微米級的；
  • 10^−5米：多細胞生命開始出現。
  • 10^−3米：毫米級
  • 1米：人類自身的尺度級別；
  • 10^2米:最大的生命體，紅杉樹可以高達100米。
  • 10^5米：生物圈層尺度。

世界在不同的空間尺度上有著完全不同的表現，甚至遵循著不同的物理規律。在人類所能感知的領域內牛頓力學支配著我們。而在更加宏觀的空間尺度內更符合愛因斯坦的相對論，微觀世界則屬於量子力學的統治範疇。
薛丁格作為一個量子理論物理學家，他想討論的是在納米尺度之下量子世界的規律與生命之間的關係。之所以會提出這樣的問題是因為微觀量子的不確定性是基本的物理規律，在不確定的基礎之上又是如何構建出一個宏觀穩定、複雜的生命體的？薛丁格用統計規律來彌合微觀的不確定性與宏觀現象的穩定性。他認為由於宏觀世界是由大量粒子構成的，只要概率是穩定的個別微觀粒子的不確定性不會影響到宏觀世界。納米尺度之下受量子不確定性影響很難出現生命體。這應該是生命的下限尺寸。

薛丁格 圖片來源於網絡

薛丁格的另一個偉大之處在於他將生命視為一個系統，從熱力學平衡的角度思考生命現象的非凡之處。根據熱力學第二定律的推論，一個封閉系統內部的熵只會增加，即系統會變得無序。而生命表現出的高度有序，說明生命存在一種機制可以不斷降低熵值增加自身的有序性。薛丁格形象地把它描述成「有機體以負熵為生」。他只是認為生命現象儘管神奇但不應違背物理基本法則。而後人正是對這個問題不斷深入研究，終於發現了開放的系統、能量與信息之間的關係。這些現象不僅存在於生命體系中也存在於社會、文明等各種複雜的系統之中。這些我們將在後續章節繼續討論。

正是在這本書的啟迪下一批物理學家投入到生命科學的研究中。這本書出版的大約十年後科學家提出了DNA雙螺旋分子結構模型。即便有了這樣的突破，但我們對生命探究與理解才剛剛開始。在接下來的幾十年中科學家們開始從各個層面用各種學科對生命現象展開研究。

生命的層級

上面這張圖簡化地展示了空間尺度上從微觀到宏觀多層次的生命現象。每個層次都有不同的學科來研究。 我們希望最終科學能打通微觀到宏觀的每個層次，清晰地解釋不同空間尺度上的生命現象與科學原理。

相比空間上的跨越生命在時間上的跨越對科學研究是一個更大的考驗。現在科學界對生命是不斷演化的這一結論是達成共識的。但對演化的過程並不清晰，特別是人的進化過程存疑。科學需要實踐來檢驗，但是由於生命進化時間跨度太大，遠遠超越我們的科技發展史或者說文明史，重複這樣的實驗是不可能的。只能通過考古挖掘進行科學分析、理論上的拼湊。但事實上不是所有的進化痕跡都有化石留存，特別是一些動態的機制只能猜測。希望可以不斷地拼湊還原出生命進化的過程。在我們發明出可以回到過去的時光機器之前也許一些猜想永遠都無法變成被驗證的理論。

……………… 未完待續 ………………

本文來自專輯《進化的歷史》

❓問題與思考：
我將「人是誰」的問題延伸到：「生命是什麼」。中間跳過了一環人與生命的關係。請思考一下人與生命的關係。
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