生命是什麼 · 第一章 經典物理學家對這一主題的探討3

我思故我在。 ——笛卡兒 1.研究的一般性質和目的 這本小書源於一位理論物理學家為大約400名聽眾所做的一次公眾講演。雖然我們從一開始就提醒說這個主題很難懂，而且即使幾乎沒有使用物理學家最讓人畏懼的數學演繹這個武器，講演也不可能很通俗，但聽眾基本上沒有減少。之所以如此，並不是因為這個主題簡單得不用數學就可以解釋清楚，而是因為問題過於複雜，以致不能完全用數學來處理。講演至少聽起來還比較通俗，這是因為講演者試圖把盤桓於生物學和物理學之間的基本觀念向生物學家講清楚。 實際上，儘管涉及的論題多種多樣，但整本書只是要表達一種想法——對一個重大問題的一點評論。為了不迷失方向，我們不妨先把計劃很簡要地概述一下。 這個討論得很多的重大問題是： 在一個生命有機體的空間界限內發生的時空中的事件，如何用物理學和化學來解釋？ 這本小書力圖闡述和確立的初步回答可以概括如下：4 當前的物理學和化學顯然無法解釋這些事件，但我們並不能因此而懷疑這些事件可以用物理學和化學來解釋。 2.統計物理學。結構上的根本差別 如果它只是為了激起未來獲得成功的希望，那麼這樣說也未免太平凡了。它有著更為積極的意義，那就是，迄今為止物理學和化學的這種無能為力已經得到了充分說明。 今天，由於生物學家、主要是遺傳學家在最近三四十年里所做的創造性工作，我們對有機體的實際物質結構及其機能已經了解很多，這些知識足以說明並且是精確地說明，當前的物理學和化學為什麼還不能解釋生命有機體內部在時空中發生的事件。 一個有機體最具活性部分的原子的排列以及這些排列的相互作用，與迄今為止被物理學家和化學家當作實驗和理論研究對象的所有那些原子排列都有根本的差別。然而，除了深信物理學和化學定律完全是統計學定律的那些物理學家之外，別人也許會認為我方才所說的那種根本差別是無足輕重的。 注2 這是因為，認為生命有機體活性部分的結構迥異於物理學家和化學家在實驗室或書桌旁用體力或腦力處理的任何一塊物質的結構，這與統計學的觀點有關。 注3 要把如此發現的定律和規則直接應用於系統的行為，而該系統又不表現出那些定律和規則所基於的結構，這幾乎是難以想像的。5 我們甚至不能指望非物理學家能夠理解我方才用非常抽象的術語所表述的「統計結構」上的差別，更不要說去理解這種差別的重大意義了。為使陳述更為生動有趣，我先把後面要詳細說明的內容提前講一下，即活細胞最重要的部分——染色體纖絲——可以被恰當地稱為非周期性晶體 。迄今為止，我們在物理學中只處理過周期性晶體 。在一位謙卑的物理學家看來，周期性晶體已經非常有趣和複雜了；它們構成了最有吸引力和最複雜的物質結構之一，由於這些結構，無生命的自然已經使物理學家費盡心思了。然而與非周期性晶體相比，它是相當簡單和乏味的。兩者在結構上的差別就如同一張是反覆出現同一種圖案的普通壁紙，另一幅則是技藝精湛的刺繡，比如一條拉斐爾掛毯，它顯示的絕非單調的重複，而是那位大師繪製的一幅精緻的、有條理的、富含意義的圖案。 在把周期性晶體稱為他所研究的最複雜的對象之一時，我想到的是嚴格意義上的物理學家。事實上，有機化學在研究越來越複雜的分子時，已經十分接近那種「非周期性晶體」了，在我看來，那正是生命的物質載體。因此，有機化學家對生命問題已經做出了重大貢獻，而物理學家則幾乎無所作為，這不足為奇。 3.素樸物理學家對這一主題的探討6 我已經非常簡要地說明了我們研究的一般想法，或者毋寧說是最終的範圍，現在我來談談研究思路。 我打算首先提出或可稱為「一個素樸物理學家對有機體的看法」，也就是這樣一位物理學家可能想到的那些觀點，他在學習了物理學特別是物理學的統計基礎之後，開始思考有機體及其行為和運作方式。他認真地問自己：根據他之所學，根據其相對簡單、清楚和謙卑的科學觀點，他能否為這個問題做出一些適當的貢獻？ 事實證明，他是能夠做出貢獻的。接下來他便把理論預見與生物學事實作比較。結果將表明，他的觀點大體上是合理的，但需要作一些修正。這樣一來，我們將逐漸接近正確的觀點，或者更謙虛地說，將逐漸接近我認為正確的觀點。 即使我在這一點上是正確的，我也不知道我的道路是否最佳和最簡單。不過，這畢竟是我的道路。這位「素樸物理學家」就是我自己。除了我自己的這條曲折道路以外，我找不到通往這個目標的更好或更清楚的路。 4.為什麼原子如此之小？ 為了闡明「素樸物理學家的看法」，我們不妨從一個古怪的、近乎荒謬的問題開始講起：為什麼原子如此之小？首先，它們確實很小。日常生活中碰到的每一小塊物質都含有大量原子。為使聽眾理解這個事實，人們設計了許多例子，但給人印象最深的莫過於開爾文勳爵（Lord Kelvin）使用的一個例子：假定你能給一杯水中的分子做上標記，再把這杯水倒入海洋，然後徹底加以攪拌，使有標記的分子均勻地分布於七大洋；然後，如果你從海洋中任何地方舀出一杯水來，你將發現這杯水中大約有100個你所標記的分子。 注4 7 原子的實際尺寸 注5 約為黃光波長的1/5000到1/2000之間。這一比較是有意義的，因為此波長大致給出了在顯微鏡下仍能辨認的最小顆粒的大小。即使是這麼小的顆粒也含有幾十億個原子。 那麼，為什麼原子如此之小呢？ 顯然，這個問題是一種迴避，因為我們的實際目的並非原子的大小。我們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，人們通常使用所謂的埃（簡寫為Å），即1米的1010 分之一，或0.000 000 000 1米。原子的直徑在1Å到2Å之間。這些日常單位（與它相比，原子非常之小）與我們身體的大小密切相關。有一個故事說，碼來源於一個英國國王的幽默。大臣們問他採用什麼單位，他把手臂往旁邊一伸說：「取我胸部中央到手指尖的距離就可以了。」不論是真是假，這個故事對我們來說很重要。這個國王自然會指出一個適合與他自己身體相比的長度，他知道其他任何長度都會很不方便。儘管物理學家偏愛埃這個單位，但在做一件新衣服時，他寧願被告知這件衣服需用6碼半布呢，而不是650億埃布呢？8 既已確定我們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——之比，而原子的獨立存在具有無可爭議的優先性，於是這個問題實際上應當理解為：同原子相比，我們的身體為什麼一定要這麼大？ 可以想像，許多頭腦敏銳的人在學習物理學或化學時會對以下事實感到遺憾：感覺器官構成了我們身體上比較重要的部分，因而（從上述比例大小來看）是由無數原子構成的，但我們的每一個感覺器官都過於粗糙，無法被單個原子的碰撞所影響，單個原子我們是看不到、聽不到也感受不到的。我們關於原子的假說與我們粗大遲鈍的感官所直接發現的東西極為不同，而且也不能通過直接觀察來檢驗。 一定是這樣的嗎？是否有內在的原因可以解釋？為了查明和理解為什麼感官不合乎自然界的這些定律，我們能否把這一事態追溯到某種第一原理呢？ 這一次，物理學家能夠完全弄清楚這個問題了。對所有提問的回答都是肯定的。 5.有機體的運作需要精確的物理定律 如果情況不是這樣，如果我們的有機體非常敏感，以至於單個原子或者哪怕是幾個原子也能給我們的感官造成一種可知覺的印象——天哪，那生命將是什麼樣子？有一點需要強調：幾乎可以肯定，那種有機體不可能發展出一種有秩序的思想，使這種思想在經歷一連串早期階段之後，能夠最終形成原子的觀念和其他許多觀念。9 儘管我們選擇了這一點來談，但下面一些考慮本質上也適用於大腦和感覺系統以外各個器官的運作。然而最讓我們對自身感興趣的是，我們在感覺、思維和知覺。對於負責思想和感覺的生理過程來說，大腦和感覺系統以外的所有其他器官只能起輔助作用，至少從人的觀點看是如此，即使不是從純客觀的生物學觀點來看。此外，這將大大方便我們去挑選那些密切伴隨主觀事件的過程來研究，儘管我們對這種密切伴隨的真正本性一無所知。事實上在我看來，它超出了自然科學的範圍，而且很可能完全超出了人的理解。 於是，我們面臨著以下問題：像我們的大腦這樣的器官以及附屬於它的感覺系統，為使其物理變化狀態密切對應於一種高度發達的思想，為什麼必須由大量原子所構成呢？上述器官（作為一個整體或者它直接與環境相互作用的某些外圍部分）所實現的任務，較之於一台精緻和靈敏到足以反映並記錄外界單個原子碰撞的機械裝置，基於什麼理由說它們是不一致的呢？ 理由是，我們所說的思想（1）本身是一種有序的東西，（2）只能應用於在一定程度上有序的材料，即知覺或經驗。這有兩個推論。首先，一個身體組織，要想與思想密切對應（比如我的大腦與我的思想密切對應），就必須是一種非常有序的組織，這意味著在它內部發生的事件必須遵循嚴格的物理定律，至少要達到很高程度的準確性。其次，外界其他物體對那個物理上組織得很好的系統所造成的物理印象（顯然對應於相應思想的知覺和經驗），構成了我所說的思想材料。因此一般來說，我們的系統與別人的系統之間的物理相互作用本身具有某種程度的物理秩序，也就是說，它們也必須遵循嚴格的物理定律並達到一定程度的準確性。10 6.物理定律基於原子統計學，因而只是近似的 僅由少量原子構成並且已經可以對一個或幾個原子的碰撞做出反應的有機體，為什麼無法實現這一切呢？ 因為我們知道，所有原子每時每刻都在作完全無序的熱運動，可以說，這種運動破壞了它們的有序行為，使發生在少量原子之間的事件不能按照任何可認識的定律表現出來。只有在大量原子的合作中，統計學定律才開始影響和控制這些集合體的行為，其準確性隨著原子數目的增加而增加。諸事件正是以這種方式獲得了真正有序的特徵。在生命有機體中起重要作用的所有已知的物理學和化學定律都是這種統計學定律；我們所能想到的任何其他種類的規律性和秩序總是被原子不停的熱運動所擾亂，或是變得不起作用。 7.它們的精確性基於大量原子的介入。第一個例子（順磁性） 我想用幾個例子來說明這一點。這是從數千個例子中隨便舉出的幾個，對於初次了解這種狀況的讀者來說，它們不一定是最吸引人的。這種狀況在現代物理學和化學很基本，就像「有機體由細胞組成」在生物學中，牛頓定律在天文學中，甚至是整數序列1, 2, 3, 4, 5……在數學中一樣基本。不能指望一個初學者讀了以下幾頁就能完全理解和領會這一主題，該主題是與路德維希·玻爾茲曼（Ludwig Boltzmann）和威拉德·吉布斯（Willard Gibbs）的威名聯繫在一起的，在教科書中被稱為「統計熱力學」。11 如果你給一個長方形的水晶管里充滿氧氣，把它放入一個磁場，你會發現氣體被磁化了。磁化是因為氧分子是一些小磁體，有像羅盤針一樣與磁場平行的傾向。但千萬不要認為它們全都轉向了平行。因為如果你把磁場加倍，那麼氧氣中的磁化也會加倍，磁化隨著你使用的場強而增加，這種成比例的增加可以達到極高的場強。 圖1 順磁性 這是純粹統計學定律的一個特別清楚的例子。磁場傾向於產生的指向不斷遭到隨機指向的熱運動的對抗。實際上，這種鬥爭的結果只是使偶極軸與場之間的銳角比鈍角稍占優勢。雖然單個原子在不斷改變其指向，但平均來看（由於它們數目極多），一種沿著場的方向並與之成比例的指向稍占優勢。這一別出心裁的解釋是法國物理學家郎之萬（P.Langevin）提出的。它可以通過以下方式來檢驗。如果觀察到的弱磁化的確源於相互對抗的傾向，也就是說，源於旨在把所有分子梳理平行的磁場與有利於隨機指向的熱運動之間的對抗，那麼就應該可以通過減弱熱運動來增強磁化，即通過降低溫度而不是加強磁場。實驗已經證明了這一點，實驗結果是磁化與絕對溫度成反比，這與理論（居里定律）在定量上是相符的。我們甚至能夠憑藉現代設備，通過降低溫度而把熱運動減到很小，以至於能夠顯示出磁場的定向趨勢，即使不是完全顯示，至少也足以產生相當一部分的「完全磁化」。在這種情況下，我們不再指望場強加倍會使磁化加倍，而是隨著場的增強，磁化的增強會越來越少，接近於所謂的「飽和」。這個預期也被實驗定量地證實了。12 需要注意的是，這一行為完全依賴於合作產生可觀察磁化的分子的巨大數目。否則，磁化根本不會是恆定的，而將時時刻刻不規則地漲落，成為熱運動與場之間對抗消長的見證。 8.第二個例子（布朗運動，擴散） 如果你用由微滴組成的霧充滿一個密封玻璃容器的底部，你會發現霧的上邊界在以一定的速度逐漸沉降，該速度取決於空氣的黏性以及微滴的大小和比重。然而，如果你在顯微鏡下觀察一粒微滴，你會發現它並非一直以恆定的速度沉降，而是在作一種非常不規則的運動，即所謂的布朗運動，只有平均來看，這種運動才相當於一種規則的沉降。13 圖2 沉降的霧 圖3 下沉微滴的布朗運動 這些微滴並不是原子，但它們足夠小和輕，對於持續碰撞其表面的單個分子的碰撞並非完全沒有反應。它們就這樣被撞來撞去，只有平均來看才服從重力的影響。 這個例子表明，假如我們的感官也能感受到只有幾個分子的碰撞，我們的經驗將會多麼有趣和混亂啊。細菌和其他一些有機體是如此之小，定會受到這種現象的強烈影響。它們的運動取決於周圍環境中熱的倏忽變動，它們自己沒有選擇的餘地。它們若自己有動力，是有可能從一處成功移到另一處的——但會有些困難，因為它們被熱運動顛簸著，宛如洶湧大海中的一葉小舟。14 與布朗運動非常類似的一種現象是擴散 現象。在一個盛滿液體比如水的容器中溶解少量有色物質，比如高錳酸鉀，使其濃度不完全均勻，如圖4所示，其中的小點表示溶質（高錳酸鉀）分子，其濃度從左到右遞減。如果不去管這個系統，那麼就開始了非常緩慢的「擴散」過程。高錳酸鉀將從左到右即從高濃度處向低濃度處擴散，直到均勻分布於水中。 圖4 在濃度不均勻的溶液中從左到右擴散 關於這個相當簡單的、顯然並不特別有趣的過程，引人注目的是，就像一個國家的人口分散到有更多活動空間的地區那樣，驅使高錳酸鉀分子從稠密區域走向稀疏區域的絕不像有人可能想像的那樣，是由於某種傾向或力。我們的高錳酸鉀分子根本沒有發生那樣的事情。每一個高錳酸鉀分子都完全獨立於所有其他高錳酸鉀分子而行動，並且很少相碰。然而，每一個高錳酸鉀分子，無論在稠密區域還是空曠區域，都會經受同樣的命運，即不斷受到水分子的碰撞，從而沿著一個不可預測的方向逐漸向前移動——有時朝高濃度方向，有時朝低濃度方向，有時則是斜著移動。它的這種運動常與蒙住眼睛的人的運動作類比。這個人站在地面上，充滿了某種「行走」的欲望，但並不偏愛任何特定的方向，因此會不斷變換路線。15 所有高錳酸鉀分子都是這樣隨機行走，卻產生了一種朝著低濃度方向的規則流動，最後走向均勻分布。初看起來，這著實令人困惑——但僅僅是初看起來而已。如果你把圖4想像為一層層濃度幾乎恆定的薄片，那麼某一時刻某一薄片所含的高錳酸鉀分子，由於其隨機行走，確實會以相等的機率被帶到右邊或左邊。但正是由於這一點，通過分隔兩層相鄰薄片的平面的分子，來自左邊的要多於來自右邊的，這只是因為左邊比右邊有更多的分子在隨機行走。只要是這種情況，均衡狀態將表現為一種從左到右的規則流動，直至達到均勻分布。 如果把這些想法轉換成數學語言，那麼精確的擴散定律可以表示為偏微分方程： 我不打算解釋這個方程式來麻煩讀者，雖然它的含義用日常語言來說也是很簡單的。 注6 這裡之所以提到「數學上精確的」嚴格定律，是為了強調其物理上的精確性在每一項具體應用上必定還會受到挑戰。由於建立在純粹運氣的基礎上，所以它的有效性只是近似的。一般來說，如果它是一個很好的近似，那只是因為在擴散現象中有無數分子的合作。我們必須預料到，分子的數目越小，偶然的偏差就越大——如果條件合適，這些偏差是可以觀察到的。 16 9.第三個例子（測量準確性的限度） 我要舉的最後一個例子與第二個例子類似，但有著特殊的意義。用細長纖絲把一個輕物體懸掛起來，使其保持平衡指向，並用電力、磁力或引力使之圍繞垂直軸發生扭轉，物理學家常用這種方法來測量使它偏離平衡位置的微弱的力（當然，必須視具體目的而恰當選用這種輕物體）。在不斷努力改進這種常用的「扭力天平」的準確度時，我們碰到了一個奇特的極限，它本身非常有趣。選用越來越輕的物體和更細更長的纖絲（以使天平能對越來越弱的力做出反應），當懸掛物體明顯感受到周圍分子熱運動的衝擊，而在其平衡位置周圍像第二個例子中微滴的顫動那樣開始持續作一種不規則「舞蹈」時，極限就達到了。雖然這種行為並沒有為天平的測量準確性設置絕對極限，但卻設置了一個實際的極限。熱運動的不可控效應與待測力的效應相互競爭，使觀察到的單個偏離失去了意義。為了消除儀器布朗運動的影響，你必須作多次觀察。我認為在我們目前的研究中，這個例子特別有啟發性。因為我們的感覺器官畢竟是一種儀器。如果它變得太靈敏，我們可以看到它會多麼無用。17 10.√n律 例子就舉這麼多。我只想再補充一點，適合有機體內部或者有機體與環境相互作用的那些物理學或化學定律，都可以用來做例子。詳細解釋也許要更為複雜，但要點總是一樣的，因此再進行描述會變得單調乏味。 不過，關於任何物理定律都會有的不準確度，我想補充一點非常重要的定量說明，即所謂的√n律。我先用一個簡單例子來說明，然後再進行概括。 如果我告訴你，某種氣體在一定的壓力和溫度下有一定的密度，或者換一種說法，在這些條件下，在一定體積內（體積大小適合實驗需要）正好有n個氣體分子，那麼你可以確信，若能在某一特定時刻檢驗我的說法，你將會發現它是不準確的，偏差大約為√n。因此，如果數目n＝100，你會發現偏差大約為10，於是相對誤差＝10%。而如果n=1 000 000，那麼你很可能會發現偏差約為1 000，於是相對誤差＝0.1%。粗略地說，這個統計學定律是很普遍的。物理定律和物理化學定律的不準確性在1/√n這一可能的相對誤差之內，其中n是合作使該定律生效——在某些重要的空間或時間（或兩者的）區域內，使該定律對某些想法或某個特殊實驗生效——的分子數目。 由此我們又一次看到，為使其內部生命及其與外部世界的相互作用都能服從較為精確的定律，有機體必須有一個較為巨大的結構。否則，進行合作的粒子數目就太少了，「定律」也就太不準確了。特別苛刻的要求是平方根。因為雖然100萬是一個相當大的數目，但由於準確度只有千分之一，這對於一條「自然定律」來說還不夠好。18