薛定諤《生命是什麼？》出版75周年紀念

　　來源：Nature自然科研

　　Philip Ball帶領我們重溫這本提煉了現代分子生物學關鍵概念的著作。

　　《生命是什麼？活細胞的物理觀》埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr?dinger） 劍橋大學出版社（1944）

　　諾貝爾獎得主、奧地利物理學家薛定諤在其1944年的著作《生命是什麼？》（What Is Life？ ）中，提出了一個更加具體但同書名一樣發人深省的問題：「是什麼讓生命系統似乎與已知的物理學定律相悖？」薛定諤當時給出的答案現在看來頗具預見性。他指出，生命的特徵在於「密碼本」，這個密碼本不但可以指導細胞組織和遺傳，還能讓有機體擺脫熱力學第二定律。

物理學家薛定諤曾深入探索過分子生物學問題。

　　薛定諤的這些觀點對於公眾和一些傑出的科學家來說具有很大的啟示意義，但也讓另一些人感到非常不滿。雖然這些原理並非原創，但這一出色的構想啟發了克里克（Francis Crick）和沃森（James Watson）在1953年發現DNA雙螺旋是如何編碼基因的。克里克同年致信薛定諤，稱他和沃森「都受到了您的那本短篇著作的影響」。

　　《生命是什麼？》 精簡凝練，易於理解。這本書誕生於二戰的硝煙中，收錄了1943年薛定諤在都柏林聖三一學院空前受歡迎的演講稿。奧地利被納粹德國吞併後，被迫流放的薛定諤受邀前往愛爾蘭，協助創辦了都柏林高級研究所（Dublin Institute for Advanced Studies）。（今年9月，聖三一學院為了紀念演講75周年，舉辦了一場名為「75年薛定諤——生物學的未來」的大會。）

　　自上世紀30年代以來，生物學從一門偏描述性的科學逐漸發展成一門探索機制的科學。正是因為許多像遺傳學家摩爾根（Thomas Hunt Morgan）的果蠅實驗之類的研究，科學家開始從基因傳遞的角度去理解遺傳，把基因看作染色體上的大分子。

　　當時的很多觀點都推斷基因就是蛋白質。但其實就在薛定諤準備講稿的另一邊，微生物學家艾弗里（Oswald Avery）已經開始尋找基因是核酸的證據了。可以說，《生命是什麼？》這本書是在科學和社會政治學都發生著劇烈變化的大背景下橫空出世。

　　薛定諤涉足交叉學科的步子邁得小心翼翼。他稱自己是「天真的物理學家」，單純思索著生命是如何自我維繫並把基因突變穩定地傳遞給下一代。

　　1933年，薛定諤因在量子力學方面的傑出成就榮膺諾貝爾獎，不過這並不是插手生物學的通行證，薛定諤此前除了對視覺生理學有過涉獵之外，並未表現出對生物學的濃厚興趣。可以說，薛定諤的這種天真既是這本書的力量來源，也是這本書的缺陷所在。

　　《生命是什麼？》所提出的問題反映了當時物理學家和化學家對分子世界的看法：分子完全受到統計行為的支配。麥克斯韋（James Clerk Maxwell）和玻爾茲曼（Ludwig Boltzmann）的經典分子物理學認為原子運動是隨機的。那些精確闡明溫度、壓力和氣體體積之間關係的物理定律，其實是對無數原子平均行為的總結。

　　如果是這樣的話，那麼單個基因突變是如何在分子水平上導致某種特定的宏觀結果（如某種表型、可觀察到的遺傳性狀）的呢？答案可能指向薛定諤的貓的幽靈——薛定諤在1953年提出這隻貓的宏觀生死取決於單個量子事件。

　　數學家彭羅斯（Roger Penrose ）對這場思維實驗的評價是：「我認為薛定諤（在寫《生命是什麼？》的時候）已經考慮到這個問題了。」對於某種遺傳性狀（如歐洲哈布斯堡王朝成員突出的下頜），薛定諤想知道那些起作用的等位基因何以「幾百年來都沒有受到熱運動無序性的干擾？」

　　為此，薛定諤援引了另一位前量子物理學家德爾布呂克（Max Delbrück）的實驗，德爾布呂克通過高能輻射誘導基因突變，估算出基因的大小約為原子的1000倍。薛定諤認為這種尺寸過小，無法使其在統計波動的影響下繼續保持這種「規律活動」（持久的遺傳）。

　　對此，薛定諤提出可以從量子力學的角度解釋這個問題。分子中的原子通常以多種方式穩定排列，且每種構型都有對應的能量，這也是薛定諤對不同等位基因的設想。不過，其間的「量子躍遷」通常受到高能壘的抑制。

　　薛定諤進而又提出，這種基因編碼分子（薛定諤等人對基因編碼分子是較大的蛋白質的觀點持懷疑態度）的構型存在多種可能的形式，能夠編碼大量信息，這種形式的多樣性可以提供細胞的「密碼本」。雖然每個原子的位置都很重要，但模式卻不會重複——薛定諤因此將分子形容為一種非周期性（不規則）固體。

　　這不是一個全新的理論，德爾布呂克曾於1935年提出過類似觀點。此外，生物學家穆勒（Hermann Muller）和霍爾丹（J。 B。 S。 Haldane）也分別獨立提出過染色體可能是其自我複製的模板，複製方式與已有晶層上長出新晶層的過程是一樣的。

　　薛定諤承認，這些設想都無法回答「遺傳物質是如何運作的」這個更深層次的問題，即遺傳是如何在發育和代謝中發揮作用，好讓有機體以薛定諤稱之為「四維樣式」的形態在時空中不斷實現自我構建和維繫。無論如何，薛定諤借用熱力學語言提出的問題，無疑為這方面的探索打開了大門。

　　這不是能量的問題（有機體的能量攝入和能量輸出必須達到平衡，不然就會燃燒殆盡），而是熵的問題（熵是衡量原子無序性的物理量）。熱力學第二定律指出，熵在所有變化過程中一定會增加——但有機體卻能躲過這種熵溶解。按照薛定諤的說法，有機體依賴「負熵」，通過負熵維持結構中的組織和細胞功能，同時將產生的熱量傳遞到周圍環境中。

　　有機體究竟是如何挖掘這種負熵的？薛定諤無法給出答案。他只能給出如下建議：在生命系統中，「我們必須努力找到一種新的物理定律」。如今看來，這種極端的解決方式已經不必要了。

　　薛定諤的分析中缺少的一個概念是信息。上世紀40年代和 50年代，香農（Claude Shannon）的資訊理論以及維納（Norbert Wiener）的控制論陸續問世，填補了這一空白。不過直到近年來，研究人員才開始理解信息對生物學的應用價值。

　　薛定諤的負熵說暗示我們，生命是開放系統里打破平衡的秩序的集合，而DNA密碼只是維繫生命機制的一部分。可惜的是，薛定諤並未觸及物理學家西拉德（Leo Szilard）在麥克斯韋妖上的研究成果，西拉德的思維實驗揭示了如何藉助看似宏觀統計雜訊的分子水平信息來降低熵的混亂程度。

　　此外，薛定諤還高估了密碼本的能力，他預想對密碼本的讀取會直接映射到表型上。事實並非如此：基因組無法反映身體器官的排列方式。信息的作用方式更像是提供資源，而不是逐步式指導。要獲得意義，就必須有背景知識：細胞的歷史和環境。不同基因之間以及基因與環境之間的相互作用是如何轉化成不同表型的，是現代基因組學的主要難題。

　　在《生命是什麼？》的激勵下，多位物理學家成為了卓具影響力的生物學家：克里克、本澤爾（Seymour Benzer）、 威爾金斯（Maurice Wilkins）等等。但從當代評述來看，領會薛定諤的密碼本是有機體的一種主動程序這一精髓的生物學家並不多。

　　當時作為新興學科的分子生物學中的一些人就對此持批評態度。鮑林（Linus Pauling）和佩魯茨（Max Perutz）都曾在1987年，即薛定諤百年誕辰之際批評過這本書。鮑林稱負熵是對生物學的「負」貢獻，薛定諤對生命熱力學效應的解讀過於「模糊和膚淺」。佩魯茨更是表示，「書中正確的內容均不是原創，而大多數原創的內容即使在成書的年代也是不正確的」。

　　這些評價雖然稍顯無情，但並非無稽之談。那麼，這本書為何能在當時產生如此大的影響呢？修辭理論家Leah Ceccarelli認為這主要歸結於薛定諤的寫作風格：薛定諤成功地把物理學和生物學這兩門科學聯繫起來，且沒有偏向任何一方。

　　今時今日，我們可以挖掘出更多價值。薛定諤認為生命具有熵平衡的觀點，可以說是後世研究方向的雛形，後來逐漸發展成認為生物特權（如複製、記憶、衰老、表觀修飾和自我調節）就是非平衡複雜性的過程，且環境因素不容忽視。

　　很有意思的是，這種對環境和偶然性的思考如今也成了量子力學的核心內容，比如糾纏、退相干、互文性。這究竟是否純屬巧合，現在恐怕還言之過早。

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