編譯 夏冰

牛津英語詞典是大家都認(rèn)可的知名權(quán)威工具書，但它對物理學(xué)的定義——“研究非生命物質(zhì)和能量性質(zhì)的科學(xué)分支”——顯然并不全面，因為物理學(xué)同樣研究生命。早在1900年，物理學(xué)家召開第一次國際大會時就報告過生物學(xué)方面的研究。如今，物理學(xué)和數(shù)學(xué)仍舊在幫助生物學(xué)家認(rèn)識生物。

反過來，生物學(xué)也對物理學(xué)有顯著的促進作用。20世紀(jì)40年代，愛因斯坦和薛定諤（相對論和量子物理學(xué)的奠基人）就預(yù)言，重大生物學(xué)問題的解決也能推動物理學(xué)的發(fā)展。事實證明，他倆是正確的：如今，在研究者的探索中，“信息”絕不是一種定義模糊的概念。相反，無論是在物理學(xué)領(lǐng)域，還是在生物學(xué)領(lǐng)域，信息都已經(jīng)成為具有深刻內(nèi)涵的明確統(tǒng)一概念。

愛因斯坦認(rèn)為，生物學(xué)研究可以拓展物理學(xué)領(lǐng)域。“對候鳥和信鴿的研究，或許會在將來某一天推動我們對一些未知物理學(xué)過程的認(rèn)識。”他這樣寫道。

將物理學(xué)和數(shù)學(xué)引入生物學(xué)的第一次重要工作出現(xiàn)很早。1917年，蘇格蘭生物學(xué)家、博學(xué)家達(dá)西?湯普森（D’Arcy Wentworth Thompson）出版了《生長與形態(tài)》（On Growth and Form）一書；1942年出版的該書第二版更是長達(dá)1 116頁，堪稱皇皇巨著。湯普森在書中解釋說，生物體的結(jié)構(gòu)“符合物理學(xué)和數(shù)學(xué)規(guī)律”。他提出，達(dá)爾文的自然選擇理論尚不完備，并且向讀者展示了如何運用分析的手段拓展進化論。湯普森運用力學(xué)定律解釋了動物及其骨架的形狀和尺寸，又通過純數(shù)學(xué)演繹展示了動物軀體的演化過程。這部作品因?qū)_(dá)爾文進化論的挑戰(zhàn)和對大自然之美的生動闡述而影響了無數(shù)科學(xué)家。近年來的風(fēng)評稱贊這部作品“撩撥讀者的心弦，激發(fā)讀者的靈感”。

后來，薛定諤在1944年出版了一本相比《生長與形態(tài)》篇幅更小、切入角度不同但同樣影響深遠(yuǎn)的作品：《生命是什么？》。這部作品記錄了他1943年在都柏林三一學(xué)院公開講座的內(nèi)容。我們知道，薛定諤方程是量子理論的基石，而《生命是什么？》一書引入量子概念是為了回答當(dāng)時還未解決的基本問題：生物體如何做到保存遺傳信息，并將其代代相傳？

薛定諤從量子理論和統(tǒng)計物理學(xué)的角度開始推演，最后得到結(jié)論：攜帶遺傳信息的載體一定是一種小而耐用的基本單位，而且這種單位可以產(chǎn)生大量變化，從而導(dǎo)致生物進化中的突變現(xiàn)象。他認(rèn)為，這類單位應(yīng)該是由大約1 000個原子構(gòu)成的分子，它擁有的穩(wěn)定量子構(gòu)型以編碼所有遺傳信息。在科學(xué)界證實DNA（脫氧核糖核酸）就是這種遺傳分子之后，詹姆斯?沃森（James Watson）和弗朗西斯?克里克（Francis Crick）又在1953年發(fā)現(xiàn)了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)。這兩位科學(xué)家表示，《生命是什么？》一書是他們能取得這項成就的起點。這部作品不僅推動了分子生物學(xué)的建立，而且也讓薛定諤本人窺見了更多內(nèi)容。他寫道：“由于通過尋常物理學(xué)定律很難解釋生命方面的內(nèi)容，我們就必須做好發(fā)現(xiàn)全新物理學(xué)定律的準(zhǔn)備?！毖Χㄖ@認(rèn)為，這種全新定律就埋藏在量子理論中。

無獨有偶，愛因斯坦也認(rèn)為生物學(xué)研究可以拓展物理學(xué)領(lǐng)域。他產(chǎn)生這個想法的起點是德國-奧地利動物學(xué)家、諾貝爾獎得主卡爾?馮?弗里希（Karl von Frisch）的研究。后者建立了蜜蜂的動物行為學(xué)模型，并且證明，蜜蜂會使用偏振光確定方向。1949年，愛因斯坦特別提到，馮?弗里希的研究成果本身并沒有開辟物理學(xué)新道路，因為在物理學(xué)中，偏振已經(jīng)是研究得很透徹的光的特性。不過，他還補充道：“對候鳥和信鴿的研究，或許會在將來某一天推動我們對一些未知物理學(xué)過程的認(rèn)識?！焙苊黠@，愛因斯坦看到了物理學(xué)和生物學(xué)之間雙向流動的價值。

幾十年后，湯普森、薛定諤和愛因斯坦意識到的這兩門學(xué)科間的聯(lián)系變得越發(fā)緊密。湯普森工作的一大主題，是通過純數(shù)學(xué)演繹認(rèn)識生物的形態(tài)。他在方形網(wǎng)格上勾勒出生物體的大致輪廓，然后運用各種數(shù)學(xué)變換（比如朝一個方向拉伸網(wǎng)格）研究相應(yīng)變化。產(chǎn)生的圖像就與另一種密切相關(guān)的生物體類似，比如，鸚鵡魚修長的身體通過數(shù)學(xué)變換就能變成天使魚的曲線身體輪廓。這表明，生物體的軀體會朝著有利細(xì)胞生長的方向發(fā)展，不過，數(shù)學(xué)本身并沒有解釋，究竟是何種生化過程和物理過程導(dǎo)致了這個現(xiàn)象。

現(xiàn)在，新數(shù)學(xué)方法讓我們能更深入地認(rèn)識生命體構(gòu)建身體結(jié)構(gòu)的方式。

2020年，以色列理工學(xué)院的物理學(xué)家和生物學(xué)家分析了一種能夠長到1厘米的淡水動物，水螅。這種動物的圓柱形身體表面上附著一條腿、一個長著觸角的頭、一張負(fù)責(zé)捕獵和進食的嘴。這種生物之所以能勾起生物學(xué)家的興趣，是因為它們身上的一小片組織就能再生成為一個完整且功能健全的生物個體。（水螅的英文名Hydra，原意其實是神話中的海怪“九頭蛇”。傳說，“九頭蛇”長著很多蛇頭，而且無論哪個頭被砍掉，都會長出兩個新的。）從某種意義上說，再生提供了一種永生的可能，這對延長人類生命可能有所幫助。

科學(xué)家用顯微鏡觀察了一種能夠長到1厘米長的淡水動物，水螅。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水螅組織再生時表現(xiàn)得像晶體中的原子

以色列理工學(xué)院的這支研究團隊用顯微鏡仔細(xì)觀察了處于再生狀態(tài)的一片水螅組織，尤其關(guān)注平行于成熟水螅身體長軸的多細(xì)胞纖維。水螅組織首先將自身折疊成一個球體，上面的纖維則形成類似地球經(jīng)度線的圖案，即在靠近“赤道”的區(qū)域大致呈平行狀態(tài)，但在收攏到南北兩極時，方向會劇烈變化。這其實是一種拓?fù)淙毕?，一種可能以各種形式出現(xiàn)的異常現(xiàn)象——只要是有規(guī)則的幾何結(jié)構(gòu)，就比如水螅的平行纖維或晶體內(nèi)的原子排列，在自身秩序遭到嚴(yán)重破壞時，就會出現(xiàn)這類異常現(xiàn)象。至于稱其為“拓?fù)洹保且驗榉治?、認(rèn)識這種現(xiàn)象需要拓?fù)鋵W(xué)知識；所謂“拓?fù)鋵W(xué)”，就是一種研究拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等形變方式的純數(shù)學(xué)分支。

研究人員在水螅組織中觀察到了兩種拓?fù)淙毕?。這兩種缺陷都很重要，因為它們確定了整個身體的發(fā)展方向，并且最終成為新個體的頭、腳位置。我們還需要更多研究才能理解拓?fù)淙毕葜匾员澈蟮牧W(xué)和生化過程，但“拓?fù)淙毕輼?biāo)志著生物物質(zhì)的重大變化”這個結(jié)論肯定沒問題，并且已經(jīng)在其他案例中得到了證明：在研究人員培育的細(xì)菌群落中，有一些會在成長過程中因為拓?fù)淙毕葑兂筛鼜?fù)雜的多細(xì)胞結(jié)構(gòu)。

湯普森使用的另一種方法是確定力學(xué)的量（如力）如何影響生物體的大小和行為的物理方法，這種方法具有巨大優(yōu)勢。為此，他做了量綱分析。所謂“量綱分析”，就是用3個基本物理量（質(zhì)量M、長度L和時間T）的組合表達(dá)所有力學(xué)量。舉個例子，速度的量綱就是L/T，而力的量綱則是ML/T2。湯普森從這些基本量出發(fā)，證明大魚游得比小魚快，昆蟲不可能長得特別大。這是因為，在昆蟲體型變大的時候，重量增長的速度超過了支撐腿強度的上升速度，因此，一旦昆蟲體型突破了上限，身體機能就夠不上。

丹麥技術(shù)大學(xué)海洋生命研究中心的肯?安德森（Ken Anderson）現(xiàn)在正運用量綱分析描述海洋生態(tài)系統(tǒng)中的一種龐大生物群：浮游生物。2020年，埃默里大學(xué)舉辦了主題為“論尺寸是否合適”的討論會。討論會的主題來自著名英國生物學(xué)家霍爾丹（J. B. S. Haldane）在1928年發(fā)表的一篇著名同名論文。霍爾丹在這篇論文中論述了尺寸之于生物體能力的重要意義。與會者討論了基本物理原理是如何決定生物尺寸和功能的。正是在這次討論會上，安德森公布了自己的研究方法。

浮游生物由漂浮在海洋中的極小體型動物和植物構(gòu)成。它們在地球的碳氧循環(huán)中扮演著重要角色，對食物鏈中構(gòu)成人類食譜的那部分生物也有重要意義。為了分析浮游生物的多樣性，安德森按照攝入養(yǎng)分的方式將各種浮游生物分門別類。對于主動進食的浮游生物來說，它們在遇到食物時的攝入率取決于速度量綱L/T與自身橫截面積L2的乘積，也即L3/T，其中L是該種浮游生物的典型尺寸。有些浮游動物采用被動進食的方式，即當(dāng)溶解了有機物質(zhì)的分子隨著海水?dāng)U散到身上時，它們才會攝取養(yǎng)分。詳細(xì)的物理分析表明，這種進食方式的速率為L/T。另一方面，浮游植物則通過光合作用生產(chǎn)自身所需的養(yǎng)分。這就要求它們收集太陽能，因而進食速率與它們的表面積有關(guān)，相應(yīng)量綱為L2/T。此外，浮游植物也可以被動吸收養(yǎng)分，速率當(dāng)然也為L/T。

安德森以進食速率和生物體尺寸（從10-4毫米到1毫米）為橫縱坐標(biāo)，繪制成圖。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，浮游生物的尺寸與進食模式有關(guān)。體型較小的浮游生物依靠被動進食，而體型較大的則依靠主動進食，體型適中的則往往是依靠光合作用汲取能量的浮游植物。因此，這三類浮游生物的相對數(shù)量就取決于該處海洋的養(yǎng)分濃度水平和日照水平。舉個例子，如果某處海洋養(yǎng)分充沛但日照極少，那么依賴主動進食和被動進食的浮游動物數(shù)量就會遠(yuǎn)超依賴光合作用的浮游植物。安德森目前正在以基本物理學(xué)概念為基礎(chǔ)，開發(fā)浮游生物模擬軟件以預(yù)測不同海洋環(huán)境中的浮游生物多樣性及特性。

水螅和浮游生物的研究結(jié)果將湯普森的分析拓展到了整個生物圈。而薛定諤的《生命是什么？》則證明了，在分子云中巧妙排布的原子如何讓生物信息代代相傳，從而提出了一種分子尺度上的新研究方法。自此以后，分子生物學(xué)就催生了像基因編輯這樣的諸多進展，并且也讓我們更好地認(rèn)識了細(xì)胞過程。

這些成果表明，以分子作為生命生化過程的基本單位以及研究起點，然后再逐步構(gòu)建細(xì)胞、組織、器官和整個生物體，這種研究方法可行，并且有強大的生命力。這種還原主義研究方式，似乎在物理學(xué)中同樣奏效，畢竟，從原理上說，在這個領(lǐng)域中，基本粒子可以聚合成為原子核和原子，而原子又可以形成分子，分子又可以形成更大的物質(zhì)及能量聚合體，依此類推，直至形成整個宇宙。分子有沒有可能就是認(rèn)識復(fù)雜生物（乃至生命本身）的基礎(chǔ)？或許的確如此，但也有學(xué)者認(rèn)為，這種自下而上的過程不足以解釋更高級別的生物結(jié)構(gòu)和功能。一個重要的例子就是，我們很難將人類的內(nèi)在意識（思維的一種屬性）同大腦中神經(jīng)元和分子的行為直接聯(lián)系在一起。或許，從分子到復(fù)雜生物的躍變還需其他理論來解釋。

薛定諤就秉持這種觀點。他當(dāng)時推測，要想徹底認(rèn)識生命，就應(yīng)該有一種來自量子理論的“新型物理學(xué)定律”為已有物理學(xué)體系提供補充。自他之后，有研究人員報告（或是提出理論），在諸如光合作用和嗅覺反應(yīng)這樣的領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)了量子行為的跡象。不過，這類結(jié)果都頗有爭議，仍舊需要更為堅實可信的實例來證明量子效應(yīng)對一般生物過程的影響。

不過，有一條普適性物理學(xué)定律，雖然沒有在薛定諤的時代受到普遍認(rèn)可，卻在如今的物理學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。1867年，蘇格蘭數(shù)學(xué)物理學(xué)家詹姆斯?克拉克?麥克斯韋（James Clerk Maxwell）設(shè)想了著名的“麥克斯韋妖”。這個小生物住在一個充滿氣體的盒子里，負(fù)責(zé)將快速運動和緩慢運動的分子分別趕到兩個區(qū)域。因為溫度與速度呈正相關(guān)關(guān)系，所以這個思想實驗的結(jié)果其實是告訴我們，冷熱區(qū)域之間的溫度差異可以產(chǎn)生有用的功。麥克斯韋妖由此展示了，如何利用純信息產(chǎn)生能量，從而賦予了“信息”物理現(xiàn)實含義。接著，在20世紀(jì)40年代，數(shù)學(xué)家克勞德?香農(nóng)（Claude Shannon）證明，描述給定系統(tǒng)的信息反映了該系統(tǒng)的有序度。熱力學(xué)使用一個叫作“熵”的物理量來描述有序度。因此，香農(nóng)的這個發(fā)現(xiàn)將信息同有序度、熵和熱力學(xué)聯(lián)系在一起，從而讓信息這個概念有了更豐富的物理內(nèi)涵。

對通過維持自身有序度而生存、成長、繁衍的生物體來說，信息與有序度及熱力學(xué)之間的關(guān)聯(lián)有著特殊意義。這種意義隱含在分子生物學(xué)所謂的“中心法則”中。弗朗西斯?克里克提出的這個法則告訴我們，儲存在DNA分子中的信息會按計劃流向生產(chǎn)蛋白質(zhì)的其他分子過程以及整個生物體。因此，追蹤這類信息流就是一種描述整個生物系統(tǒng)熱力學(xué)性質(zhì)的方法。當(dāng)系統(tǒng)各個組成部分（比如大腦中的各個神經(jīng)元）之間的相互作用產(chǎn)生“新”的高級行為時，整個生物體就會表現(xiàn)出一些新特性，而追蹤信息流這種研究方式為我們探究這些特性開辟了新道路。

2018年，為紀(jì)念形成《生命是什么？》一書的薛定諤講座75周年，三一學(xué)院特地舉辦了一場研討會。這次會議清楚地表明，追蹤信息流這種更具一般意義的方法如今正深刻影響著物理學(xué)和生物學(xué)交叉地帶的研究。參加這次大會的著名科學(xué)家預(yù)言，與信息及生物特性有關(guān)的新領(lǐng)域（比如復(fù)雜系統(tǒng)以及構(gòu)成大腦的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)）的研究需要若干年的物理學(xué)和生物學(xué)研究才能取得進展。無論結(jié)果如何，以信息為基礎(chǔ)的普適研究方法（涵蓋了物理學(xué)和生物學(xué)兩個領(lǐng)域）得到越來越多的使用無疑具有重要意義。只有通過這種大規(guī)模的多學(xué)科努力，甚至跨學(xué)科努力，我們才有希望最終回答薛定諤當(dāng)初提出的那個問題：生命是什么？

資料來源 Nautilus