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推荐序
生物物理学:一沙一世界

叶盛
生物学家,科普作家,
北京航空航天大学医学科学与工程学院教授

出版于1944年的《什么是生命?》是一本并不太厚的小册子,总结了一位伟大物理学家转战生物学领域之后的一系列学术演讲。而这位跨学科的科学巨人就是埃尔温·薛定谔。这本以物理学家的语言写就的生物学著作,吸引了当时很多年轻物理学者的注意力,并引导其中一部分人投身于生物学的研究。这之中就包括了提出DNA双螺旋结构模型的詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克。不过,随着生物学的新研究进展层出不穷,薛定谔在书中的一些观点已经被证明是错误的。然而,这并不能掩盖其辉煌的思想光芒—— 站在物理学视角审视生命科学的深刻洞见。

在某种意义上,你可以把本书视为《什么是生命?》的精神续作,但两书又有诸多不同。之所以会如此,很大的一个原因在于,本书的作者是一位生物物理学家,而不是薛定谔那样的纯粹的物理学家。

生物物理学对于大多数人来说是一个陌生的学科,给人的第一印象就是物理学的某个分支学科。然而实际上, 生物物理学更贴近生物学,研究的也都是生物学问题。 只不过它所采用的手段是物理学的各种实验方法,从激光共聚焦显微镜到电子显微镜,从细胞膜片钳到同步辐射光源,从流式细胞分选到功能核磁共振,不一而足。事实上,当今很多突破性的生物学研究进展,往往都要在很大程度上依赖于生物物理学的实验证据。

有趣的是,很多从事生物物理学研究的学者可能都没有想过一个问题:为什么物理学实验手段在生物学的研究中变得越来越重要?我以为,这与当代生物学的发展变化趋势有很大的关系。随着基因概念的提出、第一个蛋白质三维结构的解析,特别是DNA双螺旋结构模型和中心法则的提出,人类对于生命的研究走向了越来越微观的层面。而生命与这个宇宙中的所有其他物质一样——即便生命要比一块石头有趣得多、神奇得多——在微观层面上都要遵循物理规律,无一例外。

当然了,如果本书只是在讲述生命之间遵循牛顿力学三定律的现象,那么生命未免就与石头或小球拉不开差距了,也没那么有趣了(其实这方面也有个别极其有趣的案例,比如螳螂虾那对足以打出超空泡效应的鳌足重锤)。与之相反, 本书的作者如同薛定谔一样,试图为读者们梳理出那些散发着生命之光的关键物理学规律——这些规律并非生命所独有,却在生命的世界中得到了最集中的体现。

本书的英语原书名为 So Simple a Beginning ,大体可以直译为“如此简单的起点”。在我看来,这或许是对本书最恰当的注脚。在普罗大众眼中,生命是复杂的、神奇的,甚至是超自然的、玄学的。而在微观层面上研究生命的科学家看来,生命的确很复杂,远远比常人所想象的更复杂,但生物学家们仍然相信生命是物质的,遵循着自然科学的规律。这是因为,我们做过的、看见的、读到的一个又一个实验证明,这些 复杂的生命现象背后仍然是至纯至简的物理学原理——那才是生命现象的起点所在。

不过,这些物理规律应用于生命时,与它们应用在一块石头上还是有很大的区别。其难点之一就是生命的多样性。比如书中关于规模效应的讲述,该效应应用于大多数生命形式都是正确的,但生物学家们总还是能在地球的某个角落中找到一些生物,并不遵循这种规模效应的公式。那么,这说明物理规律错了吗?还是说明物理规律不适用于生命呢?两者都不是。事实上,这只不过说明,生命的系统太复杂了,复杂到很难用一个简单的公式来概括。

事实上,如果说地球上的生命真的有什么共性的话,恐怕就是“复杂性”。这种复杂虽然都发生在极其微小的空间尺度上,但是其复杂度却远超浩瀚的星空。比如书中讲到了蛋白质三维结构的自组装问题,提到蛋白质的折叠规律至今无法计算。这是多么复杂的一个问题呢?大家都知道,蛋白质是由氨基酸排列的肽链组成的,而地球生命全都使用共同的20种基本氨基酸。于是,蛋白质肽链的全序列空间就是20的幂次方。比如一个长度为50的肽链(只能算是微型蛋白,大部分蛋白质的肽链长度都有几百,甚至上千),其可能的序列空间就是20的50次方,相当于10的65次方,接近了银河系内全部原子的数量。是的,你没看错,不是恒星的数量,而是原子的总数量。这,就是生命的复杂度。

正所谓:一沙一世界。一个直径为10纳米的蛋白质分子与一个直径为10万光年的银河系,都在物理规律的驱动下运行着。虽然生命还不能像恒星那样直接以物理公式来计算,但生命背后的规律无疑仍是物理的。认清这一点,或许才能帮助我们真正认清生命,认清自己。 6JzBPRb9fomRtXEa8XdeaV7eVVIp75WNHwG0o3itbmPXopukXIBT8ZekwAcxhf9U

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