生命的物理学解释

AtticusYuan

本书虽然名字叫做《生命是什么》,但是它的内容是基于薛定谔先生于1943年的讲演《生命是什么》、1956年的讲演《意识和物质》以及1960年的《自传》三部分组成的。其中第一部分《生命是什么》是薛定谔先生以一位物理学家的角度对生命是什么的探讨,第二部分偏向于哲学,是薛定谔先生对意识和物质的探讨,第三部分是薛定谔先生写的自传,内容偏向于叙事。薛定谔先生在书中称本书为小册子,确实,本书内容非常简洁简短,书本是32开的,只有一百九十面左右,全书也就十三万字左右,读起来相对不那么费力。

我用了五天的时间以分析阅读的方式着重的看了第一部分《生活是什么》,第二部分和第三部分我以检视阅读的方式大概的扫了一遍。至于为什么不以分析阅读的方式阅读第二部分,我想是第二部分偏重于哲学中较为深奥的《形而上学》部分,又因为前些天刚结束了《大问题:简明的哲学导论》一书的阅读,简单的了解了哲学,所以便不在薛定谔先生的书中再次接触哲学,不过薛定谔先生在第一部分的后记《决定论与自由意志》中提到:能否在两个前提(第一:我身体的功能,像一台纯粹的机器,遵循着自然界的定律,即决定论的观点;第二,然而根据毋庸置疑的直接经验,我总是在执...

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本书虽然名字叫做《生命是什么》,但是它的内容是基于薛定谔先生于1943年的讲演《生命是什么》、1956年的讲演《意识和物质》以及1960年的《自传》三部分组成的。其中第一部分《生命是什么》是薛定谔先生以一位物理学家的角度对生命是什么的探讨,第二部分偏向于哲学,是薛定谔先生对意识和物质的探讨,第三部分是薛定谔先生写的自传,内容偏向于叙事。薛定谔先生在书中称本书为小册子,确实,本书内容非常简洁简短,书本是32开的,只有一百九十面左右,全书也就十三万字左右,读起来相对不那么费力。

我用了五天的时间以分析阅读的方式着重的看了第一部分《生活是什么》,第二部分和第三部分我以检视阅读的方式大概的扫了一遍。至于为什么不以分析阅读的方式阅读第二部分,我想是第二部分偏重于哲学中较为深奥的《形而上学》部分,又因为前些天刚结束了《大问题:简明的哲学导论》一书的阅读,简单的了解了哲学,所以便不在薛定谔先生的书中再次接触哲学,不过薛定谔先生在第一部分的后记《决定论与自由意志》中提到:能否在两个前提(第一:我身体的功能,像一台纯粹的机器,遵循着自然界的定律,即决定论的观点;第二,然而根据毋庸置疑的直接经验,我总是在执导着身体的运动,并且能遇见其结果,这些结果可能是决定一切的和十分重要的,并且我感到要对结果负起全部责任,即自由意志的观点)中引出正确的、不矛盾的结论来。我想这是一个一直困扰着哲学家们的难题,并且也有在二者中做协调的观点如相容论以及弱决定论,但遗憾的是至今都没有如薛定谔先生所愿提出正确的、不矛盾的结论。

译者在译后记中简明的概括了全书的内容,我引用其中对第一部分的概括:这本著作中主要谈了三个问题,一是从信息学的角度(尽管那时仙农〈Claude Elwood Shannon于1948年10月提出信息论〉的信息论还没有诞生)提出了遗传密码的概念(尽管伽莫夫提出DNA 密码假设是10年后的事),以及提出了大分子——非周期固体——作为遗传物质(基因)的模型;二是从量子力学的角度论证了基因的持久性和遗传模式长期稳定的可能性;三是提出生命“以负墒为生”,从环境中抽取“序”来维持系统的组织的概念,着是生命的热力学基础。这三个问题的讨论基本上都是开创性的,都是薛定谔先生首次提出的。这也是为什么这本小册子在生物学界极富盛名的原因,以及著名物理学家罗杰·彭罗斯在这本书的前言中说:“这本书一定会跻身于本世纪最有影响力的科学著作之列,它代表了一位物理学家的深刻洞察力在很大程度上已经改变了人们对世界组成的理解,并且这本书也影响过在生物学界做过许多重要贡献的霍尔丹和克里克,我想这本书放在今天以科普书的形式在没有生物基础的民众之间传阅仍能影响到许多人。

以下根据作者在第一部分对生命的物理学解释以及我对作者的解释做一点陈述。薛定谔先生出生于1887年,1926年提出波动力学(量子力学的标准形式之一),因而获得1933年的诺贝尔物理学奖,本书是作者在1943年写的,因而作者在写这本书的时候是一名在物理学领域有重要贡献的人,可以说是一位物理学大家,在薛定谔先生获得诺贝尔奖之后,他的兴趣转向生命科学,偏重于生物学,因此全书都是作者以一位物理学家的角度来从物理学的观点解释生命科学的(用作者自己的话来说就是:一个朴素物理学家对这个主题的探讨)。

这个主题,也可以称为第一个重大的问题我想应该是:一个生命有机体的范围内在空间和时间中发生的事情,如何用物理学和化学来解释?虽然在当时,物理学和化学在解释这些事件时显出的无能为力,但作者认为这绝不应该怀疑物理学和化学在原则上可以解释。 物理学和化学都是偏实验性科学,许多事情都能够在实验室完成,物理学和化学研究的共同点,其中一个就是对与物质结构、分子、原子的要求,而生命体在本质上都是由无数分子、原子组成的有机体,因此这在原则上时可以用物理学和化学解释的。物理学定律时以原子统计力学为根据的,因而只是近似的,物理学定律的精确性是以大量原子的介入为基础的(原子本身有倾向于随机取向的热运动)。验证物理学定律的精确性是以大量原子的介入为基础的例子提三个。

第一顺磁性,一些分子、原子本身可以看作是磁体,在磁场下,它们会被磁化,因而会产生顺磁性,且磁化作用会随着磁场强度的增大而增加,磁强使一些分子、原子倾向于产生确定取向,不断地遭到倾向于随机取向的热运动,使磁偶极子轴(一些分子、原子小磁体的南北极轴)同磁场方向间的夹角小于90度的比大于90度的稍占优势,虽然单个原子无休止地改变取向,然而由于它们数量巨大,平均来看,朝着场的方向并与场强成比例的趋向稍占优势,因而是顺磁性,这些创造性的解释是由法国物理学家朗之万作出的。

第二布朗运动和扩散,如果把微滴组成的雾装进一个密闭玻璃容器的底部,将会发现雾的上边界按一定的速度下沉,这中速度取决于空气的黏度、微粒的大小和相对密度,可是如果在显微镜下注视一粒微滴,发现它并不是以恒定的速度或者加速运动下沉,而是在做一种十分不规则的运动,即所谓的布朗运动,只有平均地看,这种运动才相当于一种有规则的下沉。扩散现象也是类似于布朗运动,在一只装满高锰酸钾的液体容器中,使高锰酸钾的浓度不均匀,浓度从左到右递减,如果对这个系统放手不管,那么就开始了很缓慢的“扩散”过程。高锰酸钾将按从左到右的方向散布过去,就是说从高浓度到低浓度散布,直到均匀分布于水中为止,然而高锰酸钾分子并不是“乖乖的”从高浓度的一边劲直的往低浓度的方向散布过去的,而是每一个高锰酸钾分子都是随机的行走,有时往高浓度方向走,有时往低浓度的方向走,尽管所有单个的高锰酸钾分子都是这样随机的行走,还是总体上产生了一种有规则的朝低浓度的流动,最后造成浓度均匀分布。

第三测量准确性的限度,热运动的不可控制的效应同被测量的力的效应相竞争,使观察到的单个的偏差失去了意义。测量的准确性在实际上有一个极限。关于物理学定律的不准确度的期望值,即所谓n^1/2律,如果数目n=100,那么偏差大约是10,相对误差为10%。粗略的说,这个统计规律是普遍成立的。物理学和物理化学定律的不准确性总是可能发生在相对误差范围之内,这里n是在某些理论考虑或某些特定实验中,为了在一定的空间时间范围内使该定律生效,参与合作的分子数目。由此,一个有机体为了使它的内在生命以及它同外部世界的相互作用,都能为精确的定律所描述,它就必须有一个相当巨大的结构,不然的话,参与合作的粒子数目太少了,“定律”就不太准确了。

薛定谔先生在第二章中谈到了遗传的密码本(染色体),他说,在活有机体内有许多极其小的原子团,小到不足以显示精确的统计学定律,而它们在极有秩序和极有规律的事件中确实起着支配作用,它们控制着有机体在发育过程中获得的、可观察的大尺度性状,决定了有机体发挥功能的重要特征,在所有这些情况下,都显示了十分确定而严格的生物学定律。同时谈到了个体生长通过细胞的有丝分裂,生殖通过细胞的减数分裂和受精,以及单倍体个体等。最后提出了第二个和本书探讨的主题有关的问题:遗传特性保持不变的持久程度有多长,携带这些特性的物质结构具有一些什么样的性质呢?这就是遗传的持久性问题。第三章作者谈到的是遗传中基因的突变问题,就不多做陈述了。在第五章中作者对微型密码(基因)的结构提出了假设:他为把问题考虑清楚,而举例了摩尔斯密码,他假设由五种不同的符号,以及选用25个数目作假设。不过这只是作者简单的假设,但是这与现在生物学上对的DNA结构的解释非常类似,我想提出DNA模型的沃森和克里克一定是受薛定谔先生的启发。

基因的结构似乎只包含了很少量的原子(一般是1000个,也许可能还要少),可是它奇迹般的持久不变性却表现了最有规律的活动,如何从统计物理学的观点来协调地解释这两方面的事实呢?在第四章作者用量子力学的观点来解释稳定性的问题,在第五章作者用量子力学的观点讨论了遗传中基因持久性的问题。

遗传机制同量子论的基础密切有关,遗传机制甚至是建立在量子论的基础上的。如果不用量子力学来解释,而由当时对统计力学有一定理解的物理学家来解释,或许得到的解释是:这些物质结构只能是分子。我想意思应该是分子是最小的,不能再分了,会这么说是因为集合体的存在及其高度稳定性在当时的化学已经有了广泛的了解,不过这种了解是纯粹经验的,人们对分子的性质还不了解,使分子保持一定形状的、原子间强健的本质对当时的化学家来说还完全是一个谜,所以如果把生物遗传的持久性稳定性归结到化学稳定性上来说,这是没有价值的,是靠不住的。因此,这个时候量子力学的解释便显得重要了。

量子论(不连续状态,量子跃迁),量子论的最大启示是在“大自然之书”里发现了不连续的特点,而原先认为自然界中除了连续性外全皆荒谬。第一个例子能量,经典理论中一个物体可以在很大范围内连续地改变它的能量,然而量子论却证明了,具有原子这样大小的微观系统的行为是不同的,假定一个小的系统只能具有某种不连续的能量,这是它本身固有的性质,这中不连续能量称为能极,从一种状态转变为另一种称为“量子跃迁”。第二是对于一个宏观系统能从运动的一种状态连续地转变到任何另一种状态,但是对于微观系统来说,这些特征或类似的其他特征的大多数都是不连续地发生变化的。如同能量一样,它们是"量子化"的。

分子的稳定性有赖于温度,假定我们的原子系统一开始处在它的最低能级状态,物理学家把这个系统称为绝对零度下的分子,要把它提高到相邻的较高的状态或能级就需要提供一定的能量,最简单的功能方式是给分子"加热",把它带进一个高温环境,让周围的系统(原子、分子)冲击它,考虑到热运动的极度不规则性,不存在一个确定的、立即产生"泵浦"的、截然分明的温度界限。更确切的说,在任何温度下(只要不是绝对零度),都有出现"泵浦"的机会,这种机会是有大有小的,而且随着"热浴"的温度增加,为了发生"泵浦"必须等待的平均时间,即"期待时间",会越来越短。分子越大,同分异构体也就愈多,两个同分异构体分子所有的物理常数和化学常数都是明显不同的,他们的能量也不同,代表了"不同的能级",两个分子都是稳定的,它们的行为就像它们都是处于"最低状态",不存在从一种状态到另一种状态的自发跃迁,理由是两种构型并不是相邻的构型,要从一种构型跃迁为另一种构型,只能通过介于两者之间的一种中间构型才能发生,这种中间构型的能量比它们中的任一构型都要高。粗浅的说,如果不经过能量相当高的构型,是无法完成这种跃迁的。在第五章作者提出了一个假说:一个基因——也许是整个染色体纤丝——是一种非周期性固体。分子表现出同晶体一样的结构稳固性,作者从这种稳固性来说明基因的持久性的。自然选择基因的稳定性,突变体的稳定性有时是较低的。

简单的梳理前五章的内容:第一章作者以一位物理学家的角度提出问题"一个生命有机体的范围内在空间和时间中发生的事件,如何用物理学和化学来解释"。在第二章中作者提出问题"遗传特性保持不变的持久程度有多长,即持久性的问题"。在第三章中作者简单的谈了遗传中突变的问题。在第四章作者提出用"量子力学"的观点来解释分子的稳定性。通过第四章和第五章的讨论作者用"量子力学"的观点解释遗传中基因持久性的问题以及遗传模式长期稳定的可能性,以及在第五章中作者非常准确的简单预测了基因的结构,为后面发现DNA的结构做了铺垫。其中第三章和第五章后半部分着重的讲了基因的突变部分,其中第三章着重介绍遗传中的突变,第五章后半部分着重探讨影响突变的因素,为什么作者设置了这么多篇幅来讨论突变,突变与作者提出的问题:遗传特性的持久性保持不变的持久程度有多长,即持久性的问题相悖,因此想要解释遗传的持久性问题,探讨遗传中突变的问题是非常重要的。

本书最为精彩的一章莫过于第六章了。第六章是关于有序、无序和熵的经典探讨,薛定谔先生在这一章提出了生命“以负墒为生”,从环境中抽取“序”来维持系统的组织的概念,这是生命的热力学基础。生命物质在遵从迄今已确立的物理学定律的同时,可能还涉及至今尚未了解的“物理学的其他定律”,这些新定律一旦被揭示出来,将跟以前的定律一样,成为这门学科的一个组成部分。

我们所知道的物理学定律全是统计学定律,这些定律与事物走向无序状态的自然倾向密切相关,要使遗传物质的高度持久性同它的微小体积相协调,我们必须通过一种“设想的分子”来避免无序的倾向,事实上,这是一种特别大的分子,是高度分化的有序性的杰作,受到了量子论的魔法保护,机遇的法则并没有因为这种“设想的分子”而失效,只是结果被修正了。

生命像是物质的有序和有规律的行为,它完全不是从有序转向无序的自然倾向为基础,而是部分地基于现存秩序的保持。生命有机体似乎是一个部分行为接近于纯粹机械的与热力学相对的宏观系统,所有的系统当温度接近绝对零度,分子的无序状态消除时,都将趋向这种行为。

接下来简要谈一下熵原理对一个生命有机体宏观行为的意义。当一个非活的系统被孤立出来,或把它放在一个均匀的环境里,由于各种摩擦阻力的结果,所有的运动都将很快的停下来,电势或化学势的差别消失了,倾向去形成化合物的物质也是如此,温度也由于热传导而变得均一了。此后整个系统衰退成死寂的无生气的一团物质,这就达到了一种持久不变的状态,其中不再出现可观察的事件,物理学家把这中状态称为热力学平衡或“最大熵”。

一个有机体避免了很快地衰退为惰性的“平衡”,因而显出活力。生命有机体是怎样避免衰退到平衡的呢?显然是靠吃、喝、呼吸以及(植物的)同化,专门的术语叫“新陈代谢”,这个词指的是物质的交换。自然界中正在进行着的每一事件,都意味着这件事在其中进行的那部分世界的熵在增加。因此,一个生命有机体在不断地产生熵,或者可以说是在增加正熵,并逐渐趋紧于最大熵的危险状态,即死亡。要摆脱死亡,要活着,唯一的办法就是从环境里不断汲取负熵。有机体就是靠负熵为生的,新陈代谢的本质就在于使有机体成功地消除了当它活着时不得不产生的全部的熵。

熵不是一个模糊的概念或思想,而是一个可以测量的物理量,就像一根棍棒的长度,物体某一点的温度。熵的增加量可以这样算出:在过程中每一小步中系统吸收的热量除以吸收热量的绝对温度,然后把每一小步的结果加起来。熵的单位是卡/摄氏度(1卡约为4.187焦耳),熵=klnD,k是玻尔兹曼常数,D是所讨论物体的原子无序性的定量量度,它所表示的无序,一部分是热运动的无序,另一部分是来自不同种原子或分子杂乱不可分的随机混合。热的任何补充都增加热运动的混乱性,增加了D,从而增加了熵。一个孤立的系统或一个均匀环境里的系统,它的熵在增加,并且或快或慢地接近于最大熵的惰性状态。这个物理学基本定律正是事物走进混乱状态的自然倾向。

一个生命有机体具有推迟趋向热力学平衡(死亡)的奇妙能力,前面说过“生命以负熵为生”,就像是活有机体吸引一串负熵去抵消它在生活中产生的熵的增量,从而使它自身维持在一个稳定而又低熵的水平。就高等动物而言,被它们作为食物的、不同复杂程度的有机物中,物质的状态是极为有序的,动物在利用这些食物后,排泄出来的则是大大降解了的东西,然而还不是彻底的降解了,因为植物还能够利用它(当然,对植物来说,太阳光是“负熵”的最有力供应者)。

最后一章第七章,则是关于生命中新物理学定律的讨论。在生命展开过程中遇到的序有不同的来源。一般来说,有序事件的产生似乎有两种不同的“机制”:“有序来自无序”的“统计力学机制”和“有序来自有序”的新机制,生命体的行为在很大程度上是以“有序来自有序”的原理为基础的,所有纯粹机械的事件都是明确而直接地遵循着“有序来自有序”的原理。总之第七章,是作者对生命体中物理学新定律的探讨,作者并没有过多的提出自己的观点,只是表明新的物理学定律和原来的定律并不违背,同时也只是抛出了这个问题“生命是以物理学定律为基础的吗”,留给了读者自己探索。

最后,我想生命绝不是什么特别的、独立的存在,宇宙之中必定能存在一整套定律适用于所有的事物。

附:热力学三定律

第一定律:热力学第一定律也就是能量守恒定律。自从焦耳以无以辩驳的精确实验结果证明机械能、电能、内能之间的转化满足守恒关系之后,人们就认为能量守恒定律是自然界的一个普遍的基本规律。主要内容:一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。(如果一个系统与环境孤立,那么它的内能将不会发生变化。)意义:1.能的转化与守恒是分析解决问题的一个极为重要的方法,它比机械能守恒定律更普遍。例如物体在空中下落受到阻力时,物体的机械能不守恒,但包括内能在内的总能量守恒。2.能量守恒定律是19世纪自然科学中三大发现之一,也庄重宣告了第一类永动机幻想的彻底破灭。3.能量守恒定律是认识自然、改造自然的有力武器,这个定律将广泛的自然科学技术领域联系起来。第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断地对外做功的机器。其不可能存在,因为违背的能量守恒定律。

第二定律:热力学第二定律有几种表述方式,克劳修斯表述:热量可以自发地从温度高的物体传递到较冷的物体,但不可能自发地从温度低的物体传递到温度高的物体。开尔文·普朗克表述:不可能从单一热源吸取热量,并将这热量完全变为功,而不产生其他影响。熵表述:随时间进行,一个孤立体系中的熵不会减小。意义:热力学第二定律的每一种表述,揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性,使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。热力学第二定律的英文解释是熵是趋向于总体增大,比如1L90度水(A)和1L10度水(B)融合,不会是A的温度增加而 B的温度减小,因为如此的话,总体的熵增加有限。如果A温度降但B温度升高一点,其总体的熵的增加要更大。(熵增原理)

第三定律:绝对零度时,所有纯物质的完美晶体的熵值为零。或者绝对零度(T=0K即-273.15℃)不可达到。

第零定律:如果两个热力学系统均与第三个热力学系统处于热平衡,那么它们也必定处于热平衡 。也就是说热平衡是递传的。热力学第零定律是热力学三大定律的基础,它定义了温度。(因为在三大定律之后,人类才发现其重要性,故称为“第零定律”)

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