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生命是什么?薛定谔从物理学探索人类生命奥秘

导读:

  核心提示:北京大学定量生物学中心主任汤超  文章来源:知识分子微信公

  核心提示:北京大学定量生物学中心主任汤超  文章来源:知识分子微信公众号,原载于微信公号“何帆研究札记”  编者按:  北京大学定量生物学中心主任汤超教授在财新智库举办的第二期“金融圈读书会”上对薛定谔《生命是...

北京大学定量生物学中心主任汤超

  文章来源:知识分子微信公众号,原载于微信公号“何帆研究札记”

  编者按:

  北京大学定量生物学中心主任汤超教授在财新智库举办的第二期“金融圈读书会”上对薛定谔《生命是什么》一书作了精彩解读。

  借由汤超从物理学和生物学结合的视角,我们可以一窥经典之堂奥,走进薛定谔的科学王国,探索人类生命的奥秘。

  1.什么是物理学

  生命是什么?关于这个问题,不同的人给出了不同的回答。信徒以为生命是上帝的作品。文学家把生命当作情感的载体。化学家认为生命是一系列化学反应,早期的生物学家并不追问生命的本质,他们关心的是生命是如何进化的。如今,分子生物学家会把生命的基石理解为一系列基因和蛋白组。

  薛定谔是一位物理学家。他希望从物理学的角度去理解生命是什么。为什么薛定谔认为物理学能够对理解生命的本质提供独特的启发?这要从什么是物理学讲起。

埃尔温·薛定谔

  现代物理学的起源,是从观察天体开始的。好奇心是人类的天性,我们的祖先在远古时代就开始观测天象,并试图理解宇宙的秩序。早期的理论是“地心说”,即认为地球是宇宙的中心。

  但是,这一假说和一些观测到的天文现象不符,比如,行星有逆行现象,如何解释这一现象?天才的天文学家托勒密修正了“地心说”,提出每个行星都在“本轮”上匀速转动,而本轮中心又在“均轮”上绕地球转动。这套理论较好地描述了天体运行的轨道。这就是在观测数据的基础上提出对原有理论的修正。

  哥白尼觉得这套理论过于繁琐,他提出了“日心说”。“日心说”只是一种假说,当时并不能更好地解释天体运行,因为哥白尼假设天体运行轨道是圆形的,现在我们都知道,天体的运行轨道其实是椭圆形的。更主要的原因是当时的观测并不很精确。后来,丹麦科学家第谷精确观测了大量天体数据,他的助手开普勒利用这些数据,提出了我们现在熟知的行星运动三大定律。

  再到后来,牛顿认为,三大定律揭示的只是表面现象,还没有解释天体运行的本质。他认为,一个更基本的东西就是引力。牛顿提出万有引力定律和牛顿运动定律,把开普勒的三大定律做了更简洁的概括,把所有的力学运动都统一起来了。

哥白尼提出“日心说”

  这就是物理学发展的一般规律:先做观测、积累数据,然后提出假说和一些唯象模型。这些模型可能是粗糙的、表面的,但是,随着数据越来越精确、越来越丰富,会出现更加简洁、深刻和普适的理论。在这一过程中,新的分析工具也会被开发出来,比如,牛顿就发明了微积分。

  2.从物理学理解生命

  物理学家有一句玩笑,说在物理学家看来,所有的问题都是物理学的问题。薛定谔觉得,物理学一定能对理解生命的本质有帮助。

  在薛定谔的时代,科学家还没有完全理解遗传的物质基础是什么。人们还不知道DNA是长链条双螺旋结构,也不知道 DNA 的内部组成成分,不知道遗传物质是核酸。当时的技术条件仅仅能识别染色体。

  薛定谔注意到,生物学家会用 X 射线引发突变。他进一步发现,X 射线能够影响到的原子数量很少,也就是说,一个突变涉及的原子数量很少。但为什么却会引起这么大的影响?X 射线照过去,就会让果蝇要么长不出翅膀,要么没有眼睛。

  薛定谔推测,原子本身不可能带有太多的信息,真正的遗传密码是在基因之中。一个基因包含原子数量之少是无法克服涨落效应的,但是,遗传性状的稳定性来自于基因的结构。物理学家熟悉的晶体的结构不可能是大量信息的载体,生命的密码应该是建立在非晶体的结构之上。

双螺旋结构的DNA

  薛定谔在本书中提出的另一个革命性观点是“负熵”。按照热力学第二定律,熵增是一定会发生的,熵增过程是一个自发的由有序向无序发展的过程,最终归于热寂。那么,生命为什么能够做到从无序到有序,并能够生生不息?

  薛定谔认为,生命体是处于一个开放状态下,不断地从环境中汲取“负熵”,这种“新陈代谢”使得有机体成功地消除了当它自身活着的时候产生的熵。普利高津后来提出了“耗散结构”,试图解释无序如何能达到有序,但他的理论并不完美。这一机制到底是怎么作用的,我们尚未完全理解。

  在薛定谔之后,生命科学出现了两次革命。一是分子生物学的革命,标志是DNA双螺旋结构的发现。分子生物学的出现,受到薛定谔等物理学家的极大影响。同时,物理学还为生物学提供了X射线、核磁共振、电子显微镜、高速离心机等工具。二是基因组学,就是我们说的测序,这是数学、计算机科学和生物学的交叉。

  分子生物学使得我们像了解一辆汽车的零部件一样,对蛋白质和基因有了透彻的了解。基因组学则是把“生命天书”拷贝了下来。这好比是汽车的修理手册,出来什么故障,怎么修理,这本书上都有。甚至像我们为什么会衰老,怎样防止人们衰老这些问题的答案,其实都在这本天书里面,但是,我们对这本天书还没有完全读懂。

  现在,生命科学正在经历第三次革命。这次革命最大的特点是:生命科学和物理、化学、工程不再是简单的交叉,而是我中有你、你中有我,共同发展,共同驱动。

  生命科学和物理学有什么共通之处?既然生命体系是大自然的一部分,那就逃不掉最基本的物理定律。蜻蜓的翅膀和波音 747 的翅膀同样符合流体力学原理。菠萝、向日葵和松果都有螺旋圈,而这种螺旋圈都符合斐波那契数列规律,暗合黄金分割的美学原理。

  细胞里的内质网(endoplasmic reticulum),是一种遍布于整个细胞内部的膜状网,连接并围绕着细胞核。科学家发现,内质网的结构很像是为了多停车辆而建造的螺旋型多层停车场。按照微分几何的描述,这种结构能使能耗最小化,表面积最大。

  3.生命的未来

  当然,生命科学的进步并非仅仅是对已有的数学、物理学的应用,随着生命科学的发展,一定会激发新的数学、物理学进步。我们通过研究行星运动发明了微积分,通过研究通讯发明了信息论,生命科学也需要适合于它的新的数学。我们都知道生命能够处理信息,我们也看到随着技术的进步,电脑、手机等处理信息的能力有了突飞猛进的发展,但是,和生命体处理信息的能力相比,这些人造物的能力仍然很低级。

  IBM 制造出的电脑战胜了人脑,获得了电视百科知识竞赛的胜利,但IBM没有告诉我们,他们的电脑在处理信息的时候消耗的能量是 100 千瓦,而人脑只消耗了 20 瓦。从这一角度来看,IBM 电脑确实胜之不武。若从处理信息时消耗的能量来看,电脑还不如最低级的大肠杆菌呢。在研究生命科学的时候,我经常会感到所用的数学工具不顺手,或许,随着更多的物理学家、数学家关注生命科学,我们能够开发出来一套更适合生命科学的新数学工具。

生命科学迅猛发展

  生命科学的迅猛发展,有可能会引发一场新的技术革命,对我们的生活、经济都会带来巨大而深远的影响。基因组测序的技术发展很快,未来基因组测序的成本可能大幅度降低,并对医疗行业带来很大的影响。合成生物学也出现了突破性的进展。

  现在,有些公司在尝试让细菌吃木头,产生酒精,然后再用酒精做能源。基因编辑技术也将出现革命性的突破,但这将引起更多的科学伦理争议。我们必须在进一步推动科学研究的同时,加强对科学伦理的研究和讨论。

  与此同时,应该加强对科学的普及,让公共政策讨论建立在科学分析的基础上。比如,转基因农作物对人体和环境潜在的负面影响和化学、农药对人体和环境的负作用孰重孰轻,这要用数据和事实来说话,不能限于意气之争,或是迷信阴谋论。

  大家最近讨论较多的另一个话题是所谓的“奇点”,即有些未来学家预测,未来电脑智能会和人脑智能汇合,或许人类进化的下一步就是机器人。这种说法很有意思,但进化的未来到底是什么,没有人说得清楚。从某个角度来说,进化已经失去了其原有的意义。进化论讲的是适者生存,判断谁是适者的标准就是其后代会更多,但是,现在的社会精英会有更多的后代吗?成功人士会有 100 个孩子?

  现在人类的预期寿命比原来大大提高,这一是靠公共卫生的改善,二是靠抗生素,当然,营养的改善也有一定的作用。我们或许已经从适者生存变成了人人平等,生存能力差的人现在有了同等的生存机会。这对历史进程的影响是极其深远的。

人类未来将进化向何处

  科学并不是完美的,也不是万能的。科学的发展本身就有其历史上的偶然因素。数学从几何学开始,是因为古代的人们要丈量土地。物理学从牛顿力学开始,也是因为我们作为人类,能够感知到的现象,首先是苹果落地、行星转动,然后,我们才开始去探索我们看不到的东西,比如电磁、原子、量子力学。

  我给学生讲课的时候,曾经告诉学生,你们不要觉得物理学天经地义就应该是这样的。设想人类不是像现在这样大,假设我们像细菌一样小,生活在别人的细胞里,却和人类一样聪明,那么,我们先发明的物理学会是什么,是牛顿力学吗?学生都摇头。我们先发明的数学会是微积分吗?学生也摇头。其实,这正是科学不断进步的原因。

  科学的进步是从承认自己的无知开始的,科学是从猜测开始的,并在发展中不断地修正自己原有的观点。这正是薛定谔的《生命是什么》给我们的启示。(主讲 | 汤超  整理 | 李远远  校对 | 何帆)

  (汤超,物理学家。北京大学讲席教授、前沿交叉学科研究院执行院长,北京大学定量生物学中心主任。)