在大家密切關(guān)注各種時(shí)政新聞（比如時(shí)下的G20峰會，全球經(jīng)濟(jì)衰退引發(fā)的各種負(fù)面問題），在耳聞目睹各種價(jià)值體系，政治，經(jīng)濟(jì)利益之間彼此碰撞，大腦不停地被沖刷的時(shí)候，我想帶大家進(jìn)入另一個(gè)層面的思考——人類和所處世界本源的問題。剛好今年的2月12日是自然學(xué)家達(dá)爾文誕生200周年紀(jì)念日，本文也算是我對達(dá)爾文遲到的紀(jì)念。達(dá)爾文在他享譽(yù)世界的著作《On the origin of species（物種起源）》中提出了物種在自然選擇下演化的理論，通過對不同物種翔實(shí)的對比，對現(xiàn)今紛繁多樣的世界的產(chǎn)生提出了有別于之前人類一直信奉的神創(chuàng)論的科學(xué)解釋。關(guān)于達(dá)爾文的生平可參見：
http://en.wikipedia.org/wiki/Charles_Darwin （英文）
神創(chuàng)論和演化論
在科學(xué)如此高度發(fā)達(dá)和高速發(fā)展的今天，事實(shí)上對于人類和世界本源的問題，我們依然有很多未知。甚至到今天為止，物種演化的理論依然不能完全摒除神創(chuàng)論對世界起源的解釋。盡管已經(jīng)有越來越多的證據(jù)，證明人類并非特殊的物種，而和其他的動物共有相似的遺傳密碼，但是如果要完全證明神創(chuàng)論只不過是人類認(rèn)識欠缺的歷史產(chǎn)物，而非客觀存在，并使得我們有足夠的理由把《圣經(jīng)》對自然形成的解釋徹底扔進(jìn)廢紙簍，或是只是把它當(dāng)作神話故事作為日常消遣讀物的話，還有幾個(gè)大的問題，我們依然沒有確切的答案——生命是如何從無生命物質(zhì)中演化而來？無生命物質(zhì)（我們所處的宇宙）又是從何而來的？
關(guān)于宇宙的由來，基于現(xiàn)實(shí)觀測到的證據(jù)，宇宙物理學(xué)家提出了大爆炸理論，認(rèn)為現(xiàn)有的宇宙是由一個(gè)溫度極高，密度極大的初始狀態(tài)，迫于這樣巨大的能量迅速迸發(fā)催生了各種粒子和物質(zhì)，然后空間不斷膨脹而形成了現(xiàn)在的面目。當(dāng)然，關(guān)于宇宙是否確實(shí)是這樣產(chǎn)生的，還有很多未知需要解答。并且，即使現(xiàn)有宇宙的起源問題得到解答，人們依然可以問宇宙初始時(shí)，那么高能量，高密度的初始狀態(tài)的起源又是什么呢？就這個(gè)問題，我還詢問了中國科學(xué)院理論物理研究所的李淼老師，他回答說：“流行的理論是之前有一個(gè)暴漲時(shí)期，溫度幾乎等于零，在暴漲結(jié)束時(shí)，驅(qū)動暴漲的場的能量轉(zhuǎn)化為輻射能，溫度升高，這個(gè)短暫的過程叫再加熱?！崩铐道蠋煹膫€(gè)人博客：http://limiao.net/ （中文）。
我沒有再詢問李淼老師關(guān)于暴漲的細(xì)節(jié)，在把大家的思緒帶向大眾并不需要的太過于艱深的專業(yè)知識之前，我們不妨想想另外一個(gè)同樣重要的，或者說是對于我們?nèi)祟惗曰蛟S更為重要的問題——生命是如何產(chǎn)生的？假使神創(chuàng)論并非對現(xiàn)存世界的終極解答，那么我們必定需要從所知的無生命現(xiàn)象中尋找生命活動產(chǎn)生的解釋，換句話說，我們在有生命物質(zhì)中所觀測到的現(xiàn)象，是否可以利用所知的由非生命物質(zhì)的研究而總結(jié)而來的物理和化學(xué)的知識去解釋呢？假使這是完全可行的，那么生命活動從物理和化學(xué)的機(jī)制上說和非生命體并無任何根本的不同，那么在這層意義上我們完全有理由徹底拒絕神創(chuàng)論對生命產(chǎn)生的解釋。當(dāng)然，這只是個(gè)假設(shè)，我們離自信地宣稱物理學(xué)和化學(xué)可以徹底解釋一切生命學(xué)現(xiàn)象的那一天依然還很遙遠(yuǎn)。但是，即便如此，我們至今的諸多發(fā)現(xiàn)，似乎越來越明確地指向了這一個(gè)方向——物理和化學(xué)很可能是對生命現(xiàn)象的終極解答。
生命過程是單純的物理，化學(xué)過程嗎？
1944年，偉大的物理學(xué)家，量子物理學(xué)的重要奠基人（1933年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者），Erwin Schr?dinger（薛定諤）出版了一本書——《What is life (什么是生命)？》，第一次從物理學(xué)的角度提出了對解開生命科學(xué)奧秘的問訊。書中提出了aperiodic crystal (非周期性晶體)的概念，認(rèn)為其化學(xué)鍵中包含遺傳信息。這被后來的諾貝爾醫(yī)學(xué)，生理學(xué)獎獲得者Francis Crick （克里克）認(rèn)為是DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)被揭示（1953年）之前的理論描述。
薛定諤生平介紹：http://en.wikipedia.org/wiki/Erwin_Schr%C3%B6dinger （英文）
書《What is life》的鏈接：http://home.att.net/~p.caimi/schrodinger.html （英文）
克里克的生平介紹：http://en.wikipedia.org/wiki/Francis_Crick （英文）
如果說薛定諤對于什么是生命的問訊是物理學(xué)家開始思考和探索生命科學(xué)奧秘的標(biāo)志的話，它卻并沒有能夠給與人們生命形式的物理學(xué)解釋。到了今天，從收集到的事實(shí)碎片，我們雖然還遠(yuǎn)不能夠給大家拼接出關(guān)于生命活動的物理學(xué)解釋的完整圖像，但是，依稀，我們可以若隱若現(xiàn)地看到它的逐漸呈現(xiàn)。在給大家呈現(xiàn)這些有解的物理圖象之前，我想再借用幾個(gè)提問引出科學(xué)對于某些具體問題的解答。
首先，生命體具有什么非生命體不具備的特征呢（我們已經(jīng)知道生命體的化學(xué)組成在無生命世界都可以找到）？我們知道生命體能自我控制，調(diào)節(jié)，表現(xiàn)在可以繁殖，能夠進(jìn)行新陳代謝，可以應(yīng)對外界環(huán)境的變化而改變自身去適應(yīng)環(huán)境，等等。生命體能夠如此準(zhǔn)確地自我調(diào)控，或者說是它的活動是高度受控的有序的，相對而言，非生命體的活動則顯得缺乏控制因而要無序得多。然而物理學(xué)中的熱力學(xué)第二定律，即熵定律，則說對于一個(gè)給定的封閉系統(tǒng)，在沒有外界能量供給的情況下，系統(tǒng)是傾向于越來越無序的，我們稱這個(gè)現(xiàn)象為熵的增加（不過利用無序程度來定義熵是有問題的，下文我會詳細(xì)說明）。這樣一來，生命活動不是與熱力學(xué)第二定律完全矛盾嗎，因?yàn)樗歉叨扔行虻陌?？如果相矛盾，試圖利用物理解釋生命現(xiàn)象不是成了無稽之談了嗎？但是，且慢，在下結(jié)論之前，讓我們把幾個(gè)概念先搞清楚。首先，我們知道生命體不是孤立的系統(tǒng)，它與所處環(huán)境既有物質(zhì)也有能量交換，而熵定律的適用范圍限定于封閉系統(tǒng)——和外界既沒有物質(zhì)，也沒有能量交換。這樣看來，把生命體單獨(dú)拿出來看，是對熵定律的錯(cuò)誤套用。也就是說，我們應(yīng)該把生命體和它所處的環(huán)境一起作為一個(gè)系統(tǒng)（假定這個(gè)系統(tǒng)是封閉的）來考慮。那么這個(gè)重新定義的系統(tǒng)，熵是否是增加的呢？另外，究竟什么是熵，只是一個(gè)系統(tǒng)無序程度的標(biāo)度嗎（似乎不好理解）？長話短說，熵的物理學(xué)本質(zhì)反映的是不可被利用，或者是難以被利用的能量。我們知道能量守恒原理（能量既不能被制造，也不能被消滅），能量只是在不同的形式之間相互轉(zhuǎn)換。熵定律實(shí)際上是在說，初始能量傾向于轉(zhuǎn)化成越來越難被利用的形式。比方說，我們有塊電池，它可以用來驅(qū)動電動玩具什么的。它在工作時(shí)，除了儲存的化學(xué)勢能可以轉(zhuǎn)化為電能，再轉(zhuǎn)化為驅(qū)動電動玩具的動能以外，它還產(chǎn)生熱能，除了電池本身會發(fā)熱，線圈也會發(fā)熱，電動玩具與地面摩擦也會產(chǎn)生熱能。這些熱能的產(chǎn)生，很難被利用來驅(qū)動電動玩具，于是可以被有效利用的能量被不停地消耗，最終我們發(fā)現(xiàn)電池沒電了。這就是熵的增加。但是，生命體這種高度有序的調(diào)控形式，也和熵定律相匹配嗎？如果是，熵增加的生物學(xué)意義是什么？前文提到，熵增加本質(zhì)上反映的是對可利用能量的消耗的增加。毋庸置疑，生命體從環(huán)境中不停地獲取更易被利用的能量，并將其消耗，更準(zhǔn)確地說是將獲取的能量轉(zhuǎn)化為更難被利用的形式返回給環(huán)境。生命體自身不多復(fù)雜化，有序調(diào)控化的結(jié)果，是加速了這種能量消耗，或者說轉(zhuǎn)化的形式。這樣看來，生命體形成的過程，不僅不違背熵定律，反而是遵循熵定律的結(jié)果。
熵的物理定義：http://en.wikipedia.org/wiki/Entropy （英文）
深入閱讀：
Schneider, E.D, Kay, J.J., 1995, “Order from Disorder: The Thermodynamics of Complexity in Biology”, in Michael P. Murphy, Luke A.J. O’Neil (ed.), “What is Life: The Next Fifty Years. Reflections on the Future of Biology”, Cambridge University Press, pp. 161-172.
Christoph Adami, Charles Ofria, and Travis C. Collier, Evolution of Biological Complexity, PNAS, 97(9), 4463-4468, 2000.
就熵定律和生命形成，生命形式的復(fù)雜化，或者說演化過程，我不在這里展開詳細(xì)說明。如有任何問題，我們可以在評論中做近一步討論。之所以不便于展開說明，是因?yàn)檫@只是物理與生命科學(xué)交集的冰山一角。前文中，我提到生命體可以自我控制，調(diào)節(jié)，對外界環(huán)境的改變做出反應(yīng)。關(guān)于這方面，其實(shí)我們還可以問很多問題。比如，生命體這些生命活動究竟是怎樣完成的，它的本質(zhì)是物理或者化學(xué)的嗎？坦白的講，對于這個(gè)問題，我們還不知道答案。不過，盡管很多生物學(xué)的相互作用我們還不能將其描述成單純的物理或者化學(xué)作用，越來越多的證據(jù)表明，在這些生命活動中基本的物理學(xué)規(guī)律和化學(xué)原理都起了很大的作用。
物理，化學(xué)與生物關(guān)聯(lián)的部分實(shí)例
器官水平
化學(xué)和生物的密不可分大概不需要我舉任何例子來說明。那我就先舉一些和大家生活聯(lián)系緊密，比較熟悉也很容易理解的物理和生物相關(guān)的例子，比如視覺。大概大家都知道眼睛的構(gòu)成組分中角膜以及晶狀體就如同透鏡一樣，于是關(guān)于其成像可以完全套用幾何光學(xué)中光的折射的知識。當(dāng)然，人的眼睛比一般的光學(xué)透鏡要先進(jìn)，因?yàn)榫铙w可以通過睫毛肌牽動改變晶狀體的曲率（注：角膜的焦距不可變），從而調(diào)節(jié)其焦距，于是近景和遠(yuǎn)景都可以通過晶狀體焦距的調(diào)整而清晰可見。如果焦距調(diào)節(jié)的功能出現(xiàn)障礙，產(chǎn)生的結(jié)果就是視線模糊，因?yàn)槲矬w聚焦后的焦平面（因?yàn)槲矬w不是點(diǎn)，所以呈像會聚也不是單一的焦點(diǎn)，而是面）不在視網(wǎng)膜（相當(dāng)于一個(gè)顯示屏）上，也就是說視網(wǎng)膜上呈像是發(fā)散的，因此顯示的效果就是模糊的。這也是近視和遠(yuǎn)視產(chǎn)生的共同物理原因。關(guān)于近視和遠(yuǎn)視的區(qū)別只是一個(gè)是在視網(wǎng)膜前成像，一個(gè)是在視網(wǎng)膜后。有興趣的可以點(diǎn)擊下列鏈接了解更多：
晶狀體：http://en.wikipedia.org/wiki/Lens_(anatomy) （英文）
角膜：http://en.wikipedia.org/wiki/Cornea （英文）
近視：http://en.wikipedia.org/wiki/Myopia （英文）
遠(yuǎn)視：http://en.wikipedia.org/wiki/Hyperopia （英文）
細(xì)胞水平
也許視覺的例子太過特殊，拿人來看，渾身上下，這么“物理”的構(gòu)造也沒幾個(gè)，盡管我可以簡要地再舉若干個(gè)大家很熟悉的例子，比如聽覺的產(chǎn)生，無非是鼓膜在聲波的刺激下振動產(chǎn)生的感應(yīng)而已。那么物理在生命體（人體）中的顯現(xiàn)也就僅限于這些很“物理”的構(gòu)造嗎？當(dāng)然不僅僅是這樣。既然我們說到視覺，聽覺這些知覺，那么我們就順著這個(gè)話題說一說視覺信號（光）和聽覺信號（聲波）的傳導(dǎo)。為避免不必要的冗長和過多的細(xì)節(jié)，我從簡說明。當(dāng)光子觸到光受體細(xì)胞，會使得細(xì)胞所含的光受體色素蛋白構(gòu)象（蛋白的氨基酸一維序列由于靜電引力，氫鍵，范德華力等的作用折疊而成的三維結(jié)構(gòu)）發(fā)生變化，以此催生了一系列的生物化學(xué)反應(yīng)，這些生化反應(yīng)導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞膜內(nèi)外的一些特定的離子濃度發(fā)生變化，從而改變膜內(nèi)外的電化學(xué)勢。電化學(xué)勢的改變使得神經(jīng)細(xì)胞釋放神經(jīng)遞質(zhì)，神經(jīng)遞質(zhì)傳導(dǎo)到相連的細(xì)胞，又使得它的電化學(xué)勢改變，如此反復(fù)，最初的光信號就以電信號的方式在神經(jīng)細(xì)胞之間進(jìn)行傳遞。由此我們可見，整個(gè)過程涉及的是一整套的化學(xué)和物理的過程。對于聽覺信號的傳導(dǎo)，除了初始的過程不同，信號傳導(dǎo)最終都統(tǒng)一到以電信號的方式進(jìn)行。更多細(xì)節(jié)請點(diǎn)擊一下內(nèi)容：
光受體細(xì)胞：http://en.wikipedia.org/wiki/Photoreceptor_cells （英文）
聽覺系統(tǒng)：http://en.wikipedia.org/wiki/Auditory_system （英文）
或許這個(gè)例子依然有點(diǎn)特殊，因?yàn)椴皇撬械纳w都有神經(jīng)細(xì)胞。那我們看看更普適的例子。在這之前，請?jiān)试S我將話頭引向本文最開始的例證部分，我提到說化學(xué)和生物密不可分，事實(shí)上人們發(fā)現(xiàn)所有的生命活動都是以化學(xué)為基礎(chǔ)的，因此人們說生物的本質(zhì)是化學(xué)的。有趣的是，通過對化學(xué)的研究，人們發(fā)現(xiàn)一切化學(xué)現(xiàn)象，都可以歸結(jié)為分子中原子，電子的運(yùn)動以及相互作用，也就是說化學(xué)的本質(zhì)是物理的。那么基于這樣的事實(shí)，我們是否可以直接推論，生物的本質(zhì)其實(shí)是物理的呢？這個(gè)邏輯背后有個(gè)問題需要闡明的是——生命活動中所包含的化學(xué)，和非生命活動中的化學(xué)是否是完全一致的？換句話說，兩者的區(qū)別只是在于物質(zhì)構(gòu)成的區(qū)別，而并沒有其特殊的化學(xué)原理呢？如果這是正確的，它是否說明：1）生命體的某些性質(zhì)（比如說個(gè)體差異性等）可以在不具生命活動能力的物體上體現(xiàn)；2）人工合成物質(zhì)存在生命體所有的某種生命活動的現(xiàn)象，比如說自我裝配等；3）生命體所有的自我控制調(diào)節(jié)能力等并不是像人們想象的那樣完全預(yù)先設(shè)定好的，（如果是，生命體中所包含的化學(xué)就含有不為人知的神秘因素，比如“上帝”）；4）只要我們的人造系統(tǒng)足夠復(fù)雜，我們可以制造生命？
分子水平
去尋找這些問題的解答實(shí)在是讓人覺得振奮和激動！有趣的是，為了解答這些問題，我們不約而同地來到了分子水平這樣更精微的尺度上來窺探究竟，這也在一定程度上暗示了“…everything that living things do can be understood in terms of the jigglings and wigglings of atoms------------R.P. Feynman”。
關(guān)于上述提到的第一個(gè)問題，一個(gè)非常有趣的是發(fā)現(xiàn)是，完全相同的單個(gè)分子在嚴(yán)格控制的相同的環(huán)境下，也顯現(xiàn)出個(gè)體差異性。1997年，斯坦福大學(xué)的Steven Chu對任意彎曲盤繞的聚合物分子（DNA分子，需要說明的是盡管是生物分子，但單獨(dú)存在體外環(huán)境時(shí)不具備生命力）在微流體室內(nèi)在微流產(chǎn)生的力的作用下解開盤繞的動態(tài)研究中，發(fā)現(xiàn)這些相同的聚合物分子卻顯現(xiàn)出非常不同的盤繞狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)顯示分子的個(gè)體差異性起源于分子在水相環(huán)境中的初始構(gòu)造的極其微小的差別（無法檢測），而這個(gè)微小差別在任意的熱運(yùn)動中被放大，以至于之后呈現(xiàn)出明顯的個(gè)體差異性。在某種程度上，該實(shí)驗(yàn)顯示某些隨機(jī)的作用或狀態(tài)，對于生命的形成可能具有重要的作用（下文中也有例子為此提供證據(jù)）。近些年來，越來越多的單分子實(shí)驗(yàn)證實(shí)了分子的個(gè)體差異性，由于篇幅問題，我就不再贅述。
新聞來源：http://news.stanford.edu/pr/98/980211unfold.html （英文）
相關(guān)論文：Thomas T. Perkins, Douglas E. Smith, Steven Chu，Single Polymer Dynamics in an Elongational Flow，Science，Vol. 276. no. 5321, pp. 2016 - 2021，1997.
關(guān)于第二個(gè)問題——人工物質(zhì)的自我裝配，這實(shí)際上在化學(xué)，材料科學(xué)中的研究已經(jīng)非常熱門。自裝配主要依靠的分子之間自發(fā)可逆的非共價(jià)鍵作用（例如范德華力，氫鍵，離子鍵等）。
相關(guān)閱讀：http://en.wikipedia.org/wiki/Self_assembly （英文）
關(guān)于第三個(gè)問題，生命現(xiàn)象是否被未知因素預(yù)先完全設(shè)定好？就目前的證據(jù)而言，似乎并不是這樣。很多生命過程的完成依賴于隨機(jī)事件和熱運(yùn)動，這聽起來似乎有點(diǎn)不可思議。而且最讓人覺得不可思議的是，在DNA轉(zhuǎn)錄成RNA這樣應(yīng)該受到精確控制的過程中，RNA聚合酶（促成轉(zhuǎn)錄過程中最重要的蛋白）的布朗運(yùn)動（無序的熱運(yùn)動）對于定位DNA上的啟動子（一段特定的基因序列，可以認(rèn)為是啟動轉(zhuǎn)錄過程的發(fā)號令）具有重要作用。無獨(dú)有偶，在細(xì)胞中擔(dān)當(dāng)運(yùn)輸重任，攜帶貨物（cargo）的驅(qū)動蛋白（kinesin）在微管（microtubule）上移動時(shí)，也是依靠自身在水相環(huán)境的布朗運(yùn)動（無定向）來尋找其和微管的結(jié)合位點(diǎn)進(jìn)而產(chǎn)生定向運(yùn)動將貨物拉到目的地的。有趣的是，另一種分子馬達(dá)，依賴ATP供能從而拉動貨物在肌動蛋白（actin）上行走的肌球蛋白（myosin）的運(yùn)輸，也是依賴于布朗運(yùn)動的。當(dāng)肌球蛋白不負(fù)載時(shí)，肌球蛋白擴(kuò)散迅速，很容易與肌動蛋白（可以想象成是肌球蛋白運(yùn)輸時(shí)的特定軌道）分離，由于離開軌道，它便不起任何運(yùn)輸作用，類似于無人時(shí)就停開的自動電梯。而當(dāng)負(fù)載時(shí)，肌球蛋白的擴(kuò)散速率迅速降低，于是有足夠的時(shí)間尋找下一步運(yùn)動時(shí)與肌動蛋白的結(jié)合位點(diǎn)。此外，促使肌球蛋白抬腿進(jìn)行下一步動作，為之提供能量的ATP與肌球蛋白的結(jié)合也被發(fā)現(xiàn)是隨機(jī)的。近一步閱讀可參看以下內(nèi)容：
RNA聚合酶：http://en.wikipedia.org/wiki/RNAP （英文）
M Guthold, X Zhu, C Rivetti, G Yang, N H Thomson, S Kasas, H G Hansma, B Smith, P K Hansma, and C Bustamante，Direct observation of one-dimensional diffusion and transcription by Escherichia coli RNA polymerase，Biophys J., 77(4): 2284–2294, 1999.
驅(qū)動蛋白：http://en.wikipedia.org/wiki/Kinesin （英文）
肌球蛋白：http://en.wikipedia.org/wiki/Myosin （英文）
Toshio Yanagidaa, Masahiro Uedaa, Tsutomu Muratac, Seiji Esakia,and Yoshiharu Ishii, Brownian motion, fluctuation and life, Biosystems, 88 (3), pp: 228-242, 2007.
關(guān)于第四個(gè)問題，也是生命學(xué)研究的終極目標(biāo)之一 ——我們能否制造生命？目前的答案是——否定的。雖然有很多論文聲稱做出了人造細(xì)胞，不過從實(shí)質(zhì)上而言只是生物反應(yīng)器而已。當(dāng)然，我們依然樂觀的相信，一旦生命現(xiàn)象中所有重要的化學(xué)和物理機(jī)制都被人類所了解的話，人工合成生命很可能并非是個(gè)夢想。如果是這樣，在某種程度上，人類是否成為了所謂的上帝呢？
