很多人只知道薛定谔那只著名的猫,却不一定读过他那本影响后世生物学的小书——《生命是什么》。这本书原本是 1943 年在都柏林的公开演讲,后来整理成书。一位物理学家跳出物理边界,从原子、量子、热力学的角度,追问生命最根本的秘密,预言后来 DNA 的发现,被称作“物理学家送给生物学的礼物”。
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物理学家薛定谔,写下《生命是什么》,重新思考生命的本质
薛定谔提出三个核心思想。
第一,生命以负熵为生。
熵,就是混乱程度。按照热力学第二定律,世间一切,都会自然而然从有序走向混乱。如果走到最大混乱、达到热力学平衡,对生命来说,那就是死亡。生命体时时刻刻都在产生混乱、增加熵。它之所以还能活着,就是不断从外界吸取秩序,也就是薛定谔所说的“负熵”。我们吃饭、呼吸,吸收有序的物质和能量,再把代谢产生的废物、混乱排到环境里。生命不是打破熵增定律,而是把自身产生的混乱转移到外部,以此维持自己内部精巧有序的结构,推迟走向死亡的时刻 。
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薛定谔预言的“非周期晶体”,就是后来我们知道的DNA
第二,遗传物质是一块“非周期晶体”。
普通晶体,结构简单,图案反复重复,存不下复杂信息。薛定谔猜想,承载遗传信息的基因,应该是一种特殊晶体:骨架稳定,原子排列却不是简单重复。在它的分子排列里面,藏着一套“遗传密码”,记录着生物体生长、发育、遗传的全部指令。在那个年代,还没有人发现 DNA 双螺旋。这个大胆猜想,后来深深启发了沃森、克里克,引导他们去寻找携带遗传信息的大分子,最终揭开 DNA 的秘密。
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万物趋向混乱,生命依靠负熵,维持自身有序
第三,基因突变,可以用量子跃迁来理解。
基因为什么会突然改变,出现突变?薛定谔提出,分子内部原子可以从一种稳定构型,跳到另一种构型。这种跳跃,就是量子跃迁。这个过程,就是基因突变的物理基础。突变不是凭空发生,而是分子在量子层面上发生的变化;自然选择,再把这些突变筛选出来,推动生命演化 。
把这几点合在一起,就是薛定谔眼里生命的本质:生命是远离平衡态的系统;依靠新陈代谢,持续吸收负熵,维持自身秩序;依靠藏在大分子里面的遗传密码,把生命的设计一代代传下去;而演化与突变,扎根在微观世界的量子规律之上。
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生命就是一场不断汲取秩序、对抗混乱的旅程
当然,他也提醒我们,研究生命,也许还会发现新的物理规律。生命固然服从已知的物理、化学法则,但生命组织的奇妙,不能只用普通无生命物质的规律简单解释。
这本书的魅力,不在于给出一个最后的定论,而在于打通学科边界:用物理学去思考生命,告诉后人,生命的秘密,藏在分子、原子和量子的世界里。后来一代又一代生物学家,正是顺着这条思路,打开了分子生物学的大门。
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