有機(jī)生命體：北極燕鷗在候鳥(niǎo)物種中被認(rèn)為是利用了量子效應(yīng)來(lái)導(dǎo)航的鳥(niǎo)類之一。
弗拉托克·維德勒（Vlatko Vedral）是牛津大學(xué)與新加坡國(guó)立大學(xué)的教授。他是《解碼真實(shí)》（2010）的作者。
科學(xué)之間的分工分類支離破碎。大自然不認(rèn)可那規(guī)律的分界，而當(dāng)我們了解越深，我們?cè)娇吹竭@些傳統(tǒng)上涇渭分明的科學(xué)分支有著怎樣的共同點(diǎn)。然而，讓人好奇的關(guān)鍵點(diǎn)卻留存下來(lái)。
物理學(xué)涉及的是物質(zhì)與能量的基本性質(zhì)以及他們是如何相互作用的?；瘜W(xué)所問(wèn)的是原子怎樣在一起，又怎樣構(gòu)成更復(fù)雜的分子，以及是什么在作用能形成所得的物質(zhì)。兩者的共同點(diǎn)在于他們都在研究無(wú)機(jī)質(zhì)。
生物學(xué)，從另一方面來(lái)說(shuō)，是研究生命體的。我們?cè)诖嗽庥龅暮诵恼系K是將所有自然科學(xué)視作一個(gè)大的、彼此相關(guān)的整體。無(wú)機(jī)質(zhì)看來(lái)是遵守自然法則的，從頭到尾，絕無(wú)例外。而生命體，相比之下，看起來(lái)有著自己的意志。它（他）們更好理解，也許可以說(shuō)，由被稱作目的性的方面最容易將其定義。它（他）們會(huì)嘗試做些什么事，當(dāng)它（他）們不能違反自然法則，就肯定會(huì)利用之以實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)。對(duì)無(wú)機(jī)質(zhì)你就不能這樣說(shuō)了。
毫不讓人意外的是，物理學(xué)與化學(xué)之間的聯(lián)系，比起這兩個(gè)學(xué)科與生物學(xué)的聯(lián)系，要更確定些。很少科學(xué)家會(huì)否認(rèn)量子物理學(xué)的法則（是現(xiàn)時(shí)我們所知的最精確的基本自然法則），也能充分地解釋化學(xué)法則。是的，只使用物理學(xué)知識(shí)去計(jì)算所有錯(cuò)綜的一些復(fù)雜反應(yīng)的細(xì)節(jié)是很困難，但多數(shù)的科學(xué)家都同意，化學(xué)總體上說(shuō)仍是遵循量子理論的。然而生物學(xué)看著像是不同，生物學(xué)的某些部分似乎與化學(xué)相距甚遠(yuǎn)，更不用說(shuō)可還原為量子物理學(xué)了。
有些鳥(niǎo)類被認(rèn)為是利用了奇異的量子效應(yīng)，以在遷徙中探測(cè)地球的磁場(chǎng)。
拿進(jìn)化論來(lái)說(shuō)吧。想象一下，我們從原始的有機(jī)生命體開(kāi)始，有能力繁殖。后代呈現(xiàn)出一定比率的隨機(jī)突變，然后當(dāng)中又有一定的部分，環(huán)境特征引致那些突變使它（他）們比其他部分的發(fā)展得更好。這兩種因素結(jié)合起來(lái)，這樣的條件引導(dǎo)我們預(yù)期有更復(fù)雜生命體的出現(xiàn)。（即使最簡(jiǎn)單的那些仍可能占主導(dǎo)）。達(dá)爾文的思想無(wú)疑是對(duì)我們?cè)谥車吹降母鞣N生命體的復(fù)雜程度的最佳解釋。我們知道物種通過(guò)基因突變而改變，新的物種存活下來(lái)，是因?yàn)樗ㄋ﹤儽绕鋵?duì)手們更能適應(yīng)棲息地的環(huán)境。但適者生存的“法則”，會(huì)遵從像是化學(xué)，或是量子物理的基本法則嗎？
在我處理這個(gè)問(wèn)題前，讓我先搞清一件事。我并不只是在問(wèn)，生態(tài)系統(tǒng)是否能利用量子物理的奇怪的方面去改進(jìn)它（他）們的生存機(jī)會(huì)。對(duì)此的簡(jiǎn)單答案是，是的，看起來(lái)它（他）們是的。有證據(jù)說(shuō)明，即使是量子效應(yīng)最詭異的量子糾纏，也被光能合成的植物利用，好讓它們?cè)趯⒐饽軐?dǎo)向到產(chǎn)生能量的部位時(shí)走最有效率的路徑。同樣地，有些鳥(niǎo)類被認(rèn)為是利用了奇異的量子效應(yīng)，以在遷徙中探測(cè)地球的磁場(chǎng)。量子物理給予這些生命系統(tǒng)的高效率的優(yōu)點(diǎn)，這能使它（他）們能同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，這是計(jì)算機(jī)科學(xué)家稱之為并行信息處理的東西。很少人會(huì)期望量子物理學(xué)全部都能在宏觀層面使用，如植物或鳥(niǎo)類，溫暖潮濕的或充滿噪音的環(huán)境。這些線索令人驚喜且興奮，由此激發(fā)了量子生物學(xué)的產(chǎn)生，這一新興學(xué)科正吸引越來(lái)越多的科學(xué)家及公眾的注意。
但這并不太能讓生物學(xué)還原成物理學(xué)。生命體也會(huì)利用力學(xué)和地心引力，那不代表經(jīng)典力學(xué)和地心引力能解釋生物進(jìn)化本身。生命體可以符合物理學(xué)法則，我們?nèi)钥赡芤贸锢韺W(xué)以外的原理來(lái)解釋生命體。事實(shí)上，多數(shù)生物學(xué)家會(huì)同意，那的確是與物理學(xué)法則相一致，就是說(shuō)一定是遵循所有的法則的。那不只是利用物理學(xué)，還是受物理學(xué)的影響：很清楚的是，環(huán)境通過(guò)物理學(xué)來(lái)影響生命體。
在這里我們?nèi)愿鶕?jù)兩個(gè)范疇來(lái)思考—有機(jī)，無(wú)機(jī)—在保留自身差別的同時(shí)彼此相互作用。我們想知道的是，這種差別是否能保持。問(wèn)題是，進(jìn)化論，生物學(xué)理論的支柱之一，是否完完全全是物理學(xué)可推論出來(lái)的。尤其是，是否可由量子物理學(xué)推論得出，那個(gè)可以解釋我們所知的一切關(guān)于原子和分子的理論？
第一眼看起來(lái)似乎不可以。量子物理學(xué)的始祖，一個(gè)尼爾斯·玻爾的丹麥人，走得甚至更遠(yuǎn)，在1932年一場(chǎng)著名題為“光與生命”的演講里，他爭(zhēng)論說(shuō)我們不可以；即使只在原理上，在活體中探測(cè)生命的實(shí)質(zhì)以求理解之。以波爾的話來(lái)說(shuō)，‘生命的存在必須被看作是不可解釋的基本的現(xiàn)實(shí)?！腿缙绽士顺Ａ?/span>—同據(jù)波爾的話，‘就像是來(lái)自以經(jīng)典機(jī)械物理學(xué)的視角的荒謬的元素’—然而這卻構(gòu)成了原子學(xué)說(shuō)不可復(fù)歸的基礎(chǔ)，迫使著生命體這個(gè)概念，在生物學(xué)里被看作這樣一個(gè)莫名其妙的起始點(diǎn)。
波爾的主張是極其悲觀的。其他人對(duì)統(tǒng)一科學(xué)領(lǐng)域有著更高的期望。在他們樂(lè)觀的意念中，這是一個(gè)探索的可能角度。量子物理用隨機(jī)性來(lái)解釋微觀尺度中原子與分子的事件行為?？赡芪覀儠?huì)將此聯(lián)系到生物學(xué)概念的隨機(jī)基因突變?nèi)ァ词埂吧飳W(xué)上的隨機(jī)”與“量子隨機(jī)”可能以相當(dāng)?shù)牟煌绞浇Y(jié)束。
一個(gè)明顯的區(qū)別是，自然選擇的進(jìn)化原理沒(méi)有任何物理學(xué)對(duì)應(yīng)原理：無(wú)機(jī)質(zhì)的不同形態(tài)并不根據(jù)任何適應(yīng)性參數(shù)而作選擇。
或者說(shuō)，它（他）們是嗎？無(wú)機(jī)質(zhì)的與眾不同的平衡狀態(tài)—即便時(shí)間逝去仍保持穩(wěn)定的狀態(tài)—這一點(diǎn)是首先由奧地利的物理學(xué)家，路德維?！げ柶澛?/a>從微觀視角理解的。在1870年代，玻爾茲曼解釋熱力學(xué)第二定律，該定律闡明了孤立系統(tǒng)的混亂總在增長(zhǎng)中。在他的邏輯里，物質(zhì)的宏觀態(tài)假定只是最高量微觀態(tài)的集合。想象一下，你在拋兩個(gè)普通的骰子，如果你在一個(gè)特定的點(diǎn)數(shù)下注，你應(yīng)該選7，簡(jiǎn)單的理由就是，兩個(gè)骰子，有6種不同的組合會(huì)得出點(diǎn)數(shù)7，而其他點(diǎn)數(shù)組合占的機(jī)率就低了。同樣地，隨意的一堆粒子傾向于混亂，那是因?yàn)椋?jiǎn)而言之，是亂七八糟的組合方式總比整齊有序的組合方式多。那我們要怎樣才可以把這個(gè)聯(lián)系到對(duì)生命系統(tǒng)的理解中去呢？
毫無(wú)意外地，第一個(gè)以第二定律談?wù)撋谋举|(zhì)的，也是玻爾茲曼。這是他的原話：‘生命體的一般的生存競(jìng)爭(zhēng)并不是為原材料競(jìng)爭(zhēng)—對(duì)它（他）們來(lái)說(shuō)，爭(zhēng)的是空氣，是水，是土地，所有這些都是大量存在的—當(dāng)然也不是能量，這在每一個(gè)身體里都以熱的形式存在著，但是，它（他）們爭(zhēng)的是熵[負(fù)面意義的]，這在灼熱的太陽(yáng)往冰冷的地球傳遞能量時(shí)才可用?！瘜?duì)玻爾茲曼來(lái)說(shuō)，生命是遠(yuǎn)離平衡，遠(yuǎn)離無(wú)機(jī)（死）物。透過(guò)從環(huán)境中吸收低熵物生命才能存活，從而將其從混亂級(jí)別中的最大級(jí)推開(kāi)。另一位量子物理的先鋒，奧地利物理家埃爾溫·薩定諤，亦強(qiáng)調(diào)了生命會(huì)最大化自由能的想法，也就是說(shuō)，能量只在做有用功時(shí)可用。這是說(shuō)明生命需要遠(yuǎn)離平衡的另一種說(shuō)法。在這個(gè)方面與前者有區(qū)別，例如，一塊石頭，一但離開(kāi)什么裝置，就只會(huì)一副石頭樣，不會(huì)試著做什么有用功。
拍攝一只小鳥(niǎo)懸在空中拍翅膀：雖然那顯然是動(dòng)態(tài)，卻仍然會(huì)導(dǎo)致靜態(tài)的結(jié)果。
這會(huì)是我們最難懂的適應(yīng)性參數(shù)嗎？如果是，我們應(yīng)該得重新敘述下適者生存的原則。那么試試這樣說(shuō)吧：我們?cè)娇斓厝ミh(yuǎn)離平衡，我們的適應(yīng)性越強(qiáng)。事實(shí)上，在1977年諾貝爾獎(jiǎng)得主伊利亞·普里高津（IlyaPrigogine）已經(jīng)預(yù)期到了這種生物學(xué)思路了。他認(rèn)為大自然選擇能將熵增率最大化的那些適應(yīng)性，動(dòng)力使混亂最快地發(fā)生。超越相關(guān)其中有理論偏好的理論論爭(zhēng)來(lái)說(shuō)，沒(méi)有多少實(shí)驗(yàn)證據(jù)能證實(shí)這就是實(shí)際情況。而實(shí)際上，有些證據(jù)，是導(dǎo)向相反方面的。這可能是因?yàn)榫_量度熵增率無(wú)論以何種方法，都是有很多困難的。但也可能意味著，這一原則什么地方有問(wèn)題。
最近將生物學(xué)歸源于物理學(xué)的嘗試是一個(gè)以色列的物理學(xué)家，阿迪·普羅斯（Addy Pross）所作的。他提出，很多的無(wú)機(jī)質(zhì)符合熵最大化的熱力學(xué)，生命體追求將‘動(dòng)力穩(wěn)定性’最大化。這不是同一個(gè)最大化熵增率。相比起達(dá)致平衡的被動(dòng)狀態(tài)，所有無(wú)機(jī)質(zhì)不可避免地要依循第二定律，生命系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)動(dòng)力穩(wěn)定態(tài)，但它（他）們必須要永不停頓地保持之。動(dòng)力穩(wěn)定態(tài)是脆弱的，需要經(jīng)常地重建。拍攝一只小鳥(niǎo)懸在空中拍翅膀：雖然那顯然是動(dòng)態(tài)，卻仍然會(huì)導(dǎo)致靜態(tài)的結(jié)果。
如果普羅斯是對(duì)的，我們可能有材料使進(jìn)化生物學(xué)轉(zhuǎn)變成化學(xué)的主要特征減少。同時(shí)，也使化學(xué)能還原到量子物理學(xué)上去，于是，看起來(lái)，我們就有可能順利把生物學(xué)歸成量子物理了。那將會(huì)是很偉大的成就。然而，就如任何其他偉大成就一樣，問(wèn)題又出現(xiàn)了。
我們一開(kāi)始是說(shuō)，生命體與非生命體系統(tǒng)的區(qū)別在于目標(biāo)感。如果生物學(xué)可還原為量子物理學(xué)，而典型的量子客體，如原子和分子都沒(méi)有目標(biāo)感，那么轉(zhuǎn)變?cè)谀睦锇l(fā)生？‘愿望’至達(dá)到動(dòng)力穩(wěn)定性的狀態(tài)從什么地方開(kāi)始？當(dāng)然，這又讓我們回到起點(diǎn)了。用簡(jiǎn)單方法來(lái)解決，以目的性來(lái)作結(jié)論坦白說(shuō)就是個(gè)錯(cuò)誤觀念。普羅斯可能會(huì)說(shuō)，當(dāng)化學(xué)變得夠復(fù)雜時(shí)一個(gè)突現(xiàn)特征就會(huì)出現(xiàn)。但給出這目的性的觀念，正因?yàn)檫@是我們最初確認(rèn)到底什么是生命體的方法，也許我們更應(yīng)該抵抗那些輕易使我們對(duì)這方法揮手告別的結(jié)論。
我不想假裝擁有了這一切問(wèn)題的答案。另一方面來(lái)說(shuō)，穿越各自然科學(xué)的邊界的該領(lǐng)域的發(fā)展速度，并不比量子生物學(xué)慢，這讓我能樂(lè)觀地認(rèn)為早晚我們能達(dá)到些什么。現(xiàn)在我們只是在持續(xù)嘗試中。作為生命體，這看起來(lái)是多么自然的一件事。
聯(lián)系客服
