拿下诺贝尔物理学奖的他，想讲明白生命是什么

早在1935年，德国物理学家马克斯·德尔布吕克（Max Delbrück）作为一个天真的物理学家（据薛定谔的用语），就试图探究生命的物理化学基础。问题是尝试将遗传学的形式和非常抽象的关于某些遗传性状的传递的预测性的遗传学定律与细胞的组成部分，特别是细胞核和染色体的物理性质联系起来。这种思考的起点是对突变的研究，突变被理解为在一个个体的后代中发生的突然、不连续却颇为稳定的变化。离子辐射（如X射线）对细胞的作用使得德尔布吕克和他的同事们能够具体地将遗传单位（基因）与细胞中离子辐射的主要目标（靶）具体联系起来。这样的计算结果表明，这个靶非常小，只有分子的大小范围，最多只是由几千个原子组成。这是薛定谔思考的起点，与认识论的预设有关，可以用以下问题和陈述来概括：

薛定谔表明，孤立的原子或小分子将无法保存准确传递遗传性状所需的记忆。这给他提供了一个机会，可以将他所知道的物理学与原子物理学联系起来，并将统计力学强加于真正的生物事实之上。特别是，他长时间地专注于生命的一个基本属性的思考，即所有生命都能以全方位的、宏观的方式行事。尽管这非常重要，但今天经常被忽视。

如何将原子的聚集与单个细胞的运动与人脑的组织联系起来？所有的问题都在于找出这种聚集的方式和结构：只有原子的组合才能做到这一点，前提是这一组合是足够稳定的，在生命发育的温度条件下具有足够长的寿命。当大量基本元素聚集在一起时，微观和宏观之间的对话就可以发生了，如顺磁性、布朗运动或扩散等简单的例子。我们的作者证明了可能存在空间和时间的宏观秩序，并且适当的局部和全局动态之间的来回运动可以创造一个稳定的宏观形式。例如，人们在那里发现了某些对分子生物学非常苛刻的思想家的所有反思，如大名鼎鼎的数学家勒内·托姆（René Thom）。今天，再度重视生命的这一重要维度，即宏观和微观之间的耦合，无疑是十分有益的。但是，正如我们将看到的，还有其他属性，不涉及那么多的物理条文，却解释了细胞行为的全部特征。

薛定谔的杰出贡献（与一些批评家所说的相反，他们被生物学家的理论缺陷所困扰，忽略了在所考虑的对象中选择最小尺度的相关性）在于揭示了分子水平，无论多么微小，都可以被视为一个相关的分析层次，甚至用于遗传性的组织。这就是现在被称为分子生物学先驱的物理学家，如威尔金斯（Wilkins）或弗朗西斯·克里克（Francis Crick）阅读薛定谔的文章时着迷的原因。我们通常对物理学或化学的印象是在考虑有组织的结构时，原子的排列是有规律的（这是晶体学的基础）。晶体是无机世界的模式，也是这个物质世界服从物理定律的象征。

生命世界的特点是不规则并千变万化的运动。这个世界的物质具有流动、粘连、黏稠的物质特性。事实上，当时的化学家把从生物系统中提取的产物称为胶体。薛定谔假定掌管物质塑造的法则的绝对一致性，无论是惰性的还是活性的。他必须调和这两种极端的特性，即无机晶体和有机非晶态。他需要另一种方法来达到他对生命物质中心的想法，即遗传的支持：无机原子的集合对热波动过于敏感，因此它们必须组成分子才能发挥这种作用。虽然他没有使用“大分子”这个在他的时代相对较新颖的、被大多数化学家使用的概念，但薛定谔认为遗传的原子按照晶体结构规定的顺序组织，但这种顺序不是简单有序的重复而可能导致惰性结构的贫乏，而是包含由晶体的规则矩阵承载的变动。这种非周期性晶体是遗传性记忆的支撑。这个比喻很容易理解，好奇的人们被它的力量所吸引，特别是它指引我们发现基因物质的真正组织方式，这一点并不令人惊讶：

作为注解，有一句子具体指出要看什么：

道路已经铺平：将染色体的物质材料纯化，你就会发现非常纤细的丝状物（它的大小已经为德尔布吕克的X射线诱变实验所阐明），其结构具有非周期性晶体的特征!

同时，艾弗里（Avery）和他的同事发现了DNA的转化能力：基因的化学性质被发现。在《生命是什么》出版后不到十年的时间里，那些曾经读过薛定谔的小书并受其启发的研究者们揭示了这种非周期性晶体的本质。

我们这本书的作者还播下了许多其他发现的种子，源于他的思考和直观的想象。正如物理学中经常发生的那样，“思想实验”在其中起着主导作用，薛定谔试图强调研究生物体需要关注的问题。问题的相关性是至关重要的：它决定了答案的重要性。

薛定谔明白，仅仅知道遗传的介质是不够的，还必须了解这种介质的组织如何转化为与生命相关的行为：毕竟，一个生命体必须能够与环境进行物质交换，也许还要乔迁搬家，肯定还要繁衍后代。在那个时候计算机科学尚未出现，而“程序（programme）”一词则隐含于戏剧相关的节目单里。薛定谔使用了一个比喻：为了描述这一转变以及和基因基质的作用，他使用了今天很多计算机科学家的行话——“密码”一词（但是以“密码本” 的形式，在今天我们可能使用“程序”这一词语），这是一种以严格的决定性方式决定一个生物体未来发展的程序：

这正是一种在当时并不广泛使用的编码概念，只用于秘密情报的交换。薛定谔将之比喻为摩尔斯（Morse）电码，只需要极少的基本元素就能够创造出无限数量的有意义组合。这是一项基本的生物学定律，直至今日仍然经常被一般大众所误解。而薛定谔的观点的核心，只有他的一些读者能够理解，也就是有机体构建的模式，即所谓布丰（Buffon）的“内模”（布丰是18 世纪法国最重要的博物学家之一，在他的《自然史》一书中就提出了几个描述生命的重要概念，如每一种动物和植物都是由“有机分子”构成。每个生物体有机分子都带有每个物种特有的“内模”标记。在生殖过程中，雄性和雌性产生一些带有亲本“内模”标记的有机分子，供后代继承。——译者注）。这是一个物理的东西，由它自定的规则来操纵。但此时薛定谔走了一条错误的捷径，认为非周期性晶体本身是构建细胞中的一个参与者。

或者，

然而，这句话引起了误解，因为它似乎让人误以为非周期性晶体具有构建者的技能。正如我们今天所知，构建者的技能对应于基因的表达，而不是基因本身。而且薛定谔无法明确地表达这个观察结果。必须构想一个实现机制的程序，这个机制必须被确定。此外，密码本和构建者技能/程序之间的混淆无疑给遗传密码的规则的发现和理解，特别是对公众对它的理解带来了障碍。这个规则允许蛋白质的一个氨基酸通过RNA与基因中存在的核苷酸序列相对应，正如克里克的适应体（adaptor）概念所理解的那样，所有更新的规则都被薛定谔忽略了。

如何理解程序的持久性，以及生物一代复一代的稳定性？即使这个问题看起来很棘手，量子物理学家薛定谔也没有回避。他认为基因是一个多原子结构，他相信他必须将通常适用于生命发生的温度下原子命运的规则应用于基因。因此，他试图用能级和这些级别之间的“量子跃迁”来描述基因的“非周期性” 特征。

值得一提的是，我们应该注意到在这里薛定谔是多么的清醒，因为我们希望今天的许多“量子”物理学家也能像他一样，仍然知道“量子跃迁”是量子模型不连续性质的悖论之谜。所有的问题都在于支持遗传的分子的稳定性，以及它繁殖的精度，因为它必须从一代到下一代进行复制。

薛定谔表明，分子是一个多原子结构，这个概念本身就可以对生物体的时间尺度施加足够的稳定性约束。真正的问题是还必须考虑突变，从同一模式可能出现非常多的不同结构。然后薛定谔想象了一个典型大分子的异构体，但是他的描述却止步于此。他错过了语言比喻的核心思想：基因的物质支持是由四种基本单位的线性序列组成，其顺序决定了基因产物的性质。一千个这样的基本单位允许出现如此之多的组合，以至于任何空间结构在原则上都能够在其中找到一种表示方式。但是如何从基因得到它所决定的内容？以及如何确保其产物随着时间的推移不会发生变化？

尽管存在不完美之处是必然的——必须承认，薛定谔当时只能通过借用德尔布吕克的实验和模型提出或多或少无根据的假设——但他的文章中包含了一种基本反思的萌芽。有趣的是， 这种反思在30年之后才被美国物理学家约翰·霍普菲尔德（John Hopfield）提出，并且直到我们自己对能量耗散、基因表达的准确性、以及生物体类别的判别进行研究时才被提出。他确实表明，遗传支持的稳定性是至关重要的，热运动的影响是引入一定概率的“自发”基因性质变化。这些变化在有限的时间后发生，取决于支持“非周期性晶体”的分子性质，并且它们必然具有预期的突变的不连续性质。

遗传在时间进程中的一致性因此引发了问题。薛定谔提出了一种基于量子物理学的特别推理，以由于量子跃迁而产生的可能阈值为基础，从而避免热波动的统一后果，但他并没有进一步推理：如果突变是不可避免的，是否有一种方法来纠正它们或者至少在生物繁殖时控制它们？精确度问题是一个紧迫的问题：今天的语言比喻非常适合此问题。将基因的表达比喻为将其转写为RNA，然后进一步转写为蛋白质，但这在1944年并不存在。如何确保一本书的最终印刷没有排版错误？如何正确地校对文本以实现有效的修正？这样的问题对物种的稳定性非常关键。薛定谔的推理模型应该是有用的，它仍然有助于我们强调物理约束对生物繁殖的精度和准确性的重要性。有待发现的机制的前提是，细胞能够区分对象的类别，即对象的相同和变异，并找到尽可能消除变异体的方法。这个概念完全超出了我们的作者的思考范围。

这个非凡观点是如何被扭曲的，导致绝大多数物理学家不可挽回地走上了错误的道路？出发点是毫无疑问的，也没有错误：

但很快它被改成了一个可疑的形式，不是在细节上，而是在滥用的概括上：

当然，这是正确的，但前提是要避免紧随其后的反思，将物理学从程序的概念及其表达中移除：

第一个例子是在顺磁作用过程中产生的形式，无疑是对1925年由伊辛（Ising）提出并在1944年非常流行的模型的暗指。问题的确不在于由大量的数据所获取的精确度——实际上，许多细胞中存在的物质的数量级很小——而在于对信息本质的反思，作为真实世界的一个真正类别，以及保持细胞所产生的物质质量的可靠途径。这就需要一种新的物理学方法，基于区分不同类别的相似或不相似的物质（例如青年人和老年人），这个概念在当时是缺失的，而在当代物理学中仍然几乎完全被忽略。

此外，薛定谔偏离了他的第一次思考，即他正确地确定了分子水平，不仅从简单的细胞来分析遗传，而且，通过不幸的普遍的人类中心主义，对多细胞生物，特别是动物特别感兴趣。最后，他又回到了科学不存在的“奇妙”世界，他甚至写道：遗传、基因型和表现型之间的联系可能难以理解：

另一方面，通过非周期性晶体的比喻，我们可以理解突变：

本章的后面部分将致力于对基因和突变的概貌（主要是德国物理学家德尔布吕克的模型）进行验证，通过将其与遗传学证据进行详细比较。在此之前，我们还是先对该理论的基础和一般性质作一些说明。”

到目前为止，薛定谔对物理学和生物学发展的贡献是非常正面的。不幸的是，他所生活的时代无疑导致了他思想的扭曲，一种认为世界不可避免地退化，需要与无序作斗争的意识形态 在当时占主导地位。薛定谔受到很多物理学的统计思想的影响，忘记了细胞远非总是由大量有意义的物体组成，将其与不可避免的无序思想联系在一起。他将这一观点与一个常见的但确是错误的关于熵的概念联系在一起。他定义了熵和无序，并援引热力学第二定律作为动力，生命必须不断地以“负熵”为食，并与之斗争。

然而，薛定谔在一篇长文中谨慎地指出，他的物理学同事并不同意他的观点：

确确实实，熵必然增加，但这并不自动意味着所涉及的对象的无序性增加。无序的概念已经部分地出现在玻尔兹曼（Boltzmann）关于统计力学的文章中。但相关的“证明”并非真正的证明，而仅是对世界的某种观察。为什么我们需要这两个词，无序和熵，来表达同样的事情呢？相反，难道我们不能从物质的自发行为中看到探索和创新的能力吗？占据所有可用空间的事实允许事物在其初始空间前面进行不可预见的相互作用：通过混合黄色和蓝色创造绿色，是否存在无序？探索倾向于无序或有序，取决于环境。事实上，我们今天知道，正是由于热力学第二定律的作用，它强制任何物质系统的熵自发增加，才创造了定义生命的诸多重要形式的大分子。溶解在二甲基甲酰胺中的DNA分子构成一组随机折叠的螺旋，没有特定的形状，但是一旦我们加水稀释，就形成了一个双螺旋。的确存在一种有序的创造，与熵的增加并行，而这种有序是由水分子的重新排列驱动的：混合物的熵增加趋势是通过强制外来分子采用特定的构象，尽可能地为水分子留出空间。但是，薛定谔关于他的同事西蒙的评论也引发了一个直到最近才被理解的问题。正如我们将在结论中看到的那样，在与生命相关的能量耗散中确确实实有一些东西需要理解。

像几乎所有想要概括其知识的作者一样，薛定谔发现自己被他的冲动冲昏了头脑。他想要在他的思考中赋予普遍的维度，显然这带来了风险。量子模型如此强大，当它证明遗传的支持 必然具有分子多原子的性质时，难道也可以通过统计力学来考虑形式在生命中的作用吗？这里显然提出了生命现象中组织、秩序和无序的问题。

但是，1944年的意识形态是否有利于这种思考呢？纳粹主义曾试图统治世界，在薛定谔写书时，纳粹主义仍然野心勃勃。因此，在一个遗传学占据核心地位的思考中，发现一些非常有争议的元素，并且薛定谔也意识到了这一点，这并不奇怪。这种情况的第一个证据是有关分子扩散的“肘部空间”（让人想起 “Lebensraum”，希特勒声称为德国人要求的“生存空间”）一词和概念的奇怪引入：当分子扩散时，真的是为了有更多的生存空间吗？当然，与当时的背景最相关的是突变：

或具有明显的人道主义立场：

这是薛定谔作为先驱者的另一种表现：这难道不是超前的社会生物学吗？然而，我们的作者非常清楚突变的偶然性。他对德尔布吕克工作的分析在这方面毫不含糊：

因此，与同时期的遗传学家如杜布赞斯基（Dobzhansky）一样，薛定谔重新解释了达尔文，考虑到孟德尔的定律和德弗里斯（De Vries）关于突变的研究。从这个意义上说，他是新达尔文主义潮流的缔造者之一，将主导分子生物学的诞生。他和当时的许多思想家犯了同样的错误（现今仍然普遍存在），即没有清晰地区分什么是表现型和什么是基因型，也没有理解遗传的两个基本方面，即其基因特征（DNA的精确复制）和表观遗传特征（DNA表达一次的准确产物）。但他非常清楚，即使在今天，很少有人理解选择基于对突变的先前选择，没有任何环境的指导性影响。

毫无疑问，他知道1943年卢里亚（Luria）和德尔布吕克进行的精妙实验，这些实验证明了突变的纯粹偶然性，而不是任何选择。但是，正如作者自己承认的那样，他写这本书的唯一目的是要表明，除了物理定律之外，还有其他的定律，这些定律在不违反物理定律的前提下，通过生命科学得到特别的展现。

他保留的想法很符合当时的意识形态，即世界自然地趋向于无序，而生命体特有的定律的作用是不断地抵制这种自然倾向。由于薛定谔论证的后果是非常值得商榷的，今天仍然存在于某些知识界的老生常谈中的许多评论中，因此有必要稍微详细地回顾一下它们。

这是一个基本问题：生命体的有序组织是如何维持的？我们在前面已经看到，在生命的延续中，预测大分子结构的复制是核心问题。但是，要使一个细胞持续存在，甚至不考虑其繁殖问题，随着时间的推移，还必须使它的元素尽可能地接近常态，并保持其空间组织。面对生命结构的明显复杂性，这似乎是神奇的，现在看来依然如此。人们可以理解为什么许多人诉诸出现活力论暗示的观点。在19世纪热力学诞生之初，一些人提出了能量这个模糊概念，其中可以插入“生命能量”，这种观念在今天面向那些受教育程度较低的人群的广告中仍然存在。但是，由于熵这个神秘而难以定义的概念，类似的误导也出现在教育程度较高的圈子里。今天，活力论远未消亡，即使它被掩盖在“自我组织”的名称之下，这个伪概念基于帕斯卡尔·乔丹（Pascual Jordan）在20世纪30年代提出的同类实体之间“互补”的错误观点，并在1940年被德尔布吕克和鲍林（Pauling）驳斥。

正如我们之前所看到的，物理学及其定律确实扮演了至关重要的角色。正是物理学家罗尔夫·兰道尔（Rolf Landauer）在1961年的工作（薛定谔不太可能知道），提供了人们理解生物化学活力的重要线索。这包括两个关键步骤：

第一步是“约束”，这个步骤包含了信息，涉及到能量来源的捕获，但尚未消散能量，并保留了信息的量子状态（通常在包含相邻类型分子的环境中，通过选择一个特定的分子来实现，例如一个相对于其年轻的对应物而言的老化分子）；

第二步是重置（或“松弛”），在这一过程中，系统释放能量以将其恢复到基本状态，以允许进程重新启动。

目前在最小的合成基因组中发现的这类功能，其作用类似于麦克斯韦（Maxwell）在其 1872年的《热力学理论》中提出的那个东西，今天被称为“麦克斯韦妖（Maxwell Demon）”。它可以在其他类似底物中区分底物，识别空间结构中的一个特定位置，或一组连续事件中的一个特定瞬间。

这为我们带来了一个充满希望的信息。迟做总比不做好：薛定谔的梦想是找出生物体独特属性背后的物理定律，在《生命是什么》出版不到一个世纪之后，这即将成为现实。

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