【万古杂志】生命要什么

译者:hjy308 | 发布: | 发布时间:2013-05-30,星期四 | 阅读:1,143
原文:What life wants
原作者:Vlatko Vedral

有机生命体:北极燕鸥在候鸟物种中被认为是利用了量子效应来导航的鸟类之一。
图片来自Paul Souders/Corbis

弗拉托克·维德勒(Vlatko Vedral),牛津大学与新加坡国立大学的教授,《解码真实》(2010)的作者。

科学之间的分工分类支离破碎。大自然不认可那规律的分界,而当我们了解越深,我们越看到这些传统上泾渭分明的科学分支有着怎样的共同点。然而,让人好奇的关键点却留存下来。

物理学涉及的是物质与能量的基本性质以及他们是如何相互作用的。化学所问的是原子怎样在一起,又怎样构成更复杂的分子,以及是什么在作用能形成所得的物质。两者的共同点在于他们都在研究无机质。

生物学,从另一方面来说,是研究生命体的。我们在此遭遇的核心障碍是将所有自然科学视作一个大的、彼此相关的整体。无机质看来是遵守自然法则的,从头到尾,绝无例外。而生命体,相比之下,看起来有着自己的意志。它(他)们更好理解,也许可以说,由被称作目的性的方面最容易将其定义。它(他)们会尝试做些什么事,当它(他)们不能违反自然法则,就肯定会利用之以实现其目标。对无机质你就不能这样说了。

毫不让人意外的是,物理学与化学之间的联系,比起这两个学科与生物学的联系,要更确定些。很少科学家会否认量子物理学的法则(是现时我们所知的最精确的基本自然法则),也能充分地解释化学法则。是的,只使用物理学知识去计算所有错综的一些复杂反应的细节是很困难,但多数的科学家都同意,化学总体上说仍是遵循量子理论的。然而生物学看着像是不同,生物学的某些部分似乎与化学相距甚远,更不用说可还原为量子物理学了。

有些鸟类被认为是利用了奇异的量子效应,以在迁徙中探测地球的磁场。

拿进化论来说吧。想象一下,我们从原始的有机生命体开始,有能力繁殖。后代呈现出一定比率的随机突变,然后当中又有一定的部分,环境特征引致那些突变使它(他)们比其他部分的发展得更好。这两种因素结合起来,这样的条件引导我们预期有更复杂生命体的出现。(即使最简单的那些仍可能占主导)。达尔文的思想无疑是对我们在周围所看到的各种生命体的复杂程度的最佳解释。我们知道物种通过基因突变而改变,新的物种存活下来,是因为它(他)们比其对手们更能适应栖息地的环境。但适者生存的“法则”,会遵从像是化学,或是量子物理的基本法则吗?

在我处理这个问题前,让我先搞清一件事。我并不只是在问,生态系统是否能利用量子物理的奇怪的方面去改进它(他)们的生存机会。对此的简单答案是,是的,看起来它(他)们是的。有证据说明,即使是量子效应最诡异的量子纠缠,也被光能合成的植物利用,好让它们在将光能导向到产生能量的部位时走最有效率的路径。同样地,有些鸟类被认为是利用了奇异的量子效应,以在迁徙中探测地球的磁场。量子物理给予这些生命系统的高效率的优点,这能使它(他)们能同时执行多个任务,这是计算机科学家称之为并行信息处理的东西。很少人会期望量子物理学全部都能在宏观层面使用,如植物或鸟类,温暖潮湿的或充满噪音的环境。这些线索令人惊喜且兴奋,由此激发了量子生物学的产生,这一新兴学科正吸引越来越多的科学家及公众的注意。

但这并不太能让生物学还原成物理学。生命体也会利用力学和地心引力,那不代表经典力学和地心引力能解释生物进化本身。生命体可以符合物理学法则,我们仍可能要用除物理学以外的原理来解释生命体。事实上,多数生物学家会同意,那的确是与物理学法则相一致,就是说一定是遵循所有的法则的。那不只是利用物理学,还是受物理学的影响:很清楚的是,环境通过物理学来影响生命体。

在这里我们仍根据两个范畴来思考—有机,无机—在保留自身差别的同时彼此相互作用。我们想知道的是,这种差别是否能保持。问题是,进化论,生物学理论的支柱之一,是否完完全全是物理学可推论出来的。尤其是,是否可由量子物理学推论得出,那个可以解释我们所知的一切关于原子和分子的理论?

第一眼看起来似乎不可以。量子物理学的始祖,一个尼尔斯·玻尔的丹麦人,走得甚至更远,在1932年一场著名的题为“光与生命”的演讲里,他争论说我们不可以;即使只在原理上,在活体中探测生命的实质以求理解之。以波尔的话来说,‘生命的存在必须被看作是不可解释的基本的现实。’就如普朗克常量—同据波尔的话,‘就像是来自以经典机械物理学的视角的荒谬的元素’—然而这却构成了原子学说不可复归的基础,迫使着生命体这个概念,在生物学里被看作这样一个莫名其妙的起始点。

波尔的主张是极其悲观的。其他人对统一科学领域有着更高的期望。在他们乐观的意念中,这是一个探索的可能角度。量子物理用随机性来解释微观尺度中原子与分子的事件行为。可能我们会将此联系到生物学概念的随机基因突变去—即使“生物学上的随机”与“量子随机”可能以相当的不同方式结束。

一个明显的区别是,自然选择的进化原理没有任何物理学对应原理:无机质的不同形态并不根据任何适应性参数而作选择。

或者说,它(他)们是吗?无机质的与众不同的平衡状态—即便时间逝去仍保持稳定的状态—这一点是首先由奥地利的物理学家,路德维希·玻尔兹曼从微观视角理解的。在1870年代,玻尔兹曼解释热力学第二定律,该定律阐明了孤立系统的混乱总在增长中。在他的逻辑里,物质的宏观态假定只是最高量微观态的集合。想象一下,你在抛两个普通的骰子,如果你在一个特定的点数下注,你应该选7,简单的理由就是,两个骰子,有6种不同的组合会得出点数7,而其他点数组合占的机率就低了。同样地,随意的一堆粒子倾向于混乱,那是因为,简而言之,是乱七八糟的组合方式总比整齐有序的组合方式多。那我们要怎样才可以把这个联系到对生命系统的理解中去呢?

毫无意外地,第一个以第二定律谈论生命的本质的,也是玻尔兹曼。这是他的原话:‘生命体的一般的生存竞争并不是为原材料竞争—对它(他)们来说,争的是空气,是水,是土地,所有这些都是大量存在的—当然也不是能量,这在每一个身体里都以热的形式存在着,但是,它(他)们争的是熵[负面意义的],这在灼热的太阳往冰冷的地球传递能量时才可用。’对玻尔兹曼来说,生命是远离平衡,远离无机(死)物。透过从环境中吸收低熵物生命才能存活,从而将其从混乱级别中的最大级推开。另一位量子物理的先锋,奥地利物理家埃尔温·萨定谔,亦强调了生命会最大化自由能的想法,也就是说,能量只在做有用功时可用。这是说明生命需要远离平衡的另一种说法。在这个方面与前者有区别,例如,一块石头,一但离开什么装置,就只会一副石头样,不会试着做什么有用功。

拍摄一只小鸟悬在空中拍翅膀:虽然那显然是动态,却仍然会导致静态的结果。

这会是我们最难懂的适应性参数吗?如果是,我们应该得重新叙述下适者生存的原则。那么试试这样说吧:我们越快地去远离平衡,我们的适应性越强。事实上,在1977年诺贝尔奖得主伊利亚·普里高津(IlyaPrigogine)已经预期到了这种生物学思路了。他认为大自然选择能将熵增率最大化的那些适应性,动力使混乱最快地发生。超越相关其中有理论偏好的理论论争来说,没有多少实验证据能证实这就是实际情况。而实际上,有些证据,是导向相反方面的。这可能是因为精确量度熵增率无论以何种方法,都是有很多困难的。但也可能意味着,这一原则什么地方有问题。

最近将生物学归源于物理学的尝试是一个以色列的物理学家,阿迪·普罗斯(Addy Pross)所作的。他提出,很多的无机质符合熵最大化的热力学,生命体追求将‘动力稳定性’最大化。这不是同一个最大化熵增率。相比起达致平衡的被动状态,所有无机质不可避免地要依循第二定律,生命系统达到一个动力稳定态,但它(他)们必须要永不停顿地保持之。动力稳定态是脆弱的,需要经常地重建。拍摄一只小鸟悬在空中拍翅膀:虽然那显然是动态,却仍然会导致静态的结果。

如果普罗斯是对的,我们可能有材料使进化生物学转变成化学的主要特征减少。同时,也使化学能还原到量子物理学上去,于是,看起来,我们就有可能顺利把生物学归成量子物理了。那将会是很伟大的成就。然而,就如任何其他伟大成就一样,问题又出现了。

我们一开始是说,生命体与非生命体系统的区别在于目标感。如果生物学可还原为量子物理学,而典型的量子客体,如原子和分子都没有目标感,那么转变在哪里发生?‘愿望’至达到动力稳定性的状态从什么地方开始?当然,这又让我们回到起点了。用简单方法来解决,以目的性来作结论坦白说就是个错误观念。普罗斯可能会说,当化学变得够复杂时一个突现特征就会出现。但给出这目的性的观念,正因为这是我们最初确认到底什么是生命体的方法,也许我们更应该抵抗那些轻易使我们对这方法挥手告别的结论。

我不想假装拥有了这一切问题的答案。另一方面来说,穿越各自然科学的边界的该领域的发展速度,并不比量子生物学慢,这让我能乐观地认为早晚我们能达到些什么。现在我们只是在持续尝试中。作为生命体,这看起来是多么自然的一件事。
本文来自万古杂志 Aeon Magazine小组

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