橫向思維者：格哈德·埃特爾

張文韜/編譯

●來自斯坦福大學的黛安·吳(Diane Wu)就生命結構等生物學中的一些重要議題，在林道會議上向2007年諾貝爾化學獎得主格哈德·埃特爾(Gerhard Ertl)進行了提問。

格哈德·埃特爾，表面科學的奠基人，擅長從分子水平上闡明固氣界面上發生的現象。埃特爾如今是柏林馬普學會弗里茨·哈伯研究所的榮譽退休教授。

黛安·吳，斯坦福大學的研究生，其研究方向是探索轉換材料在生物成像和太陽能能量轉換中的新應用，即將低能量的光轉變為高能量。

黛安：您在學生時代遇見過您心目中的英雄嗎?

埃特爾：我遇到了物理學家弗雷德里克·約里奧-居里 (Frédéric Joliot-Curie，1935 年諾貝爾化學獎得主)。我在斯圖加特大學進入第二學年時，一個朋友提議去巴黎學習。這個決定相當冒險。于是我們參加了約里奧-居里的講座，他顯得生氣勃勃、精力充沛 (其實他當時已經抱病在身，一年后就逝世了)。我一直忘不了他的演講：“現在我們要問，零代表什么？ 代表什么？”沒人能夠回答。這就是他向我們介紹“中子”的方式——中子是零電荷的物質。

1959年，我在慕尼黑大學度過了一年，當時維爾納·海森堡(Werner Heisenberg，量子力學創始人之一)負責講授量子力學。那時班上至少有300名學生，課程也很難掌握，但我們必須解決問題。如果成功，就會得到一份“該生通過了量子力學的訓練”并簽有海森堡名字的證書。我很珍視我得到的那份證書，直到今天還保存著。

物理學和生物學突破是關鍵

黛安：目前化學方面主要解決的重要問題是什么？

埃特爾：化學上不存在什么真正重要的基礎問題。最后一個重大的問題是 “化學鍵的本質是什么？”——隨著量子力學的出現，這個問題在近百年前已經得到了解答。目前重大的基礎問題都集中在物理學和生物學上。

在物理學中，最大的問題是，怎么將兩個偉大的理論——量子物理與萬有引力理論——統一起來？還有一些其他問題，諸如我們的宇宙里有什么？暗物質和暗能量又是什么？宇宙中只有百分之四是組成自然界的物質組分，剩下的是什么呢？

對于生物學，這個問題就是生命是什么？我們已知有些元素對生命很重要，但人類可以憑借這些元素制造出人造生命嗎？這些都是重大的問題。化學這門學科無法跟它們相比。

黛安：70年前，埃爾溫·薛定諤（Erwin Schrodinger）寫出了《生命是什么？》這本著作，什么時候我們才能回答他提出的問題？

埃特爾：薛定諤的問題是非常具體的。從根本上說，是否需要某個全新的物理規律來描述生物學？他不能給出回答，主要是因為他不能解釋生物組織是怎么形成的。不但沒辦法解釋分子結構，更大的結構也無法說明，比如，如何讓細胞只從中部分裂？不過，利用非線性動力學可以對這些問題展開探索——這也是我最感興趣的領域。

著書研究志在統一概念

黛安：那生命結構的重要性是什么？

埃特爾：自組織是所有結構形成的基礎。沒有外來能量輸入的情況下，封閉系統最終會找到一種平衡狀態，不管是無序的還是有序的。例如，鹽離子會從溶液中析出，成為有序晶體。而開放系統一直有能量注入，保證了系統可以始終處于不平衡狀態，比如，吃下的食物不斷為細胞提供能量，細胞以此維持自身的結構與功能。對于這些過程的數學描述需要非線性微分方程組，也就是所謂的非線性動力學。利用非線性動力學研究生物系統后顯示，現有的物理規律足以解釋生命系統的有序性——薛定諤對此做出了預言，但沒能證實。

黛安：您是如何對非線性動力學產生興趣的？

埃特爾：25年前，我正從事表面反應的研究，遇到了眾所周知的問題：發生在表面的反應顯示了一種不合邏輯的現象。比如，能量持續流入開放系統，你當然會預期有持續的流出，但是某些時候流出的能量是搖擺不定的。這是化學反應復雜度的結果。基于反應的非線性，所以這種動力學現象只能用非線性方程來描述。

黛安：還有什么生物學之謎可以用非線性動力學解決？

埃特爾：理論物理有助于回答很多醫學問題。例如，心臟的電脈沖是無序的，可以用復雜度工具加以分析和模擬。心臟脈沖不是局部的，而是電流以波的形式流過整個心臟——這種波伴隨著電子現象的化學反應傳播。

第一個描述該領域復雜性的是心臟學家阿圖羅·羅森布魯（Arturo Rosenblueth），他與數學家諾伯特·維納（Norbert Wiener）共同撰寫了論文，闡述這種模式是怎么出現的。醫學研究者對于身體中的動態系統很感興趣，同時也關注它們是如何以非線性的方式作出對不同能量輸入的反應。

可以用復雜度來描述和預言這種生理反應。我正在寫一本書，總結目前各領域的復雜度理論。我希望得到統一概念，用于各種不同的現象。