張文韜/編譯

●來自斯坦福大學(xué)的黛安·吳(Diane Wu)就生命結(jié)構(gòu)等生物學(xué)中的一些重要議題，在林道會議上向2007年諾貝爾化學(xué)獎得主格哈德·埃特爾(Gerhard Ertl)進(jìn)行了提問。

格哈德·埃特爾，表面科學(xué)的奠基人，擅長從分子水平上闡明固氣界面上發(fā)生的現(xiàn)象。埃特爾如今是柏林馬普學(xué)會弗里茨·哈伯研究所的榮譽退休教授。

黛安·吳，斯坦福大學(xué)的研究生，其研究方向是探索轉(zhuǎn)換材料在生物成像和太陽能能量轉(zhuǎn)換中的新應(yīng)用，即將低能量的光轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣芰俊?/p>

黛安：您在學(xué)生時代遇見過您心目中的英雄嗎?

埃特爾：我遇到了物理學(xué)家弗雷德里克·約里奧-居里 (Frédéric Joliot-Curie，1935 年諾貝爾化學(xué)獎得主)。我在斯圖加特大學(xué)進(jìn)入第二學(xué)年時，一個朋友提議去巴黎學(xué)習(xí)。這個決定相當(dāng)冒險。于是我們參加了約里奧-居里的講座，他顯得生氣勃勃、精力充沛 (其實他當(dāng)時已經(jīng)抱病在身，一年后就逝世了)。我一直忘不了他的演講：“現(xiàn)在我們要問，零代表什么？ 代表什么？”沒人能夠回答。這就是他向我們介紹“中子”的方式——中子是零電荷的物質(zhì)。

1959年，我在慕尼黑大學(xué)度過了一年，當(dāng)時維爾納·海森堡(Werner Heisenberg，量子力學(xué)創(chuàng)始人之一)負(fù)責(zé)講授量子力學(xué)。那時班上至少有300名學(xué)生，課程也很難掌握，但我們必須解決問題。如果成功，就會得到一份“該生通過了量子力學(xué)的訓(xùn)練”并簽有海森堡名字的證書。我很珍視我得到的那份證書，直到今天還保存著。

物理學(xué)和生物學(xué)突破是關(guān)鍵

黛安：目前化學(xué)方面主要解決的重要問題是什么？

埃特爾：化學(xué)上不存在什么真正重要的基礎(chǔ)問題。最后一個重大的問題是 “化學(xué)鍵的本質(zhì)是什么？”——隨著量子力學(xué)的出現(xiàn)，這個問題在近百年前已經(jīng)得到了解答。目前重大的基礎(chǔ)問題都集中在物理學(xué)和生物學(xué)上。

在物理學(xué)中，最大的問題是，怎么將兩個偉大的理論——量子物理與萬有引力理論——統(tǒng)一起來？還有一些其他問題，諸如我們的宇宙里有什么？暗物質(zhì)和暗能量又是什么？宇宙中只有百分之四是組成自然界的物質(zhì)組分，剩下的是什么呢？

對于生物學(xué)，這個問題就是生命是什么？我們已知有些元素對生命很重要，但人類可以憑借這些元素制造出人造生命嗎？這些都是重大的問題。化學(xué)這門學(xué)科無法跟它們相比。

黛安：70年前，埃爾溫·薛定諤（Erwin Schrodinger）寫出了《生命是什么？》這本著作，什么時候我們才能回答他提出的問題？

埃特爾：薛定諤的問題是非常具體的。從根本上說，是否需要某個全新的物理規(guī)律來描述生物學(xué)？他不能給出回答，主要是因為他不能解釋生物組織是怎么形成的。不但沒辦法解釋分子結(jié)構(gòu)，更大的結(jié)構(gòu)也無法說明，比如，如何讓細(xì)胞只從中部分裂？不過，利用非線性動力學(xué)可以對這些問題展開探索——這也是我最感興趣的領(lǐng)域。

著書研究志在統(tǒng)一概念

黛安：那生命結(jié)構(gòu)的重要性是什么？

埃特爾：自組織是所有結(jié)構(gòu)形成的基礎(chǔ)。沒有外來能量輸入的情況下，封閉系統(tǒng)最終會找到一種平衡狀態(tài)，不管是無序的還是有序的。例如，鹽離子會從溶液中析出，成為有序晶體。而開放系統(tǒng)一直有能量注入，保證了系統(tǒng)可以始終處于不平衡狀態(tài)，比如，吃下的食物不斷為細(xì)胞提供能量，細(xì)胞以此維持自身的結(jié)構(gòu)與功能。對于這些過程的數(shù)學(xué)描述需要非線性微分方程組，也就是所謂的非線性動力學(xué)。利用非線性動力學(xué)研究生物系統(tǒng)后顯示，現(xiàn)有的物理規(guī)律足以解釋生命系統(tǒng)的有序性——薛定諤對此做出了預(yù)言，但沒能證實。

黛安：您是如何對非線性動力學(xué)產(chǎn)生興趣的？

埃特爾：25年前，我正從事表面反應(yīng)的研究，遇到了眾所周知的問題：發(fā)生在表面的反應(yīng)顯示了一種不合邏輯的現(xiàn)象。比如，能量持續(xù)流入開放系統(tǒng)，你當(dāng)然會預(yù)期有持續(xù)的流出，但是某些時候流出的能量是搖擺不定的。這是化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜度的結(jié)果?；诜磻?yīng)的非線性，所以這種動力學(xué)現(xiàn)象只能用非線性方程來描述。

黛安：還有什么生物學(xué)之謎可以用非線性動力學(xué)解決？

埃特爾：理論物理有助于回答很多醫(yī)學(xué)問題。例如，心臟的電脈沖是無序的，可以用復(fù)雜度工具加以分析和模擬。心臟脈沖不是局部的，而是電流以波的形式流過整個心臟——這種波伴隨著電子現(xiàn)象的化學(xué)反應(yīng)傳播。

第一個描述該領(lǐng)域復(fù)雜性的是心臟學(xué)家阿圖羅·羅森布魯（Arturo Rosenblueth），他與數(shù)學(xué)家諾伯特·維納（Norbert Wiener）共同撰寫了論文，闡述這種模式是怎么出現(xiàn)的。醫(yī)學(xué)研究者對于身體中的動態(tài)系統(tǒng)很感興趣，同時也關(guān)注它們是如何以非線性的方式作出對不同能量輸入的反應(yīng)。

可以用復(fù)雜度來描述和預(yù)言這種生理反應(yīng)。我正在寫一本書，總結(jié)目前各領(lǐng)域的復(fù)雜度理論。我希望得到統(tǒng)一概念，用于各種不同的現(xiàn)象。