汤超:从物理学理解生命的奥秘

作者: 汤超

来源: 何帆研究札记

发布日期: 2016-01-12

北京大学定量生物学中心主任汤超教授在财新智库举办的第二期“金融圈读书会”上对薛定谔《生命是什么》一书作了精彩解读。借由汤超从物理学和生物学结合的视角,我们可以一窥经典之堂奥,走进薛定谔的科学王国,探索人类生命的奥秘。

北京大学定量生物学中心主任汤超教授在财新智库举办的第二期“金融圈读书会”上对薛定谔《生命是什么》一书作了精彩解读。借由汤超从物理学和生物学结合的视角,我们可以一窥经典之堂奥,走进薛定谔的科学王国,探索人类生命的奥秘。

薛定谔是一位物理学家。他希望从物理学的角度去理解生命是什么。为什么薛定谔认为物理学能够对理解生命的本质提供独特的启发?这要从什么是物理学讲起。现代物理学的起源,是从观察天体开始的。

好奇心是人类的天性,我们的祖先在远古时代就开始观测天象,并试图理解宇宙的秩序。早期的理论是“地心说”,即认为地球是宇宙的中心。但是,这一假说和一些观测到的天文现象不符,比如,行星有逆行现象,如何解释这一现象?天才的天文学家托勒密修正了“地心说”,提出每个行星都在“本轮”上匀速转动,而本轮中心又在“均轮”上绕地球转动。这套理论较好地描述了天体运行的轨道。

物理学家有一句玩笑,说在物理学家看来,所有的问题都是物理学的问题。薛定谔觉得,物理学一定能对理解生命的本质有帮助。在薛定谔的时代,科学家还没有完全理解遗传的物质基础是什么。人们还不知道DNA是长链条双螺旋结构,也不知道DNA的内部组成成分,不知道遗传物质是核酸。当时的技术条件仅仅能识别染色体。薛定谔注意到,生物学家会用X射线引发突变。

他进一步发现,X射线能够影响到的原子数量很少,也就是说,一个突变涉及的原子数量很少。但为什么却会引起这么大的影响?X射线照过去,就会让果蝇要么长不出翅膀,要么没有眼睛。

薛定谔在本书中提出的另一个革命性观点是“负熵”。按照热力学第二定律,熵增是一定会发生的,熵增过程是一个自发的由有序向无序发展的过程,最终归于热寂。那么,生命为什么能够做到从无序到有序,并能够生生不息?

薛定谔认为,生命体是处于一个开放状态下,不断地从环境中汲取“负熵”,这种“新陈代谢”使得有机体成功地消除了当它自身活着的时候产生的熵。普利高津后来提出了“耗散结构”,试图解释无序如何能达到有序,但他的理论并不完美。这一机制到底是怎么作用的,我们尚未完全理解。

生命科学的迅猛发展,有可能会引发一场新的技术革命,对我们的生活、经济都会带来巨大而深远的影响。

基因组测序的技术发展很快,未来基因组测序的成本可能大幅度降低,并对医疗行业带来很大的影响。合成生物学也出现了突破性的进展。现在,有些公司在尝试让细菌吃木头,产生酒精,然后再用酒精做能源。基因编辑技术也将出现革命性的突破,但这将引起更多的科学伦理争议。我们必须在进一步推动科学研究的同时,加强对科学伦理的研究和讨论。

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