生命是什么？

1944年，來自奧地利的理論物理學(xué)家——薛定諤，發(fā)出了這樣的疑問。

薛定諤（Schrodinger），量子力學(xué)的奠基人，由于薛定諤方程的發(fā)現(xiàn)獲得1933年諾貝爾物理學(xué)獎，統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)集大成者，分子生物學(xué)的開山鼻祖，引領(lǐng)了一大批物理學(xué)家向探索生命的奧秘；不過，最讓大眾熟知的，其實(shí)是他提出的一個(gè)有趣的思想實(shí)驗(yàn)——“薛定諤的貓”。

薛定諤的貓——一只既死又活的貓

1944年，薛定諤出了一本小冊子——《生命是什么：生物細(xì)胞的物理學(xué)見解》，此書一出，吸引了一大批物理學(xué)家投身于分子生物學(xué)研究。今天我們就借由一個(gè)偉大的物理學(xué)家的智慧，來從物理角度窺探生命的奧秘。

世界由原子組成

我們?nèi)粘＝佑|的所有物質(zhì)，其實(shí)都是數(shù)量超乎想象的原子（分子）。有多么超乎想象呢？開爾文舉過一個(gè)讓人印象深刻的例子：假設(shè)你把一杯水倒入大海，只要充分?jǐn)嚢韬?，再從七大洋中任意一處再舀出一杯水來，將會發(fā)現(xiàn)，這杯水中仍有大約100個(gè)水分子來自于原先那杯水！

換言之，100個(gè)分子相比于一杯水，恰如一杯水相比于七大洋。足見水分子之小。

具體有多小呢？一般我們認(rèn)為，一個(gè)原子的直徑約為1~2埃（1埃=米）。

其實(shí)，原子是沒有確定的直徑的，因?yàn)椤?/p>

原子并不是一個(gè)實(shí)體

原子由原子核與電子組成，電子本身是“一個(gè)點(diǎn)”，沒有半徑，它圍繞著原子核轉(zhuǎn)動，它轉(zhuǎn)動的范圍姑且理解為原子的內(nèi)部吧。

原子核更小了，是原子的十萬分之一左右，那么，原子核是個(gè)實(shí)體嗎？

非也。原子核由質(zhì)子與中子組成，而質(zhì)子與中子都是由3個(gè)夸克組成，而這個(gè)夸克也只是一個(gè)點(diǎn)而已，沒有直徑，不是實(shí)體！

看到這里，我們才真正第一次明白了，什么叫“萬物皆空”，因?yàn)樵颖旧碇皇怯梢恍包c(diǎn)”組成的，原子是“空”的，萬物也是“空”的！

“色即是空，空即是色?！薄缎慕?jīng)》

前面我們了解了一些宏觀世界與微觀世界的基本關(guān)系，幫助我們運(yùn)用想象力在宏微世界中出入無礙，下面我們要提出一個(gè)重要的物理學(xué)思想——

所有物理定律都是統(tǒng)計(jì)規(guī)律

統(tǒng)計(jì)物理學(xué)（Statistical Physics）告訴我們，每一個(gè)原子雖然都在做著難以預(yù)測的運(yùn)動，但是，一堆原子的“集體行為”卻是可以預(yù)測的，而這就是所有物理學(xué)定律的基礎(chǔ)。

比如，我們講“溫度”，一個(gè)物體很熱或很涼，其實(shí)是對于這個(gè)物體中所有瘋狂地做著熱運(yùn)動的原子，所提出的一個(gè)統(tǒng)計(jì)概念，用較高的溫度來表示原子熱運(yùn)動劇烈，用較低的溫度來表示原子熱運(yùn)動不那么劇烈。

再比如，我們說“擴(kuò)散”，一種化學(xué)物質(zhì)在水中逐漸擴(kuò)散，從宏觀上，我們說濃度梯度越大的地方，擴(kuò)散的速度也越大，但是，對于每個(gè)原子來說，它并不能感受到濃度梯度，它只是在無頭無腦的熱運(yùn)動而已，而在任意一個(gè)截面上，整體來看，同一時(shí)間段內(nèi)，原子多的一側(cè)就必然有更多的原子穿過截面，最終表現(xiàn)為擴(kuò)散。

聽到這里，我們應(yīng)該能夠理解一個(gè)問題了，那就是——

為什么生命相對于原子來說如此之大

也許不少同學(xué)思考過這樣一個(gè)問題，為什么生物的尺寸這么大，而不是再小幾個(gè)數(shù)量級？有沒有可能有少量原子組成的生命？

沒有。

因?yàn)樯肷?，需要一個(gè)基本的功能，就是“感覺”。比如人類，需要視覺、聽覺、觸覺等等。而所謂感覺必須是“穩(wěn)定的信號”，這就意味著必須是在感覺“足夠多數(shù)量的原子團(tuán)”。一旦原子數(shù)量過少，我們感覺到的信號就非常不穩(wěn)定，不符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律，那么人類就變成沒有感覺的物體了。

就好像一個(gè)測量儀器，如果它過于靈敏，那么它其實(shí)是最無用的。

所以，人類的思維只能建立在“有序”的物質(zhì)上。

然而，生命體本體與生命體內(nèi)部的物質(zhì)，似乎在運(yùn)行著完全不同的物理定律。

量子力學(xué)與基因突變

我們現(xiàn)在已經(jīng)知道，生命體遵循著一個(gè)基本規(guī)律，這個(gè)規(guī)律如此重要，以至于被稱為生命科學(xué)的“中心法則”，如下圖所示——

從圖中我們已經(jīng)感覺到一個(gè)與前面有些矛盾的問題，那就是，原子熱運(yùn)動是非常不穩(wěn)定的，所以必須有大量的原子統(tǒng)計(jì)出穩(wěn)定的規(guī)律，但是，DNA分子的原子數(shù)量并不大，為什么就能如此穩(wěn)定，如此可靠？

我們現(xiàn)在知道，DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)是非常穩(wěn)定的，用量子力學(xué)的觀點(diǎn)來說，就是處在一個(gè)“能量最低狀態(tài)”——

分子若想產(chǎn)生不穩(wěn)定的構(gòu)型變化，其實(shí)是不能夠連續(xù)的移動的，只能夠從大量不連續(xù)的狀態(tài)中選擇，這些狀態(tài)被稱為“能級”，而從一種狀態(tài)變成另一種狀態(tài)則稱為“量子躍遷”，對于DNA分子來說，也就是所謂的“突變”。

幸運(yùn)的是，通過計(jì)算，我們發(fā)現(xiàn)突變的幾率非常之小，提高溫度可以提高突變的概率，如果暴露在X射線下則突變率會大大提升。

鋪墊了這么多，終于可以展開我們今天的核心思想了——

生命究竟是什么？

或者這樣問：“怎樣的一團(tuán)物質(zhì)可以被認(rèn)為是活物呢？”

水可以沸騰，化學(xué)物質(zhì)可以激烈反應(yīng)，然而，隨著時(shí)間的流逝，系統(tǒng)一定會衰退為永恒不變的狀態(tài)，不會再發(fā)生任何可觀測的事件，成為一團(tuán)死寂，物理學(xué)中稱為“熱力學(xué)平衡”或“最大熵狀態(tài)”。

熵（Entropy）是個(gè)非常重要的概念，尤其對于生命而言。通常，我們會這樣解釋：熵就是“混亂度”，負(fù)熵就是“序”。

萬事萬物，都會自發(fā)向最大熵狀態(tài)變化，這其實(shí)也就是我們熟知的“熱力學(xué)第二定律”了。

不過，你有沒有仔細(xì)想過，究竟什么叫做“混亂”呢？水中的化學(xué)物質(zhì)，擴(kuò)散前后相比，誰更混亂呢？

其實(shí)，還有一種很好地理解熵概念的思路——熵是達(dá)成同一狀態(tài)的方式數(shù)，熵就是幾率，熵就是幾率的能量等價(jià)體。

所以，姑且也可以這么去簡單理解，原子熱運(yùn)動自發(fā)形成一團(tuán)漿糊的幾率很大，因此熵大，自發(fā)形成一塊手表的幾率非常小，這時(shí)熵小。

既然萬事萬物都會自發(fā)向最大熵狀態(tài)變化，那么生命就必須能夠產(chǎn)生或吸取對抗熵增的物質(zhì)，也就是“負(fù)熵”。生物學(xué)中所說的“新陳代謝”，就是這個(gè)及時(shí)全部消除那些無時(shí)無刻不得不產(chǎn)生的熵。

所以，生命以負(fù)熵為生。

說到這里，不禁讓人唏噓不已、浮想聯(lián)翩，原來生命之所求，無非“序”也；其中可能產(chǎn)生的哲學(xué)思考，留待讀者們一同在評論區(qū)探討研究。

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