菲利普·鮑爾

你聽說過那個關于一位生物學家、一位物理學家和一位數(shù)學家的故事嗎？他們坐在一個咖啡館里，看著人們從街對面的一棟房子進進出出。有兩個人進入那棟房子，過了一段時間后，從里面出來了三個人。物理學家說：“測量不準確?！鄙飳W家說：“他們生了一個。”數(shù)學家說：“如果現(xiàn)在正好有一個人進入這棟房子，那么這棟房子又是空的了?！?/p>

好笑嗎？不好笑嗎？你可以找到大量類似的笑話（很多都涉及“球形奶?！钡母拍睿菦]有一個能夠讓我笑的。（“球形奶牛”的起源是這樣的：一位農場主雇用了一幫數(shù)學家?guī)退岣吲Ｄ痰漠a量。最終，數(shù)學家給農夫提交了報告，開頭第一句便是：“假設有一頭球形的奶?！边@個笑話揭示了人們對數(shù)學模型的誤解。盡管，這并不是他們的本意。）這些笑話旨在告訴我們，這些學科觀察世界的方式與我們是截然不同的，也許是完全不相容的。

這是有些道理的。例如，許多物理學家會告訴你這樣的故事：對于物理學家在生物學領域的努力，生物學家是如何不屑一顧的，他們會認為，物理學家對生物學完全摸不著邊際，并且充滿了誤解。事情還不僅僅是物理學家被認為做錯了事情這么簡單。通常生物學家的觀點是，在生物學中根本沒有物理學的地盤。

但是，此類反對意見（和笑話）將學術標簽與科學混為一談。對物理學的正確理解，不是由學校教授的一個學科和大學的一個系，它是了解發(fā)生在這個世界上的所有過程的一種特定的方式。當亞里士多德在公元前4世紀寫下《物理學》一書時，他不是在描述一個學科，而是在描述一種哲學方式：思考自然的一種方式。你或許會認為這是“物理學”一詞古老的用法，但它不是。當物理學家今天說到“物理”的問題時（就如同他們經常做的一樣），他們要表達的意思，與亞里士多德的意思是相近的：不是赤裸裸的數(shù)學形式主義，也不是純粹的敘述，而是從基本原理來推導過程的一種方式。

這就是為什么如同有化學的物理學、地質的物理學以及社會的物理學一樣，現(xiàn)在也有了生物的物理學。但，并不一定非得是專業(yè)意義上的“物理學家”才能有所發(fā)現(xiàn)。

? ? 英國數(shù)學家阿蘭·圖靈提出了一種在化學和生物學系統(tǒng)中進行圖形化的通用方法。使用“催化劑”和“抑制劑”既可以制造出左上方的點，也可以制造出右上方的條紋。有一些樣式與在自然界中發(fā)現(xiàn)的樣式有著驚人的相似之處，比如斑馬。上圖：由法國波爾多大學的雅克·保阿索那德和帕特里克·德·凱普提供的圖靈斑圖;下圖：斑馬。

在20世紀中期，物理學和生物學之間要比今天更為互通聲氣。一些2 0世紀的分子生物學先驅，包括馬克斯·德爾布呂克、西摩·本澤爾，以及弗朗西斯·克里克，都是被作為物理學家來培養(yǎng)的。而當詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克于1953年發(fā)現(xiàn)DNA中的遺傳編碼，人們也因此開始用“信息”的觀點看待基因和進化時，人們通常將遺傳編碼的發(fā)現(xiàn)歸功于物理學家埃爾溫·薛定諤于1944年出版的《生命是什么？》一書（當然，他的一些想法已經被生物學家赫爾曼·米勒早預料到了）。

在20世紀中葉，物理學和生物學的整合深受當時許多著名生物學家的歡迎，包括康拉德·哈爾·沃丁頓、J.B.S·霍爾丹、李約瑟，他們正是劍橋大學理論生物學俱樂部的發(fā)起人。和人們了解DNA“數(shù)字代碼”的意義幾乎在同一時間，應用數(shù)學家諾伯特· 維納在勾勒其控制論的理論，該理論被認為可用來解釋從機器到細胞一類的復雜系統(tǒng)是如何由反饋網絡來控制和調節(jié)的。1955年，物理學家喬治·伽莫夫在《科學美國人》上發(fā)表了具有先見之明的文章，名為《活細胞的信息傳遞和控制論》，這給生物學家雅克·莫諾和弗朗索瓦·雅各布提供了一種語言，使他們

能夠在20世紀60年代明確地描述出他們早期提出的基因調控網絡理論。

各布提供了一種語言，使他們能夠在20世紀60年代明確地描述出他們早期提出的基因調控網絡理論。

造成這種割裂的關鍵原因，在恩斯特·邁爾于2004年出版的《是什么讓生物學如此獨特》中進行了總結。邁爾是最杰出的現(xiàn)代進化生物學家之一，僅僅是這個書名，就反映了一個普遍流行的觀念，那就是生命科學例外論。在邁爾看來，對物理學所能提供的一般理論來說，生物學太混亂、太復雜，所以這些理論沒有很大的幫助——魔鬼總是在細節(jié)中。

? ? 艾倫·麥席森·圖靈是英國的數(shù)字家、邏輯學家，被稱為計算機之父、人工智能之父。

科學思想在一個領域的發(fā)展，最終可能被證明與另一個領域相關。

邁爾做出了可能是任何生物學家都試圖做出的、最協(xié)調一致的嘗試，為他的學科劃出明確的學科界限，巧妙地將其與其他科學領域隔離開來。在這一過程中，他向我們提供了他的這一努力之所以愚蠢的、最清晰的實證之一。

他確定了4個物理學區(qū)別于生物學的基本特征：物理學是一種本質主義理論（將世界劃分為細致入微的和一成不變的類別，如電子和質子）;物理學是一種確定性理論（這個必然導致那個）;物理學是一種簡化理論（通過減少一個系統(tǒng)的組成部分來理解這個系統(tǒng)）;物理學總是假定普遍的自然法則。而在生物學中，這些都被機遇、隨機性和歷史偶然性在暗地里給破壞掉了。只要你對量子理論、混沌學以及它們揭示的復雜性略知一二，你就會知道，邁爾對物理學的這一特性的描述是有著致命缺陷的。

不過，在邁爾辯稱生物學真正與眾不同之處時，與目的有關：生物學是盲目變異和進化過程中的選擇，巧奪天工的設計。粒子在隨機漫步時互相碰撞，不一定是為了非要做出點什么事情來。而基因網絡、蛋白質分子、細胞的復雜架構，是由生存的迫切需要塑造出來的：它們擁有一個目標。而物理學不用處理目標，對嗎？就像紐約城市大學的馬西莫·匹格里奇，一位由進化生物學家轉行而來的哲學家，最近所說的：“追問一個電子、一個分子、一顆行星或者一座山，它們的目的或目標是什么，沒有任何意義?！?/p>

目的或目的論，在生物學中也是一個難以言表的詞：它們很輕易地就為進化的“盲人鐘表匠”提出一個命運注定論的目標，并最終導致自己對創(chuàng)世論（譯者注：即相信萬物皆由上帝一次造成）的濫用。

事實上，物理學家并沒有被這個詞嚇倒。當諾伯特·維納在1943年撰寫論文《行為、目的和目的論》時，受到了蓄意挑釁。2年后，維納與匈牙利數(shù)學物理學家約翰·馮·諾依曼形成了他們的目的社會學，宣稱其使命在于讓人們理解“在人類和動物的行為中，是如何意識到目的的”。馮·諾依曼對“復制”的持久興趣（對進化“生物功能”來說，“復制”是一個最基本的要素），為其細胞自動機理論奠定了基礎，該理論現(xiàn)在已經被廣泛用于研究復雜的自適應過程，包括達爾文的進化論。

表面上的目的，起因于對環(huán)境的達爾文適應。但是，是否這樣就能由達爾文的隨機突變和自然選擇來完美地講明白，而不需要訴諸任何適應方面的“物理學”知識呢？

事實并非如此。首先，達爾文理論的這兩個組成部分——可復制生命體之間的隨機可遺傳變異和來自環(huán)境的選擇壓力——必然產生適應、多樣性和創(chuàng)新的觀點，并不是那么清楚明了的。說起來，這取決于復制的速度、復制過程的保真度、系統(tǒng)中隨機噪聲的水平、選擇壓力的強度、遺傳信息以及遺傳信息管理的特征之間的關系（基因型和表現(xiàn)型），等等。進化生物學家有用來研究這些事情的數(shù)學模型，但是在沒有一個與之相關的總體框架的情況下，這些計算能告訴你的東西很少。

這個總體的框架就是進化物理學。說起來，可以用術語、變量閾值來對其進行勾畫。當變量在閾值以上時，一種新的全球性行為出現(xiàn)了：物理學家稱之為相圖。理論化學家彼得·舒斯特和他的合作者發(fā)現(xiàn)，當基因復制錯誤率的一個閾值低于該閾值時，正在復制的基因組所包含的信息保持穩(wěn)定。換句話說，超過這個錯誤率，就沒有可識別的物種了，因為就其本身而論，它們的遺傳同一性“融化”了。舒斯特的同事、諾貝爾獎得主曼弗雷德·艾根則辯稱這一轉變是一種相變，與物理學家傳統(tǒng)上研究的融化現(xiàn)象完全類似。

與此同時，進化生物學家安德里亞斯·瓦格納已經使用計算機模型來顯示達爾文進化論在本質上革新，產生新形式和新結構的能力。在此，“物理學”又支撐起了進化多樣性。

而麻省理工學院的物理學家杰里米·英格蘭則辯稱，適應本身不一定非要依賴于達爾文的自然選擇和遺傳繼承學說，而是有可能更深地埋藏在復雜系統(tǒng)的熱力學中。恰當和適應的觀念一直是出了名的難以搞定，它們很容易就能將聽上去合情合理的循環(huán)結束掉。但是英格蘭說，在最基本的形式上，它們可能會被認為是一個特定系統(tǒng)具有的能力，可以抑制能量的大幅波動和消散。

“我們開始的假設是普通物理學的那種假設，而這些假設讓我們傾向于主張那種非平衡演化具有的一般特征。而在非平衡演化中，達爾文的故事就變成了一個特例，如果在你的系統(tǒng)中包含自我復制的東西， 你才能獲得這一特例?！庇⒏裉m說，“于是，這個概念就變成了熱波動的物體會自發(fā)地打造其形狀，以在其所處的環(huán)境中更好地從外界進行吸收。這一發(fā)現(xiàn)的激動人心之處在于，當我們給我們看到的某種看上去‘適應了的結構的起源一個物理賬戶時，它們不一定必須要有一般生物意義上的父母?！币恍┭芯空咭呀浱岢觯⒏裉m的觀點為達爾文的學說提供了物理學基礎。

請注意，我們在此真的沒有說該生物學現(xiàn)象中的物理學來自何方——它是由化學家和生物學家提出的可能性，這與由物理學家提出的可能性是一樣的。從學科的角度來看，這里根本沒有任何將這些基本思想和理論稱之為物理學問題的學術沙文主義。我們需要做的，只是將“物理學”一詞從與它如影隨形的分門別類的定義中，以及學術地盤之爭中拯救出來。

你可以把這些入侵生物學的、在物理學中更為人們熟悉的觀點，看作科學思想在一個領域的發(fā)展最終被證明與另一個領域相關的又一個例子。但是這個問題要比上面所說的更深入一些，我們需要超越試圖劃分和保衛(wèi)學科疆界的企圖。

物理學家贊美同行能夠看出“問題中的物理學”的能力的習慣，可能聽起來讓人覺得怪怪的。但是除了思考“問題中的物理學”，物理學家還能做些什么呢？其中存在一個誤解。這些概念往往是一些非常一般的概念，可以用非數(shù)學語言，甚至是口語化的語言簡明地表達出來。在這個意義上，物理學既不是一套固定的程序，也沒有落到某一特定類別的主題上;它是一種思考世界的方式，是一種組織因果關系的方案。

對于生物學中的物理學將由什么組成，我們并不是十分了解。但是沒有了它，我們將無法理解生命。

這種想法可以從任何科學家的頭腦中冒出來，無論他或她身負何種學術標簽。這也正是當他們看到反饋過程對基因調控至為關鍵時，雅各布和莫諾向人們展示的，他們還因此打造了人機關系學與控制理論之間的聯(lián)系。這正是20世紀70年代發(fā)育生物學家漢斯·邁因哈特及其同事阿爾佛雷德·基爾在解開圖靈結構的物理學時所做的。這些自發(fā)的模式出現(xiàn)在化學物擴散的數(shù)學模型中，是由數(shù)學家阿蘭·圖靈在1952年設計出來的，用以解釋形成的世代和胚胎中的順序。邁因哈特和基爾識別出了圖靈數(shù)學中潛藏的物理學：一種自發(fā)產生的“激活劑”和一種抑制其行為的成分之間的相互作用。

一旦我們邁過了物理學的門類定義，圍繞在其他學科周圍的壁壘都將變得更為松懈，從而使我們能夠得到積極的結果。邁爾認為，生物媒介是以一種無生命物體不具有的方式，由目標驅動的。他的這一論點是與生物信息的原始密碼緊密綁定的，源于“一切都始于DNA”的觀點。就像邁爾所說，“在生命的世界中，沒有一個單一的現(xiàn)象，或者一個單一的過程，不是由基因組中包含的遺傳程序控制的”。

這種觀點現(xiàn)在有時被稱為“DNA沙文主義”，導致邁爾錯誤地將這種還原論和決定論歸因于物理學，并且認為生物學中的物理學已經被掏空。因為，即使我們認識到DNA和基因的確是生命進化和生存的詳細細節(jié)的核心，也需要一個更廣泛的圖，在這個圖中，維護生命的信息并不僅僅來自一個DNA數(shù)據銀行。關鍵問題之一是因果關系：信息流向什么方向?，F(xiàn)在，量化這些因果關系問題正在成為可能。

威斯康星大學麥迪遜分校的神經學家朱利奧·托諾尼和他的同事設計了一個用于有著相互作用的組件的復雜系統(tǒng)的通用模型（這個系統(tǒng)可以是神經元，也可以是基因），他們發(fā)現(xiàn)，有時系統(tǒng)的行為并不是由一種自下而上的方式引起的，而是由各組件之間更高水平的組織方式引起的。

在最近進行的一次酵母基因網絡信息流分析中，亞利桑那州立大學的薩拉·沃克、保羅·戴維斯以及他們的同事證實，“向下的”因果關系可能真的參與了這一案例。他們認為，自上而下的因果關系可能是生命物理學的一個特性，而且可能在進化過程中的某些重大變化中發(fā)揮了關鍵作用，比如基因序列的出現(xiàn)、復雜分化細胞（真核生物）的進化、多細胞生物的發(fā)展，甚至是生命起源本身。他們認為，在這些關鍵點上，信息流可能轉換方向，由此在組織的更高水平上發(fā)生的過程，影響和改變了那些在較低的水平上發(fā)生的過程——不是一切都是由基因水平上的突變驅動的。

瓦格納、舒斯特和艾根的工作表明，DNA和基因網絡與生物體的進化和維護是相互連接的，而對于這種連接，只有當我們更好地掌握了信息本身的物理特性時，才能充分理解。

一個恰當?shù)睦泳褪?，生物系統(tǒng)在操作中經常接近于物理學家所稱的臨界相變或臨界點：這是一種在兩種組織模式之間切換的邊緣，保持平衡的狀態(tài)，兩種組織模式中有一種是有序的，另一種則是無序的。臨界點，在諸如磁性、固液混合物、超流體等物理系統(tǒng)中，是眾所周知的。2010年，美國普林斯頓大學致力生物問題研究的物理學家威廉·彼亞雷克及其同事蒂埃里·莫拉提出，各種各樣的生物系統(tǒng)，從成群結隊飛行的鳥兒，到大腦中的神經網絡，以及蛋白質中氨基酸序列的組織，都可以接近臨界狀態(tài)。

彼亞雷克和莫拉說，通過使其接近臨界點，一個系統(tǒng)將發(fā)生大的波動，從而使它的組分能夠達成各種不同立體基陣。因此，莫拉說：“臨界點可能為處理復雜和不可預測的環(huán)境帶來必要的靈活性?！备匾氖牵R界狀態(tài)對環(huán)境中的擾動極為敏感，而這些擾動可將漣漪效應傳遍整個系統(tǒng)。這種現(xiàn)象可以幫助一個生物系統(tǒng)非常迅速地適應變化：比方說，一群飛鳥或者一群魚可以對捕食者的到來做出非?？焖俚姆磻?。

臨界狀態(tài)還可以提供一種信息收集機制。意大利帕多瓦大學的物理學家阿摩司·馬利坦及其合作者已經表明，一種“認知主體”集合的臨界狀態(tài)——可以是生物個體或者是神經元——能夠使系統(tǒng)“意識”到，在它周圍正在發(fā)生著什么：將其所處的環(huán)境和情況編碼出一份“內部地圖”，在臨界點保持平衡，可為系統(tǒng)提供最佳的靈活性和進化優(yōu)勢，以應對和適應高度可變的復雜環(huán)境。有越來越多的跡象顯示，大腦、基因網絡以及獸群的確是以這種方式組織的。臨界狀態(tài)可能無處不在。

這樣的例子給了我們信心，使我們相信生物學中是有物理學的。對于“生物學就是那么亂糟糟的一團”的常見說法，彼亞雷克不能容忍。他說：“這里可能會有一些不能削減的凌亂，我們永遠也無法了解。但是我相信，總會有一種生物系統(tǒng)的理論物理學可以達到在物理學的其他領域已經成為標準的預測能力水平?！睕]有它，生物學就有變成純粹的奇聞和意外事件的風險。我們可以相當確定的一件事是，生物學不是這樣的，否則它根本就無法運行。

我們還不知道生物學的物理學究竟包括些什么，但是，沒有了它，我們將無法理解生命。關于基因網絡如何在面對變化的環(huán)境時既能產生穩(wěn)健性，又能產生適應性，它肯定有話要說，對不對？舉個例子來說，一個有缺陷的基因不一定是致命的，細胞也可以在不改變它們基因的情況下以穩(wěn)定、可靠的方式改變它們的特征。生物學的物理學應該能夠揭示進化本身，讓我們了解它為什么既是可能的，又是具有創(chuàng)造性的。

說物理學沒有疆界，不等于說物理學家可以解決一切問題。他們也是在一個學科內被培養(yǎng)大的，和我們一樣，當他們走出學科的藩籬時，也有容易栽跟頭的傾向。這個問題不是誰“把持”特定科學問題的問題，而是關于如何開發(fā)有用的工具以思考事物是如何運行的——這正是亞里士多德在2000多年以前試圖做的事情。物理學不只是發(fā)生在物理系的事。這個世界真的不關心什么

學術標簽，而且如果我們想要真正理解這個世界，那么也不應該去關注什么學術標簽。