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“生命是什么?”薛定谔从物理学探索人类生命奥秘

关键词:???发布时间:2019-09-28 10:00:01

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生命是什么?关于这个问题,不同的人给出了不同的回答。信徒以为生命是上帝的作品。文学家把生命当作情感的载体。化学家认为生命是一系列化学反应,早期的生物学家并不追问生命的本质,他们关心的是生命是如何进化的。如今,分子生物学家会把生命的基石理解为一系列基因和蛋白组。

  薛定谔是一位物理学家。他希望从物理学的角度去理解生命是什么。为什么薛定谔认为物理学能够对理解生命的本质提供独特的启发?这要从什么是物理学讲起。



演讲


三一学院地处都柏林的中心,它那灰色的三层新古典主义建筑环绕在草坪和运动场周围。校园的最东头是另一栋灰色建筑,落成于1905年,则是另一种截然不同的风格。那是菲尔兹杰拉德大楼,或者依据其门楣上刻的字叫“物理实验楼”。这栋楼的最顶层是一个演讲厅,1943年2月第一个周五的傍晚,400余人聚集在这里,坐在漆过的木质长凳上。

据《时代》杂志报道,有幸坐在这里的人主要有内阁大臣、外交官、学者以及社会名流,还有当时爱尔兰的总理埃蒙德瓦莱拉(amon de Valera)。他们聚集在这里是要聆听诺贝尔奖得主、物理学家埃温薛定谔(Erwin chrdinger)做的一场题为“生命是什么”的有趣演讲。对此感兴趣的人如此之多,以至于很多人被拒之门外,在接下来的周一又安排了一场同样的演讲。

薛定谔是为逃离纳粹而来到都柏林的——在1938年德国吞并奥地利之前,他一直在奥地利格拉兹大学工作。尽管薛定谔以希特勒的反对者而闻名,但他对纳粹的侵占曾发表一封言辞并不激烈的声明,希望能够留下来。然而,这一策略并未奏效,他不得不匆匆逃离祖国,连诺贝尔奖章也未能携带。对物理学很感兴趣的德瓦莱拉为薛定谔在都柏林新成立的高等研究院提供了一个职位。就这样,在爱尔兰这位量子力学大师的岁月才未被蹉跎。

连续三个周五,56岁的薛定谔前往菲尔兹杰拉德大楼的演讲厅进行演讲,他探讨了量子物理学与生物学最新发现之间的关系。遗传性与物理学他处理的问题之一是遗传的本质。与之前其他人一样,薛定谔为这一现象所震撼:在普通细胞分裂(有丝分裂,有机体生长的方式)和生殖细胞生成(减数分裂)过程中,染色体都能够精确地复制。你的身体能够长到现在这般大小,其间经历了数万亿次的有丝分裂,并且在整个复制与倍增的过程中,遗传密码显然也得到了精确的复制。从而,基因能准确无误地传递给下一代。

薛定谔用大家所熟悉的哈布斯堡家族的特征向听众进行了解释——哈布斯堡家族所有人都有着突出的长下巴——这可以上溯几百年的历史,而没有明显的变化。对生物学家来说,基因这种看起来恒久不变的特性不过是一个既成的事实。然而,对这些物理学家而言,这便产生了问题。薛定谔计算出每个基因仅由1000个原子构成。那样的话,基因就应该不停地闪烁和变化,因为物理学和化学的基本定律都是统计性的;尽管原子整体上总是趋于一致的运动,但是单个原子可以按背离这些定律的方式运动。对于我们遇到的大多数物体而言,这无关紧要。像桌子、石块或者奶牛等都由极大量的原子组成,因此它们不会以不可预测的方式运行。桌子就是桌子,它不会自发地变成石块或者奶牛。

薛定谔认为,若基因仅有数百个原子组成,它们就会显现出极不稳定的运动,也就是说它们不会在几代之间保持恒定的特征。但是实验表明这种变化非常罕见,并且即使突变发生时,它也能够精确地遗传下去。

薛定谔用如下的术语对这一问题进行了总结:“在活的有机体内,有许多极小的原子团,小到不足以显示精确的统计学定律……而它们在极有秩序和极有规律的事件中确实起着主导作用。它们控制着有机体在发育过程中获得的、可观察的大尺度性状,决定了有机体发挥功能的重要特征。在所有这些情况下,都显示了十分确定而严格的生物学定律。”

哈布斯堡家族


三人论文


这个挑战是要去解释在仅由极少量的原子构成,且多数原子运动并不规律的情况下,基因是如何有规则地运作并产生正常有机体的。为了解决物理学定律与生物学事实之间的明显矛盾,薛定谔转向了当时已有的、最复杂的遗传理论——这是由梯莫菲也夫列索夫斯基(Nikolay Timofeeff Ressovsky)、 卡尔齐默尔(Karl Zimmer)和马克斯德尔布吕克(Max Delbrück)三人提出的。

1935年,他们合作的成果便是一本合着的德文出版物——《关于基因突变和基因结构的本质》,其更广为人知的名字是“三人论文”。三人团队得出结论,基因是分子般大小的不可分的物理化学单位。他们还提出,突变与分子中化学键的改变有关。尽管他们已尽最大努力,然而基因的本质及其确切的大小,仍然无从得知。薛定谔在都柏林向听众讲述遗传的本质时,他不得不给出一个解释,就是基因到底包含什么。然而即使在当时最为前沿的理论——“三人论文”,也没能回答这个问题。因此,薛定谔仅用逻辑来支持他的假设,认为染色体“包含了个体未来发育和成熟个体机能的全部模式的密码本”。这是首次有人明确提出基因可能含有密码,或者更简单地说,基因就是密码。


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启发


薛定谔的演讲的确激励了年轻一代的科学家。因揭示DNA结构而获得诺贝尔奖的三人——詹姆斯沃森(James Watson)、弗朗西斯克里克(Francis Crick)和威尔金斯(Maurice Wilkins)——都声称《生命是什么》在他们通向双螺旋之路上发挥了重要作用。1945年,威尔金斯还在加利福尼亚从事原子弹研究工作时,就从一位朋友那里得到了一份《生命是什么》的复印本。当被广岛和长崎的恐怖深深战栗后,威尔金斯被薛定谔的着作深深吸引,并决定放弃物理学而成为一位生物物理学家。克里克回忆1946年当他读到薛定谔的书时,觉得“伟大的事业在向其召唤。”沃森读到《生命是什么》的时候,还是一位大学生,结果他将研究兴趣从鸟类生物学转移到了遗传学。


后话


尽管《生命是什么》的一些思想极富远见,而且毫无疑问激发了一些在20世纪科学中扮演重要角色的人物,然而数十年努力解决遗传密码问题中涉及的实验和理论与薛定谔的演讲并没有直接联系,历史学家及当时的参与者对薛定谔贡献的重要性有所分歧。

三人论文中提出的突变观点,薛定谔大加赞赏,但这并没有对后续的研究产生影响;而他认为通过对遗传物质的研究将会发现新的物理学定律,则是完全错误的。即使在今天看来有预见性的密码本理论,也并没有对生物学家发现基因产生直接作用。后来在遗传密码发现过程中所产生的论文,没有一篇引用过《生命是什么》,即使是读过此书的那些科学家。

如果问今天任何一个生物学家遗传密码包含什么,他们都会用一个词来作答:信息。薛定谔并没有使用这个强有力的比喻。这在他的语汇和思考中是完全缺席的,而这其中最简单的原因就是这个词当时还没有今天我们所赋予的抽象的、广泛的含义。“ 信 息 ”当时即将闯入科学,不过在薛定谔演讲时还没有发生。没有遗传密码的概念,薛定谔的洞察力仅仅是时代洪流的一部分,一种对即将到来之事物的线索,而非塑造后续思想的突破。


下一篇我吗为你介绍薛定谔的猫理论。




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