物理學家的生物學指南

生命是什麼？

1943年，物理學家薛定諤在都柏林三一學院的一系列演講中探討了這個問題。這位著名的量子力學先驅委以了科學家一項新的使命：開始用物理學中的工具和直覺來解釋生物的活動。他的想法後來被整理成書，被廣泛認為是物理學和生物學的成功結合，並推動了分子生物學革命。

薛定諤在三一學院的演講公告。薛定諤的演講最終被整理成書《生命是什麼？》，今年是這本的75周年。薛定諤在書中闡述了許多關於生命的基本問題，例如，生物體如何傳遞遺傳物質，才能夠世世代代生生不息？從物理學的角度來看，生命是什麼？

《生命是什麼？》一書的出版引發了一場跨學科的對話，吸引了克里克（Francis Crick）、本澤爾（Seymour Benzer）、威爾金斯（Maurice Wilkins）等人進入生物學領域。就在薛定諤提出自己的構想後的十年內，DNA的結構就被發現了。而到了1961年，遺傳密碼也被破譯了。

1943年薛定諤的課程演講被整理成《生命是什麼？》，但是在這之後，薛定諤的這隻貓就跳出了盒子。| 圖片來源：Science Museum/Science & Society Picture Library COLLABORATION

然而，有科學家認為，這次物理學和生物學的結合忽略了化學。

遺傳物質是什麼？

生命是什麼？這個問題在很大程度上，其實是對需要什麼樣的化學物質來維持世代遺傳的探索。

薛定諤的答案是，生命細胞中最重要的部分——染色體纖維，也就是如今眾所周知的儲存基因的地方，必然是一種非周期性晶體。所謂非周期性晶體是指一種原子非隨機排列的結構，它為細胞編碼一套穩健的「密碼」，但缺乏晶體結構的規律性。

或許你可能想知道，為什麼薛定諤沒有用「分子」——這一熟悉的詞語來描述這種結構。薛定諤寫道：「有機化學在研究越來越複雜的分子時，已經非常接近於非周期性晶體，在我看來，它是生命的物質載體。」

薛定諤繼續思索：這種非周期性晶體如何能夠抵抗熱運動的干擾，並在代際之間傳遞特性而始終保持穩定呢？

也許有人會說，是化學鍵和化學結構保證了遺傳物質的穩定性，正如鮑林（Linus Pauling）在薛定諤出版這本書之前十年就已經發現的那樣——化學鍵可以讓原子的位置保持不變，這樣分子就不會異構化，也不會一下子因為熵的緣故而崩壞。

為化學鍵理論和生物大分子的結構做出重要貢獻的鮑林，他的工作啟發了後來沃森、克里克和富蘭克林關於DNA雙螺旋結構的發現。| 圖片來源：Library of Congress

在1987年薛定諤誕辰100周年之際，鮑林對這本書的評價頗有一絲不耐煩。他寫道：薛定諤沒有意識到關於生命本質的真正問題，這個問題便是，生物獨特性是如何實現的；一個分子結構可以編碼一套密碼，這沒什麼大不了，真正稀罕的是編碼是如何實現的。

分子結構生物學的另一位先驅馬克斯·佩魯茨（Max Perutz）對此同樣不屑一顧。佩魯茨問道，為什麼薛定諤不把這種非周期性晶體直接稱作聚合物呢？或者談談在寫這篇文章的時候就已經知道的事實——基因的這種神秘作用是通過對酶的編碼產生的？佩魯茨抱怨道，「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」。

鮑林和佩魯茨都批評薛定諤的對生物體的熱力學闡釋過於簡單、有誤導性——薛定諤將生物體看作是從環境中獲取「負熵」。根據熱力學第二定律，熵在所有變化過程中一定會增加。但是，生物體卻以某種方式躲過了這種熵溶解。薛定諤認為，有機體依賴於「負熵」，通過負熵來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。鮑林甚至稱負熵是對生物學的「負貢獻」。

忽略了化學？

這些批評有些是有道理的。從《生命是什麼？》這本書中，我們會得到這樣的印象：薛定諤將生物細胞看作原子組織的一場令人困惑的陰謀——就好像一堆粒子會自發地組裝成一輛法拉利——而忽略了分子結構這一中間領域，也就是化學領域。

這或許與薛定諤自己的知識傳承有關。在玻爾茲曼的陰影下，薛定諤在維也納接受教育。在分子層面上，他吸收了統計隨機性的語言，這種語言似乎很難接受分子作為明確定義的對象。量子不確定性也只是增加了分子世界的模糊圖像。

佩魯茨認為，這意味著《生命是什麼？》似乎在堅持不必要的神秘。

在很大程度上，化學可以突破物理學與生物學結合時遇到的問題。鮑林正確地指出了，與其糾纏薛定諤關於需要「新的物理學定律」來解釋生命的推測，不如冷靜而勤勉地研究特定分子如何相互作用以產生細胞的生化、代謝途徑。

假如克里克和沃森（James Watson）在1962年因發現DNA結構獲得的是化學領域的諾貝爾獎，而非醫學領域，那麼就能強有力地傳遞出一個非常恰當的信息。（佩魯茨本人因為對酶結構的研究與John Kendrew一起，獲得了當年的諾貝爾化學獎。）

幸好9月初在都柏林三一學院舉行的慶祝薛定諤工作的會議上，諾貝爾獎得主Ben Feringa談論的是「化學的未來」，包括另一位諾貝爾化學獎得主Ada Yonath、研究CRISPR的先驅張鋒在內的演講者都將分子作為核心話題。

然而，《生命是什麼？》在今天有著更深層次的共鳴。如果生命只是一系列令人眼花繚亂的分子間相互作用，它就會消失於複雜性之中。一些分子生物學家似乎想要這樣。但薛定諤暗示，一定存在一個包羅萬象的原理來維持那些失衡的秩序，而DNA序列只是維持生命的一部分。

來源：原理

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