2019年11月01日 星期五
物理学家为什么关注生命科学
□ 尹传红

    (上接2019年10月25日本报3版文章)

    生命,哪怕是最简单的生命体,都像精密的机器一样复杂。这令法国分子生物学家、诺贝尔医学或生理学奖得主雅克·莫诺感到十分惊讶和惶恐,他将地球上生命的诞生看作是一种难以置信的偶然。“人类孤独地存在于无尽的宇宙中,并毫无防备地成为其中最特别的那部分。”

    奥地利物理学家斯特凡·克莱因则在《诗意的宇宙》一书中调侃说,一连串不寻常的事件促成了他的降生——从远古时代一颗巨大的陨石撞击地球到恐龙灭绝,从月球的诞生及其对地球之影响到大陆板块的漂移、原始单细胞生物的形成……,所有上述事件单独拎出来都非常惊人。这一切只要稍有差池,人类就不可能出现在地球上。唯独在我们的星球上出现了生命,这真是难以想象。“于是,我们不禁会想,这一切的背后是否有一只排兵布阵、运筹帷幄的手。”

    英国物理学家史蒂芬·霍金也表达了这个意思。在《大设计》一书中他指出,能够支持智慧观察者的复杂结构的出现,似乎是非常脆弱的。自然定律形成了一个极端仔细微调的系统,在不毁灭我们所知道的生命发展的可能性下,物理定律所能改变者微乎其微。若非在物理定律的精确细节上的一系列令人吃惊的巧合,人类和类似的生命形式似乎是永远都不可能形成的。

    我们只能承认地球上的生命是一场极为罕见、在整个宇宙里只可能发生过一次的化学意外的产物吗?在英国物理学家保罗·戴维斯眼中,这并不尽然。他认为,即使生命没有被写入任何已知的物理、化学或进化理论的描述中,有一类生物决定论仍然可能是最终答案,物理或化学定律或许是用来解释生命的硬件部分——构成生命的物质,但核心的软件部分,或者说信息成分,是可以从信息理论中得出的。生命,说到底是一种对复杂信息的处理。既然(到目前为止)生物信息并不是以物理或化学规律来表述的,那么,它从何而来?或许我们要到信息论和复杂性理论领域中寻求解答。

    另一位英国物理学家凯莱布·沙夫一直也十分关注生命科学。他在与同行的交流中,得出了一个结论:生命总是发生在边缘地带,而无论边缘地带处于何处。这意味着生命就是一系列介于有序和混沌之间边缘地带的现象。而且,错综复杂的生物结构系统,能够自发地从很多简单规则和定律的综合结果中产生。所有这一切,这些简单的规则和行为——原子、分子和热力学系统的规则和行为,能够产生大量的复杂性和混沌。这样的混乱也会产生一些未曾预料的结构,并且“自组织”成一些更有效的新物质。

    而一些化学、生物和行星的观测结果表明,生命机制是我们所知的宇宙中并不令人惊奇的延续,宇宙的元素和化学性质产生了形成地球上的生命所必须的构成要素。这是基本的潜在过程,生命通过交错互锁的新陈代谢过程,搭载到这一相同的化学基础上。从这种意义上来说,地球上的生命没有明显的特别之处。从星际太空到原行星系统,原子材料到处可见,并留存在太阳系原始的陨石残骸和彗星物质中。此外,我们所知的关于行星形成的事实表明,这样的机制能够轻易地调整早期岩质行星的条件,使之适用于生命起源。而且,宇宙中普遍存在的物质与形成行星(比如地球)上生命的分子和热力学组成物之间并没有什么界限。

    尽管科学界已经广泛接受“我们需要将生命重构为一种物理现象”这一观点,但事实证明,科学家还是常常低估了全面理解生命本质的难度。保罗·戴维斯称:试图寻找非生命与生命之间存在的“切实的链接”,并在单一理论框架下将两者连接起来的研究,已经产生了一个全新的跨界科学领域,它融合了生物学、物理学、计算机科学和数学。该领域不仅旨在对生命做出终极解释,而且还希望开启新的应用场景。这一变革背后的统一概念就是信息。生物系统正是通过将信息整合成有序模式的方式,在分子领域的混沌中形成了生命的独特秩序。如今,许多物理学家对于围绕信息概念构建物理学和生物学的大统一抱有极大的热忱。“生命是物理学的下一个重大前沿领域!”

    生命诞生的不可思议,物种演化的卓绝传奇,生物多样性的真实图景,大千世界的玄妙奥秘,皆在人类生命探究的伟大史诗中展露无遗。是时候以多元的视角重新瞻望“生命之树”,进而以全新的方式看待这个世界了。(下)   

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