物理学家如何重视生命科学

2019年10月16日晚，我在北京大学的英杰阳光厅，面对百余名北大学子，作了一场题为“物理学家为什么关注生命科学”的演讲。这是一个比较跨界的话题，我注意到并且产生兴趣，源自于数年前对于解开DNA结构之谜幕后故事的探究。我的讲述，就从那个传奇故事引入——

1937年从伦敦大学学院获得物理学学士学位后，弗朗西斯·克里克留校做过一段时间研究工作。“二战”期间，他为军方设计特制水雷，做得相当成功。可当战争结束时，他却不知道该干什么工作了。但他心里明白，自己的事业起步已晚，因此必须第一次就做出正确的选择。

有一天，克里克跟几位对科学有兴趣的海军军官热情地谈论起抗生素（青霉素之类）的新发展，十分激动。但当晚他却意识到，实际上他对这个问题并不懂，只是从书刊里读过相关内容，了解一点而已。“我感到我并不是对他们讲科学，而是在闲聊。”

这种感觉启发克里克发明了“闲聊检验”——尔所闲聊的事情就是你真正感兴趣的事情。他毫不犹豫地把这个检验用到当时的谈话上。“很快，我把兴趣集中到两个主要领域：一个是生命和非生命之间的界限，一个是脑的活动方式。进一步的思考表明，这两个题目有共同之处：它们都涉及目前科学还不能解释的许多问题。”

克里克为自己的认识和进展感到高兴。他的下一个问题是要决定做什么工作，而同样重要的问题是去哪里工作。

当时，科学界已有人认识到，把现代物理技术应用于生物学问题十分重要、大有可为。事实上，一门把生物学、化学和物理学融合在一起，从分子水平上研究生命现象物质基础的学科——分子生物学，已渐渐地有了一个雏形。克里克得到忠告：“你应该到剑桥去。”

1947年，克里克进入剑桥大学学习生物学。4年之后，他在那里遇到了原来有志于成为鸟类学家的詹姆斯·沃森。又过了两年，这两个初出茅庐的无名之辈做出了“20世纪下半叶最重要的科学发现”——构建出DNA结构模型，轰动世界。他们的成功，在很大程度上得益于跨学科、跨领域的交流、探索和思考。克里克后来回忆，他当时感到非常奇怪：大多数遗传学家和蛋白质化学家从未认真考虑过他们各自的领域是密切联系的。每一领域的科学家们在向自己的目标努力时，也很少注意到另一领域的情况。而他和沃森都读过量子力学的重要奠基人之一、1933年诺贝尔物理学奖获得者埃尔温·薛定谔于1944年出版的《生命是什么？》一书。

这位奥地利物理学家在书中非常清楚地表达了一个信念：生命的基本特征就是能够储存和传递信息，亦即遗传密码能够代代相传。基因是活细胞的关键组成部分，要懂得什么是生命，就必须知道基因是如何发挥作用的。他还认为，遗传密码必须由分子来“书写”，因为只有这样才能将复杂而紧凑的信息“装进”小小的细胞里。

同样引人瞩目的是，《生命是什么？》一书开篇第一章“经典物理学家对生命问题的探讨”就提出了久经讨论的一个重大问题：在一个生命有机体的空间范围内，发生在时间和空间中的事件，该如何用物理学和化学来解释？他说他在书中力求阐述和确定的初步答案可概括为：当今的物理学和化学虽然在解释这些事件上无能为力，但并不代表这样的事件不能被这些学科所描述。

那时人们已经认识到，从根本上说，一个有机体的最具活性部分的原子排列及其相互作用方式，和迄今为止所有的物理学家和化学家所研究的原子排列方式存在本质上的差异。要使得物理学家或化学家发现的规律和定则，能直接应用在有机生命体的活性部分如此特殊的结构上，这几乎是天方夜谭。

科学研究早就形成了共识：一个高度组织化的个体不会自发形成，一些基本的物理学法则也反复说明着同样的道理：系统倾向于朝着混乱和无序的状态发展，而不是秩序和功用。可是，尽管生命体和非生命体一样，都由没有生物活性的“死”分子构成，但这些分子在一曲完整的“生命大合奏”中相互作用的独特方式，形成了十分独特的结果——包括我们在内的所有生命体的诞生。以色列化学家埃迪·普罗斯惊叹于这样一些事实：哪怕是像细菌细胞一样最基本的生命系统，都是一个高度组织化、远离平衡态的功能性系统。通过研究细胞的行为，我们可以发现它的功能或者说目的。每个细胞到头来都是一个为了生产更多细胞的高度组织化的工厂。(www.xing528.com)

这就难怪，20世纪最伟大的物理学家如维格纳、玻尔、薛定谔等都觉得这个问题十分令人困惑。生物学和物理学在这个问题上似乎互相矛盾，也难怪“智能设计论”的鼓吹者们能到处兜售他们的观点。

科学探索业已表明：人类的身体与心灵都有其物质基础，并遵循一定的物理和化学规律。人体内的所有成分，也都是通过自然选择演化而来的。生命体那些令人惊讶的性质，最终似乎的确可以靠原子和分子物理学来解释，而无须借助任何全新的理论。然而，薛定谔本人并不那么乐观，他写道：“……尽管就目前所知，生物体还没有摆脱‘物理规律’，但它有可能涉及我们迄今尚未发现的‘其他物理规律’……”

解释生物体的性质可能需要新的物理学来发挥作用。英国物理学家保罗·戴维斯坚信这一点。在2019年出版的《生命与新物理学》一书中，他写道：要想知道薛定谔提出的“生命是什么”这个问题的答案，意味着我们需要舍弃生物学家滔滔不绝历数的关于生命属性的传统清单，并开始以一种全新的方式思考生命状态。你可以问自己这样一个问题：“如果没有生命，这个世界会有何不同？”戴维斯与薛定谔一样，认为生物体清楚地表明了更深层次的新物理学原理的存在，并且我们正处于揭示和利用这些原理的临界点。已然发现了更微妙的东西，它能将物质与信息、整体与部分、简单性与复杂性交织起来。

美国物理学家弗里曼·戴森也持类似观点。早在40年前他就开始思考生命的抽象定义。他把生命定义为一个物质系统，它可以获取、存储、运作和利用信息去组织自身的活动。他说，放宽尺度来看，生命的本质就是信息，但是信息并不与生命同义。为了活下来，一个系统不仅必须拥有信息，而且还必须处理和使用信息。生命是对信息的积极利用，而不是消极储存，这才构成了生命。

奥地利物理学家斯特凡·克莱因则在《诗意的宇宙》一书中调侃说，一连串不寻常的事件促成了他的降生——从远古时代一颗巨大的陨石撞击地球到恐龙灭绝，从月球的诞生及其对地球之影响到大陆板块的漂移、原始单细胞生物的形成……所有上述事件单独拎出来都非常惊人。这一切只要稍有差池，人类就不可能出现在地球上。唯独在我们的星球上出现了生命，这真是难以想象。“于是，我们不禁会想，这一切的背后是否有一只排兵布阵、运筹帷幄的手。”

英国物理学家史蒂芬·霍金也表达了这个意思。在《大设计》一书中他指出，能够支持智慧观察者的复杂结构的出现，似乎是非常脆弱的。自然定律形成了一个极端仔细微调的系统，在不毁灭我们所知道的生命发展的可能性下，物理定律所能改变者微乎其微。若非在物理定律的精确细节上的一系列令人吃惊的巧合，人类和类似的生命形式似乎是永远都不可能形成的。

而一些化学、生物和行星的观测结果表明，生命机制是我们所知的宇宙中并不令人惊奇的延续，宇宙的元素和化学性质产生了形成地球上的生命所必需的构成要素。这是基本的潜在过程，生命通过交错互锁的新陈代谢过程，搭载到这一相同的化学基础上。从这种意义上来说，地球上的生命没有明显的特别之处。从星际太空到原行星系统，原子材料到处可见，并留存在太阳系原始的陨石残骸和彗星物质中。

尽管科学界已经广泛接受“我们需要将生命重构为一种物理现象”这一观点，但事实证明，科学家还是常常低估了全面理解生命本质的难度。保罗·戴维斯称：试图寻找非生命与生命之间存在的“切实的链接”，并在单一理论框架下将两者连接起来的研究，已经产生了一个全新的跨界科学领域，它融合了生物学、物理学、计算机科学和数学。该领域不仅旨在对生命做出终极解释，而且还希望开启新的应用场景。这一变革背后的统一概念就是信息。生物系统正是通过将信息整合成有序模式的方式，在分子领域的混沌中形成了生命的独特秩序。如今，许多物理学家对于围绕信息概念构建物理学和生物学的大统一抱有极大的热忱。“生命是物理学的下一个重大前沿领域！”

生命诞生的不可思议，物种演化的卓绝传奇，生物多样性的真实图景，大千世界的玄妙奥秘，皆在人类生命探究的伟大史诗中展露无遗。是时候以多元的视角重新瞻望“生命之树”，进而以全新的方式看待这个世界了。