推薦序　生物物理學：一沙一世界

葉盛

生物學家，科普作家，

北京航空航天大學醫學科學與工程學院教授

出版于1944年的《什么是生命？》是一本并不太厚的小冊子，總結了一位偉大物理學家轉戰生物學領域之后的一系列學術演講。而這位跨學科的科學巨人就是埃爾溫·薛定諤。這本以物理學家的語言寫就的生物學著作，吸引了當時很多年輕物理學者的注意力，并引導其中一部分人投身于生物學的研究。這之中就包括了提出DNA雙螺旋結構模型的詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克。不過，隨著生物學的新研究進展層出不窮，薛定諤在書中的一些觀點已經被證明是錯誤的。然而，這并不能掩蓋其輝煌的思想光芒——站在物理學視角審視生命科學的深刻洞見。

在某種意義上，你可以把本書視為《什么是生命？》的精神續作，但兩書又有諸多不同。之所以會如此，很大的一個原因在于，本書的作者是一位生物物理學家，而不是薛定諤那樣的純粹的物理學家。

生物物理學對于大多數人來說是一個陌生的學科，給人的第一印象就是物理學的某個分支學科。然而實際上，生物物理學更貼近生物學，研究的也都是生物學問題。只不過它所采用的手段是物理學的各種實驗方法，從激光共聚焦顯微鏡到電子顯微鏡，從細胞膜片鉗到同步輻射光源，從流式細胞分選到功能核磁共振，不一而足。事實上，當今很多突破性的生物學研究進展，往往都要在很大程度上依賴于生物物理學的實驗證據。

有趣的是，很多從事生物物理學研究的學者可能都沒有想過一個問題：為什么物理學實驗手段在生物學的研究中變得越來越重要？我以為，這與當代生物學的發展變化趨勢有很大的關系。隨著基因概念的提出、第一個蛋白質三維結構的解析，特別是DNA雙螺旋結構模型和中心法則的提出，人類對于生命的研究走向了越來越微觀的層面。而生命與這個宇宙中的所有其他物質一樣——即便生命要比一塊石頭有趣得多、神奇得多——在微觀層面上都要遵循物理規律，無一例外。

當然了，如果本書只是在講述生命之間遵循牛頓力學三定律的現象，那么生命未免就與石頭或小球拉不開差距了，也沒那么有趣了（其實這方面也有個別極其有趣的案例，比如螳螂蝦那對足以打出超空泡效應的鰲足重錘）。與之相反，本書的作者如同薛定諤一樣，試圖為讀者們梳理出那些散發著生命之光的關鍵物理學規律——這些規律并非生命所獨有，卻在生命的世界中得到了最集中的體現。

本書的英語原書名為So Simple a Beginning，大體可以直譯為“如此簡單的起點”。在我看來，這或許是對本書最恰當的注腳。在普羅大眾眼中，生命是復雜的、神奇的，甚至是超自然的、玄學的。而在微觀層面上研究生命的科學家看來，生命的確很復雜，遠遠比常人所想象的更復雜，但生物學家們仍然相信生命是物質的，遵循著自然科學的規律。這是因為，我們做過的、看見的、讀到的一個又一個實驗證明，這些復雜的生命現象背后仍然是至純至簡的物理學原理——那才是生命現象的起點所在。

不過，這些物理規律應用于生命時，與它們應用在一塊石頭上還是有很大的區別。其難點之一就是生命的多樣性。比如書中關于規模效應的講述，該效應應用于大多數生命形式都是正確的，但生物學家們總還是能在地球的某個角落中找到一些生物，并不遵循這種規模效應的公式。那么，這說明物理規律錯了嗎？還是說明物理規律不適用于生命呢？兩者都不是。事實上，這只不過說明，生命的系統太復雜了，復雜到很難用一個簡單的公式來概括。

事實上，如果說地球上的生命真的有什么共性的話，恐怕就是“復雜性”。這種復雜雖然都發生在極其微小的空間尺度上，但是其復雜度卻遠超浩瀚的星空。比如書中講到了蛋白質三維結構的自組裝問題，提到蛋白質的折疊規律至今無法計算。這是多么復雜的一個問題呢？大家都知道，蛋白質是由氨基酸排列的肽鏈組成的，而地球生命全都使用共同的20種基本氨基酸。于是，蛋白質肽鏈的全序列空間就是20的冪次方。比如一個長度為50的肽鏈（只能算是微型蛋白，大部分蛋白質的肽鏈長度都有幾百，甚至上千），其可能的序列空間就是20的50次方，相當于10的65次方，接近了銀河系內全部原子的數量。是的，你沒看錯，不是恒星的數量，而是原子的總數量。這，就是生命的復雜度。

正所謂：一沙一世界。一個直徑為10納米的蛋白質分子與一個直徑為10萬光年的銀河系，都在物理規律的驅動下運行著。雖然生命還不能像恒星那樣直接以物理公式來計算，但生命背后的規律無疑仍是物理的。認清這一點，或許才能幫助我們真正認清生命，認清自己。