鲜活的生命：北极燕鸥是一种被认定利用量子效应飞行的候鸟。
照片：保罗.桑德斯/科比斯 摄
弗拉托克.维德勒是牛津大学和新加坡大学的物理学教授。他是《解读真相》（2010）的作者。
科学内部的学科分支系统正在瓦解。自然界里并没有一清二楚的楚河汉界；而且，随着理解的深入，我们发现了传统的学科分支之间越来越多的交叉点。当然，这其中仍然存在让人好奇的相互矛盾。
物理学研究物质与能量的基本性质，以及它们相互影响的机理。化学则研究原子是如何结合成更杂的分子，以及反应物经过何种化学变化变成生成物。这两个学科的共同点就是它们都是研究静物。
而生物学则是研究有机生命体。可是由于层层障碍，我们难以把整个自然科学看成是一个紧密联系的整体。静物似乎毫无例外的永远遵循自然法则，而生命体则相反，它们表现出了自己独有的意志。一种可称为目标感的特点，使它们能更好的为我们所理解甚至定义。它们能行动，并且，尽管它们无法违背自然界的法则一丝一毫，它们懂得利用这些法则达到自己的目标。静物可是绝不具有相同特质的。
这样看来，物理学和化学之间的联系远比它们与生物学之间的联系来得紧密这一说也就不足为奇了。科学家们都必须承认，量子物理学，目前来说我们最精确的基本自然定律，同样可以用来解释化学规律。没错，仅仅利用物理学来计量某一复杂反应中错综的细节也许很困难，但大多数科学家都认为化学的的确确完全遵循量子力学定律。而生物学则看起来截然不同，其中有的部分甚至是从化学中脱离出来的，因此它更不能被直接简化为量子力学。
人们认为，有的鸟类在迁徙过程中利用了神奇的量子效应感应地球磁场。
以进化论为例。想象我们由具有生殖能力的原始生命进化而来，它们的后代会表现出随机突变，而其中一些突变由于受到环境特点的影响，比其他的突变更加有利于生命的生存。总的来说，这些条件让我们期待更加复杂的生命体的涌现（当然，最简单的生命体依然有可能占据主导地位。）达尔文的观点无疑是对我们周围复杂的生命体最合理的解释。我们知道，基因突变导致物种的改变，而新物种之所以能存活下来是因为它们比竞争者更加适应栖息地的环境。但是，适者生存的法则是否和化学一样遵循着量子力学的基本法则？
在探讨这个问题之前，我必须先澄清一件事情。我并不是在探讨生命系统是否可以利用量子力学独有的特征来改善它们存活的几率，因为看起来答案很显然是肯定的。证据表明，植物甚至可以利用最神奇的量子效应和量子纠缠现象，以最有效的方式将光能传送到它们合成能量的部位。类似的，一些鸟类也被认为可以在迁徙的过程中利用神奇的量子效应感应地球的磁场。量子力学提供给这些生命系统的一大好处就是，它们可以同时完成好几项不同的任务，一些计算机科学家将其类比为信息加工过程。几乎没有人会想到，这样一整套完整的量子力学系统会贯穿于整个宏观的、温暖而潮湿的、聒噪的各个环境之中，比如说植物和鸟类。这套效应确实带来了令人讶异和激动的影响，于是一个新兴的领域，量子生物学应运而生，吸引了越来越多的科学家和大众的兴趣。
但是这种变化和将生物学简化为物理学的趋势完全是两码事。生命同时也在利用经典力学和重力学，而这并不代表经典力学和物理学就可以解释生命的进化。生命的存在遵循一切物理学法则，但是我们仍然需要物理学以外的其他法则去解释它。事实上，大多数生物学家都同意在一定意义上而言，生命的存在确实符合物理法则，因此它们也必须遵循所有的物理法则。它们不仅仅在利用物理法则，同时也在受着这些法则的影响：很显然，环境就是通过物理法则来影响生物的。
然而，我们还是在从动物和静物两个方面探讨这个问题，它们之间既存在差异，又会相互作用。我们好奇的是它们之间的差异是否会持久。问题的焦点是，作为生物学的基石，进化论是不是完完全全是物理法则作用的结果。尤其，进一步说，进化论会不会是量子力学，这种可以涵盖我们对于分子和原子所知的一切的科学，所直接作用产生的结果？
初看之下这是不太可能的。量子力学之父，丹麦人尼尔斯·玻尔，在1932年一场著名的演讲“光与生命”中甚至表述的更加夸张。他认为即使是在理论上，我们也根本无法在有机生命体内理解量子力学。用玻尔的话说，生命的存在是无法解释的基本事实。玻尔认为，普朗克所提出的恒量在经典物理学范畴下是一个无理数元素，因此它构成了原子学说不可再简化的基础。同样的，他也认为在生物学中，生命也是无法解释的起始点。
玻尔的观点是十分悲观的，其他科学家则对不同科学领域之间的统一抱有更大期待。他们乐观地认为，我们可以从一个可能的角度出发进行探讨。既然量子力学利用随机性来解释宏观上单个原子和分子的活动，也许我们可以将这个原理应用到生物学的随机性基因突变上，尽管生物随机性和量子随机性最后的作用结果也许是截然不同的。
一个明显的区别就是，自然选择这一项进化论法则，在物理学中却找不到与之对应的规则。静物的不同状态并不能被适者生存的标准左右。
不过，它们是不是真的有可能是由此决定呢？静物所保持的不同平衡状态，也就是随时保持稳定的状态，首先是由澳大利亚物理学家路德维希·波尔兹曼从微观的角度进行理解的。19世纪80年代，波尔兹曼解说了热力学第二定律，阐述了隔离系统的无序性总是在不断增强的理论。按照他的逻辑，我们假定的物质所处的宏观状态不过是所有微观状态的集合体。想象你在转动两个普普通通的骰子。如果你赌一个特定的两骰之和，你就必须选7，原因很简单，那就是一共有六组不同的双模组合可以获得结果7，而能获得其他结果的组合就少一些。同样的道理，粒子之间随机的摇摆和组合很有可能导致无序，简单地说，就是因为使系统变得混乱的可能性远远大于使系统变得整齐的可能性。我们又要如何把这个观点与生命系统联系起来呢？
波尔兹曼同时也是第一个在热力学第二定律的条件下定性地讨论生命的科学家，而这并不是巧合。他说：“生命的存在需要的不是冷冰冰的材料。对有机生命体来说，它们需要的是足够的空气，水和土壤，并不是能量，因为大量的能量都会以热量的形式存储在所有的生命中。它们需要的是熵，而熵是在能量从炽热的太阳转化至冰冷的地球的过程中产生的。”在波尔兹曼的观点里，生命就是不断摆脱平衡，不断摆脱静止状态的存在。要达到这种状态，生命必须不断从自然界吸收低熵的物质，然后将生命体向有序的状态调整。另一位物理学先驱，澳大利亚物理学家欧文·薛定谔也曾强调，生命总是在不断增加其自由能，自由能就是可用来做有用功的能量。这其实是指能量总是在不断摆脱平衡的状态。在这方面，打个比方，生命和石头就是不同的。石头总是原封不动的呆在原处，没有任何有价值的行为。
照片里拍打翅膀的鸟儿其实仅仅只是悬浮在空中一个定点而已：它看起来是活泼动态的，其实仍然处于一种动态的静止状态中。
这种动态的静止状态是否就是深奥的适者生存标准呢？如果是这样的，那这就是另一种适者生存法则的表现形式。也就是说适者生存还可以有这样一个版本：我们摆脱平衡状态的速度越快，我们就越适合生存的环境。事实上，1977年的诺贝尔化学奖获得者laureate Ilya Prigogine早就已经在有关生物的研究中用到这个观点了。他认为，自然总是选择所产熵值最大的适者生存，因为它们能在最短的时间内最快的调整至无序的状态。除了一些支持此观点的理论依据，能够支持此观点的实验证据少之又少。事实上，现有的一些实验依据恰恰是与此理论相悖的。这可能是因为熵值的精确测量是有难度的。当然，这也有可能意味着这条法则是有漏洞的。
最近一次有物理学家尝试把生物学从独立出来，是以色列物理学家阿迪·普洛斯，他认为正如静物以增大熵值的方式遵循热力学定律，生物也在不断增强他所谓的“动力学稳定性”。然而这与增大熵值并不是完全一样的。根据热力学第二定律，所有的静物最终都会不可避免地被动地达到平衡状态，而生命系统却不同，它能达到动态的稳定状态，只是它需要不断地运转以保持这种动态稳定状态。这种动态的稳定状态是脆弱的，因此它需要不断地重建。照片上拍打翅膀的鸟儿其实仅仅只是悬浮在空中的一个定点而已：这需要高超的平衡技术，而且它尽管看起来是活泼动态的，其实仍然是处于一种动态的静止状态中。
如果普洛斯的观点是正确的，我们也许就可以用化学的观点来解释生物进化学中的一些关键点了。而假如我们又可以用量子力学的观点来解释某些化学观点，我们似乎就可以直接用量子力学来解释生物学了。这可能会成为一项伟大的成就，但是就像所有的其它伟大成就一样，疑问必然会接踵而至。
我们一开始就有提到，区分生命和非生命系统的关键之处，就在于生命是有目的性。如果生物学被直接纳入到量子力学范畴内，而传统的量子力学研究对象，如原子和分子，它们不存在任何目的性，那么转化要在哪里进行？又是什么促使自然界达成动态稳定？要回答这些问题，一个简单地方法就是把目的性仅仅看成一种错觉。普洛斯也许会说，这只是一种由过于复杂的化学反应引起的自然属性。但是如果我们一开始就以这种目的性的存在定义为生命，也许我们就不会这么轻率地下定论了。
我并没有试着回答上述这些问题。另一方面，这些科学学科的交叉区域的发展速度（不仅仅是量子生物学），让我很乐观的相信我们迟早会得到一些答案的。目前来说，我们只能坚持继续探索，这对我们生命体来说是最自然不过的事情了。
发表于 2012年11月27日
