量子物理學可也解釋生命嗎

隨著對環境和我們自身的理解的深化，我們發現，與以前相比，傳統學科之間出現了更多的共同點。物理學研究物質和能量的基本屬性，及其相互作用的方式；化學研究的是各種原子

如何聚集到一起並形成更為複雜的分子，以及這種過程對生成物的影響。這兩門學科之間的共同點，是它們所研究的對象主要是無生命的物質。

生物學的研究對象是生物。我們目前遇到的主要障礙是，在自然界，無生命的物質似乎全部遵循各種自然規律，而生物則似乎有它們自身的意志。「目的性」這個詞是對其意志所做的最好的闡釋，也是最佳定義。它們努力去做一些事情，充分利用自然規律來實現自己的目標。同樣的事情不會發生在無生命的物質身上。

物理學與化學之間的關聯比它們與生物學的關聯密切得多，這沒什麼好驚訝的。很少有科學家會否認量子物理學全面解釋了許多化學定律，生物學卻似乎得另當別論。生物學的某些部分看起來是與化學脫離的，更不要說將其簡化成量子物理學了。

人們認為，某些鳥類在遷徙過程中會利用奇特的量子效應來探測地球引力。

以進化論為例。首先，假設有一種具備繁殖能力的原始生物，它的後代會發生一定比例的基因隨機突變，某些環境因素會使一些突變發展得比其他部分更好。將這些條件結合起來，我們可以預見，將有一些更為複雜的生物（雖然最簡單的生物似乎仍佔主導地位）出現。毫無疑問，達爾文的觀點對我們周圍的所有生物的複雜性做出了最佳解釋。我們知道，物種通過各種基因突變發生變化，一些新的物種之所以能生存下來，是因為它們比對手更能適應所生存的環境。但是，適者生存的「法則」是否像化學一樣，也遵從量子物理學的基本定律呢？

各種生物系統是否能利用量子物理的奇異性來提高它們生存的機會？對這一問題的簡單回答是：是，它們似乎可以做到。有證據證明，即使最不尋常的量子效應，即量子糾纏，

也可以被正在進行光合作用的植物加以利用，將光能以最有效的方式引向產生能量的部位。相應地，人們認為，一些鳥類在遷徙過程中會用奇特的量子效應來探測地球引力。量子物理學給各種生物系統帶來了效率優勢，使得生物系統可以同時執行幾個任務。這些發現令人振奮，並激發了一個新興的領域，即量子生物學，也引起了越來越多的科學家及公眾的關注。

但是，這與將生物學簡化成物理學毫無關聯。生命體也會利用經典力學和地心引力，但這並不意味著經典力學和地心引力能夠解釋生物自身的進化。生命體可以與所有物理學原理相一致，但我們仍然需要物理學之外的原理來解釋生命體。事實上，大多數生物學家都認為，在某種程度上，生命體必須遵循所有的物理學法則，所以生命體的確與物理學的法則相一致。生命體不僅利用物理學法則，而且也受其影響，環境會通過物理學影響生命體。

生物在保留自身特殊性的同時，也會和非生物互相作用。我們想知道的是，它們之間的差異能否得以維持？作為生物理論支柱之一的進化論是否完全是物理學上的推論？如果是，那是不是量子物理學上的推論？

乍看之下，這似乎不可能。量子物理學的鼻祖是一位名叫尼爾斯·玻爾的丹麥人。

1932年，他在一次題為「光和生命」的演講中對此進行了更深層次的探究。他認為，我們不能通過探究活的生命體來理解生命，即使在原則上也做不到。用玻爾的話來說，「生命的存在必須被看作一個無法解釋的基本事實」。雖然在玻爾看來，普朗克常數「在經典物理學的視角似乎是一種非理性的元素」。因此，生命體也必須被看作生物學中一個無法解釋的起點。

玻爾的觀點顯然是悲觀的，其他人對科學領域的統一有著更高的期望。他們樂觀地認為，量子物理學用隨機性解釋微觀層面上的單個原子和分子的行為，我們也可以用這種隨機性來理解基因突變這一生物學上的概念——儘管「生物上的隨機性」與「量子物理上的隨機性」可能大相徑庭。

一個顯著的區別是，自然選擇的進化原理在物理學上並沒有與之對應的原理，處於不同狀態的非生物並不是根據任何適應性的參數被選中的。

奧地利的物理學家路德維希·玻爾茲曼首次從微觀視角來認識處於不同平衡狀態的無機質，

即一直處於穩定狀態的非生物。在19世紀70年代，玻爾茲曼解釋了熱力學第二定律，即當一個系統處於孤立狀態時，其混亂程度一直在上升。在他的邏輯中，物質的巨集觀狀態僅僅是數量眾多的微觀狀態的集合。想像一下擲兩個骰子的情形。如果必須押一個具體的數字，那麼應該選「7」。原因很簡單：有6種不同的組合可以得出「7」這個數，任何其他數字的組合幾率都相對小一些。同樣，隨機組合的微粒在集合過程中容易發生混亂，原因是讓微粒處於混亂狀態的方式在數量上要多於讓其處於有序狀態的方式。我們怎樣才能將這一定律與生物系統聯繫起來呢？

玻爾茲曼也是在第二定律框架內探討生命的第一人，他說：「生物為生存所做的鬥爭一般都不是為了爭奪原材料，而是空氣、水和土壤，這些物質都是大量存在的；它們爭奪的也不是能量，因為能量以熱量的形式大規模存在於任意生命體內。它們爭奪的是（負）熵，是通過將來自炙熱的太陽的能量傳遞給冰冷的地球而產生的。」

在玻爾茲曼看來，生命體一直都在儘力遠離平衡，遠離無生命的物質。為此，生物必須從環境中吸收能使熵降低的東西，從而減少其混亂程度。量子物理學的另一位先驅是奧地利物理學家埃爾溫·薛定諤。他強調，生物儘力將自由能最大化，而自由能就是做有用功所需的能量。

鳥類通過不停地拍打翅膀停在空中的某個位置。儘管它明顯是動態的，但它最終仍處於一種靜止的狀態。

這可能是讓我們難以捉摸的適應性參數嗎？如果是，它必須重新表述適者生存的生物學原理。試試這個版本吧：我們越快達到一種遠離平衡的狀態，就越能適應周圍環境。事實上，於1977年獲得諾貝爾化學獎的伊利亞·普裡高津已經預見了這種研究生物學的思維方式。

他認為，大自然會選擇那些將熵的總量最大化的適應性變化，以及能最快產生混亂的動力學。但是迄今，除了一些理論論據支持這種觀點外，還沒有什麼實驗證據能證明其正確性。這可能是由於任何精確的方式都難以測量熵的總量，但更可能的是，這一觀點本身存在一些問題。

目前，正試圖從物理學角度觀察生物學的是以色列的物理學家阿迪·普羅斯。他表示，與無機物通過將熵最大化來使自己符合熱力學定律一樣，生命體也努力將它的「動力學穩定性」最大化。這與將熵的總量最大化並不相同，各種生物系統並不像無生命的物質那樣必須遵循第二定律，並處於一種被動的平衡狀態。它們能達到一種動態的穩定狀態，為了維持這種狀態，必須永不停止地運作。動態的穩定狀態是脆弱的，需要不斷重建才行。鳥類只有不停地拍打翅膀才能停在空中的某個位置。這需要小心地使身體保持平衡，儘管它明顯是動態的，但它最終仍處於一種靜止的狀態。

如果普羅斯是正確的，那我們就有理由將進化生物學的主要特徵簡化為化學，從而獲得將生物學同量子物理學聯繫在一起的可能性。這將是一個了不起的成就。然而，如同所有偉大的成就一樣，它也存在許多問題。

開始時我們說過，將生物系統與非生物系統區分開來的是目的性。如果生物學能簡化為量子物理學，而一些像原子、分子之類的典型量子物體並沒有目的性，那麼轉換從何而來呢？實現動力學穩定性這一狀態的「願望」又是從哪兒來的呢？當然，這將我們帶回了起點。普羅斯可能會說，在化學變得足夠複雜時就會出現一種自然屬性。但是，考慮到這種目的性是我們認識生命的最初方式，也許我們應該抵製那些會使我們輕易偏離這種目的性的結論。

我不會假裝自己知道所有問題的答案。從另一方面來說，在那些跨多門學科的領域裡，尤其是量子生物學，我樂觀地認為我們遲早會有收穫，目前需要的只是繼續努力。如同生命體一樣，這一點似乎會自然而然地來到我們身邊。

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