第一章
经典物理学家对生命问题的探讨

我思故我在。

——笛卡尔

1.研究的一般性质和目的

这本小册子起源于一位物理学家的一系列公开演讲，聆听演讲的观众约有400人，演讲人在演讲最开始就指出所讲的主题复杂难懂，尽管几乎没有使用数学演绎法这最吓人的武器，可也远未达到通俗易懂的程度，但是听众人数丝毫没有因此而减少。并不是因为这个论题简单得可以不用数学来说明，相反，正是因为论题太过复杂，即使用数学演绎也很难阐述得清楚明了。演讲受到观众欢迎的另一方面原因是，演讲者试图将那些介于物理学和生物学之间的基本概念同时向物理学家和生物学家讲清楚。

尽管演讲内容涉及了形式各样的主题，目的却只有一个——对一个重大问题发表一些小小看法。为了避免读者迷失方向，先简要地勾勒出整个演讲计划很有必要。

这个久经讨论的重大问题就是：

怎样用物理或化学的方法，解释有机生命体内空间和时间上的各种现象？

本书力求阐述和确定的初步答案可概括为：

现阶段物理学和化学在解释上述事件中暴露出的局限性，不能成为否定物理学和化学最终能够诠释这一切的理由。

2.统计物理学·结构上的根本差别

如果说仅仅是为了重新燃起对过去无能为力的事的希望，这个注解未免过于平庸了。更高层的意义在于，我们试图解释为何迄今为止物理学和化学仍无法诠释上述问题。

基于生物学家，尤其是遗传学家在过去三四十年的创造性工作，人们已揭开了有机体的真实物质结构和功能的神秘面纱。目前对这方面的认知已经足以精确地说明，现代物理学和化学为什么仍不能解释发生在有机生命体内的种种现象。

从根本上说，有机生命体中大部分的原子排列及其相互作用方式，和迄今为止物理学、化学理论，实验研究的原子排列方式存在本质差异。这样的本质差异在一般人看来似乎无足轻重，除了那些认为物理和化学定律都是统计力学性质的物理学家 。这是因为正是基于统计力学的观点，认为有机生命体内的绝大部分结构非常特殊，完全不同于物理学家和化学家在实验室里处理的或是他们脑子里所思考的任何一种物质结构 ^[1] 。要使得物理学家和化学家发现的规律和定则能直接应用在有机生命体的活性部分如此特殊的结构上，这几乎是天方夜谭。

不能指望非物理学家能够大概了解我刚才所说的抽象词汇“统计力学结构”中蕴含的差异性，更不必说准确理解其真正内涵。为了丰富叙述的色彩，我先提前说一下后面还将详细说明的内容：活体细胞中最重要的组成部分——染色体纤丝，可以恰当地称其为非周期型晶体。迄今为止，物理学中所研究的物质仅限于周期性晶体。在一个不是很高明的物理学家眼中，周期性晶体已经是非常有趣和复杂的东西了，它们构成了最具吸引力而又最复杂的物质结构，由这些复杂结构组成的无机世界已经足以让物理学家伤透脑筋了。然而，它们和非周期性晶体结构相比，却显得异常简单。两者在结构上的差异，好比一张是不断重复同样花纹的壁纸，而另一张是一幅拉斐尔挂毯般精美的刺绣。后者展现的是一位杰出大师的精致、协调和富含创意的设计，而不止是一味的单调重复。

我们说周期性晶体已是物理学家最为复杂的研究对象之一，但是，随着有机化学家研究的分子结构越来越复杂，事实上他们已经非常接近“非周期性晶体”了。在我看来，生命的物质载体就是非周期性晶体。自然地，在生命问题的研究领域，有机化学家已经取得很大成果，而物理学家仍毫无建树也就不奇怪了。

3.朴素物理学家的探索方式

在简要阐述了我们研究的基本观点，或者说最终落脚点以后，我再说明一下如何展开我们的研究。

让我们以“一位朴素物理学家对于有机体的观点”即一位物理学家对有机体可能持有的观点开始。他在学习了物理学，尤其是掌握了统计力学的基础后，开始思考有机生命体的活动和功能的方式。他独自思量：能否用物理学中的简明而朴素的科学观点，对生命问题做出合理解释？

他觉得答案是肯定的，下一步需要将理论预测结果和生物学事实做比较。比较的结果说明他的整体思路是对的，但需要做一些调整。如此一来，他就离正确的观点更近一步了，或谦虚地说，更接近了他认为正确的观点。

即使这是一条正确的途径，但我并不能确定这是否就是一条最好、最简洁的探索途径。但是，这终究就是我自己走过的路。我就是这位“朴素的物理学家”，为了通往这个目标，除了这样一条曲折之路外，我找不到其他更加清晰、便捷的方法。

4.为什么原子这么小

论述“朴素的物理学家的观点”的一个好方法是从一个滑稽、近乎荒唐的问题开始：为什么原子这么小？

事实上，原子的确非常之小。我们日常接触的所有物质里每一小块中都包含了数量超乎想象的原子。可以举出许多例子让听众理解这点，但没有哪个能比开尔文勋爵所引用的例子更让人印象深刻：假设给一杯水里的每个分子做上标记，然后将这杯水倒入大海，并充分搅拌，使得世界七大洋中都均匀分布有杯中标记的分子；接着如果从七大洋中任何一处舀出一杯水，将会发现这杯水中大约有100个被标记的分子 。

原子的实际尺寸约为黄光波长的1/5 000到1/2 000。这样的比较意义在于，我们可以用光波波长粗略地表示显微镜能分辨的最小微粒尺度。就拿这么小尺寸的微粒来说，这样的体积中仍然包含了10亿个原子。

那么，原子为什么这么小呢？

这个问题并不能简单地从字面意思思考，问题真正关心的并不是原子的大小，而是有机体的大小，特别是我们人类自己躯体的大小。当我们以常用的长度单位作参照时，比如米或码（1码约为0.914 4米），原子尺度确实很小。在原子物理学领域，通常使用埃作为长度度量，1埃是1米的一百亿分之一，用十进制小数表示为0.000 000 000 1米，而原子的直径为1—2埃。日常使用的长度单位和我们的身体尺寸总是密切联系的，比如说，码这个长度单位就起源于一位英国国王的幽默故事：当大臣请示他采用什么作度量单位时，他顺势抬起自己的一只手臂说道：“取我胸部中间到指尖的距离就可以了。”且不论这个故事是真是假，它给我们的启示在于：这个国王很自然地提出将和自己身体的尺寸相比拟的长度作为长度单位，是因为他明白使用其他尺度的长度都不如这样方便。无论物理学家多么偏爱使用“埃”作长度单位，他还是更愿意听见做一件新衣裳需要6码半花呢布，而不是650亿埃花呢布。

因此，我们提出这个问题的真正目的在于确定我们的身体尺度和原子尺度两种长度的比例。考虑到原子本身作为一种独立性的客观存在，把问题换种提法或许更为合适：和原子的尺度相比，我们的身体为什么这么大呢？

对于许多聪敏的物理系和化学系的学生来说，有这样一个事实会让他们感觉非常可惜：构成我们身体各部分的不同器官，根据前述说的比例，它们都是由无数分子构成，显然对于感受单个分子的碰撞来说它们显得太过粗糙了。对于原子，我们既看不见也摸不着更听不见，导致我们很多对原子的假设和我们庞大而粗糙的感官的直接感受相去甚远，无奈我们也无法通过直接观察来检验这些原子。

有没有什么内在的原因可以解释它呢？能否追溯到某条第一原理，来解释我们的感官为何如此不适应大自然的规律性呢？

终于遇见了物理学家能完全解决的问题了，对于上面的这些问题，答案都是肯定的。

5.有机体的活动需要精确的物理规律

假如人类不是像上面所说的那样迟钝，而是能够敏锐地感受到单个原子，那么一个或是几个原子就可以给我们的感官留下印象，我的天！那生命会是什么样子？可以肯定的是，那样的有机生命体绝对不可能孕育出一个有逻辑的思维，更别提在这种逻辑思维长期积淀下产生的原子的观念。

虽然我们只着重谈论了感官这方面，但以下的论述对于大脑和感觉系统以外的器官功能同样适用。人类最重要的特点就是拥有触觉、思维和知觉。假设我们不从纯客观的生物学角度来看，那么在那些产生思想和感觉的生理过程中，作用的主体只有大脑和感觉系统，其他的感觉器官只起着辅助作用，至少我们人类看来是这样的。值得一提的是，这对我们选取和我们的思维活动紧密联系的过程进行研究十分有利，尽管我们对这种紧密的联系仍一无所知。事实上，我认为这样的研究已经超越了自然科学的范畴，很可能也已经超越了人类的认知能力。

由此，我们自然会问：类似人类大脑和它的附属感觉系统这种物理的变化状态和发达思维密切联系的有机整体，为什么必须要由大量的原子组成？为什么大脑和其附属感觉系统的功能，作用在整体上或是和环境直接发生作用的外围感官，而不是能够感受单个原子碰撞的精巧而灵敏的机制呢？

这其中有两方面原因：首先，我们所谓的思维本质上就是一类有次序的存在；其次，人类的思维只能作用在有序的物质上，即知觉或经验。这样也会产生两种结果：第一，和思维对应着的人体组织或是器官（如和我们的思维紧密相连的大脑）必须是有秩序的，这决定了在其中发生的事件必须遵循严格的物理规律，并达到高度的精确性；第二，外界事物对这个组成有序的物质系统产生的影响，必定对应着我们思维中的某些知觉和经验，这些也是人类思维产生的物质基础。所以，一般情况下，我们身体的系统和外界系统之间的互动，必须遵循某种程度上的物理学秩序，也就是说，它们必须服从严格的物理学定律并达到相当的精确性。

6.物理学定律以原子统计力学为基础，因此只是近似的

那么，仅由少数几个原子构成的能够敏锐感受单个原子活动的有机生命体为什么就不能实现上述功能呢？

因为大家都知道，一切的原子无时不刻都在进行着无任何规律的热运动。可以说正是分子的无序运动，破坏了它们宏观上的秩序性，使得只发生在少数几个原子中的事件表现不出任何规律。只有在原子数目达到一定规模时，统计规律才开始显现并作用在这些集合体（系统）的行为上，系统中的原子数量越多，统计规律越精确。正是通过这样的方式，事件表现出宏观上的秩序。目前已经确认，那些和有机生命体密切相关的物理学和化学定律都是此种统计性规律。而人们所能设想的其他规律性和秩序性，都会因受到原子的永不停歇的热运动干扰而无法作用。

7.物理学和化学定律的精确性以大量原子介入为基础

例一：顺磁性

我将举几个例子来说明这个问题。这些都是从海量例子中随便挑出的几个，或许对初次接触这种现象的读者来说，这些未必是最适合他们的例子。但这里举的例子在现代物理学和化学中是非常基本的现象，就好比生物学中有机体由细胞构成，或是天文学里的牛顿定律，甚至数学中的整数数列1，2，3，4，5……等极为基本的知识。但是我不能期望一个完全的外行通过下面几页文字就能充分理解和领悟这个问题。这个问题与路德维希·玻尔兹曼、维德拉·吉布斯等光辉名字相联系，详细的论述需要参阅名为“统计热力学”的教科书。

如果我们往一支置于磁场中的长条石英管中注入氧气，可以发现氧气被磁化了 。被磁化的原因在于氧气分子本身是些小磁体，它们和罗盘针一样有使自己平行于外磁场方向的趋向。可是你可别以为它们全部都已经顺着外磁场的方向了，因为如果把外磁场的强度加倍，氧气的磁化强度也会加倍，这意味着有了更多的氧原子磁体和外磁场方向趋同。氧气的磁化强度随外加磁场强度增大而加强，且这种比例关系可以一直持续到外加磁场达到极大值。

这是一个非常明了的纯粹统计性的例子，在外磁场影响下，小磁体倾向于产生和外磁场一致的取向，但是原子热运动方向的随机性和这种一致性相违背，两相争斗，最后的结果是磁偶极子轴和外磁场方向夹角为锐角的小磁体数量比二者夹角为钝角的稍显优势。虽然单个小磁体不断地改变其取向，然而原子的数量是如此庞大，整体上看来，取向和外磁场一致的原子数量要多于取向和外磁场不一致的原子，且外加磁场的强度越大，两者间的差距也越大。这一创造性的解释源于法国物理学家朗之万，我们可以采用下述方法对这一解释进行检验。

假如观测到的微弱磁化是由于磁场和热运动的对抗导致的结果，就是说磁场倾向于使小磁体取向一致，而分子的热运动又要打破这种一致性。那么，如果通过降低温度减弱分子的热运动，就能弱化分子热运动对磁场梳理小磁体取向产生的干扰，在不改变外加磁场强度的条件下，也能使得分子磁化强度得到增强。这一点得到了实验的证实，实验表明，磁化强度和绝对温度成反比关系，这一点在定量上和理论上（居里定律）得到了很好的吻合。现代的实验设备已经允许我们把温度降低到分子热运动几乎可以忽略的程度，这样就能够使磁性气体充分表现出磁取向效应，即使不是全部，至少也有部分的“完全磁化”。此时，我们已经无法期望通过加强外磁场而获得磁化作用的显著增强，而是随着外磁场强度逐渐增大，磁化效应增强的效果越来越不明显，逐步接近所谓的“饱和”状态。这个预期也在实验中获得了定量的证实。

必须注意的是，这种现象的出现完全依赖于参与这个过程的分子数量，只有数量巨大的分子共同参与，才能在宏观上表现出可观测的磁化现象。否则，磁化永远无法稳定，而是永无休止、无规律地变化着，这就是磁场和热运动两者抗衡此消彼长的结果。

8.例二：布朗运动、扩散

假如从一个密封玻璃容器底部注入由小微滴组成的雾，观察雾的上边沿会发现，它正按照一定的速率缓慢下沉（图2），下降的速率取决于空气的黏度和微滴的大小以及密度。可是，如果将微滴置于显微镜下，你将会看到，微滴并不是以恒定的速率往下降，而是做着一种很不规则的运动（图3），我们称之为布朗运动。只是从总体趋势上来看，这种运动才表现出规则的下降。

这些微滴虽然并不是分子，可是它们是如此轻微细小，以至于可以感受到不断碰撞其表面的单个分子的冲击，正是由于空气分子的不断冲击，同时在重力的作用下，总体来看微滴才表现出下沉的倾向。

从这个例子可以看到，如果感官也能敏锐感受到少数几个分子对其造成的冲击，那我们得接收多少奇异而紊乱的信息啊。事实上，这种现象会对细菌等一些很小的有机体产生强烈的影响，它们的运动完全取决于周围介质分子的热运动，而自身并没有行动的自由。倘若它们本身拥有某种动力，那么它们也可能最终从一个地方转移到另一个地方，但这过程必定是充满艰辛，因为受到分子热运动的颠簸，它们就像是漂荡在波浪滔天的海面上的一叶扁舟。

扩散现象和布朗运动十分类似。假如在一个盛满液体（比如水）的容器中，溶解了一些有色物质，例如高锰酸钾，它的浓度在容器中并不是均匀分布的，而是如图4所示的那样，浓度从左到右逐渐降低（图中小圆圈代表溶质高锰酸钾分子）。如果任由这个系统自我发展，那么里面就会缓慢地发生“扩散”过程。高锰酸钾分子逐渐从左边散布到右边，直至所有液体中都均匀地分布着高锰酸钾分子。

在这个简单而又不是特别有趣的过程中，需要强调的是，并不是像许多人认为的那样，高锰酸钾分子从浓度高的区域向浓度低的区域扩散是受到某种外力或是诱惑的驱使，如同一国的公民总是趋向于转移到拥有更多活动空间的地方。事实上，每一个高锰酸钾分子都是独立运动的，不受其他高锰酸钾分子的影响，分子之间发生互相碰撞的概率很低。但是，无论是在稠密区还是稀疏区，每一个高锰酸钾分子都不断受到水分子的冲击，从而向一个不可预测的方向运动着。既有向稠密区的时候，也有向稀疏区的时候，还有倾斜运动的时候。这就像是一个蒙着双眼的人，在一片旷野上没有目的地走，总是在不断变化着前进的方向和行走的路线。

虽然所有的高锰酸钾分子都在随机地运动，整体上却产生了一种规则的向低浓度方向的运动，最终达到浓度的均匀分布。猛然一看，这样的现象似乎太不可思议，不过，这仅仅只是乍看起来而已。想象图4所示的溶液是由一片片浓度近似恒定的薄片构成的，在某个瞬间某张薄片两侧的高锰酸钾分子，由于随机运动，具有相同的概率向左或是向右运动。而同一时间左侧比右侧有更多分子参与了随机运动，因此，通过某两张相邻薄片之间平面的分子，来自左侧的分子要比来自右侧的分子多。只要这种情况持续进行，总体上就会表现为一种规则的从左到右的运动，直到分子分布完全均匀。

要是用数学语言来表达这个理论，扩散定律可精确地表示为如下偏微分方程：

为了不使读者费神，在这里不对方程式详细解释。虽然用普通的语言来阐述其含义也并不困难 ，这里特别提到严格的“数学上精确的”，是为了强调其在每一个具体的应用中，并不一定能保证物理上的精确。这是因为定律都是以纯概率作为基础，因而其有效性也是近似的。一般情况下，如果是一个非常好的近似，必要的前提是参与这种现象的分子数量巨大。我们必须认识到，参与的分子数目越小，偶然的偏差就会越大，所以在一定条件下，我们也能观测到这种偏差。

9.例三：精确测量的极限

我要举的最后一个例子和例二比较相似，但它有十分重要的意义。在物理学中，常在一根细长的纤丝一端悬挂一个处于平衡状态的轻质物体，接着对它施加电力、磁力或是重力，使其绕着垂直轴转动，通过这种方式测量使轻质物体偏离平衡位置的微弱的力。当然，要根据具体的测量对象适当地选取轻质物体。在不断改进这种“扭秤”提高测量精度的过程中，物理学家遇见了一种奇特而又非常有意思的极限。在所使用的纤丝越来越细长，轻质物体越来越轻，扭秤能够感受越来越微弱的力的过程中，当悬挂的轻质物体能够敏锐地感受到周围分子由于热运动对它造成的碰撞时，轻质物体开始像第二个例子中微滴的颤抖一样在其平衡位置附近不停地、无规则地摆动，此时扭秤就到了极限的测量精确度。虽然这样的方式并不能定量地确定扭秤的极限测量精度，它却给出了一个事实上的极限。热运动的随机性与被测量的力的方向性相互竞争，导致测量得到的单次轻质物体偏离量失去了意义。要想消除布朗运动对测量结果的影响，必须进行多次的测量，用统计方法确定最后的测量结果。

在我看来，对于我们现在的研究，这个例子颇有启发性。因为我们的感官本质上也是某种测量仪器，假如它变得过于灵敏，那它也将变得无用。

10. 法则

暂且就举这几个例子吧，我最后再补充一点，所有与有机生命体有关的，或是与有机体和外界相互作用有关联的物理、化学定律，全部都可以拿来作为例子。或许要进行详细的说明存在一定困难，但要点并没有不同。所以，再举更多的例子就显得冗余且毫无新意了。

可是，还有一个非常重要的定量关系需要论述，它涉及了物理学定律中的不准确度问题，称之为 定律。让我们先从一个简单例子出发，再推广至一般情况。

假如我告诉你，某种气体在一定的温度和气压下，对应着一定的密度，或者说，一定的温度和气压下，一定体积气体内（体积大小满足实验需要）恰好有 n 个气体分子，要是能在某时刻对体积内的气体分子进行检验，你会发现我所说的并不准确，偏差大约在 的量级。所以，如果 n =100，那么偏差就是10，相对偏差高达10%；但如果 n =1 000 000，偏差就是1 000，相对偏差则降为0.1%。笼统地说，这个统计规律普遍成立。这 的偏差，很可能就解释了物理学和物理化学定律中的不确定性，其中 n 是特定情况或实验中，在一定的时间和空间内，使得定律得以成立而参与其中的分子数量。

由此，我们再一次看到，为了使得有机体的内在活动或是它与外在的交互作用能够足够精确地用规律描述出来，有机体本身必须是一个相对而言足够大的结构，方能保证足够数量的分子参与其中。否则，参与其中的分子数过少，“定律”也就无法达到令人满意的精确度。需要特别强调这里出现了开方。因此，就算是1 000 000这么庞大的一个数，也只能达到千分之一的精确度，这样的精确度对一条“自然法则”来说总是显得不够。

[1] F.G.道南在两篇极富启发性的文章中表达了这个观点。见 Scientia ，1918年，24卷，78期，第10页，《物理化学能否恰当地描述生物学现象》；1929年斯密斯学院报告，第309页，《生命的秘密》。 wnO6FL/a0SnITxJr2pEtnx6bYkw3lzPHF3H9SoznZT1Crhch/X3DJI6pHE4Wt78Y