物理知识系列讲座（四）—— 物理学与生命科学和医学

①生命与生命现象的复杂性

一、生命与生命科学

世界上最令人惊奇的，莫过于生命。然而，什么是生命，却是一个不易回答的问题。从生物学角度，可以给生命作如下定义：生命是由核酸和蛋白质等物质组成的多分子体系，是一个与外界不断进行物质和能量交换的开放系统，它具有不断自我更新、繁殖后代以及对外界产生反应的能力。生物种类繁多，生命现象十分复杂，从错综复杂的生命现象中可以概括出一些共性即生命的基本属性：

（1）化学成分的同一性。 从元素成分看，生物都是由C、H、O、N、P、S、Ca等元素构成的；从分子层次来看，生命体中有蛋白质、核酸、脂肪、糖类、维生素等多种有机分子。其中蛋白质由20种氨基酸组成，核酸主要由4种核苷酸组成。

〔2〕严整有序的结构。生命的基本单位是细胞，细胞内的各结构单元（细胞器）都有特定的结构和功能。生物界是一个多层次的有序结构。在细胞这一层次之上还有组织、器官、个体、种群、群落、生态系统等层次。每一个层次中的各个结构单元，如器官系统中的各器官、各器官中的各种组织，都有它们各自特定的功能和结构，它们的协调活动构成了复杂的生命系统。

（3）新陈代谢。新陈代谢就是指生物体与周围环境之间进行物质和能量交换以及生物体内物质和能量的转变过程。生物体不断地吸收外界的物质，这些物质在生物体内发生一系列变化，最后成为代谢过程的最终产物而被排出体外。生物个体的新陈代谢包括相互联系的两个方面：同化作用与异化作用。同化作用是指生物从外界摄入物质（如动物吃食物、喝水），经过一系列的转化过程，将外来物质转化为自身的物质（如构建体内的糖、脂肪和蛋白质），并把能量储存在自身的物质内的过程；异化作用是指生物个体内的物质分解成较简单的物质，并释放出能量，以供活动所需的过程。生物个体正是通过新陈代谢——同化与异化作用的过程维持生命。个体的新陈代谢停止，生命即告终结。

（4）生长与繁殖。生物的生长，是指生物把生命所需要的物质吸收到体内，经过一系列转化后成为其自身的物质，而使生物个体长大的过程。生物生长到一定程度后具有产生后代的能力，即具有繁殖能力。生物的繁殖保证了种族和生命的延续。

（5）遗传、变异与进化。生物进行繁殖时，具有“类生类”现象，如狗生狗、猫生猫。这种亲代与子代相似的现象称为遗传。生物的遗传是由基因决定的。但是，亲代与子代之间，以及子代各个个体之间总会有差异，这种现象称为变异。变异使生物的某些性状发生变化。生物有了变异，通过自然选择把有利变异在群体中固定下来而成为新类型，称为生物的进化。没有可遗传的变异，生物就不可能进化。生物通过遗传、变异和自然选择，不仅使得生物界的各个物种具有相对的稳定性，而且使得生物界由低等到高等、由简单到复杂、由水生到陆上逐渐进化，形成了今天庞大的生物体系。

（6）应激性。应激性是指生物个体对外界刺激发生反应的特性。例如，人的手触到热源会缩回，昆虫晚上会向光源聚集，都是对刺激的反应。高等动物的运动受神经系统的控制。

生命科学是研究生命物质的结构和功能、生命活动现象以及生物之间和生物与环境之间的关系的科学。它是由多个基础学科、应用学科及交叉学科协同发展构成的前沿科学群。其基础是从分子、细胞、个体、种群、群落等不同层次研究生命现象的一些学科，如分子生物学、分子遗传学、细胞生物学、神经生物学、发育生物学、生态学等，并可包括遗传工程、生态工程学、资源生物学、生物医学工程学等重要技术科学学科。

二、生命现象的复杂性

地球上现存的生物估计有3000~5000万种，目前经过鉴别的有仅170多万种，尚不足十分之一。物种的复杂多样只是生命现象复杂性的一个方面。随着研究的深入，科学家发现，生命是一个极为复杂的非线性系统。即使是最简单的单细胞生物，它也显示出任何人工制品都无法比拟的复杂和精巧，能对外界刺激做出各种反应。一些简单分子组装成大分子后会出现某些新性质，而生物大分子之间的相互作用与自组织也会产生新功能，这些新性质或新功能往往是难以从形成它们的物质基础上推断出来的，这是复杂性的又一方面。

古希腊科学家亚里士多德认为生命的本质在于灵魂：植物有营养灵魂，动物有感觉灵魂，人类有理性灵魂，这种看法被后人奉为真理。然而在17世纪，笛卡尔对此提出了挑战：除人以外，其他生物没有灵魂。此外，笛卡尔还提出了机械论，认为生物体是一部遵循物理定律而活动的机器。后来，又有人提出了活力论，认为生物体内存在一种“活力”或“生命力”，不能从一般的物理和化学的角度对生命现象进行认识和解释。活力论借助于神秘的“活力”将生命世界和非生命的无机世界截然对立起来。1928年，德国科学家维勒用人工方法合成了尿素，打破了有机物和无机物之间的界限。相应地，活力论与机械论之争也逐渐演变为还原论与整体论之争。还原论认为生命现象虽然很复杂，但同样遵循基本的物理和化学规律，可以通过对构成生命的物质基础的研究来揭示生命活动规律。20世纪中叶，随着蛋白质空间结构和DNA双螺旋结构的发现，生命研究进入了最繁荣的分子生物学时代。分子生物学的研究涉及生命现象最本质的内容，它把各个层次的生命活动有机地联系起来，在新的高度上探讨生命的奥秘，并且全面改变了生物学的面貌。科学家们已然清楚，控制生物体一切行为的物质基础是蛋白质、RNA（核糖核酸）、DNA（脱氧核糖核酸）等生物大分子，并进而阐明了遗传的分子机制和遗传信息是怎样指导生命活动的。分子生物学的巨大成功使还原论在20世纪的生命科学研究中占据了主导地位。但整体论认为，生物分子要复杂到一定程度才会出现生命现象，并不能单靠还原论来说明。因为还原论方法使生命复杂性的面貌变得模糊，而生物体的复杂结构实际上是生物特性的一个部分，故不能把生物体简单地还原成

原子、分子或物理、化学反应。

从生理学到组织学，再到细胞学，进而到分子生物学和量子生物学，生命科学越分越细，人们对生物界和生命现象的了解也越来越深入。但是这样的研究过程绝对不能看成是简单的还原论，因为孤立地对个别基因或生物大分子进行研究不可能认识生命的全貌，毕竟生物体内还有有机小分子和无机小分子。要揭示生命的本质，从整体角度对各类分子进行整体研究，乃至对整个生物圈的研究都是必不可少的。总之，随着研究内容的深入和研究手段的提高，科学家们已经有能力在更为全面和更为复杂的层面上分析生命现象。

“生命的本质和起源，意识的产生和发展”是生命科学领域最根本、最难回答的问题，人类已为此探索了几千年，而且还会继续研究下去。

三、物理学家看生命

1932年，量子力学奠基人之一—玻尔在题为《光和生命》的演讲中指出，试图把有机体简单地还原为化学的相互作用来回答“生命是什么”，就如同试图画出每个电子的位置来描述原子一样困难。物理学家薛定谔指出，生命物质在遵从迄今已确立的物理学定律的同时，可能还涉及至今尚未了解的“物理学的其他定律”，这些新的定律一旦被揭示出来，将跟以前的定律一样，成为这门学科的一部分。出于对科学统一的信念，以及对奇妙的生命现象的深入思考，他于1944年出版了《生命是什么》一书，试图用热力学、统计物理及量子力学的理论和方法来剖析生命的本质，为物理学和生物学的统一做了有益的探索。

薛定谔在书中提出了一些极富启迪的思想和概念：

（1）遗传的物质基础是有机分子，遗传是以密码的形式通过染色体来传递的。

（2）生命体中存在量子跃迁现象，基因结构的高度稳定性、X射线诱发的突变都是有力证据。遗传机制是建立在量子论基础上的。

（3）生命有机体赖“负熵”为生。

DNA的发现及其空间构型的测定已证实了薛定谔的深刻洞察力和科学预见性。下面我们着重分析“生命体如何赖‘负熵’为生”。

薛定谔认为，活的生物体是一个开放的非平衡态体系，它通过新陈代谢与环境进行物质和能量交换，同时不断地产生熵。一切实际过程都是朝着熵增加的方向进行的，生命运动也不例外。我们知道，熵的增加意味着系统混乱度的增加和能量的退化。当熵达到最大时，系统达到热力学平衡，处于最无序的状态，所有能量都不再可供利用，整个系统衰退成死寂的、毫无生气的一团物质，生命也就此终结。而实际上生命是物质有秩序、有规律的行为，生命体作为宏观系统能保持自身的高度有序状态，能避免很快地衰退到平衡态，并不断向有组织性的方向进化。对此，薛定谔的解释是：“一个生命有机体要活着，唯一的办法是不断地从环境中汲取负熵。……有机体就是靠负熵为生的。或者更明白地说，新陈代谢的本质就在于使有机体成功地消除了当它活着时不得不产生的全部的熵。”他引入“负熵”作为有序性的量度，接着以高等动物和植物为例，认为高等动物从极为有序的、作为食物的、复杂程度不同的有机物中不断地汲取“序”，即负熵，植物主要从太阳光汲取负熵，从而使它们自身维持在一个稳定而又低熵的水平上。比利时科学家普里戈金也指出：“生物体是一个远离平衡态的非线性开放系统，是一个高度复杂的宏观有序的自组织系统。”他称这个系统为“耗散结构”，因为维持这种组织必须从外界不断地输入“负熵”，来维持不断地耗散着的能量。

薛定谔指出，复杂的生命现象是无法归结为物理学的普通定律的。我们不必为此感到沮丧，因为根据我们对生命物质结构的了解，这正是意料中的事。这倒不是说生命物质中存在“新的力”在支配着生命有机体内单个原子的行为，而是因为它的构造同迄今在物理实验室中研究过的任何东西都不一样。因此我们必须去发现在生命活体中占支配地位的新的物理学定律。这种定律既不是超物理学的，也不是非物理学的，正是前面提及的“物理学的其他定律”。

在《生命是什么》一书中，薛定谔极力倡导从分子水平来探索遗传机制和生命本质。该书的发表吹响了生物学革命的号角，在西方科学界产生了深刻影响。在方法论上，他强调以物理学和化学的理论、方法和实验手段来研究生物学。薛定谔从一个理论物理学家的角度，为生命物质和遗传机制的研究开创了一条全新的途径，促成了现代生物学从定性描述到定量研究、从强调整体到重视具体机制、从强调生命与非生命的差别转到强调两者之间的统一、从单学科研究走向多学科综合研究的重大转折，同时促进了分子生物学的诞生，他本人因此被公认为分子生物学的先驱。

生命是什么，生和死的界限到底在哪里？这是一个自有人类以来就一直困扰人们的难题。哲学家、生物学家、物理学家以及化学家们对此倾注了大量心血，形成的学说也是林林总总。分子生物学的出现虽然使这个问题完全纳入了现代科学的轨道，但离最后答案仍有不小的距离。可以确定的是，将复杂的生命现象和生命运动简单地还原为物理化学现象和物理化学运动揭示不了生命的本质。

生命现象和生命运动确实有其自己的特点。首先，生命是由核酸和蛋白质大分子为基础构成的。核酸(DNA和RNA)在生命整体和个体的延续中起信息载体作用，蛋白质则起信息识别和功能表达作用。其次，生命体总是不停地与环境发生物质和能量交换，这种交换及产生这种交换的机制就是新陈代谢，而且，如果交换物质和能量过程中得以降低自身的熵值(即从外界汲取负熵)，生命就获得肯定性发展，反之为否定性发展。第三，生命体具有遗传和变异特性。第四，生命体是一个具有高度有序性的开放系统，能接受并处理外界信息以及产生信息。第五，生命体能自我调节，对环境具有适应性反应。最后，生命体是发生和死亡的统一，正是因为生命个体有生有死，生命整体才永恒不绝。这些特点说明生命体是一个极为复杂的系统。