生命是什麼
內容簡介
諾貝爾物理學獎得主、「玩貓狂人」薛定諤寫給每個人的科學通識書。這本輕鬆而有趣的小書不到10萬字，卻是影響了整個世紀的「科學SHENG經」：
•首提「生命以負熵為食」的觀點
•開啟「生命即信息」的認知革命
•推動「分子生物學」的誕生
•直接啟發了「DNA雙螺旋結構」的發現
20世紀30年代末到40年代，薛定諤的興趣從純粹的物理學，轉向了對生命與心靈問題的思索。為此，他進行了兩場跨界演講，在都柏林三一學院的系列演講——「生命是什麼」，以及在英國劍橋大學三一學院的演講——「心靈與物質」。這兩場演講後來被整理出版成《生命是什麼》一書。
薛定諤的演講震撼了學術界，號召並激勵了一大批優秀的物理學家投入生物學研究，包括因發現「DNA雙螺旋結構」而獲得諾貝爾獎的三位科學家——詹姆斯•沃森、弗朗西斯•克里克和莫里斯•威爾金斯。這場學科融合帶來了20世紀生物學研究的爆發式成長，因此催生了「分子生物學」的誕生。
《生命是什麼》是能讓每個人都受益一生的科學啟蒙經典之作。薛定諤的語言輕鬆、簡潔、有趣，即使沒有相關學科背景也能讀懂。
作者簡介
埃爾溫•薛定諤（Erwin Schr•dinger，1887—1961），奧地利物理學家，量子物理奠基人之一，因提出舉世聞名的波動力方程而榮獲1933年諾貝爾物理學獎。1943年，他在都柏林三一學院的系列講座中，闡述了對生命本質現象的思考，後來他將這些觀點和論斷整合，出版了《生命是什麼》一書。這部小書是20世紀具有影響力的科學著作之一，吸引了許多物理學家轉投生物學，直接啟發了DNA雙螺旋結構模型的發現，並且推動了分子生物學的誕生。
譯者簡介
梁震宇，廣東廣州人，荷蘭代爾夫特理工大學與萊頓大學產業生態學理學碩士。嗜讀書，愛寫作，偶爾與古典樂同好排練演出。現居荷蘭，主要從事筆譯工作、跨文化交流與學術會議交替傳譯，兼職教授中文。
原文摘錄
我們所說的思想（1）本身是一種有序的東西，（2）只能應用於在一定程度上有序的材料，即知覺或經驗。這有兩個推論。首先，一個身體組織，要想與思想密切對應（比如我的大腦與我的思想密切對應），就必須是一種非常有序的組織，這意味着在它內部發生的事件必須遵循嚴格的物理定律，至少要達到很高程度的準確性。其次，外界其他物體對那個物理上組織得很好的系統所造成的物理印象（顯然對應於相應思想的知覺和經驗），構成了我所說的思想材料。因此一般來說，我們的系統與別人的系統之間的物理相互作用本身具有某種程度的物理秩序，也就是說，它們也必須遵守嚴格的物理定律並達到一定程度的準確性。 所有原子每時每刻都在作完全無序的熱運動，可以說，這種運動破壞了它們的有序行為，使發生在少量原子之間的事件不能按照任何可認識的定律表現出來。只有在大量原子的合作中，統計學定律才開始影響和控制這些集合體的行為，其準確性隨着原子數目的增加而增加。諸事件正是以這種方式獲得了真正有序的特徵。 在原子選定的一組不連續狀態當中，或許存在但並不必然存在一個最低能級，它意味着原子核彼此緊密靠攏。這種狀態下的原子便構成了一個分子。這裡要強調的是，分子必定具有某種穩定性；除非外界至少把提升至下一個較高能級所需的能量差提供給它，否則構型是不會改變的。因此，這種定量的能級差定量地決定了分子的穩定程度。
書評
生命是什麼？這個古老而深刻的問題自從人類有了意識就被提出了，卻直到現在還沒終極答案。物理學家當然也從來沒有放棄過思考生命，並成功地用物理原理來解釋生命，他們是最靠近上帝的人!其中最著名的莫過於薛定諤和他的《生命是什麼》。而這篇文章也是也是受此書啟發，在這裡分別從熵和量子力學簡要介紹一下有關生命的問題。 一.生命與負熵 在提及生命前首先先介紹一下負熵的概念。 我們應該都聽說過S=k lnΩ這個波爾茲曼的著名公式。其中Ω是系統的一個宏觀態包含的微觀態數，它可以用來描述宏觀態的混亂度，k是波爾茲曼常數，S是熵。也就是說熵可以度量系統的無序度，當系統趨向與宏觀平衡態時，此時系統擁有的微觀態數最大，而熵也最大，由此可得出熵增原理。而負熵，顧名思義，在熵前面加上負號，用來度量系統的有序度。 與負熵最先扯上關係的應該算是著名的「麥克斯韋妖」（可以和「薛定諤的貓」齊名） 1867年，麥克斯韋曾設想過一個能觀察到所有分子速度的小精靈把守着一個容器中間隔板上小閥門，當看到右邊的高速分子來到閥門時就打開讓高速分子進入左室，當看到左邊低速分子來到閥門時也打開讓低速分子進入右室。設想閥門無摩擦，於是一個小精靈無需做功可使左室越來越熱，右室越來越冷，從而使整個容器的熵降低了。這個小精靈被人們稱為麥克斯韋妖。當時科學家對其展開了激烈的討論，因為若這個模型成立就似乎違背了熱力學第二定律（熵增原理）。後來在1929年，希拉德分析妖精若想控制開關，必須獲得信息，而為獲得信息所付出的代價就是系統熵的產生，而這額外的熵的產生抵消了整個容器的熵的減少，總的說起來，總的熵還是增加的。此時信息表徵為負熵。信息雖然可以在很低的能量代價下傳遞，但要獲得準確信息所需的能量則因為海森堡測不準原理而多得多。（在這個模型中可以看到生命的影子，而這個麥克斯韋的妖可以看成是酶） 但真正負熵概念的引進還是要追溯到薛定諤在上世紀四十年代寫的《生命是什麼》書中。 之前當時存在一種矛盾：熱力學第二定律指出自然界的所有過程運動都將最終趨向無序化，而這與生命本身的高度有序化和已經在生物界廣為接受的進化論顯然不可調和，甚至可以說是兩個 「風馬牛不相及」的極端。 為此薛定諤提出生物有機體在吃喝、呼吸時是一個攝取「負熵」的過程，而又為了不違背熵增原理，生物有機體又不斷地排放代謝終產物和散發熱，把熵排放到環境中，而排放的熵要大於攝取的負熵，所以滿足熵增原理。 而動物在利用食物時，排泄出來的是大大降解了的東西。然而還不是徹底的降解，因為植物還能利用它（當然，對植物來說，太陽光是負熵的最有力的供應者）。 需要強調的一點是散熱這個過程不是可有可無的，而是必不可少。因為這正是我們去除生理過程中不斷產生的剩餘熵的方式。因此，溫血動物的體溫較高有利於以較快的速率排除熵，因而能產生更強烈的生命過程。（現在已經知道這和酶的活性有關，酶在這個溫度效率最高） 綜上則生命「以負熵為生」，從環境中抽取「序」來維持系統的組織。 但是他的理論還是只說明結果，卻並不能解釋過程，或者說還缺少一個動力學結構來解釋生命。 生命的進化歷程：從第一個單細胞無氧生命的誕生，到如今的生物多樣性發展；從原生生物簡單的趨避現象到現在人類高度發達的智力文明，這生命的進化歷程顯然是一個不斷走向有序的不可逆過程。但為什麼生命「以負熵為生」，從環境中抽取「序」來維持系統的組織便能推出這個過程呢？ 因此之後普里高津提出耗散結構理論。普里高津在研究偏離平衡態熱力學系統時發現，當系統離開平衡態的參數達到一定閾值時，系統將會出現「行為臨界點」，在越過這種臨界點後系統將離開原來的熱力學無序分支，發生突變而進入一個全新的穩定有序狀態；若將系統推離平衡態更遠的地方，系統可能演化出更多新的穩定有序結構。然後，他就把這種結構稱為「耗散結構」。普里高津提出系統形成有序結構需要的條件： （1） 系統必須開放 即系統必須與外界進行物質、能量交換。 （2） 遠離平衡態 開放系統在外界作用下離開平衡態，開放逐漸加大，外界對系統的影響逐漸變強，將系統逐漸從近平衡態推向遠離平衡的非線性區，只有這時，才有可能形成有序結構，否則即使開放，也無濟於事。 （3） 非線性作用 組成系統的子系統之間存在着非線性相互作用。正因為這樣，子系統形成系統時，會湧現出新的性質。 關於非線性的放大機制的解釋可以用右圖解釋。一個很小的 ΔX可以經過一級非線性放大成相對大得多的ΔY，而經過多級放大，一個很小的作用可以最終產生決定性的後果，也就是「蝴蝶效應」（南美的一隻蝴蝶煽動一下翅膀引起了美國的一場颶風） （4） 漲落 漲落是指對系統穩定狀態的偏離，它是實際存在的一切系統的固有特徵。在平衡態和近平衡態，漲落是一種破壞穩定有序的干擾，但在遠離平衡態的條件下，非線性作用對隨機的小漲落有可能迅速放大，使系統由不穩定狀態躍遷到一個新的有序狀態，從而形成耗散結構。 偏離平衡態的開放系統通過漲落，在越過臨界點後「自組織」成耗散結構，耗散結構由突變而湧現，其狀態是穩定的。 而地球上的生命體都是遠離平衡態的不平衡的開放系統，它們通過與外界不斷的進行物質和能量交換，經自組織而形成一系列的有序結構。可以認為這就是解釋生命過程的熱力學現象和生物的進化的熱力學理論之一。 這裡存在一個「自組織」的概念。（其實耗散理論是其中一個部分）德國理論物理學家H. Haken認為，從組織的進化形式來看，可以把它分為兩類：他組織和自組織。如果一個系統靠外部指令而形成組織，就是他組織；如果不存在外部指令，系統按照相互默契的某種規則，各盡其責而又協調地自動地形成有序結構，就是自組織。從熱力學的觀點來說，「自組織」是指一個系統通過與外界交換物質、能量和信息，而不斷地降低自身的熵含量，提高其有序度的過程； 從統計力學的觀點來說，「自組織」是指一個系統自發地從最可幾率狀態向幾率較低狀態的方向遷移的過程； 從進化論的觀點來說，「自組織」是指一個系統在「遺傳」、「變異」和「優勝劣汰」機制的作用下，其組織結構和運行模式不斷地自我完善，從而不斷提高其對於環境的適應能力的過程。 自組織系統在自然界中不象無機物質那樣，聽憑環境因素的作用、自發地發生變化，而是按照內在機制規定的方向進行物質和能量運動的，這就是保存和發展自身。自組織系統既然具有保存和發展自身的趨向，而又生活在一個變動不居的既有有利因素、又有不利因素的環境裡，因此它在生存、發展中需要關於環境的信息，藉以調整自己的行動而適應環境的變化。自組織系統就是藉助於信息的指導作用，使自身在和環境的相互作用中從無序走向有序、從低序走向高序的。 在此我們再次看到了前面在麥克斯韋妖中提到的信息的概念，也可以說負熵在這裡已經上升為信息，而我們現在正處在信息時代，信息的概念已經滲透到我們的日常生活之中。而物理原理是研究理想化的物質模型，之後再發展的理論因其複雜性便隸屬於信息學，不再歸物理範疇，可卻能看到其誕生中的物理的影子。
2.生命與量子力學 這裡量子力學主要和遺傳物質相聯繫。 眾所周之，生命中的一個重要特徵就是遺傳變異。這個特徵決定了生命必須擁有一種的遺傳物質，它既能夠足夠穩定地精確保存其絕大部分的遺傳信息，又能在特殊的環境下產生變異來應對變化使生命特徵得以延續。 而根據傳統經典統計力學，可以推出一個有機體為了使它的內在生命以及它同外部世界的相互作用，都能為精確的定律所描述，它就必須有一個相當巨大的結構。因為傳統經典統計力學，關於物理學定律的不確定度的期望值滿足所謂的√n定律。比如若告訴你某氣體在一定的壓強和溫度下具有一定的密度，比如說一定的體積內正好有n個氣體分子，那麼你可以確信，若能在某一瞬間進行檢驗，將會發現這個說法是不準確的。偏差的量級，若n=1oo,則為10，相對誤差為10%，而n=1000 000,偏差大約為1 000，誤差為0.1%。所以物理學和物理化學的相對不準確性總是可能發生在1/√n的相對誤差範圍之內。 可有機體內許多極其小的原子團，小到不足以顯示精確的統計學定律。（比如一個基因結構包含1000或還要少個原子，用類似√n定律來算，則變異概率高達到3%這是不可能的）而它們在極有秩序和極有規律的事件中確實起着支配作用，它們控制着有機體在發育過程中獲得的、可觀察的大尺度性狀，決定了有機體發揮功能的重要特徵；在所有這些情況下，都顯示了十分確定而嚴格的生物學定律。此時統計物理學似乎很難協調地來解釋這方面事實，可以說陷入困境了，但量子理論可以提供解釋。更確切的說，遺傳機制是建立在量子論基礎上的。 量子論的最大啟示是在「大自然之書」中發現了不連續特點，並由此提出了能級的概念。而從一種不連續的狀態轉變為另一種，則稱之為「量子躍遷」。 在給定的一組原子的若干個不連續狀態中，不一定有但其中可能有是原子核彼此靠攏的最低能級，此時，原子組成了分子。需要着重指出的是分子必須具有一定的穩定性；除非外界供給給它以「泵浦」到鄰近的較高能級所需的能量差額，否則構型不會改變。因此，這種數量十分確定的能級差定量地決定了分子的穩定程度。 下面只考慮不同溫度下的分子穩定性，這是生物學問題中最感興趣的一點。假定我們的原則系統一開始處在它的最低能級狀態，物理學家把這個系統稱為絕對零度下的分子。要把它提高到相鄰的較高的狀態或能級，就需要供給一定的能量。最簡單的方式是給分子「加熱」。把它帶進一個高溫環境（「熱浴」），讓周圍的系統（原子、分子）衝擊它。考慮到熱運動的極度不規則性，不存在預感確定的、立即產生「泵浦」的、截然分明的溫度界限。更確切的說，在任何溫度下（只要不是絕對零度），都有出現「泵浦」的機會，這種機會是有大有小的，而且是隨着「熱浴」的溫度而增加。表達這種機會的最佳的方式是，指出為了發生「泵浦」必須等待的平均時間，即「期待時間」。 而「期待時間」主要取決與兩種能量之比，一種是為了「泵浦」而需要的能量差額（用W表示），另一種是描述有關溫度下的熱運動強度特性的量（稱為特徵能量kT,用T表示絕對溫度，k表示波爾茲曼常數）。可以用數學表達式表示t=τexp(W/kT),期待時間t是通過指數函數的關係依賴與比值W/kT的，τ是10^(-10)或10^(-11)秒這么小的常數（代表這個時間內系統里發生的振動周期的數量級）。由於是指數形式，比值W:KT的相當小的變化，會大大地影響期待時間。例如w是kT的30倍，期待時間可能短到1/10秒；但當w是KT的50倍時，期待時間將延長到16個月；而當w是kT的60倍是期待時間將延長到3萬年！ 但在一些情況下，兩個能級之間的自由通路被堵塞了，談不上供給所需要的能量產生躍遷了；事實上，即使從比較高的狀態到比較低的狀態的通路也可能被堵塞了。 比如化學中的同分異構體，且分子愈大，同分異構體也愈多（有機化學中尤其典型）兩個同分異構體的所有的物理常數和化學常數都是明顯不同的。它們的能量也不同，代表了「不同的能級」。 而這種理論恰好可以解釋基因遺傳結構的特徵。由振動能的偶然漲落所產生的分子某個部分構型的異構變化，實際上是非常罕見的事件，這就很好地解釋了統計力學難以解釋的基因結構的穩定性。而罕見的事件又對應與一次自發突變。因此，從量子力學出發，我們解釋了關於突變的最驚人的事實。且突變是不出現中間形式的、跳躍式的變異。 再檢驗突變可能性公式：t=τexp(W/kT)（t是閾能W的突變的期待時間）可由此得出溫度上升則期待時間減少，突變可能性增加。實際的動物實驗比如果蠅實驗證明這種可能性隨溫度上升提高得很明顯(對於T+10和T的t的比值大約在1/2到1/5之間，也就是突變的可能性增加約兩倍至五倍不等的差異) 而這種理論也解釋了為什麼X射線能誘發突變，用X射線照射親代，可使後代中出現突變的百分比，也就是突變率，比很低的自然突變率增高好多倍，且突變率與射線的劑量嚴格地成正比例。因為克服閾值的能量一定是由爆炸式的過程(電離或激發過程)供給的。且X射線的電離作用或類似的過程恰好能克服閾值的能量，所以可以顯著地提高突變率。 總的來說， 量子力學存在的能級概念是DNA等遺傳物質變得相對穩定，要改變其結構須跨越一個勢壘，於是出現突變的幾率足夠小，使物種得以在繁衍中緩慢進化。 結語 的確，世界是物質的，所以物理無處不在。對於神秘的生命，物理原理肯定遠遠不僅這些，而我所說的又只是已有理論的鳳毛麟角罷了，深怕亂放闕詞，所以便以「生命中的一些物理原理」作為題了。相信物理學家在生命科學以及任何其他學科的的研究中一定能寫出最終回答「生命是什麼？」的文章，到時候用什麼標題應該都不為過了吧！ [1]