人类进化的下一步就是机器人

汤超：生命是什么？- 薛定谔从物理学探索人类生命奥秘

1/13/2016 1:21:01 AM ｜ 浏览：65 ｜ 评论：0

从物理学和生物学结合的视角，我们可以一窥经典之堂奥，走进薛定谔的科学王国，探索人类生命的奥秘。 　　1.什么是物理学 　　生命是什么？关于这个问题，不同的人给出了不同的回答。信徒以为生命是上帝的作品。文学家把生命当作情感的载体。化学家认为生命是一系列化学反 应，早期的生物学家并不追问生命的本质，他们关心的是生命是如何进化的。如今，分子生物学家会把生命的基石理解为一系列基因和蛋白组。 　　薛定谔是一位物理学家。他希望从物理学的角度去理解生命是什么。为什么薛定谔认为物理学能够对理解生命的本质提供独特的启发？这要从什么是物理学讲起。   埃尔温·薛定谔 　　现代物理学的起源，是从观察天体开始的。好奇心是人类的天性，我们的祖先在远古时代就开始观测天象，并试图理解宇宙的秩序。早期的理论是“地心说”，即认为地球是宇宙的中心。 　　但是，这一假说和一些观测到的天文现象不符，比如，行星有逆行现象，如何解释这一现象？天才的天文学家托勒密修正了“地心说”，提出每个行星都 在“本轮”上匀速转动，而本轮中心又在“均轮”上绕地球转动。这套理论较好地描述了天体运行的轨道。这就是在观测数据的基础上提出对原有理论的修正。 　　哥白尼觉得这套理论过于繁琐，他提出了“日心说”。“日心说”只是一种假说，当时并不能更好地解释天体运行，因为哥白尼假设天体运行轨道是圆形 的，现在我们都知道，天体的运行轨道其实是椭圆形的。更主要的原因是当时的观测并不很精确。后来，丹麦科学家第谷精确观测了大量天体数据，他的助手开普勒 利用这些数据，提出了我们现在熟知的行星运动三大定律。 　　再到后来，牛顿认为，三大定律揭示的只是表面现象，还没有解释天体运行的本质。他认为，一个更基本的东西就是引力。牛顿提出万有引力定律和牛顿运动定律，把开普勒的三大定律做了更简洁的概括，把所有的力学运动都统一起来了。   哥白尼提出“日心说” 　　这就是物理学发展的一般规律：先做观测、积累数据，然后提出假说和一些唯象模型。这些模型可能是粗糙的、表面的，但是，随着数据越来越精确、越来越丰富，会出现更加简洁、深刻和普适的理论。在这一过程中，新的分析工具也会被开发出来，比如，牛顿就发明了微积分。 　　2.从物理学理解生命 　　物理学家有一句玩笑，说在物理学家看来，所有的问题都是物理学的问题。薛定谔觉得，物理学一定能对理解生命的本质有帮助。 　　在薛定谔的时代，科学家还没有完全理解遗传的物质基础是什么。人们还不知道DNA是长链条双螺旋结构，也不知道 DNA 的内部组成成分，不知道遗传物质是核酸。当时的技术条件仅仅能识别染色体。 　　薛定谔注意到，生物学家会用 X 射线引发突变。他进一步发现，X 射线能够影响到的原子数量很少，也就是说，一个突变涉及的原子数量很少。但为什么却会引起这么大的影响？X 射线照过去，就会让果蝇要么长不出翅膀，要么没有眼睛。 　　薛定谔推测，原子本身不可能带有太多的信息，真正的遗传密码是在基因之中。一个基因包含原子数量之少是无法克服涨落效应的，但是，遗传性状的稳定性来自于基因的结构。物理学家熟悉的晶体的结构不可能是大量信息的载体，生命的密码应该是建立在非晶体的结构之上。   双螺旋结构的DNA 　　薛定谔在本书中提出的另一个革命性观点是“负熵”。按照热力学第二定律，熵增是一定会发生的，熵增过程是一个自发的由有序向无序发展的过程，最终归于热寂。那么，生命为什么能够做到从无序到有序，并能够生生不息？ 　　薛定谔认为，生命体是处于一个开放状态下，不断地从环境中汲取“负熵”，这种“新陈代谢”使得有机体成功地消除了当它自身活着的时候产生的熵。 普利高津后来提出了“耗散结构”，试图解释无序如何能达到有序，但他的理论并不完美。这一机制到底是怎么作用的，我们尚未完全理解。 　　在薛定谔之后，生命科学出现了两次革命。一是分子生物学的革命，标志是DNA双螺旋结构的发现。分子生物学的出现，受到薛定谔等物理学家的极大 影响。同时，物理学还为生物学提供了X射线、核磁共振、电子显微镜、高速离心机等工具。二是基因组学，就是我们说的测序，这是数学、计算机科学和生物学的 交叉。 　　分子生物学使得我们像了解一辆汽车的零部件一样，对蛋白质和基因有了透彻的了解。基因组学则是把“生命天书”拷贝了下来。这好比是汽车的修理手 册，出来什么故障，怎么修理，这本书上都有。甚至像我们为什么会衰老，怎样防止人们衰老这些问题的答案，其实都在这本天书里面，但是，我们对这本天书还没 有完全读懂。 　　现在，生命科学正在经历第三次革命。这次革命最大的特点是：生命科学和物理、化学、工程不再是简单的交叉，而是我中有你、你中有我，共同发展，共同驱动。 　　生命科学和物理学有什么共通之处？既然生命体系是大自然的一部分，那就逃不掉最基本的物理定律。蜻蜓的翅膀和波音 747 的翅膀同样符合流体力学原理。菠萝、向日葵和松果都有螺旋圈，而这种螺旋圈都符合斐波那契数列规律，暗合黄金分割的美学原理。 　　细胞里的内质网（endoplasmic reticulum），是一种遍布于整个细胞内部的膜状网，连接并围绕着细胞核。科学家发现，内质网的结构很像是为了多停车辆而建造的螺旋型多层停车场。按照微分几何的描述，这种结构能使能耗最小化，表面积最大。 　　3.生命的未来 　　当然，生命科学的进步并非仅仅是对已有的数学、物理学的应用，随着生命科学的发展，一定会激发新的数学、物理学进步。我们通过研究行星运动发明 了微积分，通过研究通讯发明了信息论，生命科学也需要适合于它的新的数学。我们都知道生命能够处理信息，我们也看到随着技术的进步，电脑、手机等处理信息 的能力有了突飞猛进的发展，但是，和生命体处理信息的能力相比，这些人造物的能力仍然很低级。 　　IBM 制造出的电脑战胜了人脑，获得了电视百科知识竞赛的胜利，但IBM没有告诉我们，他们的电脑在处理信息的时候消耗的能量是 100 千瓦，而人脑只消耗了 20 瓦。从这一角度来看，IBM 电脑确实胜之不武。若从处理信息时消耗的能量来看，电脑还不如最低级的大肠杆菌呢。在研究生命科学的时候，我经常会感到所用的数学工具不顺手，或许，随着 更多的物理学家、数学家关注生命科学，我们能够开发出来一套更适合生命科学的新数学工具。   生命科学迅猛发展 　　生命科学的迅猛发展，有可能会引发一场新的技术革命，对我们的生活、经济都会带来巨大而深远的影响。基因组测序的技术发展很快，未来基因组测序的成本可能大幅度降低，并对医疗行业带来很大的影响。合成生物学也出现了突破性的进展。 　　现在，有些公司在尝试让细菌吃木头，产生酒精，然后再用酒精做能源。基因编辑技术也将出现革命性的突破，但这将引起更多的科学伦理争议。我们必须在进一步推动科学研究的同时，加强对科学伦理的研究和讨论。 　　与此同时，应该加强对科学的普及，让公共政策讨论建立在科学分析的基础上。比如，转基因农作物对人体和环境潜在的负面影响和化学、农药对人体和环境的负作用孰重孰轻，这要用数据和事实来说话，不能限于意气之争，或是迷信阴谋论。 　　大家最近讨论较多的另一个话题是所谓的“奇点”，即有些未来学家预测，未来电脑智能会和人脑智能汇合，或许人类进化的下一步就是机器人。这种说 法很有意思，但进化的未来到底是什么，没有人说得清楚。从某个角度来说，进化已经失去了其原有的意义。进化论讲的是适者生存，判断谁是适者的标准就是其后 代会更多，但是，现在的社会精英会有更多的后代吗？成功人士会有 100 个孩子？ 　　现在人类的预期寿命比原来大大提高，这一是靠公共卫生的改善，二是靠抗生素，当然，营养的改善也有一定的作用。我们或许已经从适者生存变成了人人平等，生存能力差的人现在有了同等的生存机会。这对历史进程的影响是极其深远的。 人类未来将进化向何处 　　科学并不是完美的，也不是万能的。科学的发展本身就有其历史上的偶然因素。数学从几何学开始，是因为古代的人们要丈量土地。物理学从牛顿力学开 始，也是因为我们作为人类，能够感知到的现象，首先是苹果落地、行星转动，然后，我们才开始去探索我们看不到的东西，比如电磁、原子、量子力学。 　　我给学生讲课的时候，曾经告诉学生，你们不要觉得物理学天经地义就应该是这样的。设想人类不是像现在这样大，假设我们像细菌一样小，生活在别人 的细胞里，却和人类一样聪明，那么，我们先发明的物理学会是什么，是牛顿力学吗？学生都摇头。我们先发明的数学会是微积分吗？学生也摇头。其实，