郭建崴

前文提到，要闡明生命有機(jī)體這種有序結(jié)構(gòu)的形成和發(fā)展，就必須要研究自組織現(xiàn)象。揭示自組織的奧妙，是歷史進(jìn)入20世紀(jì)以后物理學(xué)的革命性發(fā)展才得以實(shí)現(xiàn)的。本文就先將20世紀(jì)前半葉物理學(xué)的一些最重要成就以及對生物學(xué)產(chǎn)生巨大影響的學(xué)者及其學(xué)說做一簡略的回顧。

19世紀(jì)與20世紀(jì)之交，物理學(xué)有了三大新發(fā)現(xiàn)：X射線、電子和放射性。

19 0 0 年，德國物理學(xué)家普朗克（M a x Planck，1858～1947）為解釋物體熱輻射規(guī)律而提出能量子假說——物質(zhì)發(fā)射或吸收能量時(shí)，能量不是連續(xù)的，而是一份一份的，只能取某個(gè)最小數(shù)值的整數(shù)倍；這個(gè)最小數(shù)值稱為能量子，輻射頻率是ν的能量的最小數(shù)值ε=hν。其中h，普朗克當(dāng)時(shí)把它叫做基本作用量子，現(xiàn)在叫做普朗克常數(shù)，是現(xiàn)代物理學(xué)中最重要的物理常數(shù)。能量子這一發(fā)現(xiàn)把物理學(xué)帶進(jìn)了量子世界，對物理學(xué)的發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)，普朗克因此獲得1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，并被尊為量子論的奠基人。

1905年，愛因斯坦（Albert Einstein，1879～1955）提出光子假設(shè)、成功解釋了光電效應(yīng)（因此獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)） 。同年他創(chuàng)立了狹義相對論，其中的兩條基本原理是：1)相對性原理——不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的；2)光速不變原理——不同的慣性參考系中，光在真空中的速度c不變。1915年他又創(chuàng)立了廣義相對論。

丹麥物理學(xué)家玻爾（NielsHenrik David Bohr，1885～1962），對科學(xué)的最偉大貢獻(xiàn)是在1913年提出了自己的原子結(jié)構(gòu)假說，成功地解釋和預(yù)言了氫原子的輻射電磁波譜，為量子力學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，從而獲得了1922年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

20世紀(jì)30年代中期，玻爾和他的學(xué)生一道合作探討基因突變機(jī)制問題，試圖建立基因的量子力學(xué)圖象。1932年，玻爾在哥本哈根召開的國際輻射治療會(huì)議上發(fā)表了著名的演說——《光和生命》。他通過對海森伯（Werner Karl Heisenberg，1901～1976）提出的測不準(zhǔn)原理進(jìn)行哲學(xué)的思考，指出測不準(zhǔn)原理應(yīng)該擴(kuò)展到對生命現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)中，提出要把生物學(xué)研究深入到比細(xì)胞更深層次中去。他曾經(jīng)討論過生物與熱力學(xué)關(guān)系的問題：“機(jī)體中在實(shí)際上可以認(rèn)為是均勻的那種溫度，就將熱力學(xué)的要求歸結(jié)成了自由能的固定不變或穩(wěn)步遞減。因此，看來可以這樣假設(shè)：一切永久出現(xiàn)或暫時(shí)出現(xiàn)的大分子結(jié)構(gòu)的形成，代表著一些本質(zhì)上不可逆的過程，這些過程在營養(yǎng)和呼吸所保持的有利條件下增加著機(jī)體的穩(wěn)定性。”

曾以光子散射研究而聞名的德爾布呂克（Max Delbruck，1906～1981）是玻爾的研究生，他聽了玻爾的演講后深受觸動(dòng)。1933年，德爾布呂克又參加了在柏林召開的“基礎(chǔ)物理學(xué)的未來”討論會(huì)，會(huì)上學(xué)者們得出結(jié)論說：1）物理學(xué)一段時(shí)期以來提不出有意義的研究；2）生物學(xué)中沒有解決的問題為數(shù)最多；3）一些人將進(jìn)入生物學(xué)。

德爾布呂克轉(zhuǎn)向了生物學(xué)研究。他和生物學(xué)家雷索夫斯基（Timofeeff-Ressovsky，1900～1981）、物理學(xué)家齊默（K.G.Zimmer，1911～1988）合作，在1935年聯(lián)合發(fā)表了論文《突變和基因結(jié)構(gòu)》，發(fā)展了靶學(xué)說，其要義是X射線像槍彈一樣不連續(xù)地射到生物體，生物體中對輻射敏感的結(jié)構(gòu)或分子稱為靶，靶受射線擊中若干次后才發(fā)生生物學(xué)效應(yīng)。德爾布呂克等人得到的靶體積是大約10個(gè)平均原子距離為邊長的一個(gè)立方體，也就是說，靶大約包含1000個(gè)原子。這個(gè)發(fā)現(xiàn)激發(fā)薛定諤于1943年寫就了《生命是什么——活細(xì)胞的物理觀》一書。

1937年，德爾布呂克來到美國，和意大利來的細(xì)菌學(xué)家盧里亞（Salvador E. Luria，1912～1991）合作，研究噬菌體。后來赫爾希（Alfred D. Hershey，1908～1997）也加入進(jìn)來。他們通過噬菌體試驗(yàn)開創(chuàng)了病毒復(fù)制機(jī)理的研究工作，獲得了1969年諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

薛定諤（Erwin Schr?dinger，1887～1961）是奧地利理論物理學(xué)家，波動(dòng)力學(xué)理論的創(chuàng)始人；因發(fā)現(xiàn)原子理論的有效新形式，與狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac，1902～1984）共獲1933年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

薛定諤對科學(xué)的理解不僅僅限于物理學(xué)，同時(shí)也是分子生物學(xué)的奠基者。在那本被稱為“喚起生物學(xué)革命的小冊子”——《生命是什么——活細(xì)胞的物理觀》一書中，他用熱力學(xué)和量子力學(xué)理論來解釋生命的本質(zhì)，說明有機(jī)體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，生命活動(dòng)的維持和延續(xù)、生命的遺傳和變異等問題，開拓了研究生命現(xiàn)象的新途徑。

薛定諤和“薛定諤的貓”（圖片引自互聯(lián)網(wǎng)）

薛定諤從德爾布呂克的推測——基因包含于微觀體積（邊長為10個(gè)原子距離的立方體）——出發(fā)，提出大分子作為一種非周期固體，可作為遺傳信息的負(fù)荷者。而且他還提出了密碼的概念。他說：“可用這種說法來表達(dá)我們的假說：我們認(rèn)為，一個(gè)基因——也許是整個(gè)染色體纖絲——是一種非周期性的固體?！薄跋袷芫鸭?xì)胞核這樣小的物質(zhì)顆粒，怎么能包含涉及有機(jī)體未來的全部發(fā)育的精細(xì)的密碼正本呢？”為了回答這個(gè)問題，他舉了一個(gè)例子：用5個(gè)符號(hào)編寫長度為25的文字，文字?jǐn)?shù)為525=372，529，029，846，191，405個(gè)。所以在一個(gè)很小的空間范圍內(nèi)的微型密碼就可以包含足夠多的信息用以描述十分復(fù)雜的內(nèi)容。

薛定諤書中論述的第二個(gè)問題是生命以物理規(guī)律為基礎(chǔ)，特別是以量子規(guī)律為基礎(chǔ)，從量子力學(xué)的角度論證了基因的持久性和遺傳模式的長期穩(wěn)定性的可能性。認(rèn)為生命是一種新的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，它的特點(diǎn)之一是有序性。

薛定諤書中談的第三個(gè)問題是生命的熱力學(xué)基礎(chǔ)，提出生命是非平衡開放系統(tǒng)、是自組織的低熵狀態(tài)；生命靠負(fù)熵為生，從環(huán)境中抽取“有序”來維持系統(tǒng)的組織。

薛定諤對生命的有序性和以負(fù)熵為生的討論揭示，有機(jī)體生長中物質(zhì)的有序化要求減少熵，因而必須向外散發(fā)熱量。對于任何一個(gè)成熟細(xì)胞，為了維持它的生命功能，為了維持它的自組織狀態(tài)，也必須耗散一定的熱功率。這是因?yàn)槿魏尾豢赡娴奈锢?、化學(xué)過程每分每秒都在產(chǎn)生熵。

一個(gè)系統(tǒng)，只要是孤立的，總要逐漸地趨向平衡，達(dá)到熵最大的狀態(tài)，達(dá)到無序性最大的狀態(tài)，——這就是死亡。

一個(gè)活的有機(jī)體是如何避免死亡的呢？靠吃喝、呼吸、新陳代謝，那么在我們的食物里究竟有什么樣的寶貴東西使我們能夠免于死亡呢？薛定諤回答說：“要擺脫死亡，就是說要活著，唯一的辦法就是從環(huán)境中不斷地吸取負(fù)熵，……有機(jī)體就是賴負(fù)熵為生的。或者更確切地說，新陳代謝中本質(zhì)的東西乃是使有機(jī)體成功地消除了當(dāng)它自身活著時(shí)不得不產(chǎn)生的熵。”

德爾布呂克和薛定諤用遺傳信息的觀點(diǎn)來研究遺傳學(xué)和生物學(xué)，開辟了信息學(xué)派的先河。薛定諤《生命是什么》一書中論述的三個(gè)觀點(diǎn)后來發(fā)展為理論生物學(xué)的三個(gè)方向——理論分子生物學(xué)、量子生物學(xué)和耗散結(jié)構(gòu)理論。

沃森、克里克和威爾金斯就是在薛定諤的影響和啟發(fā)下，分析了遺傳的主要物質(zhì)脫氧核糖核酸（DNA）的有關(guān)資料，于1953年提出了DNA的“雙螺旋結(jié)構(gòu)模型”，標(biāo)志著對生命現(xiàn)象的研究進(jìn)入了分子生物學(xué)時(shí)期。