湯超：從物理學理解生命的奧秘

北京大學定量生物學中心主任湯超

編者按：

　　北京大學定量生物學中心主任湯超教授在財新智庫舉辦的第二期「金融圈讀書會」上對薛定諤《生命是什麼》一書作了精彩解讀。

藉由湯超從物理學和生物學結合的視角，我們可以一窺經典之堂奧，走進薛定諤的科學王國，探索人類生命的奧秘。

主講 | 湯超

整理 | 李遠遠

校對 | 何帆

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1.

什麼是物理學

生命是什麼？關於這個問題，不同的人給出了不同的回答。信徒以為生命是上帝的作品。文學家把生命當作情感的載體。化學家認為生命是一系列化學反應，早期的生物學家並不追問生命的本質，他們關心的是生命是如何進化的。如今，分子生物學家會把生命的基石理解為一系列基因和蛋白組。

薛定諤是一位物理學家。他希望從物理學的角度去理解生命是什麼。為什麼薛定諤認為物理學能夠對理解生命的本質提供獨特的啟發？這要從什麼是物理學講起。

現代物理學的起源，是從觀察天體開始的。好奇心是人類的天性，我們的祖先在遠古時代就開始觀測天象，並試圖理解宇宙的秩序。早期的理論是「地心說」，即認為地球是宇宙的中心。

但是，這一假說和一些觀測到的天文現象不符，比如，行星有逆行現象，如何解釋這一現象？天才的天文學家托勒密修正了「地心說」，提出每個行星都在「本輪」上勻速轉動，而本輪中心又在「均輪」上繞地球轉動。這套理論較好地描述了天體運行的軌道。這就是在觀測數據的基礎上提出對原有理論的修正。

哥白尼覺得這套理論過於繁瑣，他提出了「日心說」。「日心說」只是一種假說，當時並不能更好地解釋天體運行，因為哥白尼假設天體運行軌道是圓形的，現在我們都知道，天體的運行軌道其實是橢圓形的。更主要的原因是當時的觀測並不很精確。後來，丹麥科學家第谷精確觀測了大量天體數據，他的助手開普勒利用這些數據，提出了我們現在熟知的行星運動三大定律。

再到後來，牛頓認為，三大定律揭示的只是表面現象，還沒有解釋天體運行的本質。他認為，一個更基本的東西就是引力。牛頓提出萬有引力定律和牛頓運動定律，把開普勒的三大定律做了更簡潔的概括，把所有的力學運動都統一起來了。

這就是物理學發展的一般規律：先做觀測、積累數據，然後提出假說和一些唯象模型。這些模型可能是粗糙的、表面的，但是，隨著數據越來越精確、越來越豐富，會出現更加簡潔、深刻和普適的理論。在這一過程中，新的分析工具也會被開發出來，比如，牛頓就發明了微積分。

2.

從物理學理解生命

物理學家有一句玩笑，說在物理學家看來，所有的問題都是物理學的問題。薛定諤覺得，物理學一定能對理解生命的本質有幫助。

在薛定諤的時代，科學家還沒有完全理解遺傳的物質基礎是什麼。人們還不知道DNA是長鏈條雙螺旋結構，也不知道 DNA 的內部組成成分，不知道遺傳物質是核酸。當時的技術條件僅僅能識別染色體。

薛定諤注意到，生物學家會用 X 射線引發突變。他進一步發現，X 射線能夠影響到的原子數量很少，也就是說，一個突變涉及的原子數量很少。但為什麼卻會引起這麼大的影響？X 射線照過去，就會讓果蠅要麼長不出翅膀，要麼沒有眼睛。

薛定諤推測，原子本身不可能帶有太多的信息，真正的遺傳密碼是在基因之中。一個基因包含原子數量之少是無法克服漲落效應的，但是，遺傳性狀的穩定性來自於基因的結構。物理學家熟悉的晶體的結構不可能是大量信息的載體，生命的密碼應該是建立在非晶體的結構之上。

薛定諤在本書中提出的另一個革命性觀點是「負熵」。按照熱力學第二定律，熵增是一定會發生的，熵增過程是一個自發的由有序向無序發展的過程，最終歸於熱寂。那麼，生命為什麼能夠做到從無序到有序，並能夠生生不息？

薛定諤認為，生命體是處於一個開放狀態下，不斷地從環境中汲取「負熵」，這種「新陳代謝」使得有機體成功地消除了當它自身活著的時候產生的熵。普利高津後來提出了「耗散結構」，試圖解釋無序如何能達到有序，但他的理論並不完美。這一機制到底是怎麼作用的，我們尚未完全理解。

在薛定諤之後，生命科學出現了兩次革命。一是分子生物學的革命，標誌是DNA雙螺旋結構的發現。分子生物學的出現，受到薛定諤等物理學家的極大影響。同時，物理學還為生物學提供了X射線、核磁共振、電子顯微鏡、高速離心機等工具。二是基因組學，就是我們說的測序，這是數學、計算機科學和生物學的交叉。

分子生物學使得我們像了解一輛汽車的零部件一樣，對蛋白質和基因有了透徹的了解。基因組學則是把「生命天書」拷貝了下來。這好比是汽車的修理手冊，出來什麼故障，怎麼修理，這本書上都有。甚至像我們為什麼會衰老，怎樣防止人們衰老這些問題的答案，其實都在這本天書裡面，但是，我們對這本天書還沒有完全讀懂。

現在，生命科學正在經歷第三次革命。這次革命最大的特點是：生命科學和物理、化學、工程不再是簡單的交叉，而是我中有你、你中有我，共同發展，共同驅動。

生命科學和物理學有什麼共通之處？既然生命體系是大自然的一部分，那就逃不掉最基本的物理定律。蜻蜓的翅膀和波音 747 的翅膀同樣符合流體力學原理。菠蘿、向日葵和松果都有螺旋圈，而這種螺旋圈都符合斐波那契數列規律，暗合黃金分割的美學原理。

細胞里的內質網（endoplasmic reticulum），是一種遍佈於整個細胞內部的膜狀網，連接並圍繞著細胞核。科學家發現，內質網的結構很像是為了多停車輛而建造的螺旋型多層停車場。按照微分幾何的描述，這種結構能使能耗最小化，表面積最大。

3.

生命的未來

當然，生命科學的進步並非僅僅是對已有的數學、物理學的應用，隨著生命科學的發展，一定會激發新的數學、物理學進步。我們通過研究行星運動發明了微積分，通過研究通訊發明了資訊理論，生命科學也需要適合於它的新的數學。我們都知道生命能夠處理信息，我們也看到隨著技術的進步，電腦、手機等處理信息的能力有了突飛猛進的發展，但是，和生命體處理信息的能力相比，這些人造物的能力仍然很低級。

IBM 製造出的電腦戰勝了人腦，獲得了電視百科知識競賽的勝利，但IBM沒有告訴我們，他們的電腦在處理信息的時候消耗的能量是 100 千瓦，而人腦只消耗了 20 瓦。從這一角度來看，IBM 電腦確實勝之不武。若從處理信息時消耗的能量來看，電腦還不如最低級的大腸桿菌呢。在研究生命科學的時候，我經常會感到所用的數學工具不順手，或許，隨著更多的物理學家、數學家關注生命科學，我們能夠開發出來一套更適合生命科學的新數學工具。

生命科學的迅猛發展，有可能會引發一場新的技術革命，對我們的生活、經濟都會帶來巨大而深遠的影響。基因組測序的技術發展很快，未來基因組測序的成本可能大幅度降低，並對醫療行業帶來很大的影響。合成生物學也出現了突破性的進展。

現在，有些公司在嘗試讓細菌吃木頭，產生酒精，然後再用酒精做能源。基因編輯技術也將出現革命性的突破，但這將引起更多的科學倫理爭議。我們必須在進一步推動科學研究的同時，加強對科學倫理的研究和討論。

與此同時，應該加強對科學的普及，讓公共政策討論建立在科學分析的基礎上。比如，轉基因農作物對人體和環境潛在的負面影響和化學、農藥對人體和環境的負作用孰重孰輕，這要用數據和事實來說話，不能限於意氣之爭，或是迷信陰謀論。

大家最近討論較多的另一個話題是所謂的「奇點」，即有些未來學家預測，未來電腦智能會和人腦智能匯合，或許人類進化的下一步就是機器人。這種說法很有意思，但進化的未來到底是什麼，沒有人說得清楚。從某個角度來說，進化已經失去了其原有的意義。進化論講的是適者生存，判斷誰是適者的標準就是其後代會更多，但是，現在的社會精英會有更多的後代嗎？成功人士會有 100 個孩子？

現在人類的預期壽命比原來大大提高，這一是靠公共衛生的改善，二是靠抗生素，當然，營養的改善也有一定的作用。我們或許已經從適者生存變成了人人平等，生存能力差的人現在有了同等的生存機會。這對歷史進程的影響是極其深遠的。

科學並不是完美的，也不是萬能的。科學的發展本身就有其歷史上的偶然因素。數學從幾何學開始，是因為古代的人們要丈量土地。物理學從牛頓力學開始，也是因為我們作為人類，能夠感知到的現象，首先是蘋果落地、行星轉動，然後，我們才開始去探索我們看不到的東西，比如電磁、原子、量子力學。

我給學生講課的時候，曾經告訴學生，你們不要覺得物理學天經地義就應該是這樣的。設想人類不是像現在這樣大，假設我們像細菌一樣小，生活在別人的細胞里，卻和人類一樣聰明，那麼，我們先發明的物理學會是什麼，是牛頓力學嗎？學生都搖頭。我們先發明的數學會是微積分嗎？學生也搖頭。其實，這正是科學不斷進步的原因。

科學的進步是從承認自己的無知開始的，科學是從猜測開始的，並在發展中不斷地修正自己原有的觀點。這正是薛定諤的《生命是什麼》給我們的啟示。

（湯超，物理學家。北京大學講席教授、前沿交叉學科研究院執行院長，北京大學定量生物學中心主任。）

本文原載於微信公號「何帆研究札記」，《知識分子》獲授權轉載。

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