解不开的生命之谜——《生命与新物理学》书评

澳大利亚宇宙学家和著名科普作家保罗·戴维斯（Paul Davies）的作品《生命与新物理学》（The Demon in the Machine），其书名直译为“机器中的魔鬼”。这其实是作者对于生命所做的一个很形象的比喻。机器象征着物理学法则，而魔鬼则是能有效处理信息的机制，两者相结合，就是生命。

书的副标题How Hidden Webs of Information Are Solving the Mystery of Life——隐藏的信息网如何正在破解生命之谜，则点出了本书的宗旨：试图从物理学的角度，去解开生命的重重不解之谜。

我们一般认为：生命与生物学相关，而生物学与化学，特别是有机化学密切相关。而物理是宇宙运行方式的本质，反映宇宙的法则，是最基本的科学学科。物理学是从最小的亚原子粒子到整个宇宙层面描述物理环境的学科。作者作为一名物理学家，很自然地尝试通过物理学来解释生命的现象。他自己在书中就说：“有很多书描述生命做什么，而我这本书是解释生命是什么。”

爱因斯坦曾经说过：“当我们在研究生物时，我们最能感到物理学依然十分原始。”不过，这并不妨碍物理学家们试图从物理学的角度去解释生命到底是什么这个问题。

物理学和生物学之间的巨大鸿沟在于尽管生物学涉及原子和分子领域，但是物理学缺乏基本的新理念。生物都具有目的和意图，那是几十亿年进化的产物。而原子和分子只服从物理学法则。

1867年12月，著名物理学家麦克斯韦在给友人的一封信中提出了“麦克斯韦恶魔”的概念。这个恶魔能够魔术般地在混沌（无序）中创造出有序。他的这一构想第一次架起了抽象世界与分子物理世界之间的一个桥梁。

1943年，量子物理学家薛定谔在都柏林大学的一次演讲中就归纳过这个问题：“如何用物理学和化学来解释一个生物体内的时空中发生的事件？”也就是说，生物体那令人困惑的特性能否最终被原子层面的物理学所解释，或者，还有其他解释？

薛定谔是一针见血地指出了问题的实质。因为生命是从混沌也就是无序中创造出有序，而这违背了物理学的热力学第二定律。根据这个定律，熵（无序化）必须达到最大值，也就是说退化和无序在宇宙中是一种普遍的倾向。

薛定谔还认为：生物体在没有避开已确立的物理学法则时，很有可能已经有了我们还未发现的其他物理学法则。不仅薛定谔，诸如波尔和海森堡等其他量子物理学家都有类似的想法。作者也这么想，并感觉物理学家们即将发现它们并利用它们。

如果生命要违反热力学第二定律从无序中创造有序，就必须有一种分子层面的东西能够编制建立一个有机体的指令，它既是复杂的，能内嵌大量信息，又必须足够稳定，能经受热力学的退化效应。那就是DNA。

达尔文的进化论得到了现在遗传学和基因学的进一步验证。他在《物种起源》中把生命比作河岸，那里各种草木丛生，鸟儿鸣于丛林，昆虫飞舞其间，蠕虫在湿土中穿行。而这些精心构造的形式各个不同、并以复杂的方式相互依存的生物体都根据我们周围的法则而产生。

为何科学家们需要这么多年才能发现生命的秘密，是由于新物理学并不仅仅是再增加一种类型的力（生命力）那么简单，而是把物质与信息、整体与部分、简单与复杂交织在一起的东西。那个“东西”就是这本书的主题。在明显的材料复杂性（即生命的硬件）之中穿透着更令人叹为观止的信息复杂性（生命的软件）。我们看不见信息，但是它指导着生物体的适应性和新奇性。

只有在近几年，科学家们才搞清楚了信息、能量和熵之间的相互作用。纳米技术的进步使他们能进行极其精巧的实验，以试验物理学、化学、生物学和计算交叉之处的问题。尽管上述发展已经提供了有用的线索，但是到目前为止，信息的物理学应用都是零敲碎打和临时的。我们依然没有一套完整的原理能在一个统一的理论中解释所有的生命之谜。

在书中，作者花了大量篇幅介绍了信息技术的发展，以及DNA如何在生命中发挥看不见的重要作用。在46亿年前，地球由星际气体和尘埃凝固而成。而生命在约40亿年前在大海中起源，这从化石记录中就可以发现。

当时，闪电和太阳发出的紫外线将地球原始大气中的简单的富含氢元素的分子进行分裂，被分开的部分同时重新组合成更多、更复杂的分子。这一早期的化学过程的产物在海洋中溶解，形成一种“有机汤”。 直到有一天，非常偶然的，有机汤中产生了能利用汤中的其他分子复制自己的分子。这是脱氧核糖核酸——DNA的最早祖先。

DNA是地球的生命主要分子。它的形状就像扭成螺旋状的梯子，梯级有四种不同的分子部分，构成遗传密码的四个字母。这些梯级被称为核苷酸，它们是繁殖一个特定的有机体所需的遗传指令。地球上的每一种生命形式都有不同的遗传指令，但基本上都使用同一种语言。物种不同的原因在于其核酸指令的不同。变异就是核苷酸的改变，会被下一代所复制。

为何能复制自己的分子DNA会出现？无论是生物学家还是物理学家都无法解释这一神奇的现象。现有的物理学发展当然也无法进行推导。

而产生DNA之后，地球在其后的10亿时间里，都只有单细胞生物。多细胞生物在30亿年前产生。这导致生命的繁殖方式发生根本性的变化。单细胞生物的繁殖方式是分裂自己，而多细胞生物体内的各个细胞结合成不同的部分，每个部分承担不同的功能，繁殖由专门的生殖细胞承担。多细胞生物的好处是显而易见的，它比单细胞生物更能适应环境，更容易进化出新品种，从而变得越来越复杂。

有机分子种类达几百亿种，但是只有其中的五十种才被使用在基本的生命活动中。同样的模式被反复使用，保守地或者巧妙地用于不同功能。而且，在地球生命的核心，蛋白质控制着细胞的化学，核酸携带遗传指令。这些分子在所有的植物和动物中都一模一样。一棵橡树与人都由同样的物质组成。

现有的物理学法则已经能完美的解释构成生物体内单个的原子和分子。量子物理学的定律对于改变做出了规定，即改变是根据量子力学中的测量这一行为。测量或观察一个量子系统会对其行为造成极大的改变，通常，这被称为“波函数塌缩”。也就是说，一个量子系统，不被观察或测量时，根据薛定谔的数学公式演变。且这种演变是可逆的。但是，当该系统与一个测量仪器相连，对一个量进行测量时，系统的状态立即“塌缩”，这种塌缩是不可逆的。在对一个量子系统进行测量时，测量者就获得了该系统的信息。但有得必有失。

不变的物理定律并不适合生物学。生物进化的本质就是核苷酸变异，且生物进化开放式的多样性和新颖性、以及无法预见性，都与非生物的演化截然相反。但是，生物学并非一片混乱，它也有很多规则在起作用，只不过这些规则的绝大多数都指向生物体的信息架构。

生物学中的有些规则是广泛的，例如孟德尔的遗传法则。而有些规则更加具有限制性。从进化的历史可以看出，进化的法则随着时间而变化。且规则经常取决于有关系统的状态。

用下象棋举例。象棋棋手遵守的都是同一种固定的规则。而进化则遵守一种类似“象棋+”的规则，棋手可以在下棋的过程中创造新的规则，甚至根据抛硬币的结果来决定。这样，规则与概率并存。这就是为什么生物进化要更加复杂，也更加不可预测，无法根据固定的规则来进行。

随着状态功能的改变而改变法则是对自我参照概念的一种概括：一个系统做什么取决于这个系统是什么。生命所开拓的“可能性空间”是无生命系统所不具备的。

图灵和冯·诺依曼的研究显示：自我参照的概念是通用计算和复制的核心。法则不再一成不变、并考虑自我参照，这些都要求新的科学和数学分支。而我们在这一领域的工作做得远远不够。

伊利诺伊大学物理学家奈杰尔·戈登菲尔德（Nigel Goldenfeld）说：“控制系统的时间演变与系统本身状态的规则是有明显区别的。方程式不取决于方程式的解。但是，在生物学中，控制系统时间演变的规则在抽象中编码，其中最显而易见的就是基因组本身。当系统在时间中进化时，基因组本身可以变化，所以控制的规则本身也变化。从计算机科学的角度而言，人们可以说物理世界能被认为由两个不同的部分所塑造：程序和数据。但是，在生物世界，程序是数据，反之亦然。”不过，科学家们还没有把自我参照、依赖状态的规则应用到真正复杂的物理系统的信息模式中去。

绝大多数分子系统都天性混乱无序和不引人瞩目，所以微小的变化能积累并导致深远的影响。就新物理学而言，在个别的分子层面要检测到变化将会十分困难，但是在整个系统中信息流的累积效应起源于许多微小的、传播影响的综合效应，可能最终占据主导地位而同时又显得无法被解释，因为潜在的因果机制被忽略了。

新的法则、或至少系统的规律隐藏在复杂系统的行为中，这完全不是革命性的理念。科学家在几十年前就发现微妙的数学模式就深埋在各种混沌系统中。这里的“混沌”是指即使准确掌握系统的力和起始条件，但是整个系统依然无法被预测。天气就是最经典的例子。

作者提出：物理学家开始讨论的混沌中的普遍性，应该是信息组织中的普遍性。他设想在很多类复杂的系统中将会发现通用的信息模式，这些模式至少能部分捕捉到生物体的某些特征。能把生物学和物理学统一起来的理论应该消除将这两者分开的任何障碍，而新的信息法则可能发挥这一作用。

几十年前，阿拉巴马的生化学家西德尼·福克斯（Sidney Fox）研究生命的起源。他发表的实验证据显示：当氨基酸组合成链（称为缩氨酸）时，它们倾向于导致生物学用途的分子组合——蛋白质。他认为氨基酸决定自己缩合聚合的秩序。如果这是真的，那么这能证明化学法则在某种意义上偏向生命，好像它们事先就知道这一点一样。宾夕法尼亚大学的另外两名研究人员也报道了缩氨酸形成的非随机性。但是，量子力学并不接受这一观点。

不过，如果我们从信息的角度来研究分子组织，结果可能就不同。最近有研究发现：在某些情况下，一个复杂的系统可能更倾向自发组织的高阶信息处理模块。从信息组织方面，而不是从化学复杂性方面来看，从无生命到生命通道可能要短得多。

现在，信息物理学领域刚刚起步，还有很多问题没有得到解答。例如，新的物理学定律——信息法则如何与已知的物理学定律相结合？量子力学在生命中发挥不可或缺的作用吗？生命的信息模式如何首次出现？等等。

在宇宙中出现的任何新事物总是法则与初始条件的混合。我们只是还不知道生物信息最初出现必须的条件，或者，一旦出现之后，自然选择的作用与复杂系统中起作用的信息法则或其他组织原则哪个更强。

科学家现在依然不能完整解释生命如何产生。最基本的问题是：生命是物理学法则的组成部分吗？物理学法则是否内嵌即将出现的有机体的设计？

现在还没有证据表面已知的物理学法则倾向于生命，它们对于生命和非生命都一视同仁。但是，在本书中探讨的依赖于状态的新信息法则是否倾向于生命？作者的直觉是，可能没有具体的法则倾向于生命，它们更可能倾向于一类更广泛的复杂信息管理系统，生命在其中将是一个显著的现象。

这部把生物学、化学、遗传学、物理学和信息学结合在一起、探讨能解释生命现象的新物理法则的作品，信息量巨大。这使得没有以上学科背景知识的读者，感觉看了云里雾里。而对于背景知识充分的读者而言，这本书是一个巨大的启发。在阅读的过程中，跟随作者的思路，看他介绍信息技术的出现、发展，和物理学家如何试图从信息这个突破口解开生命的迷。整个过程非常引人入胜，并可以学到很多新的知识。

在看完整部书后，正如作者所言的，物理学还没有发现新的法则能解释生命的现象。生命依然是一个迷。这是一个最吸引人的迷，依然会引导着科学家们乐此不疲地为解谜而努力。作者也提到，在这方面的新论文不断被发表。让我们翘首期盼新发现。

生命这个迷为何非常难以解开，是因为早在人类出现之前，生命已经存在了几十亿年的时间，地球上的生物已经有了翻天覆地的变化，且有数量庞大的生物已经完全灭绝了，灭绝的物种要远远超过现在还生存的物种。而物种的进化实质上是基因的突变，一连串偶然发生的适应性基因小突变需要时间，且有利的突变缓慢的范式积累也需要时间。不是一年两年，而是千年万年。

科学家们并不知道生命刚开始的时候地球的具体条件是怎样的，也不知道在过去几十亿漫长的时间里，精确地发生了些什么。这只能依据现存的化石证据去推断，但是能留下化石的生物并不是很多。

人类本身有文字记载的历史，不过是五千年，而科学的发展，不过是最近两百年的事情。且物理学虽然在宏观和微观层面都有了各自的理论，但是研究生命中最重要的分子层面，恰恰是量子力学的一个短板，因为量子力学主要是关于原子和亚原子层面的。

生命的确是一个巨大的迷，科学家会尽一切努力去解开它。物理学作为最基础的学科，能否有所突破，我们拭目以待。

如果生命是这个宇宙的一种必然现象的话，那么宇宙中应该充满了生命，人类将不会孤独。