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为何物理学无法告诉我们生命是什么

2020 / 11 / 23新浪科技

11月23日消息,如果所有生命都由遵循特定等式的原子构成,那么生命的存在也许只是顺应这些法则出现的必然结果。这种看法显然言之有理,物理学家基本上也正是这么认为的。在我们试图理解生命运作机理的过程中,这种看法也起到了很大帮助。

在马克斯?德尔布鲁克(Max Delbrück)等先驱人物的带领下,来自物理科学的量化分析为细胞生物学和生物化学的机械学和分子学研究方法提供了很大帮助,带领科学家做出了许多重大发现。在X射线晶体学、核磁共振技术、以及超高分辨率的显微技术的帮助下,DNA、蛋白质等比细胞还小的结构纷纷呈现在我们面前,我们对生命的了解开始深入到分子层面。

不仅如此,破获了遗传编码之后,我们还可以按照自己的想法合成新的大分子,从而让活细胞为我们所用。随着我们对生命最细小、最简单的构件了解得愈加精确,人们难免会认为,只有等攻克了相关的物理问题之后,才有可能解决生物学中最棘手的谜团。

但用这种态度看待生命问题,我们最终定会大失所望,原因至少有二。其中第一点可以叫做“还原论谬误”。还原论认为,宇宙中可能被我们选来研究的任何一部分都像靠发条走动的古董钟一样,因此只要知道了各个部件之间的相互作用法则,就可以对整体行为进行预测。

科学家一直梦想着能够仅用几条简单规则解释和预测万物,特别是物理学家。而且公平来说,确实有许多伟大的科学发现都是由研究人员对还原性解释的渴求推动的。毕竟,世界上的确有许多事物可以被理解为简单成分之间相互作用的结果。从潮汐与月球引力,到部分遗传病与蛋白质表面一小块分子的变异,有时我们的研究对象看上去的确像是各组成部分之和。

不过,希望用还原论解决所有科学谜题的想法在20世纪之前的物理学家中更为盛行。自20世纪之后,多名诺贝尔奖物理学奖得主(以及其它领域的获奖者)都明确提出过,还原论的思维方式是行不通的。例如,你不能用牛顿定律或量子理论预测股票市场,也不能用它们预测湍流或超低温磁铁等“多粒子系统”的简单性质。在这些例子中,理应“主宰”这些事件的物理法则充满了太多未知之处,也无法进行测量或直接计算。物理学家仍在继续研究这类系统,但并非仅从所谓的基本等式入手。

在生命和非生命之间的界限这一问题上,人们犯的第二个错误至今依然常见。这一错误的根源在于我们使用语言的方式。许多人想当然地以为,如果我们对物理学足够了解,最终就能像弄清水如何结冰或沸腾一样、将生命作为一种物理现象来理解。确实有很多人认为,我们总能找到某种完美的物理理论,作为划定生命与非生命的黄金标准。

然而,人类在给世间现象命名时总是操之过急,在我们确定“生命”究竟意味着什么之前,就已经迫不及待地给各种现象命名了。物理学家要想从生命的行为、或生命的诞生中总结出某种理论,首先要根据直觉,将我们所知的生命形式的特性转化为物理语言。这样做之后,我们很快就能看出,生命与非生命之间的界限早从一开始就已经确定了,只是用了一种与物理学不同的表达方式而已。

从某种程度上而言,人们在问出“生命究竟从何而来”这个问题时,就表达出了一种还原论倾向。我们在研究生物时,难免会思考,这种形式和功能上的巨大成功也许只是一系列基本构件相互“碰撞”的结果,就像一堆简单的、可预测的台球一样。在这台造物“机器”中,除了这些默默振动的“元件”之外,是否还有些别的东西呢?假如没有,这是否意味着,我们最终一定能弄清整套系统的结合方式呢?换句话说,人们对于生命的诞生提出的各种解释是否都要将这一过程分解为一系列合理的步骤,每一步到下一步之间的衔接都合情合理、符合预料?如果是这样,又和之前所说的还原论有什么区别呢?不都是想将生命“还原”成一场受一系列简单、已知的物理规则编导的“演出”吗?

事实上,物理学家已经发现了一些规律,可以对某些一度被视作“复杂得令人绝望”的系统进行精准预测。例如,拜开普勒和牛顿等人的研究所赐,天体的运动规律早已不再神秘,对天体位置的计算也已经变得稀松平常,人们不需要成为研究轨道力学的大家,就可以在大学的物理学系大量学习这方面的知识。不过,在人类历史上的大部分时间里,太阳、月亮和其它星星的运动都显得极其复杂、不可捉摸。数千年来,即使是最伟大的天才一定都难以想象,仅凭区区几条方程式,就可以描述引力和受力运动,无论是遥远的星系、不断旋转的恒星、还是挂在弹簧上晃荡的盒子,都可以被纳入同一套理论框架之中。这场由牛顿等人发起的革命的意义之重大,任何语言描述都显得苍白无力。

接下来,时间来到了20世纪。爱因斯坦先是用方程式描述了光的运动,后又重新思考了引力的来源,成功补足了牛顿行星运动理论遗留的最后一块拼图——水星。与此同时,薛定谔的量子机械波方程式揭开了原子的神秘面纱,为不同气体通电后发出的各色光线提供了一种优雅的定量解释。这是一套针对微观物体内部运作机制的理论,看上去虽然很奇怪、很违反直觉,但与实验观测结果高度匹配。人们在科学界取得了这么多辉煌的胜利之后,难免会产生这么一种感觉:只要有更新、更强大的理论问世,许多事物的不可预测性便可迎刃而解。

然而,如果我们深入推敲,便会在这些还原论的胜利成果中发现一些偏误。包括上诉理论在内,许多成功的物理理论都存在一个共同点:最擅长预测孤立事物。这类事物可以用相对简单的数学公式来描述,各个组成部分也可以进行测量。比如只含有一颗行星的太阳系、成分简单的氢原子等等。在这些例子中,相关理论都会将宇宙的其它部分滤除在外、不予考虑,只关注少数几条能够精确描述较少物理量之间关系的方程式。

事实上,利用强大的超级计算机,极端的还原论科学家如果仅根据各组成部分遵守的简单规则来计算整体的行为,则极有可能谬以千里。正如诺贝尔奖物理学奖得主P?W?安德森(P.W。 Anderson)的名言一样:“量变引起质变。”我们也许在冷冻结晶或黏性液体等事物的研究上取得了成功、提出了优秀的物理理论,但这绝不是因为我们完善了原子的模型、或构成这些物质的亚原子粒子模型,光凭这些是办不到的。

分子物理学本身就是一门艰难的学科,拥有一段漫长的、令人肃然起敬的发展史。在开展了无数分子、细胞、组织和器官实验之后,我们已经清楚地意识到,生物各色各样的功能全都建立在其构成物质的物理性质基础之上。

但这并不代表着还原论占了上风。恰恰相反,在对生命运作方式的研究中。“量变引起质变”的情况比比皆是。例如,血液是一种液体,携带着氧气在血管中流淌。其吸收和释放氧气的生物化学功能已经得到了充分了解,与红细胞上一种名叫血红蛋白的原子结构有关。然而,对于血液黏度等物理量,任何人都不可能进行精准预测。在血液这种成分丰富的混合物中,有太多因素可以决定细胞或分子的滑动速度,并且极易受各种成分之间的相互作用性质影响。在这种情况下,任何计算都比不上实验测量可靠、有效。

但这种通过实证得出的结果是十分重要的。生命充满了特殊性,所拥有的种种特性都由其组成部分所决定,一旦成分稍有不同,就可能引发灾难性后果。血液粘稠度或DNA序列如果发生了微小的变化,对于生物整体功能的影响将难以预计。生命由各种各样的片段构成,其中有些部分的物理性质也许比其它部分更容易预测一些。在这其中,必然有些对生命而言至关重要的因素拥有一些奇特、新颖的性质,而这些特性是无法通过基本原理推断得出的。

这项挑战永远都会存在,因为从物理角度看待问题与生物角度绝不是一回事。事实上,生物学与物理学的思维方式完全是两种概念。

物理学作为一种科学研究方法,始终以对特定物理量的测量为基础,如距离、质量、时长、电荷、温度等等。无论是进行实际观测、还是提出理论进行预测,物理的本质都离不开测量和数学计算。在表述某种物理现象时,永远是当某组可测量数字固定不变或改变时、另一组可测量数字的表现如何。因此,牛顿第二定律F=ma的天才之处并不仅仅在于提出了一个将力(F)、质量(m)和加速度(a)联系在一起的等式,更在于这几项都是世界上真实存在的物理量,可以各自独立地进行测量和比较。

而生物学则不同。出色的生物学研究的确也需要和数字打交道,在当今世界更是如此。例如,统计学方法可以从重复观察结果中(如使用某种药物后、细胞死亡率稍有增加)总结出特定趋势。但尽管如此,对生命的研究从本质上来说并非定量研究。生物学从一开始就默认了“生物”与“非生物”的分类,然后利用科学方法,研究生命的行为和性质有哪些可预测之处。生物学家不需要四处游说,说世间万物可以分为有生命和无生命两种。事实上,就像各种人类语言中都包含星星、河流、树木这些普遍事物一样,生命与非生命也都在词汇上做了划分。

简而言之,如果没有“生命”这一概念,生物学根本不可能出现。人们只需要对生物进行合理推断、据此意识到还有更多东西尚待发现,生物学就可以向前发展。这就意味着,生物学并不像物理学那样,建立在数学的基础之上。人们不需要进行定量分析,就可以发现植物需要阳光才能生长、鱼离开水就不能呼吸。当然,如果我们测量植物获得的光照多少、或者观察鱼离开水后的存活时间,就可以学到更多知识。但最基本的生物法则只关注哪些条件可以帮助或阻止生物顺利生长。而“顺利生长”的意义主要来自我们对什么叫“成功存活”的判断。说实话,我们做出这种判断的能力并不是由科学家教会的,而是出于常识:我们自己就是活着的,同时又在不断决定着周围花鸟鱼虫的生死。科学也许能帮助我们找到维持生命、或杀死生命的新方法,但只有我们才能告诉科学家,应当如何使用“生”与“死”这些词。人类在发明“生命”这一词汇时,对物理学还一无所知。如果物理学如今想反过来教育我们这些词的意义,那未免显得太奇怪了。