神奇的生命

隨著“旅行者2號(hào)”航天探測(cè)器（Voyager 2）于1977年8月20日在美國(guó)佛羅里達(dá)州發(fā)射升空，人類有史以來(lái)最成功的科學(xué)探索任務(wù)拉開(kāi)了帷幕。兩周后，“旅行者2號(hào)”的姐妹探測(cè)器“旅行者1號(hào)”（Voyager 1）也沖向了蒼穹。兩年后，“旅行者1號(hào)”到達(dá)了它的第一個(gè)目的地——木星。在這里，它先是完成了對(duì)木星這個(gè)巨型氣態(tài)行星的拍照任務(wù)，得到了木星上空翻騰盤旋的氣流和著名的木星大紅斑照片，隨后，又從冰雪覆蓋的木衛(wèi)三上空飛過(guò)，之后，“旅行者1號(hào)”還見(jiàn)證了木星的另外一顆衛(wèi)星木衛(wèi)一上的一次火山噴發(fā)。與此同時(shí)，“旅行者2號(hào)”正在另外一條不同的軌道上飛行，它于1981年8月抵達(dá)土星附近，開(kāi)始傳送回一系列美得令人驚艷的土星環(huán)照片。通過(guò)這些照片可以發(fā)現(xiàn)，這些像一條精心編織的項(xiàng)鏈一樣的土星環(huán)，其實(shí)是由數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的小巖石和小衛(wèi)星構(gòu)成的。大約又一個(gè)十年后，“旅行者1號(hào)”于1990年2月14日拍下了有史以來(lái)最引人注目的照片：在一片帶著顆粒感的灰色背景中，地球只是一個(gè)極其微小的小藍(lán)點(diǎn)。

在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)中，旅行者探空計(jì)劃和其他太空探測(cè)器讓人類得以在月球上漫步，遙控式地探索火星上的峽谷，窺視金星上荒涼的大漠，甚至還目睹了一顆彗星猛烈地撞入木星的大氣層。但大多數(shù)情況下，這些探測(cè)器發(fā)現(xiàn)的只是巖石——許許多多的巖石。事實(shí)上，我們可以認(rèn)為，對(duì)姐妹星球的探索其實(shí)在很大程度上是對(duì)巖石的研究。無(wú)論是“阿波羅號(hào)”上的宇航員從月球上帶回的一噸左右的礦物質(zhì)，還是美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）在“星塵”任務(wù)中發(fā)現(xiàn)的需要用顯微鏡才能看到的彗星碎片，無(wú)論是于2014年與一顆彗星直接接觸的“羅塞塔號(hào)”（Rosetta）彗星探測(cè)器，還是分析火星表面情況的“好奇號(hào)”火星探測(cè)器（Curiosity Rover），其實(shí)都是在研究各種各樣的巖石。

宇宙空間中的巖石當(dāng)然是非常有趣的東西，因?yàn)樗鼈兊慕Y(jié)構(gòu)和組成將為解答諸如太陽(yáng)系的起源、各個(gè)行星的形成以及太陽(yáng)系形成之前的宇宙事件等問(wèn)題提供線索。但是，對(duì)于大多數(shù)非地質(zhì)學(xué)家而言，一塊火星上的球粒隕石（一種石質(zhì)的非金屬隕石）和一塊來(lái)自月球的橄長(zhǎng)巖（一種鐵質(zhì)的富含磁性物質(zhì)的隕石）并沒(méi)什么太大的不同。然而，在太陽(yáng)系中卻有這樣一個(gè)地方——在這里所有構(gòu)成巖石和石頭的基本元素以多樣化的形態(tài)、功能和化學(xué)反應(yīng)結(jié)合在了一起，僅僅一克這樣的物質(zhì)就足以超越已知的宇宙空間中所有其他地方的物質(zhì)多樣性。這個(gè)地方就是“旅行者1號(hào)”拍到的那個(gè)暗淡的藍(lán)色小點(diǎn)，而我們把它叫作“地球”。最令人驚奇的是，那些讓我們的星球表面變得如此與眾不同的形形色色的原材料，還共同創(chuàng)造了生命。

生命如此美妙。我們已經(jīng)討論過(guò)知更鳥(niǎo)令人驚異的磁感應(yīng)，但這種特別的技能不過(guò)是其諸多能力中的一種而已。知更鳥(niǎo)能夠看到、嗅到、聽(tīng)到并捕捉蒼蠅；它能夠在地面或是樹(shù)杈間跳躍；它能夠飛上天空并一口氣飛行數(shù)百公里遠(yuǎn)。最令人驚嘆的是，它能夠在伴侶的一點(diǎn)點(diǎn)幫助之下，用和那些巖石成分相同的材料，創(chuàng)造出一整窩和自己相似的生物。地球上有成千上萬(wàn)億的生命體，它們具備與知更鳥(niǎo)相似的能力，還有許多其他同樣令人費(fèi)解的技能，而知更鳥(niǎo)只是這蕓蕓眾生中的滄海一粟。

另一種非常奇妙的生物當(dāng)然就是你了。凝視夜空，星光中的光子進(jìn)入你的眼睛。光子經(jīng)視網(wǎng)膜組織轉(zhuǎn)換為極其微弱的電流，沿著視神經(jīng)抵達(dá)大腦的神經(jīng)組織，并生成一種“閃爍”的神經(jīng)沖動(dòng)，讓你體驗(yàn)到自己正置身于一閃一閃的漫天繁星之下。與此同時(shí)，你的內(nèi)耳毛發(fā)細(xì)胞感受到了小于1/109個(gè)大氣壓力的輕微氣壓變化，并生成聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)信號(hào)來(lái)提醒你，微風(fēng)正拂過(guò)樹(shù)林，那聲音仿佛鳴響的口哨。幾個(gè)分子飄入你的鼻子，被特殊的嗅覺(jué)感受器捕捉到，這些分子的化學(xué)特性緊接著傳遞到你的大腦，告訴你現(xiàn)在正值夏日時(shí)光，金銀花正在盛放。此外，你的每一個(gè)微小的運(yùn)動(dòng)，無(wú)論是仰望星空，靜聽(tīng)風(fēng)吟，還是嗅聞花香，都要靠數(shù)百條肌肉協(xié)調(diào)行動(dòng)才能得以實(shí)現(xiàn)。

由人類的身體組織完成的那些機(jī)械運(yùn)動(dòng)，無(wú)論如何不同凡響，與同在一個(gè)星球上生存的其他生命體比起來(lái)，都顯得蒼白無(wú)力。切葉蟻能夠舉起30倍于自身質(zhì)量的重物，相當(dāng)于你要背起一輛小汽車。大齒猛蟻在咬合時(shí)能將大顎在0.13毫秒內(nèi)從0加速到230千米/時(shí)，而一輛F1方程式賽車要加速到相同的速度需要大概40 000倍的時(shí)間（大約5秒）。亞馬孫河電鰻能夠瞬間產(chǎn)生600伏特的致命電壓。生命的能力千奇百怪：鷹擊長(zhǎng)空，魚(yú)翔淺底，蚓食埃土，猿曳森林。還有，正如前面發(fā)現(xiàn)的那樣，包括知更鳥(niǎo)在內(nèi)的許多動(dòng)物，能夠利用地球磁場(chǎng)完成數(shù)千公里的旅程。此外，就生物合成能力而言，沒(méi)有什么能夠與地球上那多姿多彩的綠色生命相提并論。它們把空氣、水（再加一些礦物質(zhì)）的分子糅合在一起，就造出了青草、橡樹(shù)、海藻、蒲公英、地衣和高聳入云的紅杉樹(shù)。

所有的生命體都有其特別的技能和特長(zhǎng)，比如知更鳥(niǎo)的磁感應(yīng)或是大齒猛蟻的極速咬合，但有一種人類器官的表現(xiàn)可以讓其他所有生物望塵莫及。這個(gè)灰色肉質(zhì)的器官（大腦）被我們堅(jiān)硬的顱骨牢牢地保護(hù)著，其計(jì)算能力超過(guò)了世界上所有的計(jì)算機(jī)，它還創(chuàng)造了埃及金字塔、廣義相對(duì)論、《天鵝湖》、《梨俱吠陀》、《哈姆雷特》、明代的陶器和唐老鴨。而且，最令人驚嘆的一點(diǎn)是，人類大腦有能力感知到自身的存在。

生命體擁有萬(wàn)千的形態(tài)和無(wú)盡的功能，然而構(gòu)成這種極大生命多樣性的原子，與火星上那些球粒隕石中發(fā)現(xiàn)的原子幾乎完全相同。

究竟是什么將巖石中那些沒(méi)有活動(dòng)能力的原子和分子夜以繼日地轉(zhuǎn)化為能跑、能跳、能飛、能定位、能游泳、能生長(zhǎng)、能愛(ài)、能恨、能欲求、能恐懼、能思考、能哭、能笑的活生生的生物呢？這是科學(xué)界最宏大的問(wèn)題，也是本書(shū)的核心。對(duì)它這種非凡轉(zhuǎn)化現(xiàn)象的熟悉，讓我們覺(jué)得它似乎稀松平常，但請(qǐng)牢記，即使在這樣一個(gè)基因工程與合成生物學(xué)的時(shí)代，人類還從來(lái)沒(méi)能用完全非生命的物質(zhì)創(chuàng)造出生命。我們的技術(shù)至今未能成功地完成一次轉(zhuǎn)化，而即使是地球上最簡(jiǎn)單的微生物也能毫不費(fèi)力地創(chuàng)造出生命來(lái)。這個(gè)事實(shí)告訴我們，我們關(guān)于生命構(gòu)成的知識(shí)還不完善。我們可能忽略了一些元素，這些元素并不存在于非生命體中，卻是激活和維持生命必不可少的“火種”。

這并不是說(shuō)我們要宣稱存在什么能夠激活生命的原動(dòng)力、靈魂或是神奇的原料。我們的故事可比那有趣多了。我們要做的是探討最新的研究。這些研究表明，至少有一部分生命之謎的問(wèn)題會(huì)在量子力學(xué)的世界中得到解答。在那里，物體可以同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)地方，物體之間擁有幽靈般的聯(lián)結(jié)，并且可以穿越明顯無(wú)法穿透的屏障。生命似乎一只腳踩在了充斥著日常物品的經(jīng)典世界中，而另一只腳陷在了奇怪而特別的量子世界中。我們想說(shuō)的是，生命，其實(shí)生活在量子的邊緣。

我們堅(jiān)信自然法則只能用來(lái)描述基本粒子的行為，但是，動(dòng)物、植物和微生物是否也受自然法則的支配呢？當(dāng)然，就像足球、汽車或是蒸汽火車一樣，生命體同樣是由數(shù)以兆計(jì)的粒子構(gòu)成的宏觀物體，應(yīng)該充分地遵循經(jīng)典物理學(xué)規(guī)律，比如牛頓力學(xué)定律或是熱力學(xué)定律。既然如此，那我們?yōu)槭裁催€需要隱藏的量子力學(xué)世界來(lái)解釋生命物質(zhì)的奇特屬性呢？要回答這個(gè)問(wèn)題，我們需要先踏上一次短暫的科學(xué)之旅，來(lái)回顧一下科學(xué)為了理解“生命究竟有什么特別之處”所做過(guò)的努力。

活力論

生命之謎的核心在于：與一塊石頭相比，為什么物質(zhì)一旦形成生命就會(huì)表現(xiàn)得如此不同？古希臘的哲人們是探究這個(gè)問(wèn)題的第一批人。哲學(xué)家亞里士多德或許是世界上第一位偉大的科學(xué)家。他發(fā)現(xiàn)了非生命物質(zhì)的一些可靠且可預(yù)測(cè)的性質(zhì)：比如，固體具有下落的傾向，而火和水蒸氣傾向于上升；天體傾向于圍繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)。然而，生命卻大不相同：盡管很多動(dòng)物也有下落的傾向，但它們也會(huì)跑；植物可以向上生長(zhǎng)，而鳥(niǎo)兒則可以飛離地面。那么，是什么讓生命與世界上其他的東西不同呢？年代更早的哲學(xué)家蘇格拉底曾做出回答，答案記錄在其學(xué)生柏拉圖的書(shū)中：“是什么，當(dāng)其出現(xiàn)在物體體內(nèi)時(shí)，就讓它擁有了生命？答案是靈魂。”

亞里士多德同意蘇格拉底關(guān)于生命體擁有靈魂的說(shuō)法，但他認(rèn)為靈魂也有等級(jí)。最低級(jí)的靈魂附身于植物，讓植物能夠生長(zhǎng)，并從周圍吸取養(yǎng)分；動(dòng)物的靈魂更高一級(jí)，賦予其宿主感覺(jué)和運(yùn)動(dòng)的能力；只有人類的靈魂，承載著理性與智力。古代中國(guó)的哲人們持有相似的看法。他們認(rèn)為，生命體之所以活著，是有一種叫作“氣”的無(wú)形生命力在生命周身流轉(zhuǎn)。后來(lái)，世界上的主要宗教都吸收了“靈魂”這一概念，但靈魂的性質(zhì)、靈魂與身體之間的聯(lián)系等問(wèn)題卻仍然玄妙而神秘。

生命的另一個(gè)謎團(tuán)在于生命的必死性。大家普遍相信靈魂是不朽的，可為什么生命卻如此短暫？大多數(shù)文化給出的答案是，在死亡降臨時(shí)，靈魂會(huì)脫離軀體。到了1907年，美國(guó)醫(yī)生鄧肯·麥克杜格爾（Duncan MacDougall）宣稱自己能夠通過(guò)在病人死后立刻稱量其體重的方法，對(duì)比其死亡前后體重的變化，從而測(cè)量出靈魂的質(zhì)量。他的實(shí)驗(yàn)讓他相信靈魂的質(zhì)量大約為21克。但靈魂為什么非要在陪伴了我們70多年后脫離我們的身體呢？這仍是個(gè)謎。

靈魂的概念雖然不再是現(xiàn)代科學(xué)的一部分，但它至少將對(duì)生命體與非生命體的研究區(qū)分開(kāi)來(lái)，使科學(xué)家能夠心無(wú)旁騖地研究非生命體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的成因而不受神學(xué)和哲學(xué)問(wèn)題的困擾。研究“運(yùn)動(dòng)”（motions）這一概念的歷史可謂久遠(yuǎn)、復(fù)雜而又迷人，但在本章中，我們只是帶著你簡(jiǎn)要地游覽一遭。之前已經(jīng)提過(guò)，亞里士多德認(rèn)為，物體有向著地球、遠(yuǎn)離地球或圍繞地球旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)傾向，他將這些傾向統(tǒng)稱為“自然運(yùn)動(dòng)”（natural motions）。他還發(fā)現(xiàn)，固體能夠被拉、推和拋出。這些運(yùn)動(dòng)在他看來(lái)是“被動(dòng)的”（violent），而且是由另一個(gè)物體提供的某種力量發(fā)起的，比如一個(gè)投擲物體的人。但是，投擲這一動(dòng)作又是怎么產(chǎn)生的呢？或者說(shuō)鳥(niǎo)是如何飛起來(lái)的呢？似乎還有其他的原因。亞里士多德指出，與非生命體不同，生命體具有自發(fā)產(chǎn)生動(dòng)作的能力。而就上述的例子而言，產(chǎn)生動(dòng)作的就是生命體的靈魂。

一直到中世紀(jì)，亞里士多德關(guān)于“運(yùn)動(dòng)”起源的看法都占據(jù)著主導(dǎo)地位，但有趣的事情發(fā)生了。科學(xué)家們（當(dāng)時(shí)他們稱自己為自然哲學(xué)家）開(kāi)始用邏輯和數(shù)學(xué)的語(yǔ)言來(lái)表達(dá)關(guān)于非生命體運(yùn)動(dòng)的理論。大家可以爭(zhēng)論究竟誰(shuí)對(duì)這次極具效益的人類思想轉(zhuǎn)變做出了貢獻(xiàn)，但可以明確的是，中世紀(jì)阿拉伯和波斯的學(xué)者們，比如阿爾哈曾（Alhazen，965—1040）和阿維森納（Avicenna，980—1037），一定扮演過(guò)重要的角色，而之后興起的歐洲學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)，比如巴黎大學(xué)和牛津大學(xué)，延續(xù)并發(fā)展了這一潮流。

不過(guò)，這種描述世界的方法第一次結(jié)出豐碩的果實(shí)應(yīng)該是在意大利的帕多瓦大學(xué)。伽利略在那里用數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)出了簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)定律。在伽利略逝世的1642年，牛頓誕生于英格蘭的林肯郡。牛頓繼續(xù)伽利略的工作，對(duì)非生命體在力的作用下運(yùn)動(dòng)發(fā)生改變的現(xiàn)象提出了極其成功的數(shù)學(xué)表達(dá)。今天，我們將他提出的這套理論稱為“牛頓力學(xué)”。

牛頓的力在一開(kāi)始還是一個(gè)神秘的概念，但幾個(gè)世紀(jì)過(guò)去之后，人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到力與“能量”的概念密不可分。移動(dòng)物體，被描述為向碰到的靜物轉(zhuǎn)移能量，使其移動(dòng)。但是，力同樣可以在物體間遠(yuǎn)程傳遞：比如把牛頓的蘋果拉向地面的地球引力，或是讓指南針的指針旋轉(zhuǎn)的地磁力。

由伽利略和牛頓發(fā)端的偉大科學(xué)進(jìn)步在18世紀(jì)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，到19世紀(jì)末期，經(jīng)典物理學(xué)的理論框架已經(jīng)基本建成。在那個(gè)時(shí)候，科學(xué)家們已經(jīng)知道，熱和光等其他形式的能量也可以與物質(zhì)的組成（原子和分子）進(jìn)行互動(dòng)，讓物質(zhì)變熱、發(fā)光或改變顏色。物體是由微小的粒子構(gòu)成的，而這些粒子的運(yùn)動(dòng)受到重力和電磁力的控制。在19世紀(jì)晚期，蘇格蘭物理學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）證明，電力和磁力其實(shí)是同一種力（電磁力）的兩個(gè)方面。這樣一來(lái)，物質(zhì)世界，或者至少是物質(zhì)世界中的非生命體，就被分成了兩個(gè)截然不同的部分：由粒子組成的可見(jiàn)的物質(zhì)和以難以理解的方式在物質(zhì)之間作用的不可見(jiàn)的力。當(dāng)時(shí)認(rèn)為，不可見(jiàn)的力以能量波的形式在空間中傳播或是利用“力場(chǎng)”（force field）發(fā)生作用。但是，構(gòu)成生物的生命物質(zhì)又是怎么一回事呢？是什么構(gòu)成了這些生命物質(zhì)，它又是如何運(yùn)動(dòng)起來(lái)的呢？

機(jī)械論

所有的生物都是從某種超自然的物質(zhì)或是主體那里獲得了生命力，這一古老的想法確實(shí)為生物與非生物之間令人驚異的差異提供了某種解釋：生命之所以不同，是因?yàn)殪`魂而非其他平凡的機(jī)械力量在驅(qū)使其行動(dòng)。但這終歸不是令人滿意的解釋，就好像說(shuō)太陽(yáng)、月亮和恒星的運(yùn)動(dòng)是因?yàn)橛刑焓雇浦鼈冊(cè)趧?dòng)一樣。事實(shí)上，這個(gè)問(wèn)題還沒(méi)有什么真正的解釋，靈魂（和天使）的性質(zhì)依然是個(gè)十足的謎題。

17世紀(jì)時(shí)，法國(guó)哲學(xué)家勒內(nèi)·笛卡兒提出了一種全新的視角。他有感于當(dāng)時(shí)用來(lái)取悅歐洲宮廷的機(jī)械鐘表、玩具和自動(dòng)人偶，受其機(jī)械原理的啟發(fā)，革命性地宣稱植物和動(dòng)物的身體，包括人類在內(nèi)，都不過(guò)是由傳統(tǒng)材料制成的精密機(jī)械，由泵、齒輪、活塞和凸輪等機(jī)械裝置提供動(dòng)力，而這些機(jī)械裝置的動(dòng)力與支配非生命體運(yùn)動(dòng)的力量相同。笛卡兒將人類的心智排除在他的機(jī)械論之外，認(rèn)為心智是一個(gè)不朽的靈魂。笛卡兒的哲學(xué)至少嘗試著用支配非生命體的物理定律為解釋生命提供了一種科學(xué)框架。

牛頓的力學(xué)體系讓機(jī)械生物路徑傳統(tǒng)在近現(xiàn)代一直延續(xù)：物理學(xué)家威廉·哈維（William Harvey）發(fā)現(xiàn)，心臟不過(guò)是一個(gè)機(jī)械泵。一個(gè)世紀(jì)之后，法國(guó)化學(xué)家安托萬(wàn)·拉瓦錫（Antoine Lavoisier）證明，呼吸的天竺鼠消耗氧氣，呼出二氧化碳，正如燃燒燃料為新發(fā)明的蒸汽引擎提供動(dòng)力一樣。拉瓦錫據(jù)此總結(jié)道：“因此，與煤的燃燒很類似，呼吸是一種非常緩慢的燃燒現(xiàn)象。”笛卡兒可能曾經(jīng)也預(yù)言過(guò)，動(dòng)物與燃煤驅(qū)動(dòng)的火車頭沒(méi)有看起來(lái)那樣不同。而后者很快讓工業(yè)革命席卷了歐洲。

但是，驅(qū)動(dòng)蒸汽火車的力量也能讓生命運(yùn)動(dòng)嗎？要回答這個(gè)問(wèn)題，我們先要理解蒸汽火車是怎樣翻山越嶺的。

|分子臺(tái)球桌|

研究熱量與物質(zhì)相互作用的科學(xué)被稱為熱力學(xué)。該學(xué)科的核心觀點(diǎn)由19世紀(jì)奧地利物理學(xué)家路德維希·玻爾茲曼（Ludwig Boltzmann）提出，他大膽地將組成物質(zhì)的粒子看成了一大堆遵循牛頓力學(xué)定律的隨機(jī)碰撞的臺(tái)球。

試想用一根可移動(dòng)的短桿將臺(tái)球桌的表面分成兩側(cè)。包括母球在內(nèi)的所有球都在短桿的左手邊，整組臺(tái)球整齊地?cái)[成三角形。現(xiàn)在，用母球用力擊打球組，讓臺(tái)球向各個(gè)方向快速運(yùn)動(dòng)，互相撞擊，在球桌庫(kù)邊及可移動(dòng)短桿上反彈。想想短桿會(huì)發(fā)生什么：球都在左側(cè)，因此它會(huì)受到來(lái)自左側(cè)的多次撞擊，而不會(huì)受到來(lái)自空空如也的右側(cè)的撞擊。即使所有的臺(tái)球都是完全隨機(jī)地運(yùn)動(dòng)，在所有隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的臺(tái)球的推動(dòng)下，短桿也會(huì)受到一個(gè)將其向右推動(dòng)的平均力，使左側(cè)的區(qū)域擴(kuò)大，右側(cè)的區(qū)域壓縮。我們可以進(jìn)一步想象，利用這個(gè)臺(tái)球桌做一些功。比如，通過(guò)建造一個(gè)由杠桿和滑輪組成的奇巧的裝置，用短桿向右的運(yùn)動(dòng)來(lái)推動(dòng)一列玩具火車爬上一個(gè)山坡的模型。

玻爾茲曼意識(shí)到，從本質(zhì)上講，這正是熱力引擎將真實(shí)火車頭推上真實(shí)山坡的原理。別忘了，當(dāng)時(shí)正處于蒸汽時(shí)代。蒸汽機(jī)汽缸里的水分子與被母球擊散的臺(tái)球表現(xiàn)得極為相似：爐內(nèi)的熱量使它們的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)加速，使分子互相撞擊，推動(dòng)活塞更為有力地向外驅(qū)動(dòng)蒸汽機(jī)車的轉(zhuǎn)軸、齒輪、鏈條和輪子，并由此產(chǎn)生定向的運(yùn)動(dòng)。在玻爾茲曼之后又過(guò)了一個(gè)多世紀(jì)，現(xiàn)在我們自己使用的汽油機(jī)車與蒸汽機(jī)車的工作原理依然完全相同，只不過(guò)是用汽油燃燒的產(chǎn)物取代蒸汽罷了。

作為一門科學(xué)，上文中的原理正是熱力學(xué)的不凡之處。已造好的每一臺(tái)熱力引擎，其規(guī)則運(yùn)動(dòng)都是利用了數(shù)以兆計(jì)的分子與原子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的平均運(yùn)動(dòng)。不僅如此，這門科學(xué)的應(yīng)用極其普遍，不僅可以用在熱力引擎上，還發(fā)生于幾乎所有的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)反應(yīng)中：煤炭燃燒、鐵釘生銹、做飯、煉鋼、鹽在水中溶解、燒水或?qū)⒒鸺蜕显虑颉Ｋ羞@些化學(xué)過(guò)程都有熱量交換，而且在分子層面上，都是基于隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，都遵循熱力學(xué)原理。事實(shí)上，幾乎所有能使世界發(fā)生變化的非生物過(guò)程（物理的和化學(xué)的）都遵循熱力學(xué)原理，“混亂”擁有不可阻擋的力量。它不僅是熱力學(xué)的基石，也操控著洋流、風(fēng)暴、巖石風(fēng)化、森林大火、金屬腐蝕等現(xiàn)象。每一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程在我們看來(lái)可能是結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)、秩序井然的，但究其核心，所有現(xiàn)象的驅(qū)動(dòng)力都是分子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。

|生命是團(tuán)亂麻嗎|

那么生命也是如此嗎？讓我們重新回到那張臺(tái)球桌上，在游戲開(kāi)始時(shí)重新把球擺成整齊的三角形。這次，我們還要增加大量多余的球（假設(shè)球桌非常大），并讓這些球在擺成三角形的球組周圍受到猛烈的撞擊。我們也會(huì)利用由隨機(jī)碰撞推動(dòng)的短桿來(lái)做一些有用的功，只不過(guò)不是用它來(lái)驅(qū)動(dòng)玩具火車爬上小山坡，而是設(shè)計(jì)一個(gè)更加巧妙的裝置。這一次，由所有這些球碰撞所推動(dòng)的機(jī)器將做一些特別的事情：它將在混亂中使原先那組球保持整齊的三角形陣列。每當(dāng)三角形陣列中的一個(gè)球被一個(gè)隨機(jī)移動(dòng)的球撞離其原來(lái)的位置時(shí)，某種感應(yīng)裝置會(huì)探測(cè)到這一事件，并引導(dǎo)機(jī)械手臂從隨機(jī)碰撞的其他球中選擇一個(gè)相同的球，去取代三角陣列中缺失的球，來(lái)填補(bǔ)三角形中的一個(gè)空缺。

我們希望你已經(jīng)注意到，這個(gè)系統(tǒng)正在用由分子隨機(jī)碰撞產(chǎn)生的能量來(lái)使自身的一部分保持高度有序的狀態(tài)。在熱力學(xué)中，“熵”（entropy）用來(lái)描述一種缺乏秩序的狀態(tài)，因此，高度有序的狀態(tài)被描述為擁有較低的熵。因此，我們的臺(tái)球桌也可以說(shuō)是利用高熵（混亂的）碰撞的能量，來(lái)使自身的一部分，即中間擺成三角形陣列的球組，保持低熵（有序的）的狀態(tài)。

現(xiàn)在，我們先不關(guān)心如何建造這樣一種巧妙的裝置，此處的重點(diǎn)是，這個(gè)由熵驅(qū)動(dòng)的臺(tái)球桌正在做一件有趣的事情：僅僅靠著混亂的臺(tái)球運(yùn)動(dòng)，這個(gè)由臺(tái)球、球桌、短桿、感應(yīng)器和機(jī)械手臂組成的新系統(tǒng)就能夠使它的一個(gè)子系統(tǒng)保持有序的狀態(tài)。

讓我們想象另一層面的復(fù)雜性：移動(dòng)短桿的能量（我們可以將其稱為該系統(tǒng)的自由能）可以用來(lái)建造和維持感應(yīng)器和機(jī)械手臂，甚至可以用來(lái)制作最開(kāi)始用作系統(tǒng)原材料的臺(tái)球。現(xiàn)在，整個(gè)系統(tǒng)可以自我維持，而且在理論上，只要能夠持續(xù)地提供大量隨機(jī)移動(dòng)的臺(tái)球，而且有足夠的空間讓短桿繼續(xù)移動(dòng)，該系統(tǒng)就可以無(wú)限地運(yùn)作下去。

最后，除了能夠保持自身運(yùn)轉(zhuǎn)外，這個(gè)拓展系統(tǒng)還能完成一項(xiàng)令人驚異的成就：它能使用自由能來(lái)探測(cè)、捕捉和擺放臺(tái)球，并完成一份完整的自身拷貝：球桌、短桿、感應(yīng)器、機(jī)械手臂，還有擺成三角形的臺(tái)球組。這些拷貝又可以利用它們的臺(tái)球及碰撞產(chǎn)生的自由能來(lái)制造更多這樣能夠自我運(yùn)轉(zhuǎn)的裝置，然后“子子孫孫無(wú)窮匱也”……

好了，你可能已經(jīng)猜到我們要說(shuō)什么了。我們假想的這個(gè)DIY項(xiàng)目創(chuàng)造了一個(gè)由臺(tái)球驅(qū)動(dòng)的生命等價(jià)物。就像一只鳥(niǎo)、一條魚(yú)或是一個(gè)人，這個(gè)想象出來(lái)的裝置能夠通過(guò)利用隨機(jī)分子碰撞產(chǎn)生的自由能來(lái)維持并復(fù)制自己。雖然這是一項(xiàng)復(fù)雜而困難的任務(wù)，但通常認(rèn)為，其驅(qū)動(dòng)力與推動(dòng)蒸汽火車上山的動(dòng)力別無(wú)二致。在生命體中，從食物中獲得的分子相當(dāng)于臺(tái)球，雖然過(guò)程比我們所舉的這個(gè)簡(jiǎn)單例子要復(fù)雜得多，原理卻相同：分子隨機(jī)碰撞（及其化學(xué)反應(yīng)）產(chǎn)生的自由能被用來(lái)維持生命體并復(fù)制生命體。

那么，難道生命科學(xué)不過(guò)是熱力學(xué)的一個(gè)分支嗎？當(dāng)我們外出遠(yuǎn)足時(shí)，我們爬上山丘的過(guò)程與推動(dòng)蒸汽機(jī)車頭的過(guò)程是完全一樣的嗎？知更鳥(niǎo)的飛行與一發(fā)炮彈的飛行沒(méi)有區(qū)別嗎？若要追根問(wèn)底，難道生命的火種僅僅是隨機(jī)的分子運(yùn)動(dòng)嗎？要回答這些問(wèn)題，我們需要近距離觀察生命體的精密結(jié)構(gòu)。

生命科學(xué)新發(fā)現(xiàn)

|細(xì)胞|

在人類對(duì)生命精密結(jié)構(gòu)的探尋中，第一次重大的進(jìn)步來(lái)自17世紀(jì)的“自然哲學(xué)家”羅伯特·胡克（Robert Hooke）與荷蘭顯微鏡研究者安東·列文虎克（Anton van Leeuwenhoek）。在自己發(fā)明的原始顯微鏡下，胡克看到了軟木塞薄切片中他稱為“細(xì)胞”（cell）的結(jié)構(gòu)，而列文虎克則在池塘的水滴中發(fā)現(xiàn)了他稱為“微動(dòng)物”（animalcule）而現(xiàn)在稱為單細(xì)胞生物的生命體。列文虎克還觀察到了植物細(xì)胞、血紅細(xì)胞，甚至還包括精子。后來(lái)，我們知道所有的活體組織都可以分為這樣的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，而細(xì)胞就像是構(gòu)成生命體的磚塊。德國(guó)醫(yī)生、生物學(xué)家、病理學(xué)家魯?shù)婪颉の籂栃ぃ≧udolf Virchow）在1858年的著作中寫道：

一棵樹(shù)是由物質(zhì)按照一定的秩序組成的。無(wú)論是樹(shù)葉還是樹(shù)根，無(wú)論是樹(shù)干還是花朵，在樹(shù)的每一部分中，細(xì)胞都是最基本的元素。同理，動(dòng)物生命的形態(tài)也是如此。每一只動(dòng)物都是一群生命單位的集合，而每個(gè)單位都展現(xiàn)出生命全部的特性。

在功能日益強(qiáng)大的顯微鏡的輔助下，人類對(duì)活細(xì)胞的研究逐步深入，細(xì)胞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也顯示出高度的復(fù)雜性。每個(gè)細(xì)胞的中心都有填充著染色體的細(xì)胞核，細(xì)胞核的周圍包裹著細(xì)胞質(zhì)，細(xì)胞質(zhì)中又鑲嵌著細(xì)胞器。就像人體的器官一樣，細(xì)胞器也在細(xì)胞內(nèi)部執(zhí)行著特殊的功能。比如，被稱為線粒體的細(xì)胞器在人體細(xì)胞內(nèi)具有呼吸的功能，而葉綠體在植物細(xì)胞內(nèi)負(fù)責(zé)進(jìn)行光合作用。總體來(lái)講，細(xì)胞就像一個(gè)忙碌的制造廠的縮影。

但究竟是什么讓細(xì)胞持續(xù)運(yùn)作？又是什么讓細(xì)胞有了生命？起初，普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為，細(xì)胞內(nèi)充斥著“生命力”，本質(zhì)上就是亞里士多德所說(shuō)的靈魂。后來(lái)，在19世紀(jì)的大多數(shù)時(shí)間里，對(duì)活力論（vitalism）的信仰又持續(xù)占據(jù)主流。活力論認(rèn)為，活體生物的生命來(lái)自一種在非生命體中不存在的力。在活力論的視角下，細(xì)胞里充盈著一種被稱為“原生質(zhì)”（protoplasm）的神秘活性物質(zhì)，而對(duì)原生質(zhì)的描述也渲染著神秘主義色彩。

但是，19世紀(jì)幾位科學(xué)家的工作使活力論土崩瓦解。他們成功地證明從活細(xì)胞中分離出的化學(xué)物質(zhì)與實(shí)驗(yàn)室合成的完全相同。比如，1828年德國(guó)化學(xué)家弗里德里希·維勒（Friedrich W?hler）成功地合成了尿素，而之前認(rèn)為這種生物化學(xué)物質(zhì)只存在于活細(xì)胞中。路易·巴斯德（Louis Pasteur）甚至利用活細(xì)胞的提取液（后來(lái)被稱為酶），成功地重現(xiàn)了發(fā)酵等化學(xué)變化，而之前認(rèn)為只有生命體才能做到這樣的事情。隨著科學(xué)進(jìn)步，人們發(fā)現(xiàn)組成生命體的物質(zhì)似乎與構(gòu)成非生命體的化學(xué)物質(zhì)是相同的，并因此遵循相同的化學(xué)規(guī)律。活力論漸漸讓位于機(jī)械論。

到19世紀(jì)末期，生物化學(xué)家可以說(shuō)完全擊敗了活力論者。細(xì)胞被視為裝著各種生物化學(xué)物質(zhì)并進(jìn)行著各種復(fù)雜反應(yīng)的袋子，同時(shí)像玻爾茲曼所描述的那樣，以與臺(tái)球類似的隨機(jī)分子運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)。人們普遍相信，生命實(shí)際上不過(guò)是熱力學(xué)的進(jìn)一步拓展。但僅有一個(gè)方面除外，而這一方面可以說(shuō)是最重要的一個(gè)方面了。

|基因|

無(wú)論是一只知更鳥(niǎo)、一株杜鵑花還是一個(gè)人，活體生物能夠忠實(shí)地遵循指令復(fù)制出另一個(gè)自己的能力，幾百年來(lái)一直讓人極其費(fèi)解。在1653年的《第51號(hào)實(shí)習(xí)報(bào)告》中，威廉·哈維寫道：

雖然眾所周知，胚胎的起源與誕生來(lái)自雄性與雌性，就像公雞與母雞合作產(chǎn)出了雞蛋，而雞蛋又生出了小雞，但是，沒(méi)有一個(gè)學(xué)派的醫(yī)生或者亞里士多德那明察秋毫的大腦，能夠說(shuō)明公雞和它的“種子”是如何讓小雞破殼而出的。

兩個(gè)世紀(jì)以后，奧地利修道士與植物學(xué)家格雷戈?duì)枴っ系聽(tīng)枺℅regor Mendel）為該問(wèn)題給出了部分解答。大約是在1850年，孟德?tīng)栐诓紶栔Z奧古斯丁修道院的菜園里種植豌豆。他的觀察讓他認(rèn)為，像花的顏色或是豌豆的形狀等性狀是由可遺傳的“因素”決定的，這些“因素”可以不經(jīng)改變地從一代傳向下一代。孟德?tīng)査^的“因素”提供了一個(gè)讓豌豆得以流傳幾百代而性征保持不變的遺傳信息庫(kù)，或者說(shuō)正是通過(guò)這個(gè)遺傳信息庫(kù)使“公雞和它的‘種子’讓小雞破殼而出”。

孟德?tīng)柕墓ぷ鞅凰瑫r(shí)代的大多數(shù)學(xué)者所忽視，其中包括達(dá)爾文。一直到20世紀(jì)早期，孟德?tīng)枌W(xué)說(shuō)才重新受到重視。孟德?tīng)査f(shuō)的“因素”后來(lái)被稱為“基因”，并很快被不斷發(fā)展的20世紀(jì)機(jī)械論生物學(xué)所吸收。不過(guò)，雖然孟德?tīng)栐f(shuō)明這些遺傳單位一定存在于活細(xì)胞內(nèi)部，但從來(lái)沒(méi)有人真正見(jiàn)過(guò)這些遺傳單位或是知道它們的構(gòu)成成分。然而，到了1902年，美國(guó)遺傳學(xué)家沃爾特·薩頓（Walter Sutton）發(fā)現(xiàn)，一種叫作“染色體”的細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)遵循孟德?tīng)柺健耙蛩亍钡倪z傳規(guī)律，他據(jù)此提出基因位于染色體上。

但相對(duì)而言，染色體體積較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括了蛋白質(zhì)、糖和一種名為脫氧核糖核酸（DNA）的生物化學(xué)物質(zhì)。就算這些物質(zhì)真的具有遺傳性，最開(kāi)始也并不清楚究竟哪種成分具備這樣的功能。到了1943年，加拿大科學(xué)家?jiàn)W斯瓦爾德·艾弗里（Oswald Avery）通過(guò)從供體細(xì)胞中提取DNA并注入受體細(xì)胞中，成功地將一組基因從一個(gè)細(xì)菌細(xì)胞轉(zhuǎn)移到了另一個(gè)細(xì)菌細(xì)胞。這個(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，在染色體中攜帶所有關(guān)鍵遺傳信息的物質(zhì)，是DNA，而不是蛋白質(zhì)或是其他生物化學(xué)物質(zhì)。在那個(gè)時(shí)候，埃弗里的實(shí)驗(yàn)并不被當(dāng)作DNA是遺傳物質(zhì)的決定性證據(jù)——爭(zhēng)論一直持續(xù)到克里克和沃森的時(shí)代。大家覺(jué)得DNA似乎也沒(méi)什么神奇的，不過(guò)是一種普通的化學(xué)物質(zhì)。

因此，問(wèn)題依然沒(méi)有得到解決：這一切究竟是怎么運(yùn)轉(zhuǎn)的？一種化學(xué)物質(zhì)是如何傳遞使“公雞和它的‘種子’讓小雞破殼而出”所需的信息的？基因又是如何從一代復(fù)制繁衍到下一代的？以玻爾茲曼的熱力學(xué)為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)化學(xué)似乎無(wú)法解釋基因?yàn)槭裁茨軌騼?chǔ)存、復(fù)制和精確地傳遞遺傳信息。

答案終于在1953年揭曉，這在科學(xué)史上非常著名。當(dāng)時(shí)，詹姆斯·沃森（James Watson）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick）在劍橋的卡文迪什實(shí)驗(yàn)室與他們的同事羅莎琳德·富蘭克林（Rosalind Franklin）成功地設(shè)計(jì)出了一個(gè)能與從DNA中獲得數(shù)據(jù)相匹配的結(jié)構(gòu)模型：雙螺旋結(jié)構(gòu)。

每條DNA鏈都由一串由磷、氧原子及叫作脫氧核糖的糖類分子組成，在分子鏈上還像念珠一樣分布著叫作核苷酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)。核苷酸“念珠”有四種變體：腺嘌呤（adenine，縮寫為A）、鳥(niǎo)嘌呤（guanine，縮寫為G）、胞嘧啶（cytosine，縮寫為C）和胸腺嘧啶（thymine，縮寫為T）。因此，這些核苷酸沿著DNA鏈的排列就提供了一種一維的“遺傳字母”序列，比如“GTCCATTGCCCGTATTACCG”。

弗朗西斯·克里克第二次世界大戰(zhàn)時(shí)曾在英國(guó)海軍部（負(fù)責(zé)指揮皇家海軍的部門）服役，因此我們也就不難理解他可能對(duì)密碼比較熟悉，因?yàn)楫?dāng)時(shí)德國(guó)恩尼格碼密碼機(jī)（Enigma）加密過(guò)的文件都會(huì)送去布萊奇利園解碼。不管怎樣，當(dāng)克里克一看到DNA序列時(shí)，他就立刻意識(shí)到這是密碼，是一條提供重要遺傳指令的信息序列。而且，正如我們將在第6章進(jìn)一步討論的那樣，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)還解決了遺傳信息的復(fù)制問(wèn)題。電光火石間，科學(xué)界的兩大謎題就解決了。

DNA結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)為解鎖基因之謎提供了一把機(jī)械論的鑰匙。基因是化學(xué)物質(zhì)，而化學(xué)不過(guò)是熱力學(xué)，那么，是不是說(shuō)雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)最終將生命完全帶入了經(jīng)典科學(xué)的王國(guó)呢？

|合成生物學(xué)|

在劉易斯·卡羅爾（Lewis Carroll）的《愛(ài)麗絲夢(mèng)游仙境》中，有一只能隨時(shí)現(xiàn)身隨時(shí)消失的柴郡貓，在消失后只留下它那咧嘴的笑臉。愛(ài)麗絲評(píng)論道：“我常常看見(jiàn)沒(méi)有笑臉的貓，可還從沒(méi)見(jiàn)過(guò)沒(méi)有貓的笑臉呢。”許多生物學(xué)家面對(duì)著相似的困境。就算知道了活細(xì)胞中熱力學(xué)如何運(yùn)作、基因如何編碼合成細(xì)胞所需的信息，“生命究竟是什么”的謎題依然未得到解決，就好像一直在對(duì)著他們笑的柴郡貓一樣。

生命的第一個(gè)謎題是在每個(gè)活細(xì)胞內(nèi)生化反應(yīng)的極度復(fù)雜性。當(dāng)化學(xué)家要生產(chǎn)一種氨基酸或糖類時(shí)，他們幾乎總是一次只合成一種產(chǎn)品，通過(guò)精心地控制該制備實(shí)驗(yàn)的條件，比如溫度和不同原料的濃度，來(lái)優(yōu)化對(duì)目標(biāo)化合物的合成。這可不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的工作，需要對(duì)定制的長(zhǎng)頸瓶、冷凝器、分離柱、過(guò)濾器及其他復(fù)雜的化學(xué)儀器內(nèi)部許多不同的條件進(jìn)行精細(xì)的控制。然而，你體內(nèi)的每個(gè)活細(xì)胞中，在一個(gè)僅僅容納著一微升液體的百萬(wàn)分之幾的單一反應(yīng)室內(nèi)，正在馬不停蹄地合成著數(shù)以千計(jì)各不相同的生化物質(zhì)。這些不同的反應(yīng)是如何同時(shí)發(fā)生的？所有的分子活動(dòng)如何在一個(gè)小小的細(xì)胞內(nèi)協(xié)調(diào)運(yùn)作？這些問(wèn)題正是新興的科學(xué)分支“系統(tǒng)生物學(xué)”所關(guān)注的焦點(diǎn)。但是坦白地說(shuō)，這些問(wèn)題的答案依然迷霧重重。

生命的另一個(gè)謎題是死亡。化學(xué)反應(yīng)的一個(gè)特征是它們總是可逆的。我們可以按這樣的方向?qū)懴路匠淌剑旱孜铩a(chǎn)物。但是，該反應(yīng)的逆反應(yīng)：產(chǎn)物→底物，也在同時(shí)發(fā)生著。只不過(guò)在一定的條件下，總有一個(gè)方向會(huì)傾向于占據(jù)主導(dǎo)地位。實(shí)際上，我們總能找到一套傾向于逆反應(yīng)的反應(yīng)條件。比如，當(dāng)化石燃料在空氣中燃燒時(shí)，底物是碳和氧氣，產(chǎn)物只有溫室氣體二氧化碳。通常，這個(gè)反應(yīng)被看作是一個(gè)不可逆反應(yīng)。但是，某些碳捕捉技術(shù)正在試圖利用其他能源將這一過(guò)程逆轉(zhuǎn)，推動(dòng)反應(yīng)向相反方向發(fā)展。比如，伊利諾伊大學(xué)的里奇·馬塞爾（Rich Masel）成立了一個(gè)名為“二氧材料”（Dioxide Materials）的公司，致力于使用電能將大氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化為汽車燃料。

生命卻迥然不同。還從沒(méi)有人發(fā)現(xiàn)過(guò)能使下面的反應(yīng)發(fā)生的條件：死細(xì)胞→活細(xì)胞。正是這個(gè)謎題讓我們的祖先提出了靈魂的概念。我們不再相信一個(gè)細(xì)胞中會(huì)包含任何形式的靈魂，但是當(dāng)一個(gè)細(xì)胞或是一個(gè)人死去時(shí)，不可逆轉(zhuǎn)地失去的東西又是什么呢？

此時(shí)，你可能會(huì)想：新興的合成生物學(xué)不是飽受贊譽(yù)嗎？那門學(xué)科的研究者難道沒(méi)有掌握生命之謎的鑰匙嗎？合成生物學(xué)最著名的實(shí)踐者可能要數(shù)基因組測(cè)序的先驅(qū)克雷格·文特爾（Craig Venter）了，他在2010年宣稱自己創(chuàng)造出了人造生命，并由此掀起了一場(chǎng)科學(xué)風(fēng)暴。他的工作在世界各地登上了新聞?lì)^條，并激起了人們對(duì)人造新物種將會(huì)占領(lǐng)地球的恐慌。

但文特爾和他的團(tuán)隊(duì)不過(guò)是修飾了一個(gè)現(xiàn)存的生命形態(tài)，而不是完完全全地創(chuàng)造了一個(gè)新的生命。他們選擇了一種能使山羊得病的名為絲狀支原體（Mycoplasma mycoides）的致病菌，先是合成了該致病菌整套基因組的DNA，然后將合成的DNA基因組注入到一個(gè)活菌細(xì)胞內(nèi)，并非常巧妙地誘導(dǎo)該活菌將自己原先那條單一的染色體替換成合成的DNA。

毫無(wú)疑問(wèn)，這項(xiàng)工作絕對(duì)是一項(xiàng)技術(shù)上的杰作。實(shí)驗(yàn)中的細(xì)菌染色體包含了180萬(wàn)個(gè)遺傳字母，而且所有的遺傳密碼都需要按照正確的序列精確地串在一起。但是，我們每個(gè)人都能毫不費(fèi)力地將食物中的惰性化學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為自己身上鮮活的血肉，而從本質(zhì)上講，這些科學(xué)家所做的轉(zhuǎn)化與我們的日常行為別無(wú)二致。

文特爾和他的團(tuán)隊(duì)成功地合成并插入了細(xì)菌染色體的替代物，為合成生物學(xué)開(kāi)啟了一片全新的天地，在本書(shū)的結(jié)語(yǔ)中，我們會(huì)重新來(lái)看這部分內(nèi)容。這項(xiàng)技術(shù)很有可能將衍生出制備藥品、種植莊稼、分解污染更有效率的方法。但在這些及其他許多相似的實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家并沒(méi)有創(chuàng)造出新的生命。盡管有了文特爾的成就，生命的根本謎題一直還在對(duì)著我們笑。

諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman）因?yàn)橐恢眻?jiān)持如下的觀點(diǎn)而為人所稱道：“凡是我們做不出來(lái)的，就是我們還不理解的。”按照這個(gè)定義，我們還不理解生命，因?yàn)槲覀冞€從未能夠創(chuàng)造出生命。我們能夠混合生化物質(zhì)、加熱它們、照射它們，我們甚至能像瑪麗·雪萊（Mary Shelley）筆下的弗蘭肯斯坦一樣，用電來(lái)使它們具有生機(jī)，但是，我們要想創(chuàng)造生命，就只能將這些生化物質(zhì)注射到活細(xì)胞中，或是吃下它們，讓它們成為我們身體的一部分。

每一秒都有數(shù)以兆計(jì)的最低級(jí)的微生物毫不費(fèi)力地創(chuàng)造著生命，那我們?yōu)槭裁淳妥霾坏侥兀课覀兪侨绷耸裁丛蠁幔?0多年前，著名物理學(xué)家埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr?dinger）也曾思考過(guò)這一問(wèn)題，他那令人驚異的答案與本書(shū)的主旨十分契合。要想知道對(duì)這個(gè)生命最深?yuàn)W的謎題，為什么薛定諤的解答直到現(xiàn)在還依然具有非凡的革命性，我們需要回到20世紀(jì)初，回到那個(gè)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)還未被發(fā)現(xiàn)的年代，而彼時(shí)的物理學(xué)界正發(fā)生著翻天覆地的變化。

量子力學(xué)，物理學(xué)的一場(chǎng)革命

在18～19世紀(jì)的啟蒙運(yùn)動(dòng)期間，科學(xué)知識(shí)的大爆炸催生了牛頓力學(xué)、電磁學(xué)與熱力學(xué)，并向世人展示，從炮彈到鐘表，從風(fēng)暴到蒸汽火車，從擺錘到行星，只要物理學(xué)的這三個(gè)領(lǐng)域合力，就能成功地描繪這個(gè)世界上所有日常宏觀物體與現(xiàn)象的運(yùn)動(dòng)與行為。但到了19世紀(jì)末20世紀(jì)初，當(dāng)物理學(xué)家將他們的注意力轉(zhuǎn)向物質(zhì)的微觀組成（原子和分子）時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)熟悉的定律不再適用。物理學(xué)需要一場(chǎng)革命。

|“量子”概念的提出|

革命的第一個(gè)重大突破性進(jìn)展是“量子”概念的提出。1900年12月14日，德國(guó)物理學(xué)家馬克斯·普朗克在德國(guó)物理學(xué)會(huì)的一次研討會(huì)上展示了他的研究成果，而這個(gè)日子也被廣泛認(rèn)為是量子理論的誕生之日。

當(dāng)時(shí)傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為，與其他形式的能量類似，熱輻射在空間中以波的形式進(jìn)行傳播。問(wèn)題在于，波理論無(wú)法解釋某些發(fā)熱物體的能量輻射現(xiàn)象。因此，普朗克提出了一種全新的觀點(diǎn)，認(rèn)為這些發(fā)熱體表面的物質(zhì)在以一定的離散頻率振動(dòng)，導(dǎo)致熱能只能通過(guò)微小而離散的能量團(tuán)進(jìn)行輻射，而且這些能量團(tuán)不可以再分，普朗克稱其為“量子”。普朗克的簡(jiǎn)單理論大獲成功，卻背離了經(jīng)典輻射理論，因?yàn)楹笳哒J(rèn)為能量具有連續(xù)性。普朗克的理論表明，從物質(zhì)中流出的能量并不像從水龍頭里連續(xù)不斷地流出的水柱那樣，而是更像從龍頭里緩慢滴出的水滴，像一個(gè)個(gè)離散的、不可再分的“包裹”一樣傳播。

對(duì)“能量團(tuán)塊化”這個(gè)想法，普朗克自己也從未感到很滿意。但就在他提出量子理論五年之后，愛(ài)因斯坦拓展了他的理論，并提出包括光在內(nèi)的所有電磁輻射都是“量子化”的，而非連續(xù)的，光以我們稱為“光子”的離散的“包裹”或粒子的形式存在。愛(ài)因斯坦指出，以這種方式來(lái)思考“光”，能夠解釋一個(gè)長(zhǎng)期以來(lái)困擾物理學(xué)家的現(xiàn)象——在高于特定頻率的電磁波照射下，光可以將物質(zhì)內(nèi)部的電子激發(fā)出來(lái)，即“光電效應(yīng)”。正是這項(xiàng)成就，而不是他那更廣為人知的廣義相對(duì)論，讓愛(ài)因斯坦獲得了1921年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

但是，也有大量的證據(jù)表明光的行為像是擴(kuò)散和連續(xù)的波。那么光怎么可以既像團(tuán)塊又像波呢？這在當(dāng)時(shí)看來(lái)，似乎不合情理，至少在經(jīng)典物理學(xué)的框架內(nèi)是說(shuō)不通的。

|玻爾的貢獻(xiàn)|

革命的第二大步由丹麥物理學(xué)家尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）邁出。1912年，他與歐內(nèi)斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）一起在英國(guó)曼徹斯特工作。盧瑟福剛剛提出了著名的原子行星模型，認(rèn)為原子的中心有一個(gè)極小而致密的原子核，周圍環(huán)繞著更加微小的、在軌道中旋轉(zhuǎn)的電子。但沒(méi)有人可以解釋為什么原子可以保持穩(wěn)定。根據(jù)傳統(tǒng)的電磁理論，當(dāng)繞著帶正電的原子核旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶負(fù)電的電子會(huì)持續(xù)地釋放光能。如果這樣，電子會(huì)失去能量并很快（小于萬(wàn)億分之一秒）朝著原子核螺旋向內(nèi)移動(dòng)，導(dǎo)致原子塌縮。但事實(shí)上，電子并沒(méi)有發(fā)生這種情況。那么，它們玩的是什么把戲呢？

為了解釋原子的穩(wěn)定性，玻爾認(rèn)為，電子并不能自由地占據(jù)原子核外的任意軌道，而是只能占據(jù)某些固定的或量子化的軌道。電子只能從一個(gè)軌道躍遷到下一個(gè)較低的軌道，并釋放與兩個(gè)軌道的能級(jí)差完全相同的一團(tuán)電磁能（一個(gè)光子），也就是量子。相應(yīng)地，如果電子躍遷到一個(gè)更高的軌道上，就需要吸收一個(gè)具有相應(yīng)能級(jí)差的光子的能量。

用吉他和小提琴演奏音符的類比，或許可以將經(jīng)典理論與量子理論之間的差別形象化，并解釋為什么電子只能占據(jù)原子中某些固定的軌道。當(dāng)小提琴手演奏一個(gè)音符時(shí)，他會(huì)用一根手指將一根弦壓在琴頸的指板上，使弦變短，然后運(yùn)弓拉琴，使弦振動(dòng)。較短的琴弦能以更高的頻率（每秒振動(dòng)更多次）振動(dòng)，演奏音調(diào)更高的音符，與之相反，較長(zhǎng)的琴弦會(huì)以更低的頻率（每秒振動(dòng)更少次）振動(dòng)，演奏音調(diào)更低的音符。

在繼續(xù)行文之前，我們要簡(jiǎn)單地介紹一下量子力學(xué)的基本性質(zhì)之一，那就是頻率與能量緊密相關(guān)。在引言中我們已經(jīng)提到，亞原子粒子同時(shí)具有波的性質(zhì)，像所有擴(kuò)散的波一樣，它們也有自己的波長(zhǎng)和頻率。快速的振動(dòng)（或波頻）比慢速的振動(dòng)具有更多的能量——就像你的滾筒甩干機(jī)一樣，為了得到足夠的能量將衣服里的水甩干，滾筒必須以很高的頻率（速率）旋轉(zhuǎn)。

現(xiàn)在回頭說(shuō)說(shuō)小提琴的事。依照演奏者手指到琴弦固定端長(zhǎng)度的不同，音符的音高（振動(dòng)頻率）可以連續(xù)變化。這就像一個(gè)“古典”理論下的波可以有任意的波長(zhǎng)（兩個(gè)連續(xù)波峰之間的距離）。所以，在此我們將小提琴定義為“古典”樂(lè)器——不是古典音樂(lè)的“古典”，而是非量子理論的經(jīng)典物理學(xué)的“古典”。當(dāng)然，這也說(shuō)明了為什么要拉好小提琴非常困難，因?yàn)橐魳?lè)家為了得到一個(gè)準(zhǔn)確的音必須精確地知道要把手指放在什么位置。

但吉他的琴頸卻不一樣，吉他沿著琴頸會(huì)有一些“品”——在琴頸上間隔分布的一些金屬，凸出于指板但并沒(méi)有接觸到琴弦。因此，當(dāng)一名吉他手將他的手指壓在弦上時(shí)，弦也同時(shí)壓在了品上，讓品而非手指暫時(shí)成了弦的末端。此時(shí)彈撥琴弦，所彈音符的音高僅僅由品到琴橋之間的這段琴弦振動(dòng)而產(chǎn)生。品的數(shù)量是有限的，也就意味著只有一定數(shù)量的、間斷的音符可以在吉他上演奏。在彈撥琴弦時(shí)，調(diào)整在兩個(gè)品之間手指的位置并不會(huì)改變彈出的音符。因此，吉他更像是“量子”樂(lè)器。此外，根據(jù)量子理論，頻率和能量是相關(guān)的，那么振動(dòng)的吉他弦就一定具有間斷而非連續(xù)的能量。與此相類似，電子之類的基本粒子，只能擁有特定的波頻，每種擁有特定的能量層級(jí)。當(dāng)電子從一個(gè)能量層級(jí)躍遷到另一個(gè)能量層級(jí)時(shí)，它必須吸收或釋放與其躍遷前后能級(jí)差相對(duì)應(yīng)的輻射。

|海森堡不確定性原理|

到了20世紀(jì)20年代中期，歐洲的幾位物理學(xué)家狂熱地追求一個(gè)能夠更加完善而一致地描述亞原子世界的數(shù)學(xué)理論。彼時(shí)的玻爾已經(jīng)回到了哥本哈根，他也是追求數(shù)學(xué)理論的狂熱者之一。他們這個(gè)群體中最聰明的人是一位來(lái)自德國(guó)的年輕天才——維爾納·海森堡（Werner Heisenberg）。1925年的夏天，從一次花粉癥發(fā)作中恢復(fù)過(guò)來(lái)的海森堡在一個(gè)名為黑爾戈蘭島的德國(guó)小島上養(yǎng)病，其間，他在構(gòu)建用來(lái)描述原子世界的數(shù)學(xué)體系時(shí)取得了重大進(jìn)展。但這是一種非常奇怪的數(shù)學(xué)表達(dá)，而這個(gè)表達(dá)所描述的原子行為更加離奇。比如，海森堡認(rèn)為，如果我們不是正在測(cè)量，那么我們將無(wú)法說(shuō)出原子中電子的準(zhǔn)確位置，不僅如此，由于電子以一種不可知的模糊方式運(yùn)行，電子本身就沒(méi)有一個(gè)確定的位置。

海森堡因此被迫得出結(jié)論，原子世界是一個(gè)幽靈般非實(shí)質(zhì)的地方，只有當(dāng)我們架起測(cè)量設(shè)備與之互動(dòng)時(shí)，它才能固定下來(lái)，成為真實(shí)的存在。這正是我們?cè)谝灾泻?jiǎn)要介紹的量子測(cè)量過(guò)程。海森堡指出，這個(gè)過(guò)程只能揭示那些可以用特殊設(shè)備測(cè)量的特征——就像汽車儀表盤上各個(gè)獨(dú)立的工具，只能給出汽車運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)某一方面的信息，比如速度、已行駛的距離或是引擎的溫度。因此，我們可以設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)量某一時(shí)間點(diǎn)上電子的精確位置；我們也可以設(shè)計(jì)一個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)量同一個(gè)電子的速度。但是，海森堡從數(shù)學(xué)上論證，要想設(shè)計(jì)單一的實(shí)驗(yàn)，按照我們的意愿同時(shí)測(cè)量一個(gè)電子的位置和其移動(dòng)的速度是不可能的。1927年，這個(gè)概念被簡(jiǎn)要地概括為著名的“海森堡不確定性原理”（Heisenberg Uncertainty Principle），其在世界各地的實(shí)驗(yàn)室中被反復(fù)證明。到現(xiàn)在為止，它依然是整個(gè)科學(xué)界最重要的創(chuàng)見(jiàn)之一，也是量子力學(xué)的一塊基石。

|薛定諤波動(dòng)方程|

1926年1月，幾乎在海森堡發(fā)展自己理論的同一時(shí)間，奧地利物理學(xué)家埃爾溫·薛定諤寫了一篇論文，為原子描繪了一幅迥然不同的圖景。在論文中，薛定諤提出了一個(gè)數(shù)學(xué)方程，也就是現(xiàn)在廣為人知的“薛定諤波動(dòng)方程”。該方程并沒(méi)有描述粒子的運(yùn)動(dòng)而是描述了波進(jìn)化的方式。與海森堡不同，在薛定諤的論文里，電子并不是一個(gè)在原子內(nèi)繞原子核軌道運(yùn)動(dòng)的、位置不可知的、模模糊糊的粒子，而是在原子內(nèi)傳播的波。海森堡相信，如果不去測(cè)量，我們完全不可能畫(huà)出電子的肖像，而薛定諤則更喜歡將沒(méi)有被觀測(cè)的電子想象成一個(gè)真實(shí)的物質(zhì)波，只不過(guò)我們一觀測(cè)，就會(huì)“塌縮”為一個(gè)離散的粒子。薛定諤的原子理論后來(lái)成了波動(dòng)力學(xué)（wave mechanics），而薛定諤方程也以描述原子內(nèi)波的進(jìn)化和運(yùn)動(dòng)而聞名。今天，我們認(rèn)為海森堡與薛定諤的理論是對(duì)量子力學(xué)的兩種不同的數(shù)學(xué)解讀，在各自的視角下，他們都是正確的。

無(wú)論是炮彈、蒸汽機(jī)車還是行星，每一樣都由數(shù)以兆計(jì)的粒子構(gòu)成，當(dāng)我們?cè)噲D描述這些普通物體的運(yùn)動(dòng)時(shí)，求解需要用到基于牛頓定律的一組數(shù)學(xué)方程。但是，如果我們需要描述的系統(tǒng)屬于量子世界時(shí)，我們需要用到的就是薛定諤波動(dòng)方程了。這兩套方法有一個(gè)深刻的不同之處。在牛頓世界中，運(yùn)動(dòng)方程的解是一個(gè)或一組數(shù)字，能夠確定一個(gè)物體在給定時(shí)間點(diǎn)上的精確位置。而在量子世界中，薛定諤方程的解是一個(gè)被稱為波動(dòng)方程的數(shù)學(xué)量，該方程不會(huì)告訴我們一個(gè)電子在一個(gè)特定時(shí)間點(diǎn)上的確定位置，但是，它會(huì)提供一個(gè)數(shù)集來(lái)描述：當(dāng)我們?nèi)ひ掃@個(gè)電子時(shí)，該電子在不同位置出現(xiàn)的概率各有多大。

當(dāng)然，你可能會(huì)有這樣的第一反應(yīng)：這樣的結(jié)果可不夠好，僅僅告訴我們電子可能出現(xiàn)在哪里聽(tīng)起來(lái)并不像是那么有用的信息。你可能很想知道電子的確切位置。但是，與一個(gè)在空間中永遠(yuǎn)占據(jù)一個(gè)確定位置的經(jīng)典物體不同，只要不去測(cè)量，一個(gè)電子就會(huì)同時(shí)出現(xiàn)在多個(gè)地方。量子波動(dòng)方程覆蓋整個(gè)空間，這意味著在描述電子時(shí)，我們所能做的極限就是算出一個(gè)數(shù)集來(lái)描述電子同時(shí)存在于空間中各點(diǎn)的概率，而不是在一個(gè)單一的位置找到電子。然而，我們必須要意識(shí)到，量子概率并不意味著我們的知識(shí)存在缺陷，我們也無(wú)法通過(guò)獲得更多的信息來(lái)彌補(bǔ)這一“缺陷”，因?yàn)榱孔痈怕时旧砭褪亲匀唤缭谖⒂^層面的根本性質(zhì)之一。

假設(shè)一個(gè)珠寶大盜剛剛獲得了假釋，被放出監(jiān)獄。但他并沒(méi)有痛改前非，而是舊習(xí)難改，很快重操舊業(yè)，開(kāi)始在全城入室行竊。通過(guò)研究地圖，警察能夠追蹤到自釋放之日起他大致的行蹤。雖然警察不能指出任一時(shí)間點(diǎn)上他確切的位置，但是他們能夠大致確定他在城市的不同地區(qū)行竊的概率。

開(kāi)始時(shí)，靠近監(jiān)獄的住宅區(qū)風(fēng)險(xiǎn)最大，但是隨著時(shí)間的推移，面臨風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域會(huì)逐漸變大。而且，根據(jù)該盜賊過(guò)去選擇行竊目標(biāo)的特點(diǎn)，警察也有一定的信心推斷，更富裕、擁有更昂貴珠寶的區(qū)域比相對(duì)較窮的區(qū)域面臨著更大的風(fēng)險(xiǎn)。這個(gè)擴(kuò)散全城的“單人犯罪波”可以被看作是一個(gè)概率波。在不可感知、沒(méi)有事實(shí)支撐的情況下，一組抽象的數(shù)字就被分配給了這座城市的不同區(qū)域。與此相類似，波動(dòng)方程會(huì)從電子上一次被觀測(cè)到的點(diǎn)開(kāi)始擴(kuò)散。通過(guò)計(jì)算波動(dòng)方程在不同時(shí)間、不同地點(diǎn)的值，可以讓我們推測(cè)電子下一次會(huì)以多大的概率出現(xiàn)在哪里。

如果警察依照線報(bào)采取行動(dòng)，在盜賊肩上背著贓物從窗戶中爬出時(shí)抓他個(gè)正著，那么又該如何解釋呢？在這一瞬間，警察描述盜賊行蹤的概率分布，迅速塌縮到一個(gè)確定的位置，此時(shí)，這個(gè)盜賊一定不可能再出現(xiàn)在其他地方。同樣，如果電子在一個(gè)確定的位置被檢測(cè)到，其波動(dòng)方程也會(huì)瞬間改變。在檢測(cè)到電子的瞬間，在其他地方發(fā)現(xiàn)該電子的概率就變?yōu)榱恪?/p>

然而，這個(gè)類比也有不貼切的地方。在抓到竊賊之前，警察只能給盜賊的行蹤分配概率，他們這么做，是因?yàn)槿狈π畔ⅰ．吘梗摫I賊一次只能出現(xiàn)在一個(gè)地方，并未真的遍布整個(gè)城市，而警察只能假設(shè)他可能出現(xiàn)在任何地方。但是，電子與盜賊形成鮮明的對(duì)比，當(dāng)我們?cè)谧粉櫰溥\(yùn)動(dòng)時(shí)，我們不能假設(shè)電子在某個(gè)特定的時(shí)間點(diǎn)上一定會(huì)出現(xiàn)在某個(gè)特定的位置。相反，我們能描述的只有波動(dòng)方程，也就是它在同一時(shí)間可能出現(xiàn)在任何地方。只有通過(guò)“看”（進(jìn)行一次測(cè)量），我們才能“迫使”電子成為一個(gè)可以定位的粒子。

到1927年，由于海森堡、薛定諤及其他科學(xué)家的貢獻(xiàn)，量子力學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)基本完成。今天，它們組成了大部分物理學(xué)與化學(xué)賴以發(fā)展的基礎(chǔ)，也向我們展現(xiàn)了一幅整個(gè)宇宙基本組成單位的非凡全景圖。事實(shí)也確實(shí)如此，如果沒(méi)有量子力學(xué)對(duì)所有事物如何協(xié)調(diào)共存的解釋力，現(xiàn)代技術(shù)世界的一大半成果都不可能出現(xiàn)。

因此，到了20世紀(jì)20年代晚期，由于在“馴化”原子世界的過(guò)程中獲得成功讓科學(xué)家備受鼓舞，幾位量子理論的先驅(qū)大步地走出了他們的物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)始征服一個(gè)全新的科學(xué)領(lǐng)域：生物學(xué)。

量子生物學(xué)的興起

在20世紀(jì)20年代，生命仍是個(gè)謎。雖然19世紀(jì)的生物化學(xué)家在建立對(duì)生命化學(xué)的機(jī)械論理解的過(guò)程中取得了巨大進(jìn)展，但許多科學(xué)家仍然堅(jiān)持活力論的原理，認(rèn)為生物學(xué)不應(yīng)該被貶低到只剩下化學(xué)和物理，而是需要有一套自己的法則。活細(xì)胞中的“原生質(zhì)”依然被看作是由未知力量激活的神秘物質(zhì)，而遺傳之謎也始終阻礙著遺傳學(xué)的發(fā)展。

但在那十年中，也涌現(xiàn)出一批被稱為有機(jī)論者的科學(xué)家。他們既反對(duì)活力論者的觀點(diǎn)，也不贊成機(jī)械論者的看法。這些科學(xué)家認(rèn)為，生命確實(shí)還有未解的謎題，只不過(guò)這個(gè)謎題可以用尚未發(fā)現(xiàn)的物理和化學(xué)原理來(lái)解釋。有機(jī)論運(yùn)動(dòng)中最偉大的倡議者是另外一個(gè)奧地利人，他的名字富有異國(guó)情調(diào)，叫路德維希·馮·貝塔朗菲（Ludwig von Bertalanffy）。他最早創(chuàng)作了幾篇關(guān)于生物發(fā)育理論的論文，并在其1928年出版的《形態(tài)發(fā)生的重要理論》（Kritische Theorie der Formbildung）一書(shū)中強(qiáng)調(diào)了用一些新的生物原理來(lái)描述生命本質(zhì)的必要性。他的思想，特別是在這本書(shū)中體現(xiàn)的思想，影響了許多科學(xué)家，包括后來(lái)量子物理學(xué)家的帶頭人之一——帕斯夸爾·約爾旦（Pascual Jordan）。

約爾旦出生于德國(guó)漢諾威并在當(dāng)?shù)亟邮芙逃髞?lái)在哥廷根師從量子力學(xué)的奠基人之一馬克斯·玻恩（Max Born）。1925年，約爾旦與玻恩共同發(fā)表了堪稱經(jīng)典的《論量子力學(xué)》（Zur Quantenmechanik）。一年后，其“續(xù)集”《論量子力學(xué)　Ⅱ》問(wèn)世，由約爾旦、玻恩和海森堡合著。這篇被稱為“三大師杰作”的論文，被奉為“量子力學(xué)經(jīng)典”之一，因?yàn)樵撐陌撕Ｉ?chuàng)造性的突破，并以優(yōu)雅的數(shù)學(xué)之美表現(xiàn)了原子世界的行為。

次年，當(dāng)機(jī)會(huì)出現(xiàn)時(shí)，約爾旦做了一個(gè)歐洲同時(shí)代任何一個(gè)有上進(jìn)心和自尊心的年輕物理學(xué)家都會(huì)做的選擇：到哥本哈根與尼爾斯·玻爾一同工作。大約在1929年左右，他們兩人開(kāi)始討論量子力學(xué)是否有可能在生物學(xué)領(lǐng)域中具有某些應(yīng)用。后來(lái)，約爾旦回到德國(guó)，在羅斯托克大學(xué)任教，在接下來(lái)的兩年中，他與玻爾保持通信，就物理學(xué)與生物學(xué)的關(guān)系展開(kāi)討論。他們的思想集中呈現(xiàn)在約爾旦于1932年發(fā)表在德國(guó)雜志《自然科學(xué)》（Die Naturwissenschaften）上的一篇題為《量子力學(xué)與生物學(xué)和心理學(xué)的根本問(wèn)題》（Die Quantenmechanik und die Grundprobleme der Biologie und Psychologie）的論文中，該文也被有些學(xué)者視為“量子生物學(xué)的第一篇科學(xué)論文”。

約爾旦在文章中確實(shí)表達(dá)了一些對(duì)生命現(xiàn)象的洞見(jiàn)，其中一個(gè)有趣的想法在此處萌芽，約爾旦稱之為“放大理論”（amplification theory）。約爾旦指出，非生命物體由數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的大量粒子的平均隨機(jī)運(yùn)動(dòng)來(lái)控制，單一分子的運(yùn)動(dòng)對(duì)整個(gè)物體的影響微乎其微。但是，他認(rèn)為，生命卻大不相同，因?yàn)樯怯商幱凇翱刂浦行摹眱?nèi)的極少數(shù)分子來(lái)管理的，這些分子具有獨(dú)裁式的影響力，影響關(guān)鍵分子運(yùn)動(dòng)的量子事件，比如海森堡不確定性原理將被放大，對(duì)整個(gè)生命體產(chǎn)生影響。

這是一個(gè)非常有趣的思想，之后我們還會(huì)回頭討論，但是，該理論在當(dāng)時(shí)并沒(méi)有得到發(fā)展，也沒(méi)有產(chǎn)生很大的影響力。因?yàn)椋?945年德國(guó)戰(zhàn)敗后，約爾旦的政治觀讓他在同時(shí)代的科學(xué)家中聲名狼藉，他在量子生物學(xué)方面的思想也因此被忽視了。其他在生物學(xué)與量子物理學(xué)之間牽線搭橋的科學(xué)家也受到戰(zhàn)爭(zhēng)的波及，四散飄零；而物理學(xué)，因?yàn)楹藦椀氖褂脛?dòng)搖了其核心，也將它的注意力轉(zhuǎn)向了更為傳統(tǒng)的問(wèn)題。

不過(guò)，量子生物學(xué)的火焰依然熊熊燃燒著，守護(hù)這火種的不是別人，正是量子波動(dòng)方程的發(fā)明者——埃爾溫·薛定諤。在第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)前夕，由于納粹政權(quán)認(rèn)為他的夫人是“非雅利安”血統(tǒng)，薛定諤舉家逃離奧地利，在愛(ài)爾蘭定居下來(lái)。正是在那里，他于1944年出版了一本書(shū)，書(shū)名是一個(gè)開(kāi)門見(jiàn)山的問(wèn)題——《生命是什么》（What Is Life？）。

在此書(shū)中，薛定諤提出了一種對(duì)生物學(xué)的全新理解，至今仍是量子生物學(xué)領(lǐng)域的核心，當(dāng)然也是本書(shū)的核心。在結(jié)束本章對(duì)科學(xué)史的回顧之前，讓我們先略微展開(kāi)介紹一下薛定諤的洞見(jiàn)。

來(lái)自有序的有序

讓薛定諤萌生興趣的問(wèn)題是謎一樣的遺傳過(guò)程。你或許還記得，那是20世紀(jì)上半葉，科學(xué)家們僅僅知道基因可以從一代傳遞到下一代，卻不知道基因的組成或其工作原理。于是，薛定諤開(kāi)始思考，究竟是什么法則讓遺傳保持了如此高的精確性？換句話說(shuō)，相同的基因拷貝如何能在代際間幾乎一絲不變地傳遞？

薛定諤知道，諸如熱力學(xué)定律之類的經(jīng)典物理學(xué)與化學(xué)規(guī)律，雖然精確可以重復(fù)驗(yàn)證，但實(shí)質(zhì)上都是統(tǒng)計(jì)規(guī)律，背后是原子或分子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，也就是說(shuō)，它們只有在平均意義上是正確的，也只有在包含了極大量的粒子相互作用后，才是可靠的。回到之前那個(gè)臺(tái)球桌的模型，單球的運(yùn)動(dòng)是完全不可預(yù)測(cè)的，但是如果在臺(tái)面上扔大量的球，隨機(jī)地撞擊它們一小時(shí)左右，你就能做出預(yù)測(cè)，此時(shí)大部分球已經(jīng)進(jìn)洞。熱力學(xué)的原理正是如此：大量分子的平均行為是可預(yù)測(cè)的，而單一分子的行為卻不可預(yù)測(cè)。薛定諤指出，像熱力學(xué)定律之類的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，不能精確地描述僅由少量粒子構(gòu)成的系統(tǒng)。

比如，讓我們以羅伯特·玻意耳（Robert Boyle）與雅克·查理（Jacques Charles）于約300年前提出的氣體定律為例。他們描述了氣球中氣體的體積在受熱時(shí)如何膨脹、在遇冷時(shí)如何收縮的規(guī)律。這個(gè)現(xiàn)象后來(lái)可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式來(lái)概括描述——理想氣體狀態(tài)方程。一個(gè)氣球遵循這些規(guī)規(guī)矩矩的定律：當(dāng)你給它加熱時(shí)，它就膨脹；當(dāng)你讓它冷卻時(shí)，它就收縮。雖然氣球遵循這些定律，不過(guò)，事實(shí)上，氣球里數(shù)以兆計(jì)的分子正在像毫無(wú)秩序的臺(tái)球一樣各自做著完全隨機(jī)的運(yùn)動(dòng)，互相碰撞、抖動(dòng)，在氣球的內(nèi)壁上反彈等。那么，完全無(wú)序的運(yùn)動(dòng)是如何產(chǎn)生出秩序井然的定律的呢？

當(dāng)氣球被加熱時(shí)，氣體分子運(yùn)動(dòng)加劇，使它們?cè)诨ハ嗯鲎不蚺c氣球內(nèi)壁碰撞時(shí)的力量有了輕微的增加。額外的力對(duì)氣球的彈性表面產(chǎn)生更多壓力，使其擴(kuò)張（就像臺(tái)球?qū)Σ柶澛_(tái)球桌上那個(gè)可移動(dòng)的短桿所做的事情一樣）。擴(kuò)張的量取決于提供的熱量有多少，完全可以預(yù)測(cè)，可以通過(guò)計(jì)算氣體方程準(zhǔn)確地描述出來(lái)。此處的要點(diǎn)在于，像氣球一樣的單一物體嚴(yán)格遵守氣體定律，因?yàn)闅馇虮砻鎲我弧⑦B續(xù)而有彈性，其有序運(yùn)動(dòng)來(lái)自極大量粒子的無(wú)序運(yùn)動(dòng)，用薛定諤的話說(shuō)，產(chǎn)生了“來(lái)自無(wú)序的有序”（order from disorder）。

薛定諤繼續(xù)論證道，不僅只有氣體定律從大數(shù)統(tǒng)計(jì)中獲得了準(zhǔn)確性，所有的經(jīng)典物理學(xué)及化學(xué)定律——包括描述流體動(dòng)力學(xué)或化學(xué)反應(yīng)的定律——無(wú)一不是基于“大數(shù)的平均”或“來(lái)自無(wú)序的有序”這一原理。

不過(guò)，雖然一個(gè)填充有數(shù)以兆計(jì)氣體分子的、正常大小的氣球永遠(yuǎn)遵守氣體定律，但一個(gè)微觀的氣球，一個(gè)小到只填充有幾個(gè)氣體分子的氣球卻不然。因?yàn)椋词乖诤銣叵拢@幾個(gè)分子也會(huì)間或地、完全隨機(jī)地互相遠(yuǎn)離，使氣球膨脹，同理，它們也偶爾會(huì)完全隨機(jī)地向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，使氣球收縮。因此，一個(gè)極小氣球的行為在很大程度上將變得不可預(yù)測(cè)。

在生活的其他方面，基于大數(shù)的秩序性及可預(yù)測(cè)性對(duì)我們來(lái)說(shuō)已經(jīng)非常熟悉了。比如，美國(guó)人比加拿大人喜歡打棒球，而加拿大人比美國(guó)人喜歡打冰球。基于這項(xiàng)統(tǒng)計(jì)“規(guī)律”，一個(gè)人可以對(duì)這兩個(gè)國(guó)家做一些進(jìn)一步的預(yù)測(cè)，比如美國(guó)會(huì)比加拿大進(jìn)口更多的棒球，而加拿大會(huì)比美國(guó)進(jìn)口更多的冰球棍。但是，盡管這樣的統(tǒng)計(jì)“規(guī)律”對(duì)有幾百幾千萬(wàn)居民的國(guó)家來(lái)說(shuō)具有預(yù)測(cè)性價(jià)值，但是它們卻無(wú)法精確地預(yù)測(cè)單個(gè)的小鎮(zhèn)，比如一個(gè)位于明尼蘇達(dá)州或薩斯喀徹溫省的小鎮(zhèn)中冰球棍或棒球的貿(mào)易。

薛定諤并不只是簡(jiǎn)單地認(rèn)識(shí)到經(jīng)典物理學(xué)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律在微觀層面并不適用，他更近一步量化了精確性衰退的過(guò)程，計(jì)算出那些統(tǒng)計(jì)規(guī)律的離差與涉及粒子數(shù)量的平方根成反比。因此，一個(gè)填充有1012粒子的氣球，其對(duì)氣體定律的偏離程度是1/106。然而，一個(gè)僅填充有100個(gè)粒子的氣球，其偏離有序行為的程度就達(dá)到了1/10。雖然此時(shí)該氣球受熱仍然會(huì)膨脹，遇冷仍然會(huì)收縮，但是它的行為不再能被任何確定性的定律所描述。經(jīng)典物理學(xué)的所有統(tǒng)計(jì)規(guī)律都受制于這樣的限制：對(duì)于由極大量粒子組成的物體來(lái)說(shuō)，它們是正確的，但它們卻不能描述由少量粒子組成的物體的行為。所以，任何依賴于經(jīng)典定律可靠性與規(guī)律性的物體，自身需要由大量的粒子構(gòu)成。

那么生命呢？生命的有序行為，比如其遺傳規(guī)律，是否可以用統(tǒng)計(jì)規(guī)律解釋呢？在思考這一問(wèn)題時(shí)，薛定諤總結(jié)道，奠定了熱力學(xué)基礎(chǔ)的“來(lái)自無(wú)序的有序”原理無(wú)法解釋生命——因?yàn)椋谒磥?lái)，至少有一些極其微小的生物“機(jī)器”因?yàn)樘《贿m用經(jīng)典定律。

比如，在薛定諤撰寫《生命是什么》那個(gè)年代，遺傳被認(rèn)為由基因來(lái)控制，但是基因的性質(zhì)又是個(gè)謎——薛定諤問(wèn)了一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題：基因是否大到足以保證其在復(fù)制過(guò)程中對(duì)精確性的偏離符合統(tǒng)計(jì)上的“來(lái)自無(wú)序的有序”呢？他后來(lái)大致估算出單個(gè)基因的體積應(yīng)該是邊長(zhǎng)不大于300埃的立方體。這樣一個(gè)立方體大約能夠容納100萬(wàn)個(gè)原子。這聽(tīng)起來(lái)好像還挺多的，但是100萬(wàn)的平方根是1 000，因此，按照這種方法推斷出的遺傳中的不精確性或“噪音”應(yīng)該是0.1%。因此，如果遺傳是基于經(jīng)典的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，它產(chǎn)生錯(cuò)誤的程度（偏離規(guī)律）應(yīng)該是0.1%。但是，事實(shí)上基因的傳遞非常準(zhǔn)確，其變異率（錯(cuò)誤率）小于1/109。這種非比尋常的高精度讓薛定諤相信，遺傳規(guī)律不可能建立在“來(lái)自無(wú)序的有序”的經(jīng)典定律之上。相反，他認(rèn)為基因更像是單個(gè)的原子或分子，符合另一科學(xué)領(lǐng)域的規(guī)律，非經(jīng)典但擁有奇特的秩序，也就是由他做出的貢獻(xiàn)的量子力學(xué)領(lǐng)域。薛定諤提出，遺傳應(yīng)該基于一種新的原理，即“來(lái)自無(wú)序的有序”（order from order）。

薛定諤最先于1943年在都柏林圣三一學(xué)院的一系列演講中介紹了這一理論，隨后將其發(fā)表在次年出版的《生命是什么》一書(shū)中。他在書(shū)中寫道：“生命有機(jī)體似乎是一個(gè)宏觀系統(tǒng)，該系統(tǒng)的一部分傾向于某種行為……所有的系統(tǒng)在當(dāng)溫度趨近絕對(duì)零度且分子的無(wú)序狀態(tài)消除時(shí)，都將趨向于這種行為。”由于某些我們即將討論的原因，在絕對(duì)零度時(shí)，所有的物體都服從量子的而非熱力學(xué)的定律。

薛定諤認(rèn)為，生命正是一種能在空中飛翔、能用兩足或四足行走、能在海洋里游泳、能在土壤中生長(zhǎng)，或是能閱讀此書(shū)的量子現(xiàn)象。

生命是量子的

在薛定諤的書(shū)出版之后幾年，人類發(fā)現(xiàn)了DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)，分子生物學(xué)——一個(gè)基本不會(huì)涉及量子現(xiàn)象的學(xué)科——也如雨后春筍般成長(zhǎng)起來(lái)。基因克隆、基因工程、基因組鑒定、基因組測(cè)序被生物學(xué)家發(fā)展起來(lái)，而這些科學(xué)家總體上心安理得地忽視了在數(shù)學(xué)上具有挑戰(zhàn)性的量子世界。雖然，大多數(shù)科學(xué)家偶爾也嘗試在生物學(xué)與量子力學(xué)的邊界上游走，但他們忘記了薛定諤大膽的提議，許多人甚至公開(kāi)反對(duì)將量子力學(xué)引入對(duì)生命的解釋中。比如，英國(guó)化學(xué)家與認(rèn)知心理學(xué)家克里斯托弗·朗吉特-希金斯（Christopher Longuet-Higgins）曾于1962年寫道：

我記得幾年之前曾有關(guān)于在酶與底物之間可能存在長(zhǎng)距的量子力的討論。然而，對(duì)這種假設(shè)持保留意見(jiàn)絕對(duì)是正確的。因?yàn)樵摷僭O(shè)不僅缺乏可靠的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，而且也很難與分子間作用力的一般理論相調(diào)和。

到了1993年，《生命是什么？未來(lái)五十年》（What is Life?The Next Fifty Years）一書(shū)出版了。當(dāng)時(shí)在都柏林舉辦了紀(jì)念薛定諤理論發(fā)表50年的學(xué)術(shù)會(huì)議，該書(shū)正是參會(huì)學(xué)者的論文合集，不過(guò)書(shū)中對(duì)量子力學(xué)卻鮮有提及。

當(dāng)時(shí)，對(duì)薛定諤理論的質(zhì)疑主要源于一個(gè)普遍的共識(shí)：微妙的量子狀態(tài)不可能在活體生物內(nèi)部溫?zé)帷駶?rùn)、雜亂的分子環(huán)境中存在。正如我們?cè)谝灾兄赋龅哪菢樱@也是為什么許多科學(xué)家曾經(jīng)非常質(zhì)疑“鳥(niǎo)類羅盤由量子力學(xué)所主宰”的主要原因（許多科學(xué)家現(xiàn)在仍然在質(zhì)疑）。你或許還記得，當(dāng)在引言中討論這個(gè)問(wèn)題時(shí)，我們認(rèn)為物質(zhì)的量子性質(zhì)會(huì)被物體內(nèi)部分子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)“抵消”掉。現(xiàn)在，我們可以用熱力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看看這種損耗的原因：薛定諤發(fā)現(xiàn)，像臺(tái)球一樣的分子沖撞正是“來(lái)自無(wú)序的有序”這一統(tǒng)計(jì)規(guī)律的源頭。

隨機(jī)散布的粒子可以通過(guò)重新排列整齊來(lái)揭示其隱藏的量子性質(zhì)，但這種重新排列通常只能在特殊環(huán)境下進(jìn)行，而且只能維持極短的時(shí)間。比如，我們?cè)岬剑诹孔幼孕⒉荚谖覀凅w內(nèi)隨機(jī)自旋的氫原子核，可以排列整齊生成一個(gè)連續(xù)一致的核磁共振信號(hào)，但只有在一個(gè)由強(qiáng)力磁鐵提供的極強(qiáng)磁場(chǎng)中，而且只有當(dāng)磁力能夠維持時(shí)才能實(shí)現(xiàn)：只要磁場(chǎng)一關(guān)閉，粒子又會(huì)在所有分子的沖撞中恢復(fù)隨機(jī)排列，量子信號(hào)重新變得分散而難以探測(cè)。隨機(jī)分子運(yùn)動(dòng)會(huì)干擾精心排列的量子系統(tǒng)，這種現(xiàn)象被稱為“退相干”（decoherence）。正是這種現(xiàn)象快速地抵消掉了宏觀非生命物體奇特的量子效應(yīng)。

提高身體的溫度會(huì)增加分子沖撞的能量和速度，因此，退相干現(xiàn)象在較高的溫度下更為常見(jiàn)。但你可別以為“較高的溫度”指的是我們認(rèn)為“熱”的溫度。事實(shí)上，即使在常溫下，退相干也無(wú)時(shí)無(wú)刻不在發(fā)生。這就是為什么“溫?zé)岬纳w可以保持微妙的量子狀態(tài)”至少在一開(kāi)始時(shí)讓人覺(jué)得不合情理的原因。只有當(dāng)物體溫度降到接近絕對(duì)零度——-273℃——隨機(jī)分子運(yùn)動(dòng)才會(huì)完全靜止，并使退相干現(xiàn)象消失，量子力學(xué)的作用才會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)。上文剛引用過(guò)薛定諤的話，現(xiàn)在我們明白了他的意思。這位物理學(xué)家的意思是，生命設(shè)法按照一套特殊的規(guī)則行事，而這套規(guī)則通常只有在比任何生物都低273℃左右的環(huán)境中才能運(yùn)行。

但是，正如約爾旦或薛定諤主張的那樣，隨著閱讀的深入，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，生命不同于非生命物體。數(shù)量相對(duì)較少卻高度有序的一些粒子，比如一個(gè)基因或是鳥(niǎo)類羅盤內(nèi)部的那些粒子，能對(duì)整個(gè)生命體造成巨大的影響。這正是約爾旦所說(shuō)的“放大效應(yīng)”，也是薛定諤所謂的“來(lái)自有序的有序”。你眼睛的顏色、鼻子的形狀、性格的方方面面、智力水平甚至包括患不同疾病的傾向，其實(shí)都已經(jīng)由46個(gè)高度有序的超級(jí)分子精確地決定了。這些超級(jí)分子正是你從父母那里繼承來(lái)的DNA染色體（共46條）。在已知的宇宙中，沒(méi)有任何一種宏觀非生命物體能夠?qū)Y(jié)構(gòu)精細(xì)而又如此微小的物質(zhì)擁有這樣的敏感度。在這樣一個(gè)微小的層次，量子力學(xué)取代了經(jīng)典定律，統(tǒng)領(lǐng)著一切。薛定諤論證道，正是這個(gè)現(xiàn)象讓生命如此與眾不同。2014年，在薛定諤的書(shū)出版70年后，我們終于體會(huì)到了他的良苦用心，開(kāi)始懂得欣賞這位科學(xué)家給出的絕妙答案及其令人震驚的影響。而此時(shí)，薛定諤在70年前回答過(guò)的問(wèn)題依然值得我們反復(fù)自問(wèn)：生命是什么？