聚閱薦書16期|一種看待生命的視覺——薛定諤的《生命是什麼》

我必須承認自己的無知——對於這樣一位生物歷史上極為重要的生物學家的理論在很長的一段時間竟然一無所知。這種無知,並不影響我睡眠、吃飯、訪友、自以為是地讀書,還能自以為得了賞善罰惡令。現在,我懷著極大的誠意將這本

《生命是什麼》推薦給願意打開自己心窗的閱讀者——當然,雖然裡面有些理論是過時的,但可以為我們提供一種思考的方法。

聚閱薦書16期|一種看待生命的視覺——薛定諤的《生命是什麼》

聚閱薦書16期|一種看待生命的視覺——薛定諤的《生命是什麼》

薛定諤的貓——這個名詞最初吸引了我的眼球。一隻貓究竟處於生死的何種狀態,竟然是不確定的。這究竟是怎麼回事?我當然講不清楚。《生命是什麼》也沒講清楚,它只是把生命的運行秩序作了一次探討。

這本頁數不多卻字字經典的書讀完,讓人有一種神奇的感覺,雖然一對統計學和熱力學方面的知識有所瞭解,卻從來沒把“熵”這個抽象的熱力學概念與生命聯繫起來。

在泡利不相容的約束框架內,大自然的造物過程似乎“完美”地被機械所決定了。生命體何以能高度精確地遺傳基因?染色體的有絲分裂何以能產生不可思議的絕對複製?一百個原子空間尺度範圍內何以會發生“奇蹟”都無法形容的純粹結果?

以上問題用傳統的經典理論根本無法回答,傳統理論的構架在尖銳的問題面前轟然倒塌。這一不可協調性迫使薛定諤開始大膽地去過問上帝的事務,試圖從原子統計力學的背景下去尋覓那開啟生命之門的鑰匙。

聚閱薦書16期|一種看待生命的視覺——薛定諤的《生命是什麼》

聚閱薦書16期|一種看待生命的視覺——薛定諤的《生命是什麼》

在這本書裡,薛定諤給我們提供了將有序動力學特徵和無序統計學特徵進行統一的有機藍圖,預言微觀粒子的有序和無序統一理論必將誕生。生物體作為一負熵物質,其行為模式和特徵可以被這一整合理論所預測和確定。這可是一個多麼令人期待的偉大理論呀!其顛覆性的革命意義是不言而喻的。

附原文摘抄:

1

一般都認為,一位科學家總是對某些學科具有深邃淵博的第一手知識,因而他是不會就他不太通曉的論題去著書立說的。這就是所謂的位高則任重。可是,為了目前寫這本書,如果我有什麼科學家的高位的話,那我懇請放棄它,並且從而免去隨之而來的重任。

最近一百多年來,知識的各種各樣的分支在廣度和深度上的展開,卻使我們陷入了一種奇異的困境。我們清楚地感到,要想把所有已知的知識綜合成為一個統一體,我們現在還只是剛剛開始在獲得可靠的資料;可是,另一方面,一個人想要充分掌握比一個狹小的專門領域再多一點的知識,也已經是幾乎不可能的了。

除非我們中間有些人敢於去著手綜合這些實事和理論,即使它們有的是第二手的和不完備的知識,而且還要敢於承擔使我們成為蠢人的風險,除此之外,我看不到再有擺脫這種困境的其他辦法了(否則,我們的真正目的將永遠達不到)。(P1序言)

作者這種“冒著成為蠢人的危險”的勇氣和遠見卓識,對於一個研究領域的發展起到了催化作用。現在的科學家,有多少可以用如此通俗簡明易懂的區區幾十頁文字從物理學的角度闡述生命的問題?隨著科學研究的不斷深入,薛定諤所提到的那種兩難的境地越來越明顯,科學界需要更多敢於去著手這些實事的人。

2

文章一開始,作者就把問題很清晰地提出來:在一個生命有機體的空間範圍內,在空間上和時間上發生的事件,如何用物理和化學來解釋?(P2)

做這種對一個活細胞的最重要部分——染色體的描述和比喻很有趣味並且寓意深刻。他認為染色體纖絲可以恰當地稱之為非週期性晶體。迄今為止,在物理學中我們碰到的只是週期性晶體。兩者之間結構上的差別,就好比一張是一再重複出現同一種花紋的糊牆紙,另一幅是巧奪天工的刺繡,比如說,一條拉斐爾花氈,它顯示的並不是單調的重複,而是那位大師繪製的一幅精緻的、有條理的、有意義的圖案。(P3)他指出了染色體結構的複雜性和非重複特點,那麼之後提出的的物理統計學的解釋顯得更家讓人信服。

3

假設你能給一杯水中的分子都做上標記,再把這杯水倒進海洋,然後徹底地加以攪拌,使得有標記的分子均勻地分佈在全世界的所有海洋中;如果你在任何地方從海洋中舀出一杯水來,你將發現在這杯水中大約有一百個你標記過的分子。(P5)

作者用這個有趣而形象的比喻說明了原子為什麼會如此之小,簡單易懂。從此我們可以想到,原子如此之小,而有機生命體又是如此之大,難以計算的原子數量是怎麼樣的微觀活動產生了有機體宏觀的行為呢?象我們的大腦這樣的器官以及附屬於它的感覺系統,為了使它的物理學上的變化狀態密切地對應於高度發展的思想,為什麼必須由大量的原子來構成呢?大腦及感官,作為一個整體的功能,或是在它直接同環境相互作用的某些外周部分中的功能,跟一臺精巧而靈敏到足以反映並記錄來自外界的單個原子的碰撞的機器相比,根據什麼理由說它們是不相同的呢?(P7)

自此,作者漸漸引入了原子運動的無序性,無序產生有序,用原子統計學說明原子運動抵消了它們的有秩序行動,使得發生在少數原子之間的事件不能按照任何已知的定律表現出來。

作者通過三個例子(順磁性、布朗運動、測量準確性的限度)來說明了宏觀運動的精確性是以大量原子的介入為基礎的。

4

在這一部分內容中,薛定諤從染色體、基因、有絲分裂、減數分裂(成熟分裂)、雜交幾個方面對遺傳機制在當時的研究情況做了概述。雖然是一個概述,但是一個物理學家對當時的生物學領域的研究進展的如此準確和詳盡令人驚歎。同時,他非常獨創的有預見性的預言了一個分子生物學的最基本和最核心的概念:染色體上寫有密碼的信息。以下是一些摘錄:

“密碼正本”這個名詞太狹隘了。因為染色體結構同時也是促使卵細胞未來發育的工具。它是法典與行政權力的統一,或者用另一個比喻來說,是建築師的設計同建築工人的技藝的統一。(P20)

這裡描繪的遺傳機制的圖式還是相當空洞而平淡的,甚至是有點質樸的。因為我們並沒有說出,我們通過一個特性究竟瞭解到了什麼。把本質上是個統一“整體”的有機體模式,分割成個別的“特性”,這看來既是不妥當的,也是不可能的。現在,我們在任何具體事例中實際說明的是,一對祖先如在某個方面確實存在著差別(比如,一個是藍眼睛,另一個是棕色眼睛),那麼,他們的後代,不是繼承這一個就是繼承另一個。在染色體上我們所定位的就是這種差別的位置(專門術語稱之為“位點”)。我認為,真正的基本概念是特性的差別,而不是特性本身,儘管這樣的說法有著明顯的語言上和邏輯上的矛盾。特性的差別實際上是不連續的。(P26)

關於基因的不變性,薛定諤首先提出了一個問題:在遺傳特性上基因的不變性的程度有多大,什麼東西作為攜帶它們的物質結構呢?他指出,不變性幾乎是絕對的:“表現型”的整體(四維)模式,幾乎沒有什麼明顯的改變而被複制了好幾代,它們在幾個世紀裡是不變的——雖然不能說是幾萬年不變——在每次傳遞中,負載它們的是結合生成受精卵的兩個細胞的物質結構。這真是個奇蹟。(P29)

5

在該章(突變)中,作者首先指出達爾文的錯誤認識,即把即使在最純的群體裡也會出現的細微的、連續的、偶然的變異(這些變異不是遺傳的),當做是自然選擇的材料。並說明“躍遷式”的突變是自然選擇的工作基地。他同時介紹了荷蘭人德福里斯的發現:即使是完全純種繁育的原種後代裡,也有極少數的個體,比如說幾萬分之二、三的個體,出現了細微的但是“躍遷式”的變化。“躍遷式”,並不是說這個變化是相當大的,而是說這是一種不連續的變化,在未變和少許改變之間沒有中間形式,德弗里斯稱之為突變。(P32)因為這種不連續的突變同原始的、未變的特性一樣地遺傳下去,突變因此是遺傳寶庫中的一種變化,必須用遺傳物質中的某些變化來說明它。

薛定諤同時也從總體上肯定了達爾文的一些觀點,他認為,由於突變是可以遺傳的,所以突變是達爾文描述的自然選擇的合適材料。他說,如果用“突變”來代替 “細微的偶然變異”,達爾文學說的其他方面是不需要作什麼修改的。(P33)

因為突變產生新的性狀,所以薛定諤非常準確地介紹了顯性突變、隱性突變,分析了近親繁殖的有害效應、介紹了顯性的相對性實例(例如金魚草的不完全顯性和人類血型的共顯性等),最重要的是,從突變的多害性說明突變作為一種罕有事件的必要性,指出突變要成為自然選擇的合適材料,必須是象它的實際情況那樣,是罕有的事件。否則物種非但不會通過選擇得到改良,反而會停滯在沒有改良的地步,甚至消亡。基因的高度不變性造成的相當程度的保守性是十分必要的。(P39)

他還介紹了人工誘變提高突變率的作用、通過這種方式產生的突變(除了數量較多外)同自然發生的那些突變的一致性以及通過誘變進行的果蠅基因在染色體上的定位和復等位基因。通過介紹一些科學家的研究結果,即“突變的增加是嚴格地同射線劑量成正比例的,來說明:突變並不是由連續的小劑量輻射相互增強而產生的一種積累效應,而是在輻射期間發生在一條染色體中的單一事件所產生的,即突變是單一性事件。他同時提出疑問:那麼,這是哪一類事件呢?(P43)

6

在第四章裡,薛定諤講述了量子力學的證據。首先提出了古典物理學無法解釋基因不變性的問題:從統計物理學的觀點來看,基因結構似乎只包含了很少量的原子(一般是一千個,也可能還要少)可是它卻以奇蹟般的不變性地表現了最有規律的活動,我們如何使這兩方面的事實協調起來呢?(P44)

在這裡,薛定諤試圖通過有機分子構型轉變中的能量變化,說明突變基因和正常基因都是一種穩定的狀態,從而說明基因的穩定性和不連續變異的穩定性。當然,這種建立在基因“類似構型改變”意義上的基因突變,顯然是不能得出正確的結論的。

薛定諤再次強調生命有機遺傳分子的非週期性:我們認為,一個基因,也許是整個染色體纖絲——是一種非週期性的固體。(P59)這種表述雖然今天看來不準確,但是在試圖說明生命分子和非生命分子的不同。顯然,沒有對於基因結構和發育過程中細胞分化的正確認識,是不能夠解釋生物體的生長髮育的。生命不是由分子和原子堆積的,而是由分子、原子組成的有序的結構細胞堆積的。

這裡引出一個問題——非週期性晶體染色質纖絲如何控制生物體時空上的生長髮育?薛定諤“微型密碼”的富有創造性的假設令人拍案叫絕,也許正是這個假設對於分子生物學的創立和發展起到強有力的催化作用,分子生物學的發展說明了這個假設是完全正確的。

象受精卵細胞核這樣小的物質微粒,怎麼能包含了涉及有機體未來的全部發育的精細的密碼正本呢?一種賦予足夠的抗力來永久地維持其秩序的原子結合體,看來是一種唯一可以想象的物質結構,這種物質結構提供了各種可能的排列,在它的一個很小的空間範圍內足以體現出一個複雜的“決定”系統。在這種結構裡,不必有大量的原子就可產生出幾乎是無限的可能的排列。為了把問題講清楚,就想到了莫爾斯密碼……如果密碼有5種不同的符號,只挑出25個符號的組合,而且只挑出由五種不同的符號、每種符號都是五個所組成的那種組合,粗粗地算一下,組合數是62330000000000個……我們希望說明的只不過是,就基因分子的圖式來說,微型密碼是絲毫不錯地對應於一個高度複雜的特定的發育計劃,並且包含了使密碼發生作用的手段,這一點已經不再是難以想象的了。(P60)


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