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存在便是永恒，因为众多法则守护着生命的精髓，而宇宙因生命而绚丽。
——歌德
从上一章的讨论中，我们可以得出这样的结论：有机生命体以及它所经历的所有生物学相关过程，都必须要具备极大的“多原子”结构，以避免偶然的“单原子”事件产生太大的影响。“朴素的物理学家”认为这是非常重要的一点，因为这是有机体能符合精确的物理定律的保证。同时，有机体也能依据这些定律实现一些规则而有序的功能。那么，从生物学的角度出发，这些由先验（意思是，从纯粹的物理学观念）得出的结论与生物学的实际是否能够完美吻合呢？
乍看之下，人们往往会认为这些结论似乎无关紧要。比如，在30年前，也许就已经有生物学家提过这一点。可是，对一个通俗演讲者来说，统计物理学对有机体的研究有着像对其他领域一样的重要性，这个看法是很恰当的，尽管事实上这并不是什么新奇的理论，不过是稀松平常的道理而已。原因在于，对任何高等生物来说，不说它们的成年个体的躯体，即使是组成躯体的每个细胞都是由“天文数字”的分子组成的。而且，像30年前就已观测到的那样，无论是细胞内或细胞和外界相互作用的每一个生理过程，都包含了数量巨大的单原子和单原子过程。因此，即使是严格按照统计物理学的“大数”要求，物理学和物理化学定律的有效性也可以得到保证，这种要求就是前面提到的
法则。
现在，我们已经知道这种观点是不正确的。因为下面我们将看到，在有机生命体中存在一些微小的原子群，它们小到无法满足精确应用统计定律的要求，却能在生物体内发生的非常有秩序和规律的事件中起到支配作用。它们控制着有机生命体在发育过程中形成的各种可观测的宏观性状，同时也决定了有机体的重要功能特征，所有的这些，都是一种非常精确而有序的生物定律的体现。
一方面我需要概括性地叙述一些生物学的知识，特别是遗传学方面的情况。也就是说，我不得不概述一门我并不在行的学科的现状，这些也都是迫不得已，我对我这些外行话感到非常抱歉，特别是对生物学家；另一方面，也请允许我稍带教条地向读者介绍一下主流的观点。不能期望一个拙劣的理论物理学家能够全面而又合理地评论各种生物实验材料，毕竟这些实验材料不仅包含着大量的、长期积累的、巧妙的繁育经验；同时，也包括了利用现代精密显微技术对活细胞进行的直接观察结果。
生物学中有一个词用来描述有机体的成长发育，即所谓的“四维模式”。它不仅指有机生命体在一定发育阶段的结构和功能，同时还表示了有机体从受精卵到成熟期的整个发育过程。现在人们已经知道，整个四维模式仅由受精卵的结构决定，而且还是受精卵中的很小一部分，那就是它的细胞核。
当细胞处于正常的“休止期”时，细胞核表现为一团团的丝状染色质
，并分散在细胞中。而在有丝分裂和减数分裂这两个至关重要的细胞分裂阶段，可以观察到细胞核是由一组颗粒或棒状的东西组成，这些棒状物称为染色体，它们的数目可能是8条，也可能是12条，对人来说是46条
。按照生物学的一般用法，数学上应该写成2×4，2×6，…，2×23，…称之为两套染色体。虽然单个的染色体都可以依据形状和大小准确辨别，但是两套中的染色体几乎是完全一样的。一会儿我们就会明白，这两套染色体一套来自母体（卵细胞）；另一套来自父体（精子）。这些染色体是它们在显微镜下的轴状骨架纤丝部分，包含了个体未来发育成熟的所有可能模式，这些模式以密码形式存在，每一套染色体中都包含全部的密码，因此，一个未来发育成个体的受精卵内含两套模式密码。
我们之所以把染色体的构造称为密码，是因为任何具有洞察力的人都能够通过观察染色体的结构，判断一颗受精卵在适宜的条件下，会发育成一只黑公鸡，还是一只芦花鸡，或是一只苍蝇，一棵玉米，一株杜鹃，一只甲虫还是一只老鼠，这正是拉普拉斯决定论中的因果关系的体现。还需要在这里补充一点，不同生物的卵外形的相似程度令人震惊：即使外观有些差别，比如爬行动物和鸟类的卵一般比较大，可是这些差异只在于卵中的营养物质，由于一些显而易见的原因，鸟类和爬行动物的蛋营养物质要比胎生生物多很多，可是受精卵中与遗传相关的结构部分却并没有很大的差异。
“密码”一词用在染色体上还是显得有些狭隘的，事实上，染色体不但决定了生长的模式，而且也是促使受精卵向预定方向发育的推动力。它是法典和执行权力的集合体，用另一个比喻来说，就是集建筑师的设计和建筑匠人的技艺于一身。
染色体在个体发育
的过程中是怎样变化的呢？
一个有机体的发育是通过细胞的连续分裂实现的，这种分裂称为有丝分裂。考虑到组成我们身体的细胞数量如此巨大，通常人们会认为每个细胞在一生中会频繁地进行分裂，事实并非如此。实际上，起初细胞分裂很快。受精卵分裂为两个子细胞，下一步两个子细胞分裂为4个，接着是8个，16个，32个，64个……在发育过程中，身体各部分的细胞分裂频率有所差异，所以会打破这些数字的规律。通过简单的计算我们就可以知道，平均只需要50到60次的分裂，就可以获得一个成人的细胞数量
，如果将人的一生的细胞更替包括进来，总的细胞数量约是人体细胞数的10倍。所以，平均来看，我们现在身体上的每个细胞，不过是孕育出我们的那颗原始受精卵的第50代或60代的“子孙”。
有丝分裂中，染色体又是怎样作用的呢？它们会自我复制，两套密码都会被精确复制，这是细胞有丝分裂中非常重要的一个过程，在显微镜下已经进行过深入的研究。鉴于其中的过程太过复杂，在这里不详细介绍。有丝分裂的一个显著特点是，两个子细胞都获得了和亲代细胞完全相同的两套染色体，或者说两套完全相同的遗传密码。因此，我们身上所有的体细胞都含有我们的完整的遗传信息
。
虽然目前人们对这种机制还不甚了解，可是，我们有理由相信，这种每个细胞，甚至是那些并不是很重要的细胞，都携带了本体全部的遗传信息的方式，一定以某种途径同有机体的机能密切相关。不久前，我曾在报纸上看到一篇报道，在非洲战役中，蒙哥马利将军要求他的军队里的每一名战士都要详细知道他的所有作战计划。如果事实真的如报道那样的话（考虑到他的军队具有很高的素质，这个报道很可能是真实的），那它真是给我们的例子提供了一个绝妙的类比，将军的每个士兵就好比人体身上的每一个细胞。有丝分裂最令人震惊的地方在于分裂产生的所有细胞中都保持了两套染色体，这也是遗传机制最显著的特点。然而，有一种情况却是例外，下面我们来讨论这个特例。
个体在发育一段时间后，会保留一组细胞用以在个体发育后期产生繁殖所需的配子，雄性个体产生的配子就是精子，而雌性个体产生的配子即为卵子。“保留”意味着在这期间，这些细胞不用作其他目的，和普通细胞相比只进行少数几次的有丝分裂。遗传机制的例外指的就是这些保留细胞将要进行的减数分裂。保留细胞会在个体达到成熟阶段，并通常在配子结合前的短时间内发生减数分裂，产生配子。
减数分裂过程中，亲细胞中的每对染色体都会分成两个单独的染色体，两套染色体分组后，分别进入两个子细胞，使得子细胞中都含有一整套染色体，这个子细胞就是配子。也就是说，在减数分裂过程中，染色体并不像在有丝分裂中那样会自我复制数目加倍，而是维持数目不变，每个配子只得到原染色体数的一半，这意味着每个配子中只包含一套完整的遗传密码，而不是两套。比如人体的配子中只有23条染色体，而不是像体细胞那样拥有46条。
只含有一套染色体的细胞叫作单倍体（源于希腊语απλονζ，意为单一），因而配子即为单倍体，通常一般的体细胞都为二倍体（源于希腊语διπλονζ，意为双倍），一些偶然情况下，细胞中可能出现含有三套、四套……或是多套染色体的情况，相应地，这些细胞称为三倍体、四倍体或多倍体。
配子结合过程中，都是单倍体的雄配子（精子）和雌配子（卵子）结合形成一个受精卵，因此受精卵是二倍体，它的染色体一半来自父体，另一半来自母体。
还有一点需要澄清，虽然这对于我们的研究并非必须，但是充满趣味。因为它向我们说明了，每一套染色体都包含了完整的发育模式“密码”。
事实上，减数分裂后并不都是马上受精的，也有一些情况下单倍体细胞进行多次有丝分裂，形成都是单倍体的个体，雄蜂就是一个典型的例子。雄蜂是所谓的“孤雌生殖”的产物，即不存在原始的受精卵，而是直接由蜂后产下的单倍体卵子发育而成，就是说雄蜂是没有父亲的！它全身的体细胞都是单倍体，如果你乐意的话，完全可以把它看作一个超大号的精子，实际上，执行受精任务也是雄蜂这一生的使命。或许这听起来非常荒唐可笑，可是这不是绝无仅有的个案。一些植物也会通过减数分裂产生称为孢子的单倍体配子，这些孢子落入土壤后会独自发育成单倍体植株，且这样的植株和双倍体植株在形体上并没有显著的区别。
图5 世代交替
图5 是一种在森林中很常见的苔藓植物草图，下半部叶子茂盛的部分是单倍体植物，称为配子体；其顶端发育有性器官和配子，它们通过相互受精产生图中没有叶子的茎和顶部的孢子囊，这部分为二倍体植株，称为孢子体。孢子囊中发生减数分裂产生孢子，当孢子囊裂开时，其中的孢子落地后发育成新的一株配子体。如此循环往复，实现繁衍。这样的繁殖方式有个形象的称呼——世代交替。只要愿意，可以认为人类和动物的繁衍方式也与此类似，“配子体”是寿命很短的一代单细胞，类似于配子，至于是精子还是卵子要视具体情况而定，孢子体则类似我们的躯体，保留细胞就是我们的“孢子”，它们通过减数分裂产生一代又一代的单倍体。
在个体繁殖的进程中，受精并不是真正对后代起决定性作用的事件，承担这个重任的是减数分裂。每个个体中的两套染色体，都是一套来自父体；另一套来自母体，这并不是命运和机遇能够干预的。每个男人
都是一半继承自父亲，另一半继承自母亲，至于到底是父系占优还是母系占优，这又是另一方面的问题，具体的原因后面我们会讨论到（事实上，性别本身就是这种优势的很好例子）。
可是，当我们把遗传起源再往上追溯至祖父母一代时，情况就不一样了。现在，请允许我把注意力放在我父亲的染色体上，并先关注其中的一条，比如第5条染色体。这条染色体肯定要么是我祖父的第5条染色体的精确复制品，要么是我祖母的第5条染色体的精确复制品。1886年的11月，我父亲体内发生了减数分裂产生了精子，几天后一个精子就在我的诞生中起了作用。
上述过程中，最终精子里的第5条染色体究竟是祖母还是祖父的第5条染色体的精确复制品，两者出现概率为50∶50；父亲的第1，第2，第3……第23条染色体都是相同的情况，我母亲的每条染色体也是如此，只是需要修正其中的一些细节。一言以蔽之，人体的46条染色体到底继承自谁，都是相互彼此独立的。例如，假如已经知道我父亲的第5条染色体遗传自我的祖父约瑟夫·薛定谔，而他的第7条染色体到底来自我祖父还是我祖母玛丽·博格纳，两者的概率之比仍为50∶50。
前述的讨论可能会让读者形成这样的认识，一整条的染色体要么继承自祖父，要么继承自祖母，就是说，单个染色体在遗传给后代中是以条为单位遗传下去的。可是，生活中我们常会看见后代身上更多地表现出祖先们的混合性征，这又该怎么解释呢？事实上，染色体并不是，准确地说，并不总是整条地传递给后代的。在减数分裂阶段，比如发生在父体内的一次减数分裂过程，任何两条同源染色体分离前都是彼此紧靠在一起的，这段时间内，它们相互间有可能会发生如图6所示的整段交换。通过这种“交换”的方式，位于同一染色体不同部位的性状就会彼此分离，而孙代就会表现为一个性状像祖父，另一个性状像祖母。这种既不是很罕见也不是很频繁的交换，为染色体上的特性定位提供了宝贵的信息。如若要进行详细的论述，在下一章之前还得引入很多没有提过的概念（比如杂交、显性等），这就远远超出这本小册子的范围了，所以请原谅我只提几个要点。
图6 同源染色体交换
左：紧密连接的两个同源染色体
右：交换和分离以后的两个同源染色体
如果没有交换，位于同一条染色体上的两个性状将永远一同被遗传给后代，不可能发生后代只继承其中一种性状而没有继承另一种性状的情况；而位于不同染色体上的两个特性，则要么有50%的可能在后代上分离，或者必然分离。后者的情况发生在两个性状位于同一个祖辈的一对同源染色体上，因为这两条同源染色体永远不会一起遗传给下一代。
这种规律和概率被交换所打破。可通过精心设计广泛的繁育实验，详细记录后代特性的组成百分比，来确定交换发生的概率。经过统计分析，人们做出了如下的合理工作假设：位于同一条染色体（连锁）上的两个特性彼此间离得越近，它们被交换分开的概率越低，因为离得越近，它们之间可形成交换点的可能性就越低。而对于处在染色体两端的特性，每经过一次交换，它们都将被分开（这同样适用于分别位于同源染色体上的两个性状）。通过这种方式，人们期望借助“连锁的统计资料”，确定出每一条染色体的“性状分布图”。
这些期望已经得到了很好的验证。在一些经过了充足实验的实例中（主要为果蝇，但不完全是果蝇），被检验的性状实际上可分成好几个相互独立、没有连锁的群，有几条不同的染色体（果蝇有四条染色体）就有几个不同的群。每个群内的性状都可以画出一幅线性图，这张图定量说明了本群中任意两个性状的连锁程度，因此，可以很肯定地说这些性状的相对位置是固定的，而且，沿着一条直线定位，就如棒状染色体表现出来的形状一样。
不可否认，前述我们描绘的遗传机制概要仍然相当枯燥和空洞，甚至显得有些幼稚，因为我们并没有说明通过这些特性我们能了解些什么。同时，把本质是统一整体的有机体“模式”，割裂为一个个分离的性状，既不合适也不可能。事实上，我们在具体例子中想要说明的是：另一对先祖在某个常见的方面确实存在不同（比如，一个是蓝眼睛，一个是棕眼睛），那么他们的后代不是继承这一种就是继承另一种（不是有蓝眼睛，就是有棕眼睛）。我们在染色体上定位的就是形成这种差异的位置（专业术语为“位点”，考虑到物质结构的不同是“位点”形成的基础，也可称之为“基因”）。在我看来，相较于性状本身，性状的差别更为基础，虽然这样的表述在语意和逻辑上都显得很矛盾。事实上，性状的差别是不连续的，在下一章的突变会涉及这一点，我希望那时候现在我刚刚所描述的空洞、枯燥的机制会变得更加生动而多彩。
前面的讨论中我们已经涉及了“基因”一词，它被用作表示一定的遗传性状的假设性物质载体。现在我要重点论述两个对我们的研究目的至关重要的问题：第一是基因尺寸的大小，准确地说，基因的最大尺寸是多少？或者说，我们能够对基因进行定位的最小尺寸是多少？第二是怎样从遗传模式的持久不变推论出基因的稳定性。
目前，有两种完全不同的估计基因尺寸的方法：一种以遗传学的育种实验结果为依据；另一种以细胞学上的直接观察结果为依据。第一种在原理上比较简单，首先用上面描述的方法，确定一条特定染色体上的大量显性性状（以果蝇为例）位置后，测量该条染色体的长度，将染色体长度除以性状数目后再乘以染色体横截面积，就可以得到基因体积的估计值。当然，只有那些因发生交换的分离的性状才被认为是不同的性状，所以它们并无法真正代表染色体的微观组成。显然，我们所得到的基因体积估计值都是最大值，随着研究工作的不断进展，遗传学分离出来的性状数目将不断增长。
另一种根据显微镜观察结果的估计方式本质上也不是一种直接的估计。由于某种原因，果蝇的某些细胞（唾腺细胞）尺度相较普通细胞增大许多，其中的染色体亦是如此。这些染色体在显微镜下可以分辨出其上有深色的密集横纹。C.D.达林顿曾认为，虽然这些横纹的数量（他研究的实例是2 000条）比较多，但和育种实验标定的位于同一条染色体上的基因数量处于同一个量级。他倾向于认为这些横纹即是实际的基因位置或基因之间的间隔。若将在一般尺寸细胞中测定的染色体长度除以横纹数目（2 000），就可得到基因的尺度。这样的估计结果显示，基因体积和一个边长300埃的立方体相当。可是这也是一种比较粗糙的估计方法，我们可以认为这样估计出来的基因体积和第一种方法的结果是一致的。
接下来要认真讨论的是，统计物理学如何对上述实验结果进行解释，或者应该这样说，如何把统计物理学应用于活细胞，从而对这些事实进行解释。但是，先让我们关注这样一个事实：在固体和液体中，300埃的距离只能囊括下100—150个原子，因此，一个基因中包含的原子数量肯定不会超过1 000 000或是几百万个。从
定律来看，以统计物理学的观点，要得到一个遵循一般物理学定律的有秩序、有规律的行为，这样的分子数目无疑不够。即使成分如同气体和液体中一样，所有原子都起到相同的作用，这个数目仍然显得不够。何况基因肯定不是一个均匀的液态物质，它或许是个大型蛋白质分子，其组成成分中的每一个原子、每一个自由基、每一个杂环都起着各自独特的作用，和任何一个其他类似的原子、自由基和杂环的功能总是不尽相同。总而言之，这是霍尔顿和达林顿等顶尖遗传学家所持有的观点，我们马上就要接触到一些非常接近于能够证明这些观点的遗传学实验。
现在让我们来看第二个和我们的研究目的关系重大的问题：遗传的稳定性究竟能够达到何种程度？什么样的特殊结构才能够成为这种遗传特性的载体？
其实并不用为回答这个问题而做专门的研究。从我们使用“遗传”这个词本身，就已经说明了我们几乎已经肯定了其特性的稳定性。需要注意的是，父母遗传给孩子的并不止是诸如鹰钩鼻、短指头、风湿症、血友病、异色眼等个别的特征。诚然，我们可以很方便地选择这些性状进行遗传规律研究，但遗传特征本质上是这种个体的“表型”（可观察的、明显的）特征的整个“四维”模式，它们经历了若干世代仍重复出现，并没有什么明显的变化。虽然说不上几万年不变，可是至少在这几个世纪里是不变的。每一次的传递，承载它们的只是合成受精卵的两个细胞的细胞核结构，这是多么让人震惊的奇迹。要论比它更伟大的事，恐怕只有一件，如果说它俩是密切相关的话，那它也是另一个层面的奇迹。我的意思是指：人类的整个生命都是依赖于这种神奇的相互作用，而我们却依然能够获取这种相互作用的有关知识。我觉得，随着人类认知的不断深入，我们最终会几近完全了解遗传机制，但是关于人类的另一个奇迹，恐怕超出了人类的认知范围。