转贴：《生命是什么》笔记
(2009-03-13 00:41:37)
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负熵
阙值
同分异构体
有机体
薛定谔
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| 千山层雪
发表于：06-12-28
02:59 西祠胡同论坛 |
“生命是什么”是薛定谔写的一本书。大家都知道薛定谔是伟大的量子力学家，但是他后来转向了对生命的研究，试图用物理定律特别是量子力学解决生命的奥秘。这是物理学家的信念，他们认为物理定律是支配万物的根本定律，物理学是知识的基础。的确，这本书据说是奠定了现在分子物理学的基础，提出了许多新颖的观点，对后来的人们影响巨大。同时我们也看到，薛定谔对于哲学也有相当的研究，伟大的物理学家在一定程度上也是伟大的哲学家。人类之所以能生生不息的向前发展，不就是有许多这样执著地热爱真理和智慧的人们。他们代表了人类最伟大的尊严。
在本书的开始薛定谔谈到了物理学的统计规律，当分子的数量巨大时，往往表现出一定的统计规律性。我在以前有过论述，这里就不细谈了。这也是经典物理学家的看法。实际上在有机体内，很多原子团如基因包含的原子数不是巨大，但表现出高的持久性，这用统计物理解释不清，就得运用新的物理定律。对于生命体的遗传机制，大家应该都是很清楚的了。人的出生由于卵子与精子的结合形成受精卵，每个受精卵有46条染色体，且是成对出现的。这些染色体上就是密码本，包含了这个人今后成长的所有信息。通过细胞分裂，染色体的复制，人逐渐成长。染色体上的基因控制着人的各种特性。一般来说，基因的体积相当于边长为300埃的立方体。但这里面只能包含100到150个原子，但基因作为性状的载体可以保持那么长时间不变化，这与统计物理的规律完全不一致。因为根据统计物理学，要想保持稳定性，需有数量巨大的原子作为保证。这里面需要有新的理论来解释。
但自然界物种如此丰富，这说明基因必定有某种变化。达尔文的进化论说优胜劣汰，适应环境的性状可以遗传下来。但后来发现细微、连续的变异是不遗传的，荷兰人德弗里斯发现，基因会发生跃迁式的突变，这是一种不连续的变化。这与物理学中量子论非常相似，两个能级之间的跃迁，没有中间态，不连续变化。这说明可以尝试用量子论来解释变异现象。基因的突变可以通过遗传完全保留下来。于是达尔文的进化论可以修改为，通过自然选择，能适应环境的突变基因得以保留，这不是细微的连续变化，是突变。突变基因有显性和隐性之分，只有纯合的时候隐性基因才会显露出来。正因为如此，才要避免近亲繁殖，防止隐性基因纯合。而且基因突变经常是有害的，所以突变必须很罕见，才能保持物种的稳定。在现代遗传学中，可通过X射线增加突变几率。关于突变有两个基本定律，第一定律是：突变频数的增加严格同射线的剂量成正比，这说明突变是发生在一条染色体上的单一事件；第二定律是，如果广泛的改变射线的频率，只要给与同一剂量，则突变系数保持不变。这使我想起物理中的光电效应，正是从这里得出光波是量子化的。引起突变也需要临界体积，大约10原子线度的立方体。
对于基因的持久性可用量子论来解释，甚至可以说遗传学是建立在量子论基础上的。量子论的最大启示是在“自然之书”内发现了不连续的特点，以前认为自然的一切都是连续的，例如能量、分子就是量子化的。分子的稳定性同温度密切相关。分子由于形成不同的能级，从外界吸收能量时，或者形成同分异构体，或者分解掉。应用到生物学上，这些不同构型代表同一个位点上的不同等位基因，它们之间的量子跃迁代表突变。在这里面大有研究，一些大分子有多种同分异构体，但很多都不能在自然界中稳定存在。比如丙醇在自然界中只有两种稳定的同分异构体。在生物学中，基因突变也是稳定存在的，因此这里只关心稳定存在的同分异构体。在两种稳定的同分异构体之间发生量子跃迁时，有一个中间态，这个中间态的能量比初始和终了的态能量都要高。这就出现一个能量阙值，要发生同分异构，必须越过这个阙值。
一个基因的结构就是一个巨大的分子，只能发生不连续的变化，这种变化就是原子的重新排列，导致同分异构的分子。这种跃迁的阙值应该很高，使跃迁很难发生，突变才会罕见。根据连续性可把物质分为两类，分子、固体或晶体实际上都是一样的，而气体、液体、无定型固体是一样的，有连续性。之所以可以把分子看为固体或者晶体，因为不管晶体中原子有多少，把它们连接起来的力同分子中原子的结合力是同样的，都有同样的结构稳固性。晶体可以有周期性，这种结构很简单，也可以无周期性，结构复杂。基因就是一种无周期性的结构复杂晶体。基因的复杂性可以产生无穷多种性状。基因的突变是由于热运动的涨落而产生，但由于阙值很高，因此这种自发突变的几率很低。这就是自然的巧妙安排吧。X射线引发的突变是一种爆炸似的过程，在一个中心以热波的方式向周围散发，使得整个基因获得跃迁的能量。
但是基因上携带的遗传密码究竟是如何起作用的，这用现有的物理知识解释不通，这其中可能存在新的物理定律。生命的特征是什么？一块物质为什么可以叫做活着呢？答案是当它继续在“做某些事情”、运动、和环境交换物质等等。而一块无生命的物质在类似情况，却会比生命物质很快的达到平衡态，成为死寂的状态，物理学家称之为热力学平衡或最大熵。一个有机体避免了很快地衰退为惰性的平衡态，显示出活力来。生命体是怎样避免衰退到平衡的呢？这是靠吃、喝、呼吸、同化、异化作用等，即新陈代谢。这里指的是物质的交换，但物质都是由同样的原子构成，交换这些物质有什么用。还有的说生命体有活力是吸收了能量，但一个成年有机体所含的能量与所含的物质都是固定不变的，单纯的能量交换看起来也没什么用处。在我们的食物中，到底含有什么样的宝贵东西能使我们免于死亡？自然界进行的每一事件，都使得那部分世界的熵在增加。一个有机体在不断地产生熵，既正熵，并逐渐趋近于最大熵的状态-死亡。要摆脱死亡，就只有从环境中不断地汲取负熵（博主按，此说不够准确，很难为负熵下定义）。有机体就是靠负熵为生。新陈代谢的本质就在于有机体成功地消除了当它活着时不得不产生的全部的熵。
熵代表无序度，在绝对零度的时候，任何物质的熵都为零。熵可以计算出绝对的值。对热量与温度的比值进行积分就可以得到熵的值。统计学上熵=klnD，k是波尔兹曼常数，D为原子无序性的量度。热的任何补充都增加了热运动的混乱，增加了D，从而增加了熵。任何事物在自然状态下都是趋向于混乱状态。生命体要想推迟死亡，就必须从环境中吸收一串负熵，也就是说，生命体把自身稳定在高度有序水平上，就必须从环境中汲取序即负熵。比如高等动物的食物就是不同复杂程度的有机物。人必须吃动物和植物，而不能吃一些有序性较低的无机物。人之所以要补充能量，就是因为人要散发出能量，从而保持体温的稳定。而人散发能量就是排除生理过程产生的剩余熵。
生命受一种高度有序的原子团的控制，这就是基因，它只占细胞内原子总数的很小一部分。只要基因中很少的一些原子发生移动，就可以使有机体的宏观遗传性状产生确定的改变。一个有机体在它自身上集中了序的流束，避免了向原子混沌的衰退，在合适的环境中“汲取序”，这都与基因有关。这些固体是人们已知的最高有序的原子集合体，每个原子和集团都各自发挥作用。物理学的规律是统计规律，大量的分子才可以表现出有序性。但在生物学中，最初的一份染色体在发育过程中可以产生那么多的拷贝，而且均匀的分在每个细胞中，指导着细胞的工作。每个细胞就像是遍布全身的地方政府的分支机构，他们使用共同的密码，方便地互通信息。这种安排真是太美妙，太有想象力了。这种有序地、规则地展开机制同物理学的“概率机制”全然不同。一个高度组织化的很小的原子团是这样有序地工作，这在生命体外的任何地方都没见过。
生命，或者说基因是大自然最伟大的杰作，让人类望之赞叹。为什么这么说呢？书中在最后用钟摆和基因来比较。有序可以来自无序也可以来自有序。有序来自无序，这就是物理学中的统计规律。而有序很显然可以来自有序，生命体就是如此。其实生活中也有很多这样的例子，如钟摆。钟摆的发条上紧后，就可以运行了。钟摆的运动也来自有序。基因也是通过从环境中吸收有序来工作。但之所以基因是上帝制作的最灵巧的机器，这是因为这种机器可以奇妙地分布在多细胞中，其次这个机器不是粗糙的人工品，而是上帝沿着量子力学的路线做成的从未有过的最精美的作品！！！
——人都是有惰性的。人不同于其他动物的地方在于人能够创造自身历史。人创造自身历史的动力来源于生存压力和各种人际之间的攀比。
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