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生命的周期性循环

让我们回到20世纪初,寻找一个新英雄,希望他不会像费希尔那样让我们失望。

1902年,阿尔弗雷德·J.洛特卡(Alfred J. Lotka)还是英国伯明翰大学化学专业的一名即将毕业的本科生。他是一名优秀的学生,但学校的教育让他觉得很空虚。正在做实验的他小心地将酸和碱混合在一起,它们相互反应,生成水和盐。阿尔弗雷德耐心地搅动烧杯底部一团未溶解的盐,等待着它们发生变化。但盐没有溶解,也没有发生其他变化。实验结束了,溶液达到了平衡。阿尔弗雷德记录下结果,称量了实验产物,然后开始下一个实验。

晚上,阿尔弗雷德像罗纳德·费希尔一样,阅读查尔斯·达尔文的著作。他在书中读到了复杂性和模式、生命的循环以及生命就是永无止境的斗争的论断。阿尔弗雷德想知道,化学在哪里能找到用武之地?把草变成牛的反应是在哪里发生的?是什么为狐狸提供动力,让它对兔子穷追不舍?是什么使他的大脑中产生了一个又一个念头?如果混乱的、千变万化的生命真像他的老师说的那样,是由化学反应形成的,那么为什么化学本身却如此稳定呢?

他阅读了赫伯特·斯宾塞的著作,这位19世纪的社会科学家和哲学家创造了“适者生存”一词来解释达尔文的理论。斯宾塞声称,自然界的冲突导致“每一种植物和动物……的数量不断经历有节奏的变化”。斯宾塞没有止步于生物学,他还描写了我们的情感、思想和社会的不断变化。阿尔弗雷德想要研究的是这些生命的振动,而不是他在化学实验中得到的平淡无奇的最终产物,也不是沉淀在烧杯底部的盐。

看着面色平静的教授和同学,阿尔弗雷德非常担心他们看出斯宾塞的话动摇了他的思想。他在阅读中遇到了一些他无法回答、无法释怀的问题。他是有波兰背景的移民,付出了很多努力才融入他的英国同事当中。他学会了控制自己的情绪,温文儒雅地谈论最近运来的一批本生灯的效果,以及建造新茶室的计划。

最终,阿尔弗雷德鼓起勇气,询问他最喜欢的导师为什么化学没有生命。导师也不知道答案,不完全理解年轻的洛特卡提出的问题,但他很有同情心。他告诉洛特卡有一个人可能帮得上忙:莱比锡的威廉·奥斯特瓦尔德教授。奥斯特瓦尔德拒绝接受“分子是化学反应的基本组成部分”这一核心观念,转而用热力学解释为什么生物性生命有丰富的构成模式。和赫伯特·斯宾塞一样,奥斯特瓦尔德正在寻找可以将物理学、生物学乃至人类的社会行为动力学串联起来的第一原理。

阿尔弗雷德·洛特卡到莱比锡进行了为期一年的研究生学习,去听奥斯特瓦尔德的课。虽然斯宾塞和奥斯特瓦尔德有着相同的目标,但他们的方法截然不同。斯宾塞在他的书中用华丽的语言唤起复杂性,而奥斯特瓦尔德则强调数学和计算的作用。阿尔弗雷德开始学习微积分和微分方程,因为奥斯特瓦尔德认为这些数学工具可以揭示一切奥秘。

渐渐地,他知道了如何解决他的问题。如果不是在实验室里做实验,而是在他的大脑里做实验呢?坐在瑞士伯尔尼邮局里的爱因斯坦做了同样的事(但阿尔弗雷德不知道)。继他之后,费希尔在剑桥大学的房间里也是这么做的。数学是一种可以让他进行严谨而精确的思想实验的工具。

一年后,洛特卡离开莱比锡,前往美国找工作。他先是在通用化学公司工作,后来成了一名科学编辑。到了晚上,他会在办公桌前继续研究。就是在这个时候,他有了一个想法:用化学的方法做非化学研究。他写下如下的化学反应式:

乍一看,这三个反应式就像每个人在学校里学的那些一样。例如,氢与氧生成水的化学反应式是:

它表示两个氢分子和一个氧分子反应,生成两个水分子。我们可以用同样的术语来讨论阿尔弗雷德·洛特卡的化学反应。第一个反应式表明一个R“分子”可以自发地生成两个R“分子”。第二个反应式表明一个R“分子”与一个F“分子”反应,生成两个F“分子”。最后一个反应式表明一个F“分子”可以生成一个D“分子”。

到目前为止,一切顺利。但是,正如任何一位优秀的化学老师所知道的那样,化学反应必须达到“平衡”,即两边的原子数必须相同。生成水的化学反应式是平衡的:箭头的左边是四个氢原子和两个氧原子,右边也是四个氢原子和两个氧原子。但洛特卡的反应式忽略了平衡。第一个方程右边有两个R,而左边只有一个。第二个方程的左边有一个R和一个F,而右边有两个F。洛特卡的模型显然违背了基本规则。

但这正是他的高明之处。洛特卡意识到,忽略化学的平衡和稳定性后,他可以创造出他试图寻找的模式,即能创造生命的循环动力学原理。 OhGA7US94VrVMH6rJxQ47RrFbYbzshPNRzmOKdDjsscHqb+24anjDPYvFhrCuIaK

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