生命是什麼
第1章:
經典物理學家走近這個主題
“我思故我在。”
——笛卡兒
研究的一般性質和目的
這本小冊子是一位理論物理學家對大約400名聽眾作的一次公開講演。雖然一開始我就指出這是一個難懂的題目,即使很少使用物理學家z嚇人的武器——數學演繹法,講演也不可能是很通俗的,可是聽眾卻基本上沒減少。其所以如此,並非由於這個題目太簡單,以致不必用數學就可以解釋明白了,而是因為問題過於復雜,不可能完全用數學語言來表達。講演至少還有一個特點,它還較為通俗,講演者試圖把那些介於生物學和物理學之間的基本概念,既向物理學家也向生物學家講清楚。
盡管實際上涉及的問題是多方面的,但我的任務隻限於講一個想法——對一個重大問題做一點小小的評論。為了不迷失我們的方向,先把計劃簡要地勾畫出來也許是有用的。
這個討論得很多的重大問題是:
一個生命有機體的範圍內在空間和時間中發生的事件,如何用物理學和化學來解釋?
這本小冊子力求闡明和獲得的初步答案概括為:
今天的物理學和化學在解釋這些事件時顯出的無能,絕不應成為懷疑它們原則上可以用這些學科來詮釋的理由。
統計物理學結構上的根本差別
如果說,隻是為了對那些過去沒有做成功的事重新激發起希望,那麼上述這個注釋就顯得過於平淡了。更為積極的意義在於我們想說明,物理學和化學的這種迄今為止的無能為力是經過充分論證了的。
今天,由於生物學家,主要是遺傳學家近三四十年來的創造性工作,關於有機體真實的物質結構及其功能的了解已經足以精確地說明,現代物理學和化學為什麼還不能解釋生命有機體範圍內在空間和時間中所發生的事件。
一個有機體的z具活性部分的原子排列及其相互作用方式,和迄今所有的物理學家和化學家作為實驗和理論研究對像的所有其他的原子排列是根本不同的。除了深信物理學和化學的定律始終是統計力學性質的那些物理學家外,其他人會把我所說的這種根本差別看成是無足輕重且容易發生的。1這是因為認為生命有機體的活性部分的結構非常特別,和物理學家或化學家在實驗室裡用體力或在書桌邊用腦力所處理的任何物質完全不同,這種看法同統計力學的觀點有關繫。2既然生命有機體的活性部分具有如此特異的結構,要把物理學家或化學家曾經發現的定律和規則直接應用到這種繫統的行為上去,而這個繫統卻又不具有作為這些定律和規則的基礎的結構——要能直接應用,這幾乎是難以想像的。
不能指望非物理學家能理解我剛纔用那麼抽像的詞句所表達的“統計力學結構”中的精確含義,更不必說去鋻別這些含義之間的關繫了。為了讓敘述增添一點聲色,我先把後面要詳細說明的內容提前講一下:一個活細胞的z重要的部分——染色體纖絲——可以頗為恰當地稱為非周期性晶體。迄今為止,在物理學中我們踫到的隻是周期性晶體。對於一位並不高明的物理學家來說,周期性晶體已是十分有趣而復雜的東西了;它們構成了z有吸引力和z復雜的一種物質結構,由於這些結構,無生命的自然界已經使物理學家費盡心思了。可是,它們同非周期性晶體相比,還是相當簡單而平庸的。兩者之間結構上的差別,就好比一張是重復同一花紋的糊牆紙;另一幅則是堪稱傑作的刺繡,比如說,一條拉斐爾3花氈,它顯示的並不是單調的令人討厭的重復,而是那位大師精致的、有條理的、富含意義的設計。
把周期性晶體稱為z復雜的研究對像之一,當然是對專門的物理學家而言。實際上,有機化學家在研究越來越復雜的分子時,已經非常接近“非周期性晶體”了,我認為其實那就是生命的物質載體。因此,有機化學家對生命問題已做出了重大貢獻,而物理學家卻幾乎毫無建樹,也就一點也不奇怪了。
一個樸素物理學家對這個主題的探討
在簡要地說明了研究工作的基本觀點——或者不如說是z終的視角——以後,讓我來描述一下如何走近這個主題。
首先我打算解釋一下什麼是“一個樸素物理學家關於有機體的觀點”。這裡我是指一位物理學家可能會想到的那些觀點。這位物理學家在學習了物理學,特別是物理學的統計力學基礎以後,開始思考有機體的活動和功能的方式。他忖量自問:根據學到的知識,根據比較簡明的基本的科學觀點,能否對這個問題做出一些適當的解釋呢?
他發現是能夠做出解釋的。下一步他就把理論預見和生物學事實作比較。比較結果說明了他的觀點大體上是合理的,但需要做一些修正。如此下去,他就逐漸接近於正確的觀點,或者謙虛點說,接近於自己認為正確的觀點。
即使在此我是正確的,我也不知道這條探索途徑是否真正是z好的和z簡單的。不過,這畢竟是我的途徑。這位“樸素物理學家”就是我自己。除了這一條曲折的道路外,我找不到通往這個目標的更好的更清晰的方法。
為什麼原子是如此之小
闡明“樸素物理學家的觀點”的一個好方法是從這個可笑的、有點滑稽的問題開始的:為什麼原子是如此之小?首先,它們確實是很小的。日常生活中的每一小塊物質都含有大量的原子。為了讓聽眾理解這一點,可以有許多例子,但沒有比開爾文勛爵1所引用的例子更能給人以深刻的印像:假定給一杯水中的分子一個一個做上標記,再把這杯水倒進海洋,然後徹底攪拌,使得有標記的分子均勻地分布在全世界的七大洋中;如果你從海洋中任一處舀出一杯水來,將發現這杯水中大約有100個已標記的分子。2
原子的實際大小約在黃色光波長的1/5 000到1/2 000之間。3這個比較的意義在於,波長粗略地指出了在顯微鏡下仍能辨認的z小微粒的大小。就拿這麼小的、尺度為黃色波長的微粒來說,它的體積中還含有幾十億個原子。
那麼,為什麼原子是如此之小呢?
這個問題顯然不能光從表面來回答。因為問題的真正目的並不在於原子的大小。它關心的是有機體的大小,特別是我們自己身體的大小。當我們以日常的長度單位,比如碼(1碼約為0.9144米)或米作為量度時,原子確實是很小的。在原子物理學中,人們通常用埃(簡寫為.)的單位來度量,這是1米的百億分之一,或以十進位小數計算則是0.0000000001米。原子的直徑在1~2埃的範圍內。日常單位同我們身體的大小是密切相關的。有一個故事說,碼是起源於一個英國國王的幽默故事。他的大臣問他采用什麼單位,他就把手臂向旁邊一伸說:“取我胸部中央到手指尖的距離就行了。”不管這個故事是真是假,對我們來說它的意義在於:這個國王很自然地提出一個可以同自己的身體相比擬的長度,他知道用其他任何東西做單位都是不方便的。不管物理學家怎樣偏愛“埃”這個單位,但當他做一件新衣服時,還是喜歡別人告訴他新衣需用六碼半(約為5.9436米)花呢,而不是650億埃的花呢。
所以,我們提出的問題的真正目的在於兩種長度——我們身體的長度和原子的長度——的比例。考慮到原子作為一種獨立存在的特殊重要性,問題應該反過來提:同原子相比,我們的身體為什麼一定要這麼大?
我能夠想像到,許多聰明的物理學和化學繫的學生會對下列事實感到多麼遺憾。我們的每一個感官構成了身體上多少有點重要的部分,然而從上述比例來看,它們卻是由無數原子組成的,對於感受單個原子的踫撞來說,它們顯然是過於粗糙、太不靈敏了。單個原子我們是看不見、摸不著也聽不到的。假說中的原子遠遠不同於我們粗大遲鈍的感官所直接發現的東西,而且也不能通過直接觀察來檢驗這些原子。
一定是那樣的嗎?有沒有內在的原因可以解釋呢?為了確認並理解為什麼感官和大自然的規律性如此不相適應,我們能由此追溯到某種第一原理嗎?
這是物理學家能夠完全搞清楚的一個問題。對上面提問的回答都是肯定的。
有機體的活動需要精確的物理學定律
如果生物有機體的感官不那麼遲鈍,而是能敏銳地感覺到單個原子,或者少數幾個原子就能在我們的感官上產生知覺印像——天哪,生命將像個什麼樣子呢?我要著重指出:可以肯定地說,一個那種樣子的有機體是絕不可能發育出有序的思維的,而正是這種有序的思維在經歷了漫長的時期和階段後,纔終於形成了原子的觀念和許多其他的觀念。
盡管我們隻選擇了感官來談,下面的考慮對於大腦和感覺繫統以外的各個器官的功能也是適用的。然而對我們自身來說,惟一具有特殊興趣的事件還是:我們在感覺、思維和知覺。對於產生思想和感覺的生理過程來說,除了大腦和感覺繫統以外,其他所有器官的功能隻是起輔助作用,假如不是從純客觀的生物學觀點來看問題,至少從我們人類的觀點來看是如此的。而且,這將大大有利於我們去挑選那種和人類認識緊密伴隨著的過程來進行研究,盡管我們對這種緊密伴隨的平行性質一無所知。其實,我認為那已經超出了自然科學範圍之外,而且也許是完全超出了人類理性之外。
讓我們回過來討論下述問題:像人類的大腦這樣的器官以及附屬於它的感覺繫統,為什麼必須由大量的原子來構成,纔能使其變化著的物理狀態密切地對應於高度發展的思想?大腦作為一個整體,以及它的直接同環境相互作用的某些外圍部分,和一臺精巧而靈敏的足以反應並記錄來自外界的單個原子的踫撞的機器相比,為什麼它們是不相同的呢?
有兩個理由,第一,我們所說的思想本身是一個有秩序的東西;第二,它隻能置於具有一定有序性的資料,即知覺或經驗之上。這有兩個結果:第一,同思想緊密對應的軀體組織(如緊密對應於我的思想的頭腦)一定是十分有秩序的組織,在它內部發生的事件必須遵循嚴格的物理學定律,並且有高度的準確性;第二,外界其他物體對於這個具有良好組織的物理繫統所產生的身體上的響應,顯然和相應思想的知覺和經驗相對應,構成了我所說的思想的資料。因此一般說來,這個繫統和外界之間的物理學相互作用具有某種程度的物理學秩序,就是說,它們也必須遵循嚴格的物理學定律並達到一定程度的準確性。
物理學定律是以原子統計力學為根據的,因而隻是近似的
僅由少量原子構成的對於一個或幾個原子的踫撞就已經敏感的有機體,為什麼不能實現上述目的呢?
因為我們知道,所有的原子每時每刻都在進行著毫無秩序的熱運動。這種混亂的運動抵消了它們的有秩序的行動,使得發生在少量原子之間的事件不能有規律地表現出來。隻有在無數原子的合作中,統計學定律纔開始影響和控制這些集合體(繫統)的行為,它的精確性隨著繫統包含的原子數目的增加而增加。觀測到的事件就是通過這樣的途徑獲得了真正有序的特性。現已知道,在有機體的生命過程中起重要作用的所有物理學和化學的定律都是這種統計性的定律;人們所能設想的任何其他類型的規律性和秩序性,總是被原子的不停的熱運動所擾亂,或是被搞得不起作用。
它們的精確性是以大量原子的介入為基礎的第一個例子(順磁性)
我想用幾個例子來說明這一點。這是從許多例子中隨便挑出的幾個,對於初次了解自然界狀況的讀者來說,不一定正好就是他z滿意的例子。這裡所說的自然界狀況在現代物理學和化學中是z基本的概念,就像生物學中的有機體是細胞組成的,或天文學中的牛頓定律,甚至像數學中的整數序列1,2,3,4,5,…等基本事實一樣。不應該期望一個十足的外行讀了下面幾頁就能充分理解和領會這個問題。這個問題是同路德維希·玻耳茲曼1和威拉德·吉布斯2的光輝名字聯在一起的,在教科書中稱之為“統計熱力學”。
如果在一個長方形石英管裡充氧,並把它放入磁場,你會發現氣體被磁化了。1這種磁化是由於氧分子是一些小的磁體,它們像羅盤針似地有著使自己與磁場平行的趨向(圖1)。可是你別認為它們全部轉向了與磁場平行的單一方向。因為如果你把磁場加倍,氧氣中的磁化作用也會加倍,更多的氧分子磁體趨向於這個方向。磁化作用隨著你作用的場強而增加,這種正比例關繫可以保持到極高的場強。