薛定諤貓與生物學(xué)鴿子

編譯 李升偉

菲利普·鮑爾（Philip Ball）對(duì)《生命是什么？》這本提出了當(dāng)代分子生物學(xué)中許多重要概念的著作進(jìn)行了重溫和述評(píng)。

物理學(xué)家埃爾溫·薛定諤對(duì)于分子生物學(xué)提出了許多自己的創(chuàng)見(jiàn)

《生命是什么?》（1944），奧地利物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)得主埃爾溫·薛定諤（Erwin Schrodinger）利用這個(gè)（尚未解決的）問(wèn)題，提出了一個(gè)更具體但同樣具有挑釁性的問(wèn)題。他問(wèn)道，是什么讓生命系統(tǒng)與已知的物理定律相悖？他給出的答案現(xiàn)在看來(lái)是有先見(jiàn)之明的：生命以指導(dǎo)細(xì)胞組織和遺傳的“代碼腳本”而著稱，同時(shí)明顯地使生物體能夠暫停熱力學(xué)第二定律。

這些想法鼓舞了公眾和一些科學(xué)界名人，但也激怒了其他人。盡管它們的成分并非原創(chuàng)，但這一構(gòu)想出色地預(yù)見(jiàn)了弗朗西斯·克里克和詹姆斯·沃森1953年的發(fā)現(xiàn)，他們發(fā)現(xiàn)了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)是如何編碼基因的。正如克里克當(dāng)年寫(xiě)給薛定諤的信中所說(shuō)，他和沃森“都受到了這本小書(shū)的影響”。

《生命是什么？》這本書(shū)優(yōu)雅而平易近人，是由薛定諤在第二次世界大戰(zhàn)期間、于1943年在都柏林圣三一學(xué)院發(fā)表的一系列廣受歡迎的公開(kāi)演講講稿組成的。當(dāng)奧地利被納粹德國(guó)吞并時(shí)，薛定諤被流放，他被邀請(qǐng)到愛(ài)爾蘭幫助建立都柏林高級(jí)研究所。2018年9月份，圣三一學(xué)院以“生物學(xué)的未來(lái)”為題盛大慶祝薛定諤發(fā)表《生命是什么？》75周年。

自20世紀(jì)30年代以來(lái)，生物學(xué)已經(jīng)從一個(gè)很大程度上描述性的科學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)關(guān)注機(jī)制的科學(xué)。由于遺傳學(xué)家托馬斯·摩爾根對(duì)果蠅進(jìn)行的研究，研究人員開(kāi)始從基因傳遞的角度來(lái)理解遺傳，即設(shè)想成染色體上排列的大分子。許多人認(rèn)為基因是蛋白質(zhì)。然而，就在薛定諤準(zhǔn)備演講的時(shí)候，微生物學(xué)家?jiàn)W斯瓦爾德·埃弗里卻在發(fā)現(xiàn)證據(jù)，證明它們是核酸。因此，《生命是什么？》在科學(xué)意義上和社會(huì)政治意義上都陷帶來(lái)了一個(gè)混亂的時(shí)期。

薛定諤小心翼翼地踏入這些跨學(xué)科領(lǐng)域。他宣稱自己是一個(gè)“天真的物理學(xué)家”，思考著生命是如何維持自己的生命并在不同的世代之間穩(wěn)定地傳遞基因突變的。他在量子力學(xué)方面的研究為他贏得了1933年的諾貝爾獎(jiǎng)，但這并不是他評(píng)論生物學(xué)的資格。在生物學(xué)領(lǐng)域，薛定諤此前除了對(duì)視覺(jué)生理學(xué)的探索之外，幾乎沒(méi)有表現(xiàn)出任何興趣?？梢哉f(shuō)，這種天真是這本書(shū)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)的來(lái)源。

書(shū)名中的謎題源自物理學(xué)家和化學(xué)家當(dāng)時(shí)是如何認(rèn)為分子世界完全由統(tǒng)計(jì)行為控制的。在詹姆斯·克拉克·麥克斯韋和路德維?！げ柶澛慕?jīng)典分子物理學(xué)中，原子運(yùn)動(dòng)是隨機(jī)的。從數(shù)不清的原子的平均行為中可以發(fā)現(xiàn)精確而有力的物理定律，例如那些將溫度、壓強(qiáng)和氣體體積聯(lián)系起來(lái)的定律。

在這種情況下，一個(gè)特定的宏觀結(jié)果——一種表型，一個(gè)生物體可觀察到的遺傳特征——是如何從分子水平上的單個(gè)基因突變中產(chǎn)生的？這里，也許是薛定諤貓的精靈，形成于1935年，它的宏觀生死取決于一個(gè)量子事件。數(shù)學(xué)家羅杰·彭羅斯在談到這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)時(shí)說(shuō)，“如果薛定諤在寫(xiě)作《生命是什么？》一書(shū)時(shí)一定程度上想到這個(gè)問(wèn)題，我也不會(huì)感到驚訝?！笨粗z傳特征（比如歐洲哈布斯堡王朝成員常見(jiàn)的突出的下頜），薛定諤問(wèn)道，該等位基因是如何“幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)不受熱量運(yùn)動(dòng)無(wú)序傾向的干擾”的？

在這里，他引用了另一位前量子物理學(xué)家馬克斯·德?tīng)柌紖慰说膶?shí)驗(yàn)，德?tīng)柌紖慰死酶吣茌椛湔T發(fā)基因突變，使他能夠估算出約1 000個(gè)原子的基因大小。薛定諤聲稱，對(duì)于“合法的活性”——持久的遺傳性——來(lái)說(shuō)，這似乎太小了，無(wú)法在統(tǒng)計(jì)波動(dòng)面前持續(xù)存在。但他斷言量子力學(xué)可以解釋這個(gè)問(wèn)題。分子中的原子通常可以以許多種穩(wěn)定的方式排列，每種構(gòu)型都有相應(yīng)的能量，這就是薛定諤對(duì)不同基因等位基因的設(shè)想。但它們之間的“量子躍遷”通常會(huì)受到高能屏障的抑制。

他接著提出，這種基因編碼分子（他是那些懷疑它們是大型蛋白質(zhì)的人之一）在其構(gòu)型中有足夠的潛在多樣性，可以編碼大量信息，而且這種多樣性可以提供細(xì)胞的“代碼腳本”。每個(gè)原子的位置很重要，但模式不會(huì)重復(fù)——因此他將分子描述為非周期（不規(guī)則）固體。這不是一個(gè)全新的想法；1935年，德?tīng)柌紖慰颂岢隽祟愃频慕ㄗh。生物學(xué)家赫爾曼·穆勒和霍爾丹獨(dú)立地提出，染色體可能作為它們自身復(fù)制的模板，就像新的晶體層在已有的晶體層上形成一樣。

薛定諤承認(rèn)，所有這些都沒(méi)有回答“遺傳物質(zhì)是如何工作的”這個(gè)更深層次的問(wèn)題——也就是說(shuō)，它是如何在發(fā)育和新陳代謝中被使用的，使一個(gè)有機(jī)體能夠每時(shí)每刻建立和維持自己，就像薛定諤所說(shuō)的“四維空間時(shí)間模式”，但是他從熱力學(xué)的角度提出了這個(gè)問(wèn)題。

這不是能量的問(wèn)題（生物體的能量攝入和產(chǎn)出必須平衡，否則它們就會(huì)燃燒），而是熵的問(wèn)題，這是衡量原子無(wú)序程度的指標(biāo)。熱力學(xué)第二定律表明，在所有的變化過(guò)程中熵都必須增加。但是生物以某種方式延緩了熵增現(xiàn)象。正如薛定諤所說(shuō)，它們以“負(fù)熵”為食，利用“負(fù)熵”維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的組織，同時(shí)通過(guò)加熱環(huán)境來(lái)支付它們的熱力學(xué)費(fèi)用。

他無(wú)法指出的是，它們是如何開(kāi)采負(fù)熵的。他被迫提出，在生命系統(tǒng)中，“我們必須準(zhǔn)備好找到一種新的物理定律?！比缃?，似乎不需要如此極端的解決方案。

他的分析缺少的概念是信息。20世紀(jì)四五十年代，克勞德·香農(nóng)的信息論和諾伯特·維納的控制論開(kāi)始填補(bǔ)這一空白，盡管直到最近研究人員才開(kāi)始了解信息在生物學(xué)中的真實(shí)特性。正如薛定諤關(guān)于負(fù)熵的談話所暗示的，生命是開(kāi)放系統(tǒng)中一個(gè)不平衡秩序的口袋，而DNA密碼只是維持它的一部分。很遺憾薛定諤沒(méi)有接觸到物理學(xué)家利奧·西拉德關(guān)于麥克斯韋之妖的研究。麥克斯韋之妖是一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，揭示了如何利用分子水平的信息來(lái)消除熵失調(diào)，而分子水平的信息在宏觀上看起來(lái)只是統(tǒng)計(jì)學(xué)噪聲。

更重要的是，薛定諤通過(guò)想象它的讀數(shù)直接映射到表型上，給了他的代碼太多的代理。這不是它的工作原理：你不能讀懂人體器官在基因組中的排列。信息的作用是作為一種資源，而不是一步一步的指南。要獲得意義，它必須有背景：細(xì)胞的歷史和環(huán)境。追蹤表型是如何在基因相互作用和環(huán)境中產(chǎn)生的，這是現(xiàn)代基因組學(xué)的關(guān)鍵難題。

在《生命是什么?》的影響下，克里克、西摩·本澤和莫里斯·威爾金斯等幾位物理學(xué)家成為有影響力的生物學(xué)家。但是，從當(dāng)代的評(píng)論來(lái)看，并沒(méi)有跡象表明許多生物學(xué)家理解薛定諤的代碼腳本作為一種活躍的有機(jī)體程序的真正意義。在新興的分子生物學(xué)科學(xué)中，有些人持批評(píng)態(tài)度。萊納斯·鮑林和馬克斯·佩魯茨都曾在1987年薛定諤出生100周年之際譴責(zé)過(guò)這本書(shū)。鮑林認(rèn)為負(fù)熵是對(duì)生物學(xué)的“負(fù)面貢獻(xiàn)”，并指責(zé)薛定諤對(duì)生命熱力學(xué)的“模糊和膚淺”的處理。佩魯茨抱怨說(shuō)，“他書(shū)中真實(shí)的東西并不是原創(chuàng)的，即使是寫(xiě)書(shū)的時(shí)候，大多數(shù)原創(chuàng)的東西也不是真的?！?/p>

雖然這些判決是無(wú)情的，但也并非沒(méi)有實(shí)質(zhì)內(nèi)容。那么，為什么這本書(shū)如此有影響力呢？修辭理論家利亞·切卡雷利（Leah Ceccarelli）認(rèn)為，這要?dú)w功于薛定諤的寫(xiě)作風(fēng)格：他成功地架起了物理學(xué)和生物學(xué)之間的橋梁，而沒(méi)有給予任何特權(quán)。薛定諤關(guān)于生命熵平衡的思想可以被看作是研究生物特權(quán)，如復(fù)制、記憶、衰老、表觀遺傳修飾和自我調(diào)節(jié)，如何被理解為不可忽視環(huán)境的非平衡復(fù)雜性過(guò)程的先驅(qū)。令人感興趣的是，環(huán)境和偶然性的類似考慮現(xiàn)在被認(rèn)為是量子力學(xué)的核心，其思想是糾纏、退相干和語(yǔ)境。這是否不僅僅是巧合，我們還言之過(guò)早。

資料來(lái)源 Nature