神秘的量子生命：20世纪的生物学革命

量子生物学的兴起

在20世纪20年代，生命仍是个谜。虽然19世纪的生物化学家在建立对生命化学的机械论理解的过程中取得了巨大进展，但许多科学家仍然坚持活力论的原理，认为生物学不应该被贬低到只剩下化学和物理，而是需要有一套自己的法则。活细胞中的“原生质”依然被看作是由未知力量激活的神秘物质，而遗传之谜也始终阻碍着遗传学的发展。

但在那十年中，也涌现出一批被称为有机论者的科学家。他们既反对活力论者的观点，也不赞成机械论者的看法。这些科学家认为，生命确实还有未解的谜题，只不过这个谜题可以用尚未发现的物理和化学原理来解释。有机论运动中最伟大的倡议者是另外一个奥地利人，他的名字富有异国情调，叫路德维希·冯·贝塔朗菲（Ludwig von Bertalanffy）。他最早创作了几篇关于生物发育理论的论文，并在其1928年出版的《形态发生的重要理论》（Kritische Theorie der Formbildung）一书中强调了用一些新的生物原理来描述生命本质的必要性。他的思想，特别是在这本书中体现的思想，影响了许多科学家，包括后来量子物理学家的带头人之一——帕斯夸尔·约尔旦（Pascual Jordan）。

约尔旦出生于德国汉诺威并在当地接受教育，后来在哥廷根师从量子力学的奠基人之一马克斯·玻恩（Max Born）。1925年，约尔旦与玻恩共同发表了堪称经典的《论量子力学》（Zur Quantenmechanik）。一年后，其“续集”《论量子力学　Ⅱ》问世，由约尔旦、玻恩和海森堡合著。这篇被称为“三大师杰作”的论文，被奉为“量子力学经典”之一，因为该文包括了海森堡创造性的突破，并以优雅的数学之美表现了原子世界的行为。

次年，当机会出现时，约尔旦做了一个欧洲同时代任何一个有上进心和自尊心的年轻物理学家都会做的选择：到哥本哈根与尼尔斯·玻尔一同工作。大约在1929年左右，他们两人开始讨论量子力学是否有可能在生物学领域中具有某些应用。后来，约尔旦回到德国，在罗斯托克大学任教，在接下来的两年中，他与玻尔保持通信，就物理学与生物学的关系展开讨论。他们的思想集中呈现在约尔旦于1932年发表在德国杂志《自然科学》（Die Naturwissenschaften）上的一篇题为《量子力学与生物学和心理学的根本问题》（Die Quantenmechanik und die Grundprobleme der Biologie und Psychologie）的论文中，该文也被有些学者视为“量子生物学的第一篇科学论文”。(www.xing528.com)

约尔旦在文章中确实表达了一些对生命现象的洞见，其中一个有趣的想法在此处萌芽，约尔旦称之为“放大理论”（amplification theory）。约尔旦指出，非生命物体由数以百万计的大量粒子的平均随机运动来控制，单一分子的运动对整个物体的影响微乎其微。但是，他认为，生命却大不相同，因为生命是由处于“控制中心”内的极少数分子来管理的，这些分子具有独裁式的影响力，影响关键分子运动的量子事件，比如海森堡不确定性原理将被放大，对整个生命体产生影响。

这是一个非常有趣的思想，之后我们还会回头讨论，但是，该理论在当时并没有得到发展，也没有产生很大的影响力。因为，在1945年德国战败后，约尔旦的政治观让他在同时代的科学家中声名狼藉，他在量子生物学方面的思想也因此被忽视了。其他在生物学与量子物理学之间牵线搭桥的科学家也受到战争的波及，四散飘零；而物理学，因为核弹的使用动摇了其核心，也将它的注意力转向了更为传统的问题。

不过，量子生物学的火焰依然熊熊燃烧着，守护这火种的不是别人，正是量子波动方程的发明者——埃尔温·薛定谔。在第二次世界大战爆发前夕，由于纳粹政权认为他的夫人是“非雅利安”血统，薛定谔举家逃离奥地利，在爱尔兰定居下来。正是在那里，他于1944年出版了一本书，书名是一个开门见山的问题——《生命是什么》（What Is Life？）。

在此书中，薛定谔提出了一种对生物学的全新理解，至今仍是量子生物学领域的核心，当然也是本书的核心。在结束本章对科学史的回顾之前，让我们先略微展开介绍一下薛定谔的洞见。