生命是什麼 · 第七章 生命以物理定律為基礎嗎？76

如果一個人從不自相矛盾，那一定是因為他實際上什麼也不說。 ——烏納穆諾（引自談話） 61.有機體可望有新的定律 簡而言之，我在這最後一章希望闡明的是，根據我們對生命物質結構的所有了解，我們一定會發現其運作方式無法歸結為普通的物理學定律。這不是因為是否有某種「新的力」在支配著生命有機體中單一原子的行為，而是因為它的構造與迄今為止我們在物理實驗室中檢驗過的任何東西都不一樣。粗淺地說，一位只熟悉熱機的工程師在檢查了一台電動機的構造之後，會發現它是按照他尚不了解的原理運轉的。他發現，他很熟悉的制壺用的銅，在這裡成了很長的銅絲繞成的線圈；他很熟悉的制槓桿、柵欄和汽缸的鐵，在這裡卻填充於那些銅線圈內部。他確信這是同樣的銅和同樣的鐵，服從於同樣的自然定律，在這一點上他是對的。但不同的構造卻使他期待著一種完全不同的運作方式。他不會認為電動機是由幽靈驅動的，儘管它沒有鍋爐和蒸汽，只需按下開關便會運轉起來。 62.評述生物學狀況77 在有機體的生命周期里展開的事件顯示出一種美妙的規律性和秩序性，我們在無生命物質那裡碰到的任何東西都無法與之匹敵。我們發現它是由一種極為有序的原子團所控制的，在每一個細胞中，這種原子團只占原子總數的很小一部分。而且，根據我們業已形成的關於突變機制的看法，我們斷定，在生殖細胞的「支配性原子」團里，只要少數原子的位置發生移動，就能使有機體的宏觀遺傳性狀出現明確改變。 這些事實無疑是當今科學所揭示的最有趣的東西。我們最終也許會發現它們並非完全不可接受。有機體將「秩序之流」集中於它自身，從而避免衰退為混亂的原子，這種從合適的環境中「吸取秩序」的驚人天賦似乎與「非周期性固體」即染色體分子的存在有關。憑藉著每一個原子和原子團各自發揮作用，這些分子無疑代表著已知的有序度最高的原子集合體，其有序度遠比普通的周期性晶體高得多。 簡而言之，我們看到現存秩序顯示出維持自身和產生有序事件的能力。這種說法聽起來似乎很有道理。但之所以如此，無疑是因為我們吸取了關於社會組織和與有機體活動有關的其他事件的經驗。因此，它有點像循環論證。 63.綜述物理學狀況 無論如何，必須反覆強調，對於物理學家來說，這一事態不僅不是貌似有理，而且非常振奮人心，因為它是前所未有的。與通常的看法相反，受物理定律支配的事件的規則進程絕非源於原子的一種有序構形——除非原子構形多次重複自身，就像在周期性晶體或者由大量全同分子組成的液體或氣體中那樣。78 甚至當化學家離體 研究一種非常複雜的分子時，他也總是面對著大量相似的分子。他的定律適用於這些分子。例如他會告訴你，某個反應開始一分鐘之後，會有一半分子起反應，兩分鐘之後會有3/4的分子起反應。但即使你可以追蹤某個分子的進程，化學家也無法預言這個分子是屬於已經起反應的分子，還是屬於未起反應的分子。這純粹是機會的問題。 這並不是一種純理論的猜測。也不是說我們永遠無法觀察到單個原子團甚至是單個原子的命運。有時我們是能夠做到的。但只要我們這樣做，就會發現完全的不規則性，只有平均來看才能共同產生規則性。我們曾在第一章討論過一個例子。懸浮在液體中的一顆微粒的布朗運動是完全不規則的。但如果有許多類似的微粒，它們的不規則運動將會引起規則的擴散現象。 單個放射性原子的蛻變是可以觀察到的（它發射出一粒「子彈」，在熒光屏上會產生一次可見的閃爍）。但如果給你一個放射性原子，它的可能壽命要比一隻健康的麻雀不確定得多。事實上，關於單個放射性原子只能說：只要它活著（可能是數千年），它在下一秒鐘毀滅的機會（無論是大是小）就總是相同的。然而，這種個體決定性的明顯缺乏卻使得大量同一种放射性原子的衰變服從於精確的指數定律。 64.明顯的對比79 在生物學中，我們面臨著完全不同的狀況。只存在於一個副本中的單個原子團產生了有秩序的事件，根據非常微妙的法則，它們相互之間以及與環境之間奇妙地協調一致。我說只存在於一個副本中，是因為我們畢竟還有卵子和單細胞有機體這樣的例子。在高等有機體隨後的階段中，副本的確增多了。但增加到什麼程度呢？據我所知，在長成的哺乳動物中約為1014 次方。那是多少呢？只有1立方英寸空氣中分子數目的百萬分之一。數量雖然相當大，但聚集起來只能形成一小滴液體。再看看它們的實際分布。每一個細胞正好容納了一個副本（如果考慮二倍體，那麼是兩個副本）。既然我們知道這個微小的中央機關在孤立細胞中的權力，那麼，每個細胞難道不像遍布全身的、用共同的密碼非常方便地互通信息的地方政府工作站嗎？ 這真是令人難以置信，說這話的人更有可能成為詩人而不是科學家。然而，無須詩意的想像，只需認真而清晰的科學反思即可認識到，我們這裡顯然面對的是這樣一些事件，指導其規則有序展開的「機制」完全不同於物理學的「機率機制」。我們觀察到的事實是：每一個細胞中的指導原則體現在僅存於一份（有時是兩份）副本中的單個原子集合體之中，而且由這一指導原則產生了高度有序的事件。一個很小但卻高度組織化的原子團能以這種方式起作用，無論我們對此感到驚異還是認為很有道理，這都是前所未見的情況，我們只在生命物質這裡知道它。研究無生命物質的物理學家和化學家們從未見過必須按照這種方式來解釋的現象。這種事例以前沒有出現，所以我們的理論沒有包括它——我們美妙的統計學理論很值得自豪，因為它使我們看到了幕後的東西，看到了從原子和分子的無序中湧現出來的精確物理定律的美妙秩序；它還表明，最為重要和普遍的無所不包的熵增定律無須特設性假說就可以理解，因為熵只不過是分子的無序罷了。80 65.產生有序的兩種方式 在生命展開過程中遇到的有序出自一個不同的來源。有序事件的產生似乎有兩種不同的「機制」：「有序來自無序」的「統計學機制」和「有序來自有序」的新機制。對於沒有偏見的人來說，第二條原理似乎要簡單和合理得多。無疑是這樣。正因為如此，物理學家才會充滿自豪地贊成另一條原理，即「有序來自無序」。自然界實際遵循著這條原理，而且只有它才使我們理解了自然事件的發展線索，首先是自然事件的不可逆性。但我們不能指望由此得出的「物理定律」能夠直接解釋生命物質的行為，因為後者最顯著的特徵顯然主要基於「有序來自有序」這一原理。不能指望兩種完全不同的機制會引出同一種定律，正如你不能指望用你的彈簧鎖鑰匙去開你鄰居的門。 因此，我們不必因為普通的物理定律難以解釋生命而泄氣。因為根據我們對生命物質結構的了解，這正是預料之中的事。我們必須準備去發現在生命物質中占支配地位的一種新的物理定律。如果不把這種定律稱為超物理定律，可否稱之為一種非物理定律呢？ 66.新原理並不違反物理學81 不，我不這麼認為。因為這條新原理是真正物理學的原理：在我看來，它只不過再次是量子論原理罷了。要想解釋這一點，我們不得不說得詳細一些，即使不是修正，也要對前面斷言的「所有物理定律都建立在統計學的基礎之上」作一番改良。 這個一再做出的斷言不可能不引起矛盾。因為確實有一些現象，其突出特徵是直接基於「有序來自有序」的原理，似乎與統計學和分子的無序毫無關係。 太陽系的秩序和行星的運動幾乎被無限期地維持著。此刻的星座與金字塔時代任一時刻的星座是直接相關的；從現在的星座可以追溯到那時的星座，反過來也是如此。人們計算過歷史上的日月食，發現結果與歷史記錄非常符合，在某些情況下甚至可以用來校正業已接受的年表。這些計算並不包括任何統計學，它們純粹是以牛頓的萬有引力定律為基礎的。 一個精確的時鐘或者任何類似的機械裝置的規則運動似乎也與統計學無關。簡而言之，所有純粹機械的事件似乎都明確而直接地遵循著「有序來自有序」的原理。必須從廣義上來理解我們這裡所說的「機械」。我們知道，有一種非常有用的時鐘是通過電站規則地輸送電脈衝來運轉的。 我記得馬克斯·普朗克就「動力學類型和統計學類型的定律」這一主題寫過一篇很有意思的小論文（德文是「Dynamische und Statistische Gesetzmässigkeit」）。兩者之間的區別恰恰就是我們這裡所謂的「有序來自有序」和「有序來自無序」。那篇論文旨在表明，控制宏觀事件的統計學類型的定律是如何由據說支配著微觀事件即單原子與單分子之間相互作用的「動力學」定律所構成的。行星或時鐘的運動等宏觀機械現象說明了後一類型的定律。82 於是，被我們一本正經地當作理解生命的真正線索的「新」原理，即「有序來自有序」的原理，對物理學來說根本不是什麼新東西。普朗克甚至還亮出了證明其優先權的態度。我們似乎得出了一個可笑的結論：理解生命的線索是，生命建立在純粹機械論的基礎之上，是普朗克論文中那種意義上的「鐘錶裝置」。在我看來，這一結論既不可笑，也並非全錯，但不可全信。 67.時鐘的運動 讓我們準確地分析一下實際時鐘的運動。它絕不是一種純粹機械的現象。純粹的機械鐘將不需要發條，也不需要上發條。它一旦開始運動，就會永遠運動下去。而實際的時鐘如果沒有發條，擺動幾下就會停止下來，它的機械能被轉化為熱能。這是一種無限複雜的原子過程。物理學家對這種運動的一般描述迫使其承認，相反的過程並非完全不可能：無發條的時鐘通過消耗其自身齒輪的熱能和環境的熱能，可能會突然開始走動。物理學家一定會說：時鐘經歷了一次異常強烈的布朗運動猝發。我們在第一章（第9節）已經看到，用一種非常靈敏的扭力天平（靜電計或電流計）就能發現這種事情一直在發生。對於時鐘來說，這當然是極不可能的。 應把時鐘的運動歸於動力學類型的還是統計學類型的合定律事件（借用普朗克的表述），這取決於我們的態度。稱它為一種動力學現象時，我們的注意力是集中在了用一根較松的發條就能保證的規則運轉上，這根發條克服了熱運動所引起的微小擾動，所以我們可以忽略不計。但如果我們還記得，沒有發條，時鐘就會因為摩擦阻力而逐漸停擺，那麼我們就會發現，只能把這一過程理解為一種統計學現象。83 無論從實際的觀點看，時鐘中的摩擦效應和熱效應是多麼無關緊要，並未忽視這些效應的第二種看法無疑是更基本的一種看法，即使當我們面對著由發條驅動的時鐘的規則運動時也是如此。因為絕不能認為驅動機制真的消除了過程的統計學性質。真正的物理學描述包括這樣一種可能性：即使是一台正常運行的時鐘，也可能通過消耗環境中的熱能，突然使它的運動逆轉，並且後退回去重新上緊自己的發條。這種事件的可能性甚至比沒有驅動裝置的時鐘的「布朗運動猝發」還要小一點。 68.鐘錶裝置終究是統計學的 現在我們做些評論。我們分析過的「簡單」情形是其他許多例子的代表——事實上，它代表著避開了無所不包的分子統計學原理的所有那些情形。由實際物質（不是想像中的東西）製成的鐘表裝置並非真正的「鐘錶裝置」。機會的要素可能被或多或少地減少了，時鐘突然之間完全走錯的可能性也許是無限小的，但總是保存在幕後。即使在天體運動中，也不是沒有摩擦和熱的不可逆影響。於是，地球的旋轉因為潮汐的摩擦而逐漸減慢，與這種減慢相伴隨的是月球逐漸遠離地球，倘若地球是一個完全剛性的旋轉球體，這種情況就不會發生。 然而，「物理鐘錶裝置」仍然清楚地顯示了非常突出的「有序來自有序」特徵——物理學家在有機體中碰到這種特徵時非常振奮。這兩種情形可能終究是有某種共同之處的。至於這種共同之處是什麼，以及是什麼明顯區別使得有機體的情形成為新奇的和前所未見的，這還有待於認識。84 69.能斯特定理 一個物理系統——任何種類的原子結合體——何時會顯示出（普朗克意義上的）「動力學定律」或「鐘錶裝置的特徵」呢？關於這個問題，量子論有一個非常簡短的回答：在絕對零度。接近絕對零度時，分子的無序不再對物理學事件有任何影響。順便說一句，這個事實並不是通過理論而發現的，而是通過認真研究廣泛溫度範圍內的化學反應，再把結果外推到實際上無法達到的絕對零度而發現的。這就是瓦爾特·能斯特（Walther Nernst）著名的「熱定理」，它有時被不無恰當地譽為「熱力學第三定律」（第一定律是能量原理，第二定律是熵原理）。 量子論為能斯特的經驗定律提供了理性「基礎」，也使我們能夠估計出，一個系統為了顯示出一種近似於「動力學」的行為必須接近絕對零度到什麼程度。在任何一種具體情形中，什麼溫度實際上等同於絕對零度呢？ 千萬不要以為這個溫度一定是極低的低溫。事實上，即使在室溫下，熵在許多化學反應中也起著極其微不足道的作用，能斯特的發現正是由這一事實引出的。（我再重複一次，熵是分子無序性的直接量度，即它的對數。） 70.擺鐘實際上是在零度 那麼擺鐘的情況如何呢？對於擺鐘來說，室溫實際上就等同於零度。這就是為什麼它是「動力學地」工作的原因。如果將它冷卻，它會一樣地繼續工作（只要已經除去了所有油漬）！但如果把它加熱到室溫以上，它就不再繼續工作了，因為它最終將會熔化。85 71.鐘錶裝置與有機體之間的關係 這看起來似乎無關緊要，但我認為它切中了要害。鐘錶裝置之所以能夠「動力學地」工作，是因為它由固體構成，這些固體被倫敦-海特勒力保持為一定的形狀，在常溫下這種力足以避免熱運動的無序傾向。 現在我認為有必要再講幾句話來揭示鐘錶裝置與有機體的相似之處，那就是：有機體也是依靠一種固體（形成遺傳物質的非周期性晶體）而大大擺脫了熱運動的無序。但請不要指責我把染色體纖維稱為「有機體機器的齒輪」——至少沒有不考慮這則比喻所基於的深刻的物理學理論。 事實上，用不著多少修辭就能說明兩者之間的基本區別，並且證明這種比喻在生物學情形中是新奇和前所未有的。 最顯著的特徵是：首先，齒輪奇特地分布在一個多細胞有機體之中，關於這一點可參見我在第64節中所做的帶有詩意的描述；其次，這種單個的齒輪並非粗糙的人工製品，而是沿著上帝的量子力學路線所完成的最為精美的傑作。