量子理論能解釋生命嗎

弗拉托克·維德勒

隨著對環(huán)境和我們自身的理解的深化，我們發(fā)現(xiàn)，與以前相比，傳統(tǒng)學(xué)科之間出現(xiàn)了更多的共同點。物理學(xué)研究物質(zhì)和能量的基本屬性，及其相互作用的方式；化學(xué)研究的是各種原子如何聚集到一起并形成更為復(fù)雜的分子，以及這種過程對生成物的影響。這兩門學(xué)科之間的共同點，是它們所研究的對象主要是無生命的物質(zhì)。

生物學(xué)的研究對象是生物。我們目前遇到的主要障礙是，在自然界，無生命的物質(zhì)似乎全部遵循各種自然規(guī)律，而生物則似乎有它們自身的意志。“目的性”這個詞是對其意志所做的最好的闡釋，也是最佳定義。它們努力去做一些事情，充分利用自然規(guī)律來實現(xiàn)自己的目標(biāo)。同樣的事情不會發(fā)生在無生命的物質(zhì)身上。

物理學(xué)與化學(xué)之間的關(guān)聯(lián)比它們與生物學(xué)的關(guān)聯(lián)密切得多，這沒什么好驚訝的。很少有科學(xué)家會否認(rèn)量子物理學(xué)全面解釋了許多化學(xué)定律，生物學(xué)卻似乎得另當(dāng)別論。生物學(xué)的某些部分看起來是與化學(xué)脫離的，更不要說將其簡化成量子物理學(xué)了。

人們認(rèn)為，某些鳥類在遷徙過程中會利用奇特的量子效應(yīng)來探測地球引力。

以進化論為例。首先，假設(shè)有一種具備繁殖能力的原始生物，它的后代會發(fā)生一定比例的基因隨機突變，某些環(huán)境因素會使一些突變發(fā)展得比其他部分更好。將這些條件結(jié)合起來，我們可以預(yù)見，將有一些更為復(fù)雜的生物（雖然最簡單的生物似乎仍占主導(dǎo)地位）出現(xiàn)。毫無疑問，達(dá)爾文的觀點對我們周圍的所有生物的復(fù)雜性做出了最佳解釋。我們知道，物種通過各種基因突變發(fā)生變化，一些新的物種之所以能生存下來，是因為它們比對手更能適應(yīng)所生存的環(huán)境。但是，適者生存的“法則”是否像化學(xué)一樣，也遵從量子物理學(xué)的基本定律呢？

各種生物系統(tǒng)是否能利用量子物理的奇異性來提高它們生存的機會？對這一問題的簡單回答是：是，它們似乎可以做到。有證據(jù)證明，即使最不尋常的量子效應(yīng)，即量子糾纏，也可以被正在進行光合作用的植物加以利用，將光能以最有效的方式引向產(chǎn)生能量的部位。相應(yīng)地，人們認(rèn)為，一些鳥類在遷徙過程中會用奇特的量子效應(yīng)來探測地球引力。量子物理學(xué)給各種生物系統(tǒng)帶來了效率優(yōu)勢，使得生物系統(tǒng)可以同時執(zhí)行幾個任務(wù)。這些發(fā)現(xiàn)令人振奮，并激發(fā)了一個新興的領(lǐng)域，即量子生物學(xué)，也引起了越來越多的科學(xué)家及公眾的關(guān)注。

但是，這與將生物學(xué)簡化成物理學(xué)毫無關(guān)聯(lián)。生命體也會利用經(jīng)典力學(xué)和地心引力，但這并不意味著經(jīng)典力學(xué)和地心引力能夠解釋生物自身的進化。生命體可以與所有物理學(xué)原理相一致，但我們?nèi)匀恍枰锢韺W(xué)之外的原理來解釋生命體。事實上，大多數(shù)生物學(xué)家都認(rèn)為，在某種程度上，生命體必須遵循所有的物理學(xué)法則，所以生命體的確與物理學(xué)的法則相一致。生命體不僅利用物理學(xué)法則，而且也受其影響，環(huán)境會通過物理學(xué)影響生命體。

生物在保留自身特殊性的同時，也會和非生物互相作用。我們想知道的是，它們之間的差異能否得以維持？作為生物理論支柱之一的進化論是否完全是物理學(xué)上的推論？如果是，那是不是量子物理學(xué)上的推論？

乍看之下，這似乎不可能。量子物理學(xué)的鼻祖是一位名叫尼爾斯·玻爾的丹麥人。1932年，他在一次題為“光和生命”的演講中對此進行了更深層次的探究。他認(rèn)為，我們不能通過探究活的生命體來理解生命，即使在原則上也做不到。用玻爾的話來說，“生命的存在必須被看作一個無法解釋的基本事實”。雖然在玻爾看來，普朗克常數(shù)“在經(jīng)典物理學(xué)的視角似乎是一種非理性的元素”。因此，生命體也必須被看作生物學(xué)中一個無法解釋的起點。

玻爾的觀點顯然是悲觀的，其他人對科學(xué)領(lǐng)域的統(tǒng)一有著更高的期望。他們樂觀地認(rèn)為，量子物理學(xué)用隨機性解釋微觀層面上的單個原子和分子的行為，我們也可以用這種隨機性來理解基因突變這一生物學(xué)上的概念——盡管“生物上的隨機性”與“量子物理上的隨機性”可能大相徑庭。

一個顯著的區(qū)別是，自然選擇的進化原理在物理學(xué)上并沒有與之對應(yīng)的原理，處于不同狀態(tài)的非生物并不是根據(jù)任何適應(yīng)性的參數(shù)被選中的。

奧地利的物理學(xué)家路德維希·玻爾茲曼首次從微觀視角來認(rèn)識處于不同平衡狀態(tài)的無機質(zhì)，即一直處于穩(wěn)定狀態(tài)的非生物。在19世紀(jì)70年代，玻爾茲曼解釋了熱力學(xué)第二定律，即當(dāng)一個系統(tǒng)處于孤立狀態(tài)時，其混亂程度一直在上升。在他的邏輯中，物質(zhì)的宏觀狀態(tài)僅僅是數(shù)量眾多的微觀狀態(tài)的集合。想象一下擲兩個骰子的情形。如果必須押一個具體的數(shù)字，那么應(yīng)該選“7”。原因很簡單：有6種不同的組合可以得出“7”這個數(shù)，任何其他數(shù)字的組合幾率都相對小一些。同樣，隨機組合的微粒在集合過程中容易發(fā)生混亂，原因是讓微粒處于混亂狀態(tài)的方式在數(shù)量上要多于讓其處于有序狀態(tài)的方式。我們怎樣才能將這一定律與生物系統(tǒng)聯(lián)系起來呢？

玻爾茲曼也是在第二定律框架內(nèi)探討生命的第一人，他說：“生物為生存所做的斗爭一般都不是為了爭奪原材料，而是空氣、水和土壤，這些物質(zhì)都是大量存在的；它們爭奪的也不是能量，因為能量以熱量的形式大規(guī)模存在于任意生命體內(nèi)。它們爭奪的是（負(fù)）熵，是通過將來自炙熱的太陽的能量傳遞給冰冷的地球而產(chǎn)生的。”

在玻爾茲曼看來，生命體一直都在盡力遠(yuǎn)離平衡，遠(yuǎn)離無生命的物質(zhì)。為此，生物必須從環(huán)境中吸收能使熵降低的東西，從而減少其混亂程度。量子物理學(xué)的另一位先驅(qū)是奧地利物理學(xué)家埃爾溫·薛定諤。他強調(diào)，生物盡力將自由能最大化，而自由能就是做有用功所需的能量。

鳥類通過不停地拍打翅膀停在空中的某個位置。盡管它明顯是動態(tài)的，但它最終仍處于一種靜止的狀態(tài)。

這可能是讓我們難以捉摸的適應(yīng)性參數(shù)嗎？如果是，它必須重新表述適者生存的生物學(xué)原理。試試這個版本吧：我們越快達(dá)到一種遠(yuǎn)離平衡的狀態(tài)，就越能適應(yīng)周圍環(huán)境。事實上，于1977年獲得諾貝爾化學(xué)獎的伊利亞·普里高津已經(jīng)預(yù)見了這種研究生物學(xué)的思維方式。他認(rèn)為，大自然會選擇那些將熵的總量最大化的適應(yīng)性變化，以及能最快產(chǎn)生混亂的動力學(xué)。但是迄今，除了一些理論論據(jù)支持這種觀點外，還沒有什么實驗證據(jù)能證明其正確性。這可能是由于任何精確的方式都難以測量熵的總量，但更可能的是，這一觀點本身存在一些問題。

目前，正試圖從物理學(xué)角度觀察生物學(xué)的是以色列的物理學(xué)家阿迪·普羅斯。他表示，與無機物通過將熵最大化來使自己符合熱力學(xué)定律一樣，生命體也努力將它的“動力學(xué)穩(wěn)定性”最大化。這與將熵的總量最大化并不相同，各種生物系統(tǒng)并不像無生命的物質(zhì)那樣必須遵循第二定律，并處于一種被動的平衡狀態(tài)。它們能達(dá)到一種動態(tài)的穩(wěn)定狀態(tài)，為了維持這種狀態(tài)，必須永不停止地運作。動態(tài)的穩(wěn)定狀態(tài)是脆弱的，需要不斷重建才行。鳥類只有不停地拍打翅膀才能停在空中的某個位置。這需要小心地使身體保持平衡，盡管它明顯是動態(tài)的，但它最終仍處于一種靜止的狀態(tài)。

如果普羅斯是正確的，那我們就有理由將進化生物學(xué)的主要特征簡化為化學(xué)，從而獲得將生物學(xué)同量子物理學(xué)聯(lián)系在一起的可能性。這將是一個了不起的成就。然而，如同所有偉大的成就一樣，它也存在許多問題。

開始時我們說過，將生物系統(tǒng)與非生物系統(tǒng)區(qū)分開來的是目的性。如果生物學(xué)能簡化為量子物理學(xué)，而一些像原子、分子之類的典型量子物體并沒有目的性，那么轉(zhuǎn)換從何而來呢？實現(xiàn)動力學(xué)穩(wěn)定性這一狀態(tài)的“愿望”又是從哪兒來的呢？當(dāng)然，這將我們帶回了起點。普羅斯可能會說，在化學(xué)變得足夠復(fù)雜時就會出現(xiàn)一種自然屬性。但是，考慮到這種目的性是我們認(rèn)識生命的最初方式，也許我們應(yīng)該抵制那些會使我們輕易偏離這種目的性的結(jié)論。

我不會假裝自己知道所有問題的答案。從另一方面來說，在那些跨多門學(xué)科的領(lǐng)域里，尤其是量子生物學(xué)，我樂觀地認(rèn)為我們遲早會有收獲，目前需要的只是繼續(xù)努力。如同生命體一樣，這一點似乎會自然而然地來到我們身邊。endprint