鮮活的生命：北極燕鷗是一種被認(rèn)定利用量子效應(yīng)飛行的候鳥。 照片：保羅.桑德斯/科比斯 攝 弗拉托克.維德勒是牛津大學(xué)和新加坡大學(xué)的物理學(xué)教授。他是《解讀真相》（2010）的作者。 科學(xué)內(nèi)部的學(xué)科分支系統(tǒng)正在瓦解。自然界里并沒有一清二楚的楚河漢界；而且，隨著理解的深入，我們發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)的學(xué)科分支之間越來越多的交叉點(diǎn)。當(dāng)然，這其中仍然存在讓人好奇的相互矛盾。 物理學(xué)研究物質(zhì)與能量的基本性質(zhì)，以及它們相互影響的機(jī)理?；瘜W(xué)則研究原子是如何結(jié)合成更雜的分子，以及反應(yīng)物經(jīng)過何種化學(xué)變化變成生成物。這兩個(gè)學(xué)科的共同點(diǎn)就是它們都是研究靜物。 而生物學(xué)則是研究有機(jī)生命體?？墒怯捎趯訉诱系K，我們難以把整個(gè)自然科學(xué)看成是一個(gè)緊密聯(lián)系的整體。靜物似乎毫無例外的永遠(yuǎn)遵循自然法則，而生命體則相反，它們表現(xiàn)出了自己獨(dú)有的意志。一種可稱為目標(biāo)感的特點(diǎn)，使它們能更好的為我們所理解甚至定義。它們能行動(dòng)，并且，盡管它們無法違背自然界的法則一絲一毫，它們懂得利用這些法則達(dá)到自己的目標(biāo)。靜物可是絕不具有相同特質(zhì)的。 這樣看來，物理學(xué)和化學(xué)之間的聯(lián)系遠(yuǎn)比它們與生物學(xué)之間的聯(lián)系來得緊密這一說也就不足為奇了?？茖W(xué)家們都必須承認(rèn)，量子物理學(xué)，目前來說我們最精確的基本自然定律，同樣可以用來解釋化學(xué)規(guī)律。沒錯(cuò)，僅僅利用物理學(xué)來計(jì)量某一復(fù)雜反應(yīng)中錯(cuò)綜的細(xì)節(jié)也許很困難，但大多數(shù)科學(xué)家都認(rèn)為化學(xué)的的確確完全遵循量子力學(xué)定律。而生物學(xué)則看起來截然不同，其中有的部分甚至是從化學(xué)中脫離出來的，因此它更不能被直接簡(jiǎn)化為量子力學(xué)。 人們認(rèn)為，有的鳥類在遷徙過程中利用了神奇的量子效應(yīng)感應(yīng)地球磁場(chǎng)。 以進(jìn)化論為例。想象我們由具有生殖能力的原始生命進(jìn)化而來，它們的后代會(huì)表現(xiàn)出隨機(jī)突變，而其中一些突變由于受到環(huán)境特點(diǎn)的影響，比其他的突變更加有利于生命的生存?？偟膩碚f，這些條件讓我們期待更加復(fù)雜的生命體的涌現(xiàn)（當(dāng)然，最簡(jiǎn)單的生命體依然有可能占據(jù)主導(dǎo)地位。）達(dá)爾文的觀點(diǎn)無疑是對(duì)我們周圍復(fù)雜的生命體最合理的解釋。我們知道，基因突變導(dǎo)致物種的改變，而新物種之所以能存活下來是因?yàn)樗鼈儽雀?jìng)爭(zhēng)者更加適應(yīng)棲息地的環(huán)境。但是，適者生存的法則是否和化學(xué)一樣遵循著量子力學(xué)的基本法則？ 在探討這個(gè)問題之前，我必須先澄清一件事情。我并不是在探討生命系統(tǒng)是否可以利用量子力學(xué)獨(dú)有的特征來改善它們存活的幾率，因?yàn)榭雌饋泶鸢负茱@然是肯定的。證據(jù)表明，植物甚至可以利用最神奇的量子效應(yīng)和量子糾纏現(xiàn)象，以最有效的方式將光能傳送到它們合成能量的部位。類似的，一些鳥類也被認(rèn)為可以在遷徙的過程中利用神奇的量子效應(yīng)感應(yīng)地球的磁場(chǎng)。量子力學(xué)提供給這些生命系統(tǒng)的一大好處就是，它們可以同時(shí)完成好幾項(xiàng)不同的任務(wù)，一些計(jì)算機(jī)科學(xué)家將其類比為信息加工過程。幾乎沒有人會(huì)想到，這樣一整套完整的量子力學(xué)系統(tǒng)會(huì)貫穿于整個(gè)宏觀的、溫暖而潮濕的、聒噪的各個(gè)環(huán)境之中，比如說植物和鳥類。這套效應(yīng)確實(shí)帶來了令人訝異和激動(dòng)的影響，于是一個(gè)新興的領(lǐng)域，量子生物學(xué)應(yīng)運(yùn)而生，吸引了越來越多的科學(xué)家和大眾的興趣。 但是這種變化和將生物學(xué)簡(jiǎn)化為物理學(xué)的趨勢(shì)完全是兩碼事。生命同時(shí)也在利用經(jīng)典力學(xué)和重力學(xué)，而這并不代表經(jīng)典力學(xué)和物理學(xué)就可以解釋生命的進(jìn)化。生命的存在遵循一切物理學(xué)法則，但是我們?nèi)匀恍枰锢韺W(xué)以外的其他法則去解釋它。事實(shí)上，大多數(shù)生物學(xué)家都同意在一定意義上而言，生命的存在確實(shí)符合物理法則，因此它們也必須遵循所有的物理法則。它們不僅僅在利用物理法則，同時(shí)也在受著這些法則的影響：很顯然，環(huán)境就是通過物理法則來影響生物的。 然而，我們還是在從動(dòng)物和靜物兩個(gè)方面探討這個(gè)問題，它們之間既存在差異，又會(huì)相互作用。我們好奇的是它們之間的差異是否會(huì)持久。問題的焦點(diǎn)是，作為生物學(xué)的基石，進(jìn)化論是不是完完全全是物理法則作用的結(jié)果。尤其，進(jìn)一步說，進(jìn)化論會(huì)不會(huì)是量子力學(xué)，這種可以涵蓋我們對(duì)于分子和原子所知的一切的科學(xué)，所直接作用產(chǎn)生的結(jié)果？ 初看之下這是不太可能的。量子力學(xué)之父，丹麥人尼爾斯·玻爾，在1932年一場(chǎng)著名的演講“光與生命”中甚至表述的更加夸張。他認(rèn)為即使是在理論上，我們也根本無法在有機(jī)生命體內(nèi)理解量子力學(xué)。用玻爾的話說，生命的存在是無法解釋的基本事實(shí)。玻爾認(rèn)為，普朗克所提出的恒量在經(jīng)典物理學(xué)范疇下是一個(gè)無理數(shù)元素，因此它構(gòu)成了原子學(xué)說不可再簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)。同樣的，他也認(rèn)為在生物學(xué)中，生命也是無法解釋的起始點(diǎn)。 玻爾的觀點(diǎn)是十分悲觀的，其他科學(xué)家則對(duì)不同科學(xué)領(lǐng)域之間的統(tǒng)一抱有更大期待。他們樂觀地認(rèn)為，我們可以從一個(gè)可能的角度出發(fā)進(jìn)行探討。既然量子力學(xué)利用隨機(jī)性來解釋宏觀上單個(gè)原子和分子的活動(dòng)，也許我們可以將這個(gè)原理應(yīng)用到生物學(xué)的隨機(jī)性基因突變上，盡管生物隨機(jī)性和量子隨機(jī)性最后的作用結(jié)果也許是截然不同的。 一個(gè)明顯的區(qū)別就是，自然選擇這一項(xiàng)進(jìn)化論法則，在物理學(xué)中卻找不到與之對(duì)應(yīng)的規(guī)則。靜物的不同狀態(tài)并不能被適者生存的標(biāo)準(zhǔn)左右。 不過，它們是不是真的有可能是由此決定呢？靜物所保持的不同平衡狀態(tài)，也就是隨時(shí)保持穩(wěn)定的狀態(tài)，首先是由澳大利亞物理學(xué)家路德維希·波爾茲曼從微觀的角度進(jìn)行理解的。19世紀(jì)80年代，波爾茲曼解說了熱力學(xué)第二定律，闡述了隔離系統(tǒng)的無序性總是在不斷增強(qiáng)的理論。按照他的邏輯，我們假定的物質(zhì)所處的宏觀狀態(tài)不過是所有微觀狀態(tài)的集合體。想象你在轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)普普通通的骰子。如果你賭一個(gè)特定的兩骰之和，你就必須選7，原因很簡(jiǎn)單，那就是一共有六組不同的雙模組合可以獲得結(jié)果7，而能獲得其他結(jié)果的組合就少一些。同樣的道理，粒子之間隨機(jī)的搖擺和組合很有可能導(dǎo)致無序，簡(jiǎn)單地說，就是因?yàn)槭瓜到y(tǒng)變得混亂的可能性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于使系統(tǒng)變得整齊的可能性。我們又要如何把這個(gè)觀點(diǎn)與生命系統(tǒng)聯(lián)系起來呢？ 波爾茲曼同時(shí)也是第一個(gè)在熱力學(xué)第二定律的條件下定性地討論生命的科學(xué)家，而這并不是巧合。他說：“生命的存在需要的不是冷冰冰的材料。對(duì)有機(jī)生命體來說，它們需要的是足夠的空氣，水和土壤，并不是能量，因?yàn)榇罅康哪芰慷紩?huì)以熱量的形式存儲(chǔ)在所有的生命中。它們需要的是熵，而熵是在能量從熾熱的太陽轉(zhuǎn)化至冰冷的地球的過程中產(chǎn)生的。”在波爾茲曼的觀點(diǎn)里，生命就是不斷擺脫平衡，不斷擺脫靜止?fàn)顟B(tài)的存在。要達(dá)到這種狀態(tài)，生命必須不斷從自然界吸收低熵的物質(zhì)，然后將生命體向有序的狀態(tài)調(diào)整。另一位物理學(xué)先驅(qū)，澳大利亞物理學(xué)家歐文·薛定諤也曾強(qiáng)調(diào)，生命總是在不斷增加其自由能，自由能就是可用來做有用功的能量。這其實(shí)是指能量總是在不斷擺脫平衡的狀態(tài)。在這方面，打個(gè)比方，生命和石頭就是不同的。石頭總是原封不動(dòng)的呆在原處，沒有任何有價(jià)值的行為。 照片里拍打翅膀的鳥兒其實(shí)僅僅只是懸浮在空中一個(gè)定點(diǎn)而已：它看起來是活潑動(dòng)態(tài)的，其實(shí)仍然處于一種動(dòng)態(tài)的靜止?fàn)顟B(tài)中。 這種動(dòng)態(tài)的靜止?fàn)顟B(tài)是否就是深?yuàn)W的適者生存標(biāo)準(zhǔn)呢？如果是這樣的，那這就是另一種適者生存法則的表現(xiàn)形式。也就是說適者生存還可以有這樣一個(gè)版本：我們擺脫平衡狀態(tài)的速度越快，我們就越適合生存的環(huán)境。事實(shí)上，1977年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者laureate Ilya Prigogine早就已經(jīng)在有關(guān)生物的研究中用到這個(gè)觀點(diǎn)了。他認(rèn)為，自然總是選擇所產(chǎn)熵值最大的適者生存，因?yàn)樗鼈兡茉谧疃痰臅r(shí)間內(nèi)最快的調(diào)整至無序的狀態(tài)。除了一些支持此觀點(diǎn)的理論依據(jù)，能夠支持此觀點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)少之又少。事實(shí)上，現(xiàn)有的一些實(shí)驗(yàn)依據(jù)恰恰是與此理論相悖的。這可能是因?yàn)殪刂档木_測(cè)量是有難度的。當(dāng)然，這也有可能意味著這條法則是有漏洞的。 最近一次有物理學(xué)家嘗試把生物學(xué)從獨(dú)立出來，是以色列物理學(xué)家阿迪·普洛斯，他認(rèn)為正如靜物以增大熵值的方式遵循熱力學(xué)定律，生物也在不斷增強(qiáng)他所謂的“動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性”。然而這與增大熵值并不是完全一樣的。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，所有的靜物最終都會(huì)不可避免地被動(dòng)地達(dá)到平衡狀態(tài)，而生命系統(tǒng)卻不同，它能達(dá)到動(dòng)態(tài)的穩(wěn)定狀態(tài)，只是它需要不斷地運(yùn)轉(zhuǎn)以保持這種動(dòng)態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)。這種動(dòng)態(tài)的穩(wěn)定狀態(tài)是脆弱的，因此它需要不斷地重建。照片上拍打翅膀的鳥兒其實(shí)僅僅只是懸浮在空中的一個(gè)定點(diǎn)而已：這需要高超的平衡技術(shù)，而且它盡管看起來是活潑動(dòng)態(tài)的，其實(shí)仍然是處于一種動(dòng)態(tài)的靜止?fàn)顟B(tài)中。 如果普洛斯的觀點(diǎn)是正確的，我們也許就可以用化學(xué)的觀點(diǎn)來解釋生物進(jìn)化學(xué)中的一些關(guān)鍵點(diǎn)了。而假如我們又可以用量子力學(xué)的觀點(diǎn)來解釋某些化學(xué)觀點(diǎn)，我們似乎就可以直接用量子力學(xué)來解釋生物學(xué)了。這可能會(huì)成為一項(xiàng)偉大的成就，但是就像所有的其它偉大成就一樣，疑問必然會(huì)接踵而至。 我們一開始就有提到，區(qū)分生命和非生命系統(tǒng)的關(guān)鍵之處，就在于生命是有目的性。如果生物學(xué)被直接納入到量子力學(xué)范疇內(nèi)，而傳統(tǒng)的量子力學(xué)研究對(duì)象，如原子和分子，它們不存在任何目的性，那么轉(zhuǎn)化要在哪里進(jìn)行？又是什么促使自然界達(dá)成動(dòng)態(tài)穩(wěn)定？要回答這些問題，一個(gè)簡(jiǎn)單地方法就是把目的性僅僅看成一種錯(cuò)覺。普洛斯也許會(huì)說，這只是一種由過于復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)引起的自然屬性。但是如果我們一開始就以這種目的性的存在定義為生命，也許我們就不會(huì)這么輕率地下定論了。 我并沒有試著回答上述這些問題。另一方面，這些科學(xué)學(xué)科的交叉區(qū)域的發(fā)展速度（不僅僅是量子生物學(xué)），讓我很樂觀的相信我們遲早會(huì)得到一些答案的。目前來說，我們只能堅(jiān)持繼續(xù)探索，這對(duì)我們生命體來說是最自然不過的事情了。 發(fā)表于 2012年11月27日
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