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薛定谔《生命是什么?》出版75周年纪念

科技资讯  2018年10月19日 09:08  来源:新浪科技
摘要:诺贝尔奖得主、奥地利物理学家薛定谔在其1944年的著作《生命是什么?》(WhatIsLife?)中,提出了一个更加具体但同书名一样发人深省的问题:“是什么让生命系统似乎与已知的物理学定律相悖?”薛定谔当时给出的答案现在看来颇具预见性。他指出,生命的特征在于“密码本”,这个密码本不仅可以指导细胞组织和遗传,还能让有...

  来源:Nature自然科研

  Philip Ball带领我们重温这本提炼了现代分子生物学关键概念的著作。

  《生命是什么?活细胞的物理观》埃尔温·薛定谔(Erwin Schrdinger) 剑桥大学出版社(1944)

  诺贝尔奖得主、奥地利物理学家薛定谔在其1944年的著作《生命是什么?》(What Is Life? )中,提出了一个更加具体但同书名一样发人深省的问题:“是什么让生命系统似乎与已知的物理学定律相悖?”薛定谔当时给出的答案现在看来颇具预见性。他指出,生命的特征在于“密码本”,这个密码本不仅可以指导细胞组织和遗传,还能让有机体摆脱热力学第二定律。

物理学家薛定谔曾深入探索过分子生物学问题。物理学家薛定谔曾深入探索过分子生物学问题。

  薛定谔的这些观点对于公众和一些杰出的科学家来说具有很大的启示意义,但也让另一些人感到非常不满。虽然这些原理并非原创,但这一优良的构想启发了克里克(Francis Crick)和沃森(James Watson)在1953年发现DNA双螺旋是如何编码基因的。克里克同年致信薛定谔,称他和沃森“都受到了您的那本短篇著作的影响”。

  《生命是什么?》 精简凝练,易于理解。这本书诞生于二战的硝烟中,收录了1943年薛定谔在都柏林圣三一学院空前受欢迎的演讲稿。奥地利被纳粹德国吞并后,被迫流放的薛定谔受邀前往爱尔兰,协助创办了都柏林高级研究所(Dublin Institute for Advanced Studies)。(今年9月,圣三一学院为了纪念演讲75周年,举办了一场名为“75年薛定谔——生物学的未来”的大会。)

  自上世纪30年代以来,生物学从一门偏描述性的科学逐渐发展成一门探索机制的科学。正是因为许多像遗传学家摩尔根(Thomas Hunt Morgan)的果蝇实验之类的研究,科学家开始从基因传递的角度去理解遗传,把基因看作染色体上的大分子。

  当时的很多观点都推断基因就是蛋白质。但其实就在薛定谔准备讲稿的另一边,微生物学家艾弗里(Oswald Avery)已经开始寻找基因是核酸的证据了。可以说,《生命是什么?》这本书是在科学和社会政治学都发生着剧烈变化的大背景下横空出世。

  薛定谔涉足交叉学科的步子迈得小心翼翼。他称自己是“天真的物理学家”,单纯思索着生命是如何自我维系并把基因突变稳定地传递给下一代。

  1933年,薛定谔因在量子力学方面的杰出成就荣膺诺贝尔奖,但是这并不是插手生物学的通行证,薛定谔此前除了对视觉生理学有过涉猎之外,并未表现出对生物学的浓厚兴趣。可以说,薛定谔的这种天真既是这本书的力量来源,也是这本书的缺陷所在。

  《生命是什么?》所提出的问题反映了当时物理学家和化学家对分子世界的看法:分子完全受到统计行为的支配。麦克斯韦(James Clerk Maxwell)和玻尔兹曼(Ludwig Boltzmann)的经典分子物理学认为原子运动是随机的。那些精确阐明温度、压力和气体体积之间关系的物理定律,其实是对无数原子平均行为的总结。

  如果是这样的话,那么单个基因突变是如何在分子水平上导致某种特定的宏观结果(如某种表型、可观察到的遗传性状)的呢?答案可能指向薛定谔的猫的幽灵——薛定谔在1953年提出这只猫的宏观生死取决于单个量子事件。

  数学家彭罗斯(Roger Penrose )对这场思维实验的评价是:“我认为薛定谔(在写《生命是什么?》的时候)已经考虑到这个问题了。”对于某种遗传性状(如欧洲哈布斯堡王朝成员突出的下颌),薛定谔想知道那些起作用的等位基因何以“几百年来都没有受到热运动无序性的干扰?”

  为此,薛定谔援引了另一位前量子物理学家德尔布吕克(Max Delbrück)的实验,德尔布吕克通过高能辐射诱导基因突变,估算出基因的大小约为原子的1000倍。薛定谔认为这种尺寸过小,无法使其在统计波动的影响下继续保持这种“规律活动”(持久的遗传)。

  对此,薛定谔提出可以从量子力学的角度解释这个问题。分子中的原子通常以多种方式稳定排列,且每种构型都有对应的能量,这也是薛定谔对不同等位基因的设想。但是,其间的“量子跃迁”通常受到高能垒的抑制。

  薛定谔进而又提出,这种基因编码分子(薛定谔等人对基因编码分子是较大的蛋白质的观点持怀疑态度)的构型存在多种可能的形式,能够编码大量信息,这种形式的多样性可以提供细胞的“密码本”。虽然每个原子的位置都很重要,但模式却不会重复——薛定谔因此将分子形容为一种非周期性(不规则)固体。

  这不是一个全新的理论,德尔布吕克曾于1935年提出过类似观点。此外,生物学家穆勒(Hermann Muller)和霍尔丹(J。 B。 S。 Haldane)也分别独立提出过染色体可能是其自我复制的模板,复制方式与已有晶层上长出新晶层的过程是一样的。

  薛定谔承认,这些设想都无法回答“遗传物质是如何运作的”这个更深层次的问题,即遗传是如何在发育和代谢中发挥作用,好让有机体以薛定谔称之为“四维样式”的形态在时空中不断实现自我构建和维系。无论如何,薛定谔借用热力学语言提出的问题,无疑为这方面的探索打开了大门。

  这不是能量的问题(有机体的能量摄入和能量输出必须达到平衡,不然就会燃烧殆尽),而是熵的问题(熵是衡量原子无序性的物理量)。热力学第二定律指出,熵在所有变化过程中一定会增加——但有机体却能躲过这种熵溶解。按照薛定谔的说法,有机体依赖“负熵”,通过负熵维持结构中的组织和细胞功能,同时将产生的热量传递到周围环境中。

  有机体究竟是如何挖掘这种负熵的?薛定谔无法给出答案。他只能给出如下建议:在生命系统中,“我们必须努力找到一种新的物理定律”。如今看来,这种极端的解决方式已经不必要了。

  薛定谔的分析中缺少的一个概念是信息。上世纪40年代和 50年代,香农(Claude Shannon)的信息论以及维纳(Norbert Wiener)的控制论陆续问世,填补了这一空白。但是直到这几年来,研究人员才开始理解信息对生物学的应用价值。

  薛定谔的负熵说暗示我们,生命是开放系统里打破平衡的秩序的集合,而DNA密码只是维系生命机制的一部分。可惜的是,薛定谔并未触及物理学家西拉德(Leo Szilard)在麦克斯韦妖上的研究成果,西拉德的思维实验揭示了如何借助看似宏观统计噪声的分子水平信息来降低熵的混乱程度。

  此外,薛定谔还高估了密码本的能力,他预想对密码本的读取会直接映射到表型上。事实并非如此:基因组无法反映身体器官的排列方式。信息的作用方式更像是提供资源,而不是逐步式指导。要获得意义,就必须有背景知识:细胞的历史和环境。不同基因之间以及基因与环境之间的相互作用是如何转化成不同表型的,是现代基因组学的主要难题。

  在《生命是什么?》的激励下,多位物理学家成为了卓具影响力的生物学家:克里克、本泽尔(Seymour Benzer)、 威尔金斯(Maurice Wilkins)等等。但从当代评述来看,领会薛定谔的密码本是有机体的一种主动程序这一精髓的生物学家并不多。

  当时作为新兴学科的分子生物学中的一些人就对此持批评态度。鲍林(Linus Pauling)和佩鲁茨(Max Perutz)都曾在1987年,即薛定谔百年诞辰之际批评过这本书。鲍林称负熵是对生物学的“负”贡献,薛定谔对生命热力学效应的解读过于“模糊和肤浅”。佩鲁茨更是表示,“书中正确的内容均不是原创,而大多数原创的内容即使在成书的年代也是不正确的”。

  这些评价虽然稍显无情,但并非无稽之谈。那么,这本书为何能在当时产生如此大的影响呢?修辞理论家Leah Ceccarelli认为这主要归结于薛定谔的写作风格:薛定谔成功地把物理学和生物学这两门科学联系起来,且没有偏向任何一方。

  今时今天,我们可以挖掘出更多价值。薛定谔认为生命具有熵平衡的观点,可以说是后世研究方向的雏形,后来逐渐发展成认为生物特权(如复制、记忆、衰老、表观修饰和自我调节)就是非平衡复杂性的过程,且环境因素不容忽视。

  很有意思的是,这种对环境和偶然性的思考如今也成了量子力学的核心内容,例如纠缠、退相干、互文性。这究竟是否纯属巧合,现在恐怕还言之过早。