《生命的數理》第一章：數學與生物學

曾經生物學一直是關於植物、動物和昆蟲的學問，但是五次偉大的革命已經改變了科學家對生命的看法。

第六次正在征途。

頭五場革命是顯微鏡的發明、地球生物的系統分類法、進化論、基因的發現和DNA結構的發現。讓我們先依次回顧這五場革命，然後繼續前進到我的第六場，更富有爭議性的革命。

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顯微鏡

第一次生物學革命發生在300年前，那時顯微鏡的發明使我們向著最小尺度上令人驚訝的生命複雜性張開了眼睛。

更確切地說，通過提供一種新的儀器來補助我們肉眼凡胎的感官，它將生命的複雜性展示在我們肉眼可觀測的範圍之內。

顯微鏡的發明導致發現生物個體具有驚人的內部複雜性。首批最大驚奇之一是生物由細胞組成 – 那是由膜包裹起來的小袋子，裝著化學物質，那層膜允許一些化學物質進進出出。一些生物體由單個細胞組成，但是甚至那些生物也令人驚訝地複雜，因為一個細胞是一整個化學系統，不是簡單明了的東西。許多生物體由數目巨大的細胞組成：你的身體含有大約75萬億個細胞。每個細胞是一個微小的生物機器，有自己的遺傳機件，可以導致它或繁殖，或死亡。細胞有200多種類型 - 肌肉細胞，神經細胞，血細胞等。

在發明顯微鏡後很快就發現了細胞：一旦你可以在高倍放大之下看到某個生物，就不可能錯過。

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分類

第二次革命由瑞典植物學家、醫生和動物學家卡爾林奈發起。在1735年，他史詩般的巨著《自然系統》問世了。它的英文全稱是《The system ofnnature through the three kingdoms of nature, according to classes, orders,ngenera and species, with characters, differences, synonyms, places》（《基於綱目屬種的、包含特徵、差異、異名、地點的、涵蓋自然界三界的自然系統》）。林奈對自然界如此感興趣，以至於他認定需要造個編目。為大自然中的萬物編目！他的編目的第一版只有11頁長;第13版，也就是最終版，達到3,000頁。林奈明確表示，他不是試圖揭開某種隱藏的自然秩序;他只是試圖以系統和結構化的方式將原本就存在的那些組織起來。他選定的結構是將自然對象做五級分類：界、綱、目、屬、種。他的三界是動物，植物和礦物。他創立了生物分類學。

礦物不再沿林奈的路線分類，他為動植物建立的分類系統的細節也經受了修訂。最近提出了幾種替代系統，但沒有一種被廣泛採用。 林奈意識到生物的系統分類對科學至關重要，他把這個想法付諸實踐。偶爾他也犯錯：最初他把鯨魚歸為魚類。不過在1758年出版的《自然系統》第10版中，一位魚類學家朋友糾正了他：鯨魚是哺乳動物。

林奈系統中最著名和最有用的特徵是使用雙名法，例如Homo sapiens、 Felis catus、Turdus merula和Quercus robur——分別表示人、貓、黑鸝和橡樹的物種.注1分類的重要性不僅僅在於製作一個列表，或者引入花哨的拉丁化名字來展示你有多麼聰明，而是在眾多真實的生物之間做出合理的，明確的區分。日常所用的命名，例如blackbird，不能滿足這個要求：到底是指common blackbird、grey-winged blackbird、Indian blackbird、 Tibetan blackbird、white-collared blackbird還是26種 New World blackbird之一？（此處加譯者注）而林奈的Turdus merula專指烏鶇這一種，不可能引起混亂。

烏鶇 Turdus merula Common blackbird

灰翅鶇 Turdus boulboul Grey-winged blackbird

印度島鶇 Turdus simillimus Indian blackbird

西藏烏鶇 Turdus maximus Tibetan blackbird

白頸鶇 Turdus albocinctus White-collared Blackbird

雄性紅胸草地鷚 Sturnella militaris Red-breasted meadowlark，26種New World Blackbirds之一

雄性三色黑鸝 Agelaius tricolor Tricolored blackbird，26種New World Blackbirds之一

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進化

第三次革命已經醞釀了一段時間，它在1859年達爾文發表《物種起源》時沸騰了。這本書最終發行到第六版，名列古往今來的科學巨著之中，與伽利略、哥白尼、牛頓和愛因斯坦在物理科學方面的著作相比肩。在《物種起源》中，達爾文對生命多樣性的來源提出了新的視角。在他那個年代，專家教授和吃瓜群眾之間盛行的信仰是每個單獨的物種都由上帝逐個創造出來，作為創世宏圖的一部分。照這個觀點，物種不能隨時間而改變：一隻綿羊過去是，現在是並且將來永遠是一隻羊；一隻狗過去是，現在是並且將來永遠是一隻狗。但當達爾文細細思量科學證據時——許多都是他自己在旅途中收集的——他發現這個令人習慣的圖景變得越來越不可信。

鴿友知道特意育種可以產生極不相同的鴿子。對於牛、狗，實際上對於所有馴養的動物也都是如此。注意，這種演變機制需要人為干預。動物並沒有「自發的」改變：它們必須被某個人按照某個計劃精心挑選出來。但達爾文意識到，未經人工的大自然原則上可以通過資源競爭產生類似的變化。在艱難時日，更能倖存的動物將是壽命長到足夠繁衍下一代的那些，而這新的一代會對環境更適應一些。

達爾文認為，這種變化會比育種師所施加的變化緩慢得多，但是長期來說，一個不斷改變的環境可能導致一個物種中的某些個體發展出明顯不同的形態和習性。他認為這個過程是無數微小變化的緩慢累積。他的地質學背景使他敏銳地意識到，這顆行星已經存在了億萬斯年，因此不存在時間不夠的問題。即使極度緩慢的變化也可能最終變得非常顯著。

他把這個過程稱為「自然選擇」。今天我們稱之為「進化」，達爾文沒有用過的一個詞——儘管《物種起源》中的最後一個單詞是「evolved」。支持進化的證據是如此廣泛，來自於如此眾多的獨立來源，以至於沒有了它生物學就沒有了意義。如今，幾乎所有生物學家（以及大多數科學家，無論其研究領域為何）都認為表明進化乃當今物種多樣性背後主導機制的證據是無可辯駁的。但是進化如何運作完全是另一碼事，還有許多事情需要了解。

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遺傳學

第四次革命是格雷戈爾·孟德爾發現基因。研究發表於1865年，但又過了五十年才得到承認。

生物體的可觀測特徵，例如顏色、大小、紋理和形狀，被稱為特性（或性狀）。達爾文還不清楚特性是如何從親代傳遞到子代，雖然幾條不同的推理路線使他推斷這必定發生。實際上，在他撰寫《物種起源》時已經有人著手研究傳遞機制，可他並不知情。否則肯定會對他的思考產生重大影響。

在1860年前後七年間，奧地利神父格雷戈爾·孟德爾（Gregor Mendel）種植了豌豆——29000株—— 並對每一代中顯示特定性狀的計數。結出黃色還是綠色的豆子？豆子光滑還是發皺？孟德爾的觀察揭示了一些令人好奇的數學模式，而且他漸漸確信在每個活的有機體內有一些「因子」——現在被稱為基因——以某種方式決定著有機體本身的許多特徵。這些「因子」從先前世代遺傳而來，並在有性物種中它們成對出現：一個來自「父本」（ 植物的雄性器官），一個來自「母本」（雌性器官）。每個因子可以以幾種不同的形式出現。這些「等位基因」的隨機混合產生了那些數字模式。

最初，孟德爾「因子」的物理形態完全是一個謎；其存在性是從數學模式——相繼世代中具有特定性狀組合的植物的比例——間接推斷出來的。

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DNA的結構

第五場革命更加直接了當。如同第一次，它由一個新實驗技術的發明觸發。這次的技術是X射線衍射，這使得生物化學家能夠解明在生物學中重要的複雜分子的結構。在效果上，它提供了可以揭示分子中單個原子位置的「顯微鏡」。

20世紀50年代，弗朗西斯·克里克和詹姆斯·沃森開始考慮一個存在於幾乎全部生物中的複雜分子的結構：脫氧核糖核酸，通常以首字母縮寫稱為DNA。克里克是英國人，科班出身的物理學家。不過他在做一篇關於如何測量高溫下水的粘度的博士論文期間永久性地厭倦了物理，於1947年轉到了生物化學。沃森是美國人，第一學位是動物學；他對一種感染細菌的病毒——稱為「噬菌體」——發生了興趣。他的宏圖是了解基因的物理性質——其分子結構。

在那時，已經知道基因位於細胞中稱為染色體的區域，並且基因的主要成分是蛋白質和DNA。那時生物學家的常識是，生物體可以繁殖，因為基因是能夠自我複製的蛋白質。相比之下，DNA被廣泛認為只是「愚蠢的四核苷酸」，其唯一功用是作為將蛋白質固定在一起的腳手架。

然而，已經有一些證據表明DNA是形成基因的分子，這立刻引出了一個關鍵問題：DNA分子是什麼樣子的？它的組成原子如何排列？

沃森最終與克里克合作。他們基於其他人（特別是Maurice Wilkins和Rosalind Franklin）進行的一些至關重要的X射線衍射實驗進行DNA分析，歸納出寥寥幾個關鍵事實，並開始建立名副其實的模型：擺弄一些卡片或金屬構件，這些構件形如已知為DNA一部分的簡單分子。這個練習引導他們提出了如今著名的雙螺旋結構：DNA是雙鏈的，像兩個交織在一起的螺旋樓梯。每條鏈（階梯）攜帶一系列鹼基，有四種不同的分子：腺嘌呤（A），胞嘧啶（C），鳥嘌呤（G）和胸腺嘧啶（T）。這些鹼基以成對連接的形式出現：一條鏈上的A總是連接到另一條鏈上的T；一條鏈上的C總是連接到另一條鏈上的G。

（由於版許可權制，僅貼出第一章前半部分譯文，敬請諒解。）

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