生命的基础：物理定律探索

在最后一章中，我想阐明的是：根据我们对生命物质结构的了解，我们必须准备好接受其运行方式可能并不能被归结于普通的物理学定律。

这不是因为存在某种“新的作用力”指导活体生物中单个原子的行为，而是因为其结构和我们迄今为止在物理实验室实验过的任何物质都不一样。简单来说，只熟悉热力发动机的工程师对电动机查看一番之后，可能会发现他并不理解这个机器的工作原理。他发现电动机里面的铜他在水壶上见过，但是在这里却成了又细又长的丝缠绕成的线圈；他熟悉的控制杆、栏杆和蒸汽缸上的铁却被缠在那些铜线圈里面。他肯定相信铜和铁都还遵循同样的自然定律，这一点没错。结构的差异足以让他看到完全不同的工作方式。他不会因为电动机不需要锅炉和蒸汽，只需要拨动开关就能转起来，就去疑心它是鬼魂驱动的。如果一个人从来没有否定过自己，那可能是因为他没说过什么话。

在生物的生命周期中展开的事件表现出美妙的规律性和秩序感，我们遇到过的任何一种没有生命的物质都无法与之媲美。我们发现它是由一群非常有序的原子控制的，它们只是每个细胞中的很少的一部分。而且，根据我们之前总结出的关于突变机制的观点，我们能够得到一个结论，生殖细胞当中这团“主导原子”中，只要几个原子的位置发生变化，就足以让生物的宏观遗传特征产生明显改变。

这些事实显然是现代科学揭示出的最有趣的东西。我们最终可能认为它们并不能被完全接受。生物具有一项惊人的天赋，能够从合适的环境中“汲取秩序”，让自身保持“源源不断的秩序”，并因此防止衰退到原子混乱的状态中。这种天赋和“非周期性固体”——也就是染色体分子——的存在有关，而染色体分子无疑是我们所知道的最有序的原子集合，它的有序程度高于普通的周期性晶体，因为它的每个原子和每个原子团都发挥着各自的作用。简单来说，我们亲眼见到了已有秩序具有维持自身并产生有序事件的能力。这听上去已经很合理了，不过在证明其合理性的时候，我们无疑利用了社会组织和其他与生物活动有关的事件的经验。所以，这种论证看上去有点像循环证明。

不论如何，需要反复强调的是，对物理学家来说，这种情况不仅看似合理，而且非常令人兴奋，因为它是史无前例的。与普遍观念正相反，符合物理定律的常规事件进程，绝对不会产生一种有序的原子构型这样的结果，除非这种原子的构型能够自我重复相当多次数，要么是像周期性晶体那样，要么是像液体或者气体那样由无数同样的分子组成。

甚至当化学家研究体外的复杂分子时，他也总是将无数相似的分子作为研究对象。他掌握的定律能够适用在这样的研究对象上。比如，他可能会告诉你，某个特定反应开始后1分钟，一半数量的分子就能完成反应，再经过1分钟后，3/4的分子能完成反应。但是假设我们能够追踪特定的分子的话，他无法预测一个特定分子是已经完成了反应还是尚未发生反应。这是完全随机的。

这并不完全是理论推论。也不是说我们不可能观测到单一原子团甚至单一原子的命运。有时候我们可以做到这一点，但每次我们观察到的都是毫无规律的结果，只有大量这样的结果放在一起才能形成整体的规律。我们在第一章的内容中已经举过这样的例子了。悬浮在液体中的某个小颗粒的布朗运动是毫无规律的。但如果存在很多类似的小颗粒，单独看上去毫无规律的运动合在一起就能产生有规律的现象，也就是扩散。

我们可以观察到单个放射性原子的衰变（它能够释放出粒子，让荧光屏产生肉眼可见的亮点）。但是如果你只有一个放射性原子，它的寿命就比一只健康麻雀的寿命不确定得多。事实上，你只能做出这样的判断：只要它还没有衰变（这种情况可能会持续数千年），下一秒它发生衰变的概率将不变。这种无法决断个体情况的事件，却服从于大量相同的放射性原子的指数衰变定律。

到了生物学领域，我们面对的则是完全不同的情况。只存在于一个染色体上的单个原子团能够产生有序的事件，并且根据最精妙的定律，原子彼此之间和它们与环境之间的情况进行奇妙的调整。我之所以说只存在于一个染色体上，是因为世界上毕竟存在卵和单细胞生物这种只有一套染色体组的例子。在高等生物随后的发育阶段中，染色体的数量会成倍增长，但是增长到何种程度呢？据我所知，对于成年哺乳动物来说，差不多是10¹⁴这样的数量级。这是什么概念呢？只有1立方英寸空气中分子数量的百万分之一。虽然规模比较大，但是它们凝聚起来也不过就只是一小滴液体而已。但是看看它们是如何分布的。每个细胞只有一个副本（或者两个，如果我们考虑二倍体的情况）。而我们知道在独立细胞中这个指挥中心的强大力量，那每个细胞不正像遍布全身的地方政府机构吗？它们之间能够顺畅地沟通，要归功于它们共有的代码。

这种异想天开的描述，恐怕不大像科学家说出来的话，倒像是诗人的话。但是，不是诗意的想象，而是清晰理智的科学思考让我们认识到，我们面对的事件的发展是如此规律有序，而引导事件发展的“机制”和物理学的“统计学机制”则完全不同。我们观察到的事实是：每个细胞都存在的指导原则是潜藏在一个染色体（或有时两个染色体）上的单个原子团中的，它能够指导产生具有完美秩序的事件。一小团但非常有序的原子能起到这样的作用，不论我们对此感到震惊还是觉得合理，这种情况都是史无前例的。除了有生命的物质之外，其他任何领域都没有出现过这样的情况。研究非生命物质的物理学家和化学家从未见过需要以这种方式解释的现象。

由于之前没有出现过这种情况，所以我们的理论无法解释它，我们的统计学理论如此精美，我们发自肺腑地为之自豪，因为它让我们在幕帘之外看到了根据原子和分子的无序行为总结出的物理定律的伟大秩序，因为它表明，最重要、最普遍和最包罗万象的熵增定律可以在没有假设的前提下被理解，因为它本身就是分子的无序罢了。

生命过程中的有序有不同的来源。有序事件的产生似乎有两种不同的“机制”，一种是通过“统计机制”从无序中产生有序，另一种则是通过有序产生有序。

对没有先入为主的人来说，第二个原理似乎简单得多，也合理得多。这是毫无疑问的。所以，物理学家才会骄傲地赞成第一个原理，也就是“有序来自无序”原理。自然界中很多现象都符合这个原理，而且只有它才能让我们理解自然事件的发展线索，首先就是其不可逆性。不过，我们不能指望由此衍生出来的“物理学定律”能直接解释生命物质的行为，因为其显著特征更大程度上是基于“有序来自有序”的原理。你不能指望两种完全不同的机制产生相同的定律，就像你无法指望用自家的钥匙打开邻居家的门一样。

所以，不必因为不能用一般的物理学定律解释生命而感到气馁。因为通过对生命物质结构的了解，我们只能得到这样的信息了。我们必须准备好去寻找能解释生命的新的物理学定律。或者，我们是不是该称之为非物理学定律，甚至超物理学定律呢？

不，我并不这样认为。因为这个新原理就是物理原理，在我看来它不过是量子理论的重新演绎。要解释清楚这个问题，我们需要进行详细阐述，对之前做出的论断进行微调而不是修正，这个论断就是，所有的物理学定律都以统计学为基础。

这个一再做出的论断必将引起矛盾。因为确实存在一些现象，其显著特征就是直接建立在“有序来自有序”的原理上，看上去跟统计学或分子层面的无序毫无关系。

太阳系的秩序、行星的运动都已经维持了近乎无限的时间。此时此刻的星座图和金字塔时代任何一刻的星座图也如出一辙，从现在的星座可以推断出当时的星座，反之亦然。计算出来的历史上的日月食跟历史记录的真实情况几乎完全相符，甚至有些例子还用来纠正公认的年表。这些计算并不是基于统计学，它们纯粹基于牛顿的万有引力定律。(www.xing528.com)

一台走得准的时钟或任何类似的机械规律运动似乎也跟统计学沾不上边。总之，所有纯粹的机械事件似乎都是明确、直接地遵守“有序来自有序”原理。前提是我们在此使用的“机械”这个词是广义的。要知道，有一种非常实用的时钟是靠电站发出的有规则的电脉冲计时的。

我记得马克斯·普朗克写过一篇有趣的论文，题目是“动力学和统计学定律”（Dynamische und Statistische Gesetzmassigkeit）。论文中谈到的两种定律之间的区别正好是我们所说的“有序来自有序”和“有序来自无序”的区别。那篇论文旨在表明，支配宏观事件的统计学定律，是如何由支配微观事件、单个原子和分子之间的相互作用的动力学定律组成的。后者能够被宏观尺度的力学现象证明，比如行星或时钟的运动等。

于是，我们严肃提出的作为理解生命的真正线索，即“有序来自有序”这个新的原理，似乎对物理学家来说并不陌生。普朗克甚至认为这个原理具有更高的优先级。我们似乎得到了一个可笑的结论，理解生命的线索是，它完全基于力学原理，也就是普朗克论文中所说的“时钟装置”。在我看来，这个结论并不可笑，也并不完全错误，但我们要“持高度怀疑态度”。

让我们来精确地分析一下实际时钟的运动。它不完全是一种纯粹的机械现象。一台纯机械时钟不需要弹簧也不需要发条。一旦开始运动，就会一直进行下去。一台真正的时钟如果没有发条的话，摆动几下就会停下来，因为它的机械能会转化为热能。这是极其复杂的原子过程。物理学家对这种运动的一般认识迫使其承认，相反的过程并非完全不可能。一台没有发条的时钟可能会突然开始工作，不过要消耗自己齿轮和所处环境的热能。物理学家肯定会说：时钟经历了一次非常剧烈的布朗运动。我们在前面提到，极为灵敏的扭力天平（静电计或电流计）经常会发生这种事情。当然对于一台时钟而言，发生这种事情的可能性近乎为零。

时钟的运动算是动力学定律事件还是统计学定律事件（用普朗克的方式表述），完全取决于我们的看法。如果我们把它看成动力学现象，我们就将关注点放在了规律运动上，一根比较松的发条就能够产生这种规律运动，且这种运动能够克服微弱的热运动的干扰，所以我们可以将其忽略不计。但是，如果我们还记得，没有发条，时钟的运动就因为摩擦力的作用而逐渐减慢，我们就会发现这一过程只能作为一种统计学现象理解。

不论实际上时钟中的摩擦和热效应多么微不足道，未忽略其存在的第二种看法是更基本的，即便我们面对的是一台由发条驱动的有规律运动的时钟。因为我们必须相信，驱动的机制实际上离不开这个过程中的统计学性质。真正的物理学描述应该包括这样的可能性：一台规律运行的时钟会消耗环境中的热能突然反过来运动，逆时针将它的发条重新上紧。这种事件发生的可能性与布朗运动导致没有驱动装置的时钟突然运转相比，也相差无几。

我们现在再回顾一下。我们分析过的“简单”案例其实能代表很多其他例子。事实上，所有这些例子似乎都回避了包罗万象的分子统计学原理。由真正的物理学材料（而不是想象出来的）制作成的钟表并不是真正的“钟表装置”。随机的成分可能或多或少被削弱了，钟表突然出问题的可能性也许是无穷小的，但永远都潜藏着。甚至在天体运动中，不可逆的摩擦力和热扭转影响也是存在的。因此，地球的自转因潮汐摩擦力的影响逐渐减慢，当然月球也因此逐渐远离地球，如果地球是一个完全刚性的旋转球体，就不会发生这样的事情了。

但是“物理时钟装置”显然表现出“有序来自有序”的特征依然成立，物理学家在生物现象中遇到这种特征的时候非常兴奋。这两种情况似乎最终还是有一些共性。而这种共性究竟是什么，导致生物如此新奇以及如此前所未见的差异又是什么，我们可以拭目以待。

一个物理系统——任何一种原子的集合体——在什么情况下会表现出符合“动力学定律”的（普朗克所说的）“时钟装置特征”呢？对于这个问题，量子理论给出了简短的答案：在绝对零度的时候。在绝对零度的条件下，分子的混乱就不会再影响物理事件。顺便说一句，这个事实并不是理论发现，而是对广泛温度条件下的化学反应进行细致研究，并将结果外推到无法达到的绝对零度条件下得出的。这是瓦尔特·能斯特提出的著名的“热定律”，它也被誉为“热力学第三定律”（第一定律是能量守恒定律，第二定律是熵增定律）。

量子理论为能斯特的经验定律提供了理性基础，也让我们能够估计出，一个系统需要多接近绝对零度才会表现出近似于“动力学”的行为。

对具体情形而言，什么温度可以说是实际上等于绝对零度呢？不要认为这一定是一个极低的温度。事实上，能斯特之所以能发现这个定律，是因为即使在室温条件下，熵在很多化学反应中都发挥着微不足道的作用（在此我需要提醒，熵是直接度量分子无序程度的物理量，也就是其对数）。

那么钟摆的情况又是怎样的呢？对于时钟而言，室温几乎等同于绝对零度。所以它才会遵循“动力学”定律。如果将其冷却，它就能一直这样运行下去（假设你已经擦掉了所有油渍）。但如果将它加热到室温以上，它就不会继续工作了，因为它会熔化掉。

这看起来无关紧要，但我认为它触及了要点。钟表能够以“动力学”的方式工作，是因为它们是固体做成的，而固体是靠海特勒-伦敦作用力保持一定形状的，其强度足以避免普通温度下热运动的无序倾向。

我认为现在已经不用再说多余的话来揭示钟表装置与生物之间的相似性了。这种相似性就在于，生物也是由固体构成的，非周期性晶体组成的遗传物质很大程度上能够避免热运动的无序。但是，请不要怪罪我说染色体纤维不过是“生物机器中的齿轮”，至少这种说法并没有脱离深刻的物理学理论。

事实上，不需要多少修辞就能说明二者之间的本质区别，并能将生物学中新奇的、前所未见的现象合理化。

染色体纤维最显著的特征是：第一，这些齿轮在多细胞生物中的分布非常奇特，我之前用非常诗意的方式描绘了这一特征；第二，任何一个齿轮都不是什么粗制滥造的人工制品，而是按照上帝的量子力学路线精心打造出来的杰作。